Forschung

In meinen Forschungsprojekten geht es vor allem um medizinische Anwendungen und Analytik mittels Infrarot-Spektroskopie.

Medizinische Analytik basiert bisher in den meisten Fällen auf klinisch-chemischen Methoden, die auf spezifische Reagenzien angewiesen sind. Dies führt dazu, dass die Analytik entweder schnell und vor Ort mittels relativ ungenauer Test-Streifen durchgeführt wird oder unter Verwendung von teuren Labor-Automaten, die sich nur bei entsprechend hohem Probendurchsatz wirtschaftlich betreiben lassen. Daher müssen biologische Proben in der Regel zunächst an ein Labor geschickt werden, was eine Verzögerung der Ergebnisse zur Folge hat. Kontinuierliche Messungen sind – wenn überhaupt – nur unter sehr hohem Aufwand möglich. Optische Methoden wie die Infrarotspektroskopie erlauben die Analytik von biologischen Proben ohne Reagenzien, mit geringen Probenmengen und direkt am Patienten („Point-of-Care“). Auch kontinuierliche Messungen lassen sich leicht realisieren.

Infrarotspektroskopie

Infrarotspektroskopie wird auch als Schwingungsspektroskopie bezeichnet, bei der Bindungen innerhalb von Molekülen zu Schwingungen angeregt werden. Im mittelinfraroten Spektralbereich (bei Wellenlängen um 10 µm) werden die Grundmoden dieser Schwingungen angeregt, die für Moleküle sehr charakteristische Spektren liefern. Aufgrund dieser Spezifität ist es möglich, aus einem einzelnen Spektrum einer Probe die Konzentrationen von mehreren Inhaltsstoffen zu bestimmen. Das System muss hierfür lediglich einmalig „angelernt“ werden. Hierzu werden mathematische Methoden zur multivariaten Analyse (wie Partial-Least-Squares-Regression, PLSR) verwendet.

Die starke Absorption des in biologischen Proben hauptsächlich enthaltenen Wassers führt dazu, dass bei Transmissionsmessungen nur dünne Schichtdicken verwendet werden können. Um dieses Problem zu umgehen, wird als Probeninterface die sogenannte „Abgeschwächte Totalreflexion“ (ATR) verwendet. Der Infrarotstrahl wird dabei durch einen Kristall geleitet, so dass es an den Grenzflächen zur Totalreflexion kommt. Der Strahl dringt dabei (als „evaneszente Welle“) ein kleines Stück in das andere Medium ein und kann dort mit ihm wechselwirken. Die Eindringtiefe liegt bei wenigen µm, so dass auch mehrere Reflexionen verwendet werden können, um die Empfindlichkeit zu steigern. Flüssige Proben können so sehr einfach gehandhabt werden und es bieten sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten, von denen einige im Folgenden kurz vorgestellt werden sollen. Die vorgestellte Messmethode ist dabei nicht auf die gezeigten Anwendungsfälle beschränkt, viele weitere Anwendungen zur Analytik sind denkbar.

Dialyse-Monitoring

Bei der Blutwäsche gehen die Giftstoffe aus dem Blut des Patienten über einen Filter in die Waschlösung, das sogenannte Dialysat, über. Dabei findet in der Regel keine Überwachung des Entgiftungsprozesses statt, es werden maximal einzelne Proben analysiert. Mittels Infrarotspektroskopie ist hier eine kontinuierliche Analytik des Dialysats möglich, in dem eine Durchflusszelle im Dialysat-Ablauf eingesetzt wird. Das System ist damit universell an jeder Dialysemaschine einsetzbar. Nach den erfolgreichen Messungen bei ambulanten Dialyse-Behandlungen werden nun weitere Messungen am Patienten bei Intensiv-Dialysen (CVVHD) durchgeführt. Diese laufen bis zu 72 Stunden kontinuierlich und erfordern eine intensivere Überwachung aufgrund des teilweise kritischen Zustands der Patienten. Zunächst soll der Zeitverlauf von Laktat und Glucose bestimmt werden, im Falle der Antikoagulation mittels Citrat soll dieses ebenfalls bestimmt werden. Bei den ambulanten Behandlungen wurden darüber hinaus Harnstoff und Creatinin kontinuierlich bestimmt. Die Messungen an Intensivpatienten erfolgt in Kooperation mit der Nephrologie und der Intensivmedizin der Uni-Klinik Frankfurt (Prof. Dr. Geiger, Prof. Dr. Dr. Zacharowski).

Blut-Analytik

Die Infrarotspektroskopie in Kombination mit der ATR-Technik erlaubt die Analyse von kleinen Blutmengen (etwa 10 µL, z.B. aus der Fingerbeere). Derzeit lassen sich auf diese Weise aus einem Tropfen Blut acht Blutparameter bestimmen: Glucose, Harnstoff, Triglyceride, Cholesterol, Albumin, Gesamtprotein, Hämoglobin und Immunglobulin G. Neuartige ATR-Elemente aus Silizium mit speziell strukturierter Oberfläche werden derzeit charakterisiert und ermöglichen Messungen im Blutplasma ohne vorherige Separation. Die ATR-Elemente werden dabei von der Firma IRUBIS GmbH zur Verfügung gestellt. Die geringe Probenmenge führt dabei neben der Reduktion von potenziell infektiösem Abfall ebenfalls zu einer Verringerung der insgesamt vom Patienten benötigten Blutmenge. Dies macht die Technik ebenfalls sehr interessant für die Neonatologie oder bei der Blutanalytik von kleinen Versuchstieren wie Mäusen.

Urin-Analytik

In Kooperation mit der Nephrologie der Uni-Klinik Frankfurt (Prof. Dr. Baer) finden derzeit verschiedene Projekte in Bezug auf Nierenfunktion und Urin-Analytik statt. Dabei soll sowohl die Möglichkeit einer quantitativen Urin-Analytik ohne Teststreifen untersucht werden als auch die Bestimmung von Biomarkern im Urin für akutes Nierenversagen. In einem grundlagenorientierten Projekt soll der Glucosetransport durch humane Tubulusepithelzellen charakterisiert werden, beispielsweise in Anwesenheit von SGLT-2-Hemmern wie Empagliflozin.