Spektroskopie – Glukosemessung - Biosensoren Sommersemester 2007

1. Spektroskopie –Glukosemessung -BiosensorenSommersemester 2007

2. Spektroskopie = Verfahren zur Ermittlung der stofflichen Zusammensetzung • Spektroskopische Verfahren basieren auf der Wechselwirkung zwischen energetischer Anregung (elektromagn. Strahlung, Elektronen, Ionen) • und den Molekülen, Ionen oder Elektronen • der zu analysierenden Probe. • Entsprechend der jeweiligen spektralen Bewertung unterscheidet man: • Absorptionsmessung bzw. Absorptionsspektroskopie, • Transmissionsmessung bzw. Transmissionsspektroskopie, • Emissionsmessung bzw. Emissionsspektroskopie, • Reflexionsmessung bzw. Reflexionsspektroskopie, • Fluoreszenzmessung bzw. Fluoreszenzspektroskopie.

3. Molekulare Endospektroskopie IR-Spektren um 1 µm von gesundem Hirngewebe und von Hirntumoren Mikroskopaufnahme eines Hämatoxylin-Eosin gefärbten Gewebeschnittes einer Hirntumor-Metastase (oben). Score-Plot einer Hauptkomponentenanalyse von IR-Spektren eines ungefärbten Gewebe-schnittes (unten). Quelle: C. Krafft, A. Weber, W. Steller unter http://analyt.chm.tu-dresden.de/analyt/german/forschung/endospec_deu.html

4. Veränderung des Magnetisierungsvektors durch Einstrahlung eines HF-Signals

5. V. Vogel and G Baneyx: The Tissue Engineering Puzzle: A Molecular Perspective. In: Martin L. Yarmush; Kenneth R. Diller; Mehmet Toner (Editors): Ann. Rev. Biomed. Engin. 5 (2003) 441-463. ANNUAL REVIEWS, Palo Alto, USA.

6. Ausrichtung von Zellen an Mikrostrukturen Zelllinie M2-10B4

7. K. Eshraghian, Proc. IEEE 2004: Systems-on-a-chip

8. K. Eshraghian, Proc. IEEE 2004: Systems-on-a-chip

10. Charakterisierung der elektromagnetischen Strahlung, die in verschiedenen Messmethoden verwendeten Spektralbereiche und die zugehörigen Informationsgehalte

11. Methoden zur Bestimmung der Struktur und der chemischen Zusammensetzung von Oberflächen Erklärung der Abkürzungen: AA Atomic Absorption AES Auger Electron Spectroscopy EPM Electron Probe Microanalysis ESCA Electron Spectroscopy for Chemical Analysis IIX Ion Induced X-Rays IPM Ion Probe Microanalysis IR Infrared Spectroscopy ISS Ion Scattering Spectroscopy LEED Low Energy Electron Diffraction LIMA Laser induced Ion Mass Analyzer Raman Raman Spectroscopy RBS Rutherford Backscattering Spectroscopy RHEED Reflexion High Energy Electron Diffraction SAM Scanning Auger Microanalysis SCANIIR Surface Composition Analysis by Neutral and Ion Impact Radiation SEM Scanning Electron Microscopy SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry SNMS Secondary Neutrals Mass Spectrometry STM Scanning Tunnel Microscopy TEM Transmission Electron Microscopy UPS UV-Photoelectron Spectroscopy UV UV- Spectroscopy XPS X-Ray Photoelectron Spectroscopy XRD X-Ray Diffraction XRF X-Ray Fluorescence Spectroscopy

12. Bereits besprochen: • TEM - Transmissions- • elektronenmikroskopie • SEM - Rasterelektronenmikroskopie • STM - Scanning tunnelling microscopy

13. Transmissionselektronenmikroskopie TEM Elektronenstrahl (Wolframkathode) Ausleuchten des ganzen Objektes Stereomikroskop oder Kamera

14. Rasterelektronenmikroskopie REM (SEM) Elektronenstrahl wird auf einen Punkt der Objektoberfläche fokussiert Signal wird als Punkt abgebildet Führt den Elektronenstrahl Punkt Für Punkt über das Präparat Gestreute Elektronen werden in einem Detektor gesammelt

15. Rasterkraftmikroskop - AFM (Atomic Force Microscope) Abtasten der Oberfläche mit einer sehr feinen Spitze Quelle: http://www.htw-dresden.de/mb/w511_lab.htm

16. Rastertunnel Mikroskopie - STM (Scanning Tunneling Microscopy)

17. Rastertunnel Mikroskopie - STM (Scanning Tunneling Microscopy)

18. Prinzip der Infrarot-Spektroskopie

19. Prinzip der Infrarot-Spektroskopie Anregung polychromatisch: VIS oder MIR (Globar: Si-carbid, 1500 Kelvin)

20. Prinzip der Infrarot-Spektroskopie Interferogramm Spektrum

21. FTIR-Spektroskop • Lichtquelle • Ellipsoidspiegel • Blendenrad • Parabolspiegel • Interferometer: • 5 Strahlteiler • 6 Referenzarm • Messarm • 8 Parabolspiegel • 9 Probenraum • 10 Probe • 11 Ellipsoidspiegel • Detektor • 13 – 17 Positionierlaser

22. FTIR-Spektroskop

23. Prinzip der Raman-Spektroskopie

24. Raman-Spektroskopie - Energieniveaus

25. Messaufbau Raman-Spektroskopie

26. Arbeitsplatz - Raman-Spektroskopie

27. Prinzip der Secondary Ion Mass - Spectrometry

28. Prinzip der Secondary Ion Mass - Spectrometry • Cesium ion source • Duoplasmatron • Electrostatic lens • Sample • Electrostatic sector – • ion energy analyser • 6 Electromagnet – • mass analyser • 7 Electron multiplier / • 8 Channel-plate / • Fluorescent screen – • ion image detector

29. ESCA Elektronen Spektroskopie für die chemische Analyse

30. ESCA Elektronen Spektroskopie für die chemische Analyse

31. ESCA Winkelabhängige Photoelektronenspektroskopie

32. ESCA Elektronen Spektroskopie für die chemische Analyse

33. ESCA Elektronen Spektroskopie für die chemische Analyse

35. Bereiche des Vorherrschens von Photoeffekt - Comptoneffekt - Paarbildung

36. Wechselwirkung - Photoeffekt Mechanismus: Das vollständig absorbierte Anregungs-Photon überträgt seine Energie auf ein Hüllenelektron der bestrahlten Materie. Es löst dadurch das Elektron aus der Atomhülle und beschleunigt es. Dieses herausgelöste Elektron, auch Photoelektron genannt, verlässt die Schale in einer Richtung, die energieabhängig ist. Das dabei entstehende Elektronenloch wird durch ein weiter außen befindliches Hüllenelektron aufgefüllt. Anregungsbedingung: Energiebilanz:

37. Folgeprozesse des Photoeffekts: • Die beim „Auffüllen des Elektronenlochs“ • frei werdende Energie ... • wird abgestrahlt als sekundäre Röntgenstrahlung, • = charakter. Rö-Str.; = RÖ-Fluoreszenz-Strahlung, • löst weitere Elektronen niederer Energie heraus, • = Auger-Elektronen,

38. Beer-Lambert-Gesetz Lösung µa I0 I Küvette d ci - Stoffkonzentration in Lösung ai - molarer Absorptionskoeffizient NIR-Spektroskopie

39. Absorptionsspektrum Muskelgewebe Absorptionsspektrum Muskelgewebe 0 Melanin / Lipofuszine Bilirubin -0.2 Indocyaningrün (Cardiogreen) Cytochrome -0.4 Myoglobin Extinktion (a.u.) -0.6 Hämoglobine (Hb, HbO2, HbC0, FHb, MetHb) -0.8 Wasser H2O Hb -1 HbO2 400 500 600 700 800 900 1000 l (nm) NIR-Spektroskopie: Bestimmung von chemischen Konstituenten einer Probe nach Art, Anzahl und Konzentration durch Messung der Schwächung optischer Strahlung im Wellenlängenbereich 600nm - 1300nm.

40. 7 10 6 10 5 10 H2O 4 Absorptionskoeffizient (1/cm) 10 Hb 3 10 HbO2 2 10 1 10 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 l (nm) UV IR VIS NIR Gewebe Eindringtiefe: 1cm -5cm <1mm <1mm 1mm-10mm Absorption und Eindringtiefe

41. Glukosemessung - Biosensoren

42. Gliederung der Lehrveranstaltung„Glukosemesstechnik“ • Laborautomaten und stand by Geräte • 1.1 historische Verfahren • 1.2 enzymatische Methoden • 1.3 Photometrie – Auswertung spezifischer Farbreaktionen • Home care Geräte • 2.1 invasive Verfahren • 2.2 minimal-invasive Verfahren • 2.3 nichtinvasive Verfahren • Online Monitore / implantierbare Sensoren • 3.1 elektrokatalytische Methoden • 3.2 enzymatische Methoden • 3.3 optische Methoden

43. Zitronensäurezyklus Atemkette

46. Diabetes mellitus ist eine der weitverbreitetsten Krankheiten der modernen Wohlstandsgesellschaft – Weltweit sind 170 Millionen Menschen betroffen.

47. Diabetes mellitus = relativer oder absoluter Insulinmangel