Printausgabe als PDF - GIT

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Printausgabe als PDF - GIT
D 30 121 E
56. Jahrgang
Februar 2012
2
Schwerpunkt Massenspektrometrie
Elektrochemie
Lebensmittelanalytik und -Technologie
Einrichtung und Technik
Zellbiologie
Titikshas Qualitätsanspruch für Ihr Labor:
Mein Professor am College
hatte Recht: Wenn ich einmal
Sartorius Qualität erlebt hätte,
würde ich nie mehr
etwas anderes wollen.
Titiksha Patel
Vertrieb, Sartorius USA
Sartorius Qualität ist sprichwörtlich. Mehr noch:
Produkte wie die Cubis® setzen Maßstäbe. Technik und
Ausstattungsmerkmale dieser Laborwaage sind einzigartig
und dokumentieren die konsequente Anwenderorientierung
aller Sartorius Produkte. Mehr über Titiksha und das Sartorius
Lab Innovators Team unter www.sartorius.de/lab-innovator
Weighing | Lab Water | Filtration | Ultrafiltration | Moisture Determination | Cell Culture | Microbiology
Editorial
Sparen kann
teuer werden
Zum Beispiel kann das permanente Streben nach
billigerem Einkauf viel Geld kosten. Ein großer
Hersteller von Elektrogeräten ließ sich z. B. extern in Sachen Umweltschutz beraten. Der Berater kam zu dem Schluss, dass das Unternehmen
sehr viel Geld sparen kann, wenn man beim Einkauf einer Reihe von Kunststoffkleinteilen mehr
ausgibt und sie in der Nähe des Werkes von ganz
bestimmten Herstellern einkauft. Diese konnten
eine konstante Qualität und mehr der benötigten Teile aus den gleichen Kunststoffen herstellen und so die Gesamtzahl der verwendeten
Kunststoffe deutlich reduzieren. Der Preis für
diese Teile lag dann jedoch sehr deutlich über
dem zuvor bezahlten. Auf die Frage ob er das
Unternehmen ruinieren wolle, erwiderte der Berater, dass die möglichen Einsparungen durch
nicht mehr notwendige Sicherheitseinrichtungen
für Umwelt und Personal ein Vielfaches über den
Ausgaben für die höheren Preise liegt. Die Umsetzung der Vorschläge führte sowohl zu einer
Preisreduzierung des Produktes, als auch zu einer Steigerung der Marge.
Angesichts von möglichen wirtschaftlichen
Eintrübungen wird auch gerne an Werbung
gespart. Schon Henry Ford wusste um die Bedeutung von Werbung wie die folgenden Zitate
gut belegen: „Ich weiß, dass die Hälfte meiner
Werbung rausgeschmissenes Geld ist, ich weiß
nur nicht welche Hälfte. „Wer aufhört zu werben, um Geld zu sparen, kann ebenso seine Uhr
anhalten, um Zeit zu sparen“.
Werbung dient ja „nur“ dem Image. Die drei
Unternehmen mit dem besten Image in einer
Branche verdienen aber den allergrößten Teil des
Kuchens. Dass Ford für Werbung viel Geld ausgab, machte ihn zu einem unermesslich reichen
Mann. Heute ist Ford immer noch die Nummer
5 im Geschäft, die Wirkung eines guten Images
hält wohl auch recht lange an.
Es gibt Firmen die, um zu sparen, keine Skonti auf kürzere Zahlungsziele mehr gewähren. Im
Glauben etwas sparen zu können, verärgert man
seine Kunden und wirft Kosten für Kredite auf.
Schließlich sind Skonti nichts weiter als die Weitergabe eines Teils der durch pünktliche Zahlung
gesparten Kosten. Ein Kunde der über Jahre hinweg pünktlich zahlt und dafür ein paar Prozent
Skonto spart, wird ein Wegfallen seines Skontos
aber als Preiserhöhung wahrnehmen und sich
nach einem neuen Lieferanten oder Dienstleister
umsehen.
Ausgabensperren sind ein weiteres beliebtes
Mittel, um Kosten zu sparen. Werden aber sinnvolle Investitionen oder Einstellungen verzögert,
schafft man die Arbeit nicht mehr pünktlich oder
die Qualität leidet. In beiden Fällen wird man
Kunden verlieren. Gerne machen Unternehmen
Henry Ford, 1863–1947
das auch im Vorfeld von Akquisen. So verkleinert
man sein Kerngeschäft, weil man sein Geschäft
erweitern will.
Viele Menschen sparen noch immer auf Sparkonten, dabei liegen die Zinsen dort unter der
Inflationsrate. Das Geld auf dem Konto wird also
nach und nach weniger Wert. Sparkonten sind
also eine sichere Art, sein Geld loszuwerden. Die
Bank jedenfalls investiert das Geld der Sparer
und streicht die Gewinne ein.
Wenn man Geld sparen möchte, sollte man
sich ganz genau überlegen, was die Folgen der
geplanten Handlungen sind, nicht anders als
bei anderen Entscheidungen auch. Hierfür muss
man sehr genau recherchieren und rechnen. Wer
glaubt, dass man, wenn man weniger Geld ausgibt, automatisch spart, der schmeißt – ohne es
zu wissen –, Geld zum Fenster raus.
Dr. Arne Kusserow
Chefredakteur
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 71
Inhalt
EDITORIAL
DREAMS
Sparen kann teuer werden
Dr. A. Kusserow
EINRICHTUNG UND TECHNIK
Ungeduldige Forscher träumen mit
71
Bestimmung langlebiger Radionuklide mit
Drinnen oder Draußen
Beschleunigermassenspektrometrie
Die Lagerung von Druckgasflaschen
Dr. S. MERCHEL
88
M. KRAWETZKE
108
MAGAZIN
Life Sciences im Verein Deutscher
Ingenieure (VDI)
DR. M. FOLLMANN
74
ELEKTROCHEMIE
ZELLBIOLOGIE
Kopplung von Elektrochemie und
Testung neuartiger Glaskeramiken
Massenspektrometrie
Einsatz im Knochen Tissue Engineering
Die Simulation natürlicher Redox-Vorgänge
Dr. D. VETTER
Jahrestagung der Gesellschaft
für Virologie (GfV)
VAAM 2012
HPLC-Tage 2011 91
S. KRESS
110
75
75
76
Hochdurchsatz Elektrochemie mit
Künstliche Blutgefäße
online Spurenanalytik
Erfolgreiche Versorgung von in vitro-Geweben
Eine neue Methodik mit breitem A
G. E. M. TOVAR
113
nwendungspotential
Dr. K. J. J. MAYRHOFER
94
BIOANALYTIK
News
77
Elektrochemische Sensorik für
Früh erkannt, Gefahr gebannt
Mikroreaktoren
Verfahren zum Nachweis von Sepsis
Miniaturisierte Sensoren zur in-situ Messung
S. PÄSSLER
TITELSTORY
Diodenarray Spektrometer
Potentiometrische Untersuchungen
Laborspektroskopie neu erleben
Neuartige Wasserstoffelektroden
D. BIEG, J & M ANALYTIK
80
DR. J. SCHWARZ
96
99
DR. D. KUHLMEIER
116
GENOMICS
Multiparameterdiagnostik in der Praxis
SCHWERPUNKT
MASSENSPEKTROMETRIE
LEBENSMITTELANALYTIK
UND -TECHNOLOGIE
Das „Spice-Phänomen“
Du bist, was du isst
Strukturaufklärung synthetischer Cannabinoide
Lamarcks späte Rehabilitation
DR. T. BEUERLE
PROF. DR. CH. BEERMANN
82
Von Pharmakokinetik bis zur Sensorik
Inline-Prozesskontrolle
On-line Massenspektrometrie für lebenswissen-
pH-Elektrode für den Einsatz bei der
schaftliche Anwendungen
Bierherstellung
DR. J. BEAUCHAMP
72 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
85
U. ENSELEIT
Die Multiplex-PCR in der Medizin
DR. S. MERSMANN
120
Labormarkt
124
102
105
Index/Impressum
3. US
Break free from
routine sample prep.
Go from boring to bold.
The Samplicity™ Filtration System takes sample prep in a flexible, new
direction. This vacuum-powered system filters one sample or eight, of
virtually any viscosity or composition, into HPLC vials in seconds—with
minimal manual effort.
With the Samplicity filtration system and Millex Samplicity™ filters,
Merck Millipore has transformed multi-sample filtration forever.
Samplicity makes it simple.
Discover how att www.millipore.com/GoBold
Merck Millipore, the M mark, Samplicity and Millex Samplicity are trademarks of Merck KGaA, Darmstadt, Germany.
© 2012 EMD Millipore Corporation, Billerica MA USA. All rights reserved.
Events
Magazin
Life Sciences im Verein
Deutscher Ingenieure (VDI)
Abb. 1: Molekularbiologische Analyse von Bodenproben.
© Prof. Dr. Christoph Tebbe, vTI Braunschweig
Neue VDI-Richtlinie zum
GVO-Monitoring erschienen
In der Richtlinienreihe VDI 4330 ist der neue Entwurf VDI 4331 Blatt 7 erschienen: „Monitoring
der Wirkungen gentechnisch veränderter Organismen (GVO) – Verfahren zur Extraktion von Nukleinsäuren aus Böden zur Analyse von mikrobiellen Gemeinschaften und Nachweis transgener
DNA – Qualitätsanforderungen und Anwendungsbeispiele“.
Die Richtlinie beschreibt Qualitätsanforderungen für die Untersuchung von landwirtschaftlich genutzten Böden, um die Wirkungen einer
Freisetzung oder eines Anbaus von gentechnisch
veränderten Mikroorganismen und damit verbundener Landnutzungsänderungen auf Struktur und
Funktion mikrobieller Gemeinschaften zu erfassen. Darüber hinaus kann die durch gentechnisch
veränderte Organismen in Böden eingetragene
transgene DNA qualitativ oder quantitativ nachgewiesen werden.
Die Grundprinzipien werden erläutert und Beispielprotokolle zur Extraktion von Nukleinsäuren
aus Böden gegeben. Derartige Protokolle wurden
74 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
erstmals Ende der 1980er Jahre publiziert und werden seitdem zunehmend in Forschungslaboratorien, bis heute aber nicht
in der Praxis der Bodenanalytik,
eingesetzt.
Die VDI 4331 Blatt 7 umfasst 26 Seiten und ist
beim Beuth-Verlag in Berlin auf Deutsch / Englisch
erhältlich. Die Einspruchsfrist endet am 29. Februar 2012. Weitere Informationen und Onlinebestellung unter www.vdi.de/richtlinien oder www.
beuth.de.
Richtlinienreihe zum Monitoring
der Umweltwirkungen von GVO
Die europäische Richtlinie über die absichtliche
Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen
in die Umwelt (2001 / 18 / EG) sowie deren Umsetzung in das deutsche Gentechnikrecht fordern
eine Beobachtung der Umweltwirkungen, die
durch GVO verursacht werden können. Dabei
muss das Monitoring so durchgeführt werden,
dass Reproduzierbarkeit und somit Datenvergleichbarkeit sichergestellt sind. Mit anerkannten
Abb. 2:
Die VDI 1000 dient
als Grundlage für die
Erarbeitung aller VDI Richtlinien
und standardisierten Verfahren können derartige
Umweltwirkungen von GVO frühzeitig erkannt
werden.
Der VDI ist im staatsentlastenden Auftrag damit befasst, für dieses Monitoring geeignete Verfahren zu entwickeln und diese in VDI-Richtlinien
zu beschreiben. Durch deren Anwendung können
die aus dem Vollzug des Gentechnikrechts erwachsenen Anforderungen erfüllt werden.
▶ ▶K ontakt
Dr. Martin Follmann
Verein Deutscher Ingenieure (VDI)
Düsseldorf
Tel.: 0211/6214-266
[email protected]
www.vdi.de/tls
Events
M aga z in
Jahrestagung der Gesellschaft für Virologie (GfV)
Über den aktuellen Forschungsstand bei der Prävention, der Diagnose, der Pathogenese und der
Kontrolle von Viruserkrankungen
tauschen sich vom 14. bis zum 17.
März 2012 in Essen mehr als 1.000
Wissenschaftler bei der Jahrestagung der Gesellschaft für Virologie
(GfV) aus. Dabei werden von den
international renommierten Refe-
renten zahlreiche innovative und
spannende Forschungsergebnisse
vorgestellt. Die Schwerpunktthemen sind akute virale Infektionen
und persistierende Infektionen, vor
allem HIV, HBV, HCV.
Mit mehr als 900 Mitgliedern
ist die Gesellschaft für Virologie
europaweit eine der größten Fachgesellschaften auf diesem Wissensgebiet. Gemeinsam mit der Deutschen Vereinigung zur Bekämpfung
der Viruskrankheiten e.V. (DVV),
mit der sie nicht nur im Rahmen
ihrer Jahrestagung eng kooperiert,
setzt sie sich für die Erweiterung
und den Austausch von Wissen
auf dem Gebiet der virologischen
Forschung ein und bietet Trägern
wissenschaftlicher Einrichtungen,
forschungsfördernden Organisationen und Gremien von Politik und
Gesellschaft Beratung in virologischen Fragen an. Darüber hinaus
liegt der GfV auch die internatio-
nale Vernetzung am Herzen: Um
die schon jetzt engen Beziehungen
deutscher Forschungsinstitute mit
chinesischen Institutionen zu festigen und um das Knüpfen neuer
Netzwerke zu fördern, findet die
diesjährige Jahrestagung der GfV
in Partnerschaft mit der Chinesischen Gesellschaft für Virologie
und Mikrobiologie statt.
Weitere Infos im
QR Code für Ihr
Smartphone!
▶ ▶K ontakt
www.virology2012.de
VAAM 2012
© IMIT
Dieses Jahr findet die Jahrestagung der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) vom 18. – 21.
März 2012 in Tübingen statt.
Aufbauend auf den Erfolg der
letzten Jahre mit mehr als 1400
internationalen Teilnehmern aus
dem Bereich der Mikrobiologie
wird diese Konferenz im Jahr
2012 wieder Studenten und Spezialisten aus dem akademischen
Bereich, der Industrie und den
staatlichen Einrichtungen zusammenbringen.
Verschiedene kooperierende
VAAM Gruppen haben mit einer
gelungenen Kombination von
Plenarvorträgen, Symposia, Workshops und Posterpräsentationen
ein reichhaltiges und vielfältiges
Programm zusammengestellt.
Insbesondere die bakterielle Differenzierung, die Zellhülle,
humane Mikrobiota, die metabolische Regulation und Signalüber-
tragung, mikrobielle Pathogenität,
mikrobielle Überlebensstrategien,
sekundäre Metaboliten und Bodenmikrobiologie werden zur Diskussion stehen.
Parallel zu der Jahrestagung
findet eine Ausstellung von spezialisierten Firmen auf diesem Gebiet statt.
Weitere Infos im
QR Code für Ihr
Smartphone!
▶ ▶K ontakt
Isabelle Laerz
Conventus Congressmanagement &
Marketing GmbH
Jena
[email protected]
www.vaam-kongress.de
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 75
Events
M aga z in
HPLC-Tage 2011
Ein Rückblick
Auch im Jahr 2011 trafen sich zahlreiche HPLC-Anwender und Firmenaussteller aus Chemie- und Pharmaindustrie sowie Instituten und
Universitäten zu den Novia HPLCTagen. Das Anwenderforum begann
mit der Eröffnung der Veranstaltung
durch Frau Dr. Merz. Eingangs präsentierte Herr Dr. Kromidas Trends in
der HPLC und gab einen Überblick
über derzeit angewandte polare
Phasen und 2D-Techniken. Abschließend wagte er eine Vorschau auf
das Analytica-Jahr 2012. Es folgte
der Vortrag von Herrn Dr. Teutenberg
(IUTA), der Einblicke in „Neue Entwicklungen bei der HochtemperaturHPLC“ ermöglichte. Dabei ging es
um die Eignung mobiler Phasen, die
Systemvoraussetzungen und Einflüsse auf die Methodenentwicklung.
Nach einer Kaffeepause begannen zwei parallele Workshops. Herr
Mautner (Bayer HealthCare) bearbeitete mit seiner Gruppe „Troubleshooting in der HPLC – Fehler erkennen, beheben und vermeiden, Teil 1:
von der Probenvorbereitung bis zur
Pumpe“. Zeitgleich diskutierte Herr
Dr. Althaus (Roche) über das Thema
„schnelle Trennstrategien chiraler
Analyten mittels parallel Screening
und SFC-Systemen“. Vom analytischen Spielzeug zum diagnostischen
Routinewerkzeug, so kann man die
Entwicklung der LC-MS/MS-Systeme
in den letzten Jahren beschreiben.
Frau Dr. Uta Ceglarek belegte den
Anspruch an moderne Hochdurchsatzsysteme und stellte die verwendeten Lösungen, z. B. anhand der
Steroid-Analytik des ILM, vor.
Nach der Mittagspause wurden
die technischen Neuentwicklungen der anwesenden Geräte- und
76 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Zubehörhersteller präsentiert. Anschließend hatten die Teilnehmer
die Wahl zwischen den Workshops
„Troubleshooting in der HPLC - Fehler erkennen, lokalisieren, beheben
und vermeiden – Teil 2: vom Autosampler bis zur Peakintegration“
oder der „Modellierung und Simulation chromatographischer Trennsysteme – von der „Textaufgabe“
zum Chromatogramm“ von Dr. E.
von Lieres. Das Diskussionsforum
im Anschluss wurde genutzt, um
Fragen zu stellen, Unklarheiten zu
besprechen oder schon immer dagewesene HPLC-Fragen aus der Welt
zu schaffen.
Den Abschluss des ersten Semi­
nar­tages bildeten die „Ritterspiele“.
Zwei Protagonisten, z. B. Gerätehersteller sollen eine im Vorfeld der
Veranstaltung übermittelte Fragestellung lösen. Der Vergleich der
Herangehensweise und der Problemlösungsstrategie, bis hin zur erhaltenen Lösung ist sehr spannend
und lehrreich. Diesmal wurde die
softwaregestützte Methodenentwicklung für Shikimisäure aus Weinproben von Waters und Dionex/
Thermo Fisher vorgestellt. Danach
kam man bei Häppchen und Sekt ins
Gespräch und konnte am Abendprogramm teilnehmen. Die Teilnehmer
und das Novia-Team erlebten eine
interessante und facettenreiche
Führung hinter den Kulissen der
Commerzbank-Arena.
Der zweite Tag begann mit einem Vortrag von Herrn PD Dr. Völkel
vom Bayr. Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit
zum Thema „LC/MS-MS im Bereich
des Humanbiomonitoring“. Ein
Fokus lag hierbei unter anderem
beim Nachweis perfluorierter Substanzen in humanem Serum mit LC/
MS-MS-Systemen. Das darauf folgende Seminar von Herrn Hillebrand
(Sanofi) beschäftigte sich mit der
zeitgemäßen Integration von HPLCPeaks, mit Integrationsfehlern, der
Dekonvolution und der Simulation
von Chromatogrammen. Beim Vortrag von Herrn Dr. Richter (Aqura),
lag der Focus auf der Enantiomerenanalytik im industriellen Umfeld.
Hier erfuhren die Teilnehmer Näheres zur Entwicklung neuer chiraler
Das Novia-Team freut sich schon jetzt auf die
nächsten HPLC-Tage und Anwenderforen im Jahr 2012:
▪▪ 24.04.2012: Anwenderforum „Biochromatographie“
▪▪ 22.05.2012: Anwenderforum „Gaschromatographie“
▪▪ 27.09.2012: Anwenderforum „Probenvorbereitung“
▪▪ 05. – 06.11.2012: Anwenderforum „HPLC-Tage 2012“
▪▪ 07.11.2012: Anwenderforum „Qualitätssicherung i. d. Analytik“
stationärer Phasen auf der Basis von
ß-Phenylalanin.
Bei Snacks konnten sich die Teilnehmer dann dem Erfahrungsaustausch widmen und sich bei den anwesenden Ausstellern über Produkte
informieren. Anschließend hielt Herr
Dr. Schmitt (Infraserv-Höchst), einen
Erfahrungsbericht über die Einführung eines LC/MS-Systems mit Orbitrap-Technologie.
Nach der Pause hatten die Teilnehmer wieder die Wahl zwischen
Workshops: „Die einfache Optimierung des HPLC-Gradienten“, präsentiert von Herrn Dr. Kromidas, und
„Transfer analytischer Methoden:
regulatorische Aspekte vs. individueller Handlungsspielraum“, gehalten
von Herrn Dr. Renger.
Den Abschluss der bildete ein
Thema von allgemeinem Interesse:
„Wie beeinflusst die Partikelgrößenverteilung bei Schokolade den Geschmack und die Sinneseindrücke?“
▶ ▶K ontakt
Frau Dr. Astrid Merz
Novia Chromatographie und Messverfahren GmbH
Frankfurt
[email protected]
Nachrichten
M aga z in
Amgen will Micromet kaufen
Der Biotechnologie-Konzern Amgen aus den USA will für 1,16 Mrd. US-$ den kleineren Rivalen Micromet übernehmen. Der Konzern werde den Micromet-Aktionären 11 US-$ je Aktie in bar bieten, teilte
Amgen mit. Die beiden Unternehmen arbeiten bereits in der Medikamenten-Entwicklung zusammen.
Die in Rockville im US-Bundesstaat Maryland ansässige Micromet hat deutsche Wurzeln. Das Unternehmen ist vor 19 Jahren in Deutschland gegründet worden und betreibt ein Forschungszentrum in
München. Die Verwaltungsräte beider Unternehmen haben der Übernahme bereits zugestimmt.
Die Übernahme beeinhaltet unter anderem Blinatumomab, einen BiTE-Antikörper zur Therapie von
Akuter Lymphatischer Leukämie (ALL) in der Phase 2.
www.amgen.com
www.micromet.de
Ihr Labor-Vollversorger
AppliChem von ITW übernommen
Die Darmstädter Laborchemikalienfirma Applichem wurde vom US-Konzern ITW (Illinois Tool Works Inc.)
mit Sitz in Glenview, IL, übernommen (Bundeskartellamt Freigabe 14.12.2011). Das 1992 gegründete
Unternehmen Applichem beschäftigt derzeit 130 Angestellte und soll bei ITW in den Bereich Performance
Polymers & Fluids integriert werden. ITW hat rund 825 Geschäftseinheiten mit ca. 60.000 Beschäftigten
in 52 Ländern und hatte 2010 die Chemiefirmen Panreac Quimica (Barcelona, Spanien) und Nova Chimica (Mailand, Italien) übernommen. Diese beiden Firmen soll Applichem mit seinem Portfolio ergänzen.
www.itw.com
www.applichem.com
Pflanzenbiotechnologie-Aktivitäten verlegt
Die BASF hat angekündigt, dass sie ihre Aktivitäten im Bereich der Pflanzenbiotechnologie aufgrund
der mangelnden Akzeptanz für die grüne Gentechnik in Europa auf die Wachstumsmärkte in Nordund Südamerika konzentriert.
Im Zuge dieser Veränderungen wird der Konzern das Produktportfolio und die Standortstrategie der
Gruppengesellschaft BASF Plant Science neu ausrichten und die Unternehmenszentrale von Limburgerhof
nahe Ludwigshafen nach Research Triangle Park bei Raleigh, North Carolina/USA, verlegen. Die Standorte in
Gatersleben, Sachsen-Anhalt, und Svalöv, Schweden, sollen geschlossen werden. Lediglich für Forschungsund Entwicklungsaktivitäten in der grünen Gentechnik bleibt in Deutschland noch ein Platz. Diese werden
im Wesentlichen an den Standorten Raleigh/USA, Gent/Belgien und Berlin gebündelt. Die Entwicklung und
Kommerzialisierung aller Produkte, die ausschließlich auf den europäischen Markt ausgerichtet sind, werden jedoch gestoppt. Bereits eingeleitete Zulassungsprozesse sollen weitergeführt werden.
www.basf.com
4000stes Instrument ausgeliefert
Um die Reproduzierbarkeit, Qualität und Geschwindigkeit seiner forensischen Untersuchungen zu steigern, setzt das Niederländische Forensische Institut (NFI) in Den Haag nun auf die Microlab Star Line von
Hamilton Robotics. Der Anbieter für vollautomatischer Liquid Handling Systeme lieferte den 4000. dieser
Roboter Plattform an das international renommierte, dem Justizministerium angegliederte Institut.
www.hamiltonrobotics.com
Erfolgreiches Geschäftsjahr 2011
Sartorius hat erfolgreiches Geschäftsjahr 2011 mit wichtigen Weichenstellungen für die Zukunft abgeschlossen. Nach vorläufigen Geschäftszahlen steigt der Konzernumsatz um 11,2 % auf 733,1 Mio.
Euro, der operative Gewinn um 31,2 % auf 112,2 Mio. Euro und die Gewinnmarge auf 15,3 %. Auch
für das laufende Jahr rechnet Sartorius mit einer positiven Geschäftsentwicklung: Es wird eine Steigerung von Umsatz und operativem Gewinn um etwa 10 % erwartet.
www.sartorius.com
10 Jahre Kampf gegen Dioxin, EHEC, Antibiotika & Co
Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) ist seit 10 Jahren im Kampf gegen Dioxin, EHEC, Antibiotika & Co in Lebensmitteln aktiv und feiert sein 10-jähriges Jubiläum unter dem Motto „Krisen
vermeiden, bevor sie entstehen“: Sind mit dem Einsatz von Antibiotika in der Tierproduktion gesundheitliche Risiken verbunden? Wie sicher sind Lebensmittel in Deutschland? Welche Ereignisse stellen
aus wissenschaftlicher Sicht ein gesundheitliches Risiko für Verbraucherinnen und Verbraucher dar?
Mit welchen Krisen müssen wir in Zukunft rechnen? Zehn Jahre nach Gründung des Bundesinstituts
für Risikobewertung (BfR) zieht BfR-Präsident Professor Dr. Dr. Andreas Hensel eine positive Bilanz.
„Lebensmittel in Deutschland sind sicher, dennoch müssen wir stets auf mögliche Zwischenfälle vorbereitet sein. Unser Ziel ist es, Krisen zu vermeiden, bevor sie entstehen.“
www.bfr.bund.de
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www.thgeyer.de/LS-special
Nachrichten
Magazin
Küvetten
www.laseranalytik.de
Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen
Das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) veröffentlicht im Rahmen seines Förderprogramms
„Nachwachsende Rohstoffe“ einen neuen Förderschwerpunkt zur „Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen“ für den Sie jetzt Projektvorschläge einreichen können. Die Studien zur Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen sollen
indirekte Landnutzungsänderungen, Flächen- und Rohstoffpotenziale,
Nutzungskonkurrenzen, Emissionen und sozioökonomische Auswirkungen erfassen. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) wird mit dem BMELV gemeinsam die förderfähigen
Projekte aus den Vorschlägen auswählen. Die Förderung erfolgt mit finanziellen Mitteln des BMU. Die Abwicklung der Förderprojekte übernimmt die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), Projektträger des BMELV.
www.fnr.de
Wie HIV der Immunantwort entgeht
Der HI-Virus schützt sich in Markophagen vor den Angriffen des Immunsystems. HI-Viren überdauern in Makrophagen, den Fresszellen des Immunsystems, und werden innerhalb dieser Zellen in weitere Organe sowie durch
die Blut-Hirn-Schranke auch in das menschliche Gehirn und ins zentrale
Nervensystem geschleust. Den Mechanismus, den das AIDS auslösende Virus für diese Persistenz verwendet, hat das Team um Dr. Michael Schindler
am Institut für Virologie des Helmholtz Zentrums München jetzt beschrieben: Innerhalb eines Membransystems in den Makrophagen ist das Virus
vor den Angriffen des Immunsystems geschützt.
www.helmholtz-muenchen.de
Originalliteratur:
Koppensteiner H. et al.: Macrophage internal HIV-1 is protected from neutralizing antibodies; J. Virol. published ahead of print 28 December 2011 ,
doi:10.1128/JVI.05915-11
Biologen lassen Teile des
erwachsenen Gehirns nachwachsen
Biologen der Universität
Bielefeld haben es geschafft, in erwachsenen
Gehirnen neue Zellen
wachsen zu lassen. Das
Forscherteam unter Leitung der Professoren
Barbara und Christian
Kaltschmidt hat einen
Mechanismus entdeckt,
der die Bildung neuer
Die Professoren Dr. Christian Kaltschmidt und
Dr. Barbara Kaltschmidt und ihr Team haben einen Nervenzellen reguliert.
Erst seit einem Jahrzehnt
Mechanismus entdeckt, der die Bildung neuer
ist bekannt, dass sich im
Nervenzellen steuert. Foto: Universität Bielefeld
erwachsenen
Gehirn
überhaupt neue Zellen bilden können. Unklar war bisher, wie das Wachstum der Zellen biochemisch beeinflusst werden kann. Den Bielefelder Forschern zufolge eröffnet ihre Entdeckung neue Behandlungsmöglichkeiten
für Krankheiten, durch die das Nervensystem zerfällt, zum Beispiel Alzheimer, Parkinson und Depressionen.
http://web.biologie.uni-bielefeld.de
Originalliteratur:
Imielski Y. et al.: Regrowing the adult brain: NF-kB (NF-kappaB) controls
functional circuit formation and tissue homeostasis in the dentate gyrus,
PLoS ONE, 1.2.2012, dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0030838
78 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Spektroskopie-Zubehör
Neue Verfahren zur Materialentwicklung
Edelmetalle spielen eine wichtige Rolle in optischen und elektronischen
Bauteilen. Sie sind unabdingbar für die heterogene Katalyse, die die Grundlage vieler chemischer und petrochemischer Verfahren bildet. Für die meisten dieser Anwendungen müssen die Metalle in bestimmter Form – etwa
als Nanopartikel oder in Form dünner Schichten – vorliegen. Den Arbeitsgruppen der ChemikerInnen Prof. Dr. Katharina Al-Shamery und Prof. Dr.
Mathias Wickleder ist die Synthese neuartiger chemischer Verbindungen
gelungen, um diese Formen in hoher Reinheit herzustellen. Die Forschungsergebnisse der Oldenburger WissenschaftlerInnen sind in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ erschienen.
www.uni-oldenburg.de
Originalliteratur:
Wickleder M.S. et al.: Thermolabile Edelmetallvorstufen: (NO)[Au(NO3)4],
(NO)2[Pd(NO3)4] und (NO)2[Pt(NO3)6]. Angewandte Chemie (2012). doi:
10.1002/ange.201106107
Physiker entwickeln neuartige Lichtquelle
Neuartige Lichtquellen, die einzelne Lichtteilchen (Photonen) abgeben können, sind eine Grundvoraussetzung für neue Technologien zur Datenverschlüsselung: entsprechend ausgestattete Bauteile würden es möglich machen, dass sich Daten bei ihrer Übertragung nicht mehr unbemerkt
„fischen“ lassen, z.B. könnten dadurch Online-Bezahlsysteme noch sicherer werden. Ein innovatives Bauelement, das einzelne Photonen ausschickt,
stellen Professor Jens Pflaum vom Physikalischen Institut der Uni Würzburg
und seine Kooperationspartner aus Stuttgart und Ulm jetzt in der Zeitschrift
Nature Communications vor.
www.uni-wuerzburg.de
Originalliteratur:
Nothaft M. et al.: Electrically driven photon antibunching from a single molecule at room temperature; Nature Communications 3 (628), 17. Januar
2012, doi:10.1038/ncomms1637
Live-Bilder aus dem Mäusehirn
Feinste Strukturen des Gehirns
aufzudecken, um seine Funktionsweise zu enträtseln – diesem Ziel
sind Forscher um Stefan Hell vom
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie einen entscheidenden Schritt näher gekommen.
Mit der von Hell entwickelten
STED-Mikroskopie ist es ihnen
erstmals gelungen, scharfe LiveBilder aus dem Gehirn einer lebenden Maus aufzunehmen. In einer bisher
unerreichten Auflösung von unter 70 Nanometern haben sie die winzigen
Strukturen sichtbar gemacht, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Diese Anwendung der STED-Mikroskopie eröffnet Neurobiologen und
Medizinern neue Wege, grundlegende Vorgänge im Gehirn zu entschlüsseln.
www.mpibpc.mpg.de
Originalpublikation:
Berning S. et al.: Nanoscopy in a Living Mouse Brain, Science 3 February
2012: Vol. 335 no. 6068 p. 551.
Hector Forschungspreis
Der Physiker Professor Hilbert von Löhneysen vom Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) erhält in diesem Jahr den Hector Forschungspreis und ge-
Nachrichten
Magazin
Küvetten
www.laseranalytik.de
hört nun zum Kreis der sogenannten „Hector-Fellows.“ Die Hector Stiftung
II mit Sitz in Weinheim würdigt mit der Auszeichnung die bahnbrechenden
Forschungsleistungen von Naturwissenschaftlern. Drei herausragende Wissenschaftler deutscher Exzellenz-Universitäten haben in diesem Jahr den
mit jeweils 150.000 Euro dotierten Hector Forschungspreis erhalten, neben
von Löhneysen sind dies Professor Axel Meyer (Universität Konstanz) und
Professor Nikolaus Pfanner (Universität Freiburg).
www.kit.edu
Matthias Mann erhält Louis-Jeantet Preis
Matthias Mann, Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, erhält den Louis-Jeantet Preis für Medizin 2012 für seine maßgeblichen Entwicklungen in der Massenspektrometrie zur Analyse von Proteinen. Die Auszeichnung ist mit einem Preisgeld von 700.000 CHF (ca.
540.000 Euro) verbunden und gehört zu den bedeutendsten europäischen
Forschungspreisen. Sie wird am 19. April 2012 in Genf (Schweiz) von der
Louis-Jeantet Stiftung verliehen.
www.biochem.mpg.de
Ernst Jung-Preis
Die Jung-Stiftung für Wissenschaft und Forschung in Hamburg verleiht Elisa
Izaurralde, der geschäftsführenden Direktorin des Max-Planck-Instituts für
Entwicklungsbiologie in Tübingen, den Ernst Jung-Preis für Medizin 2012.
Der Preis ist mit 150.000 Euro dotiert. Als preiswürdig anerkannt werden
Elisa Izaurraldes Arbeiten auf dem Gebiet der RNA-Biologie. Zweiter Träger
des Ernst Jung-Preises für Medizin ist in diesem Jahr Prof. Peter Walter vom
Howard Hughes Medical Institute in San Francisco. Die Preise werden am 4.
Mai 2012 in Hamburg überreicht.
www.mpg.de
Wasser ist gesund
Neue BMBF-Fördermaßnahme zur Sicherstellung einer qualitativ
hochwertigen Wasserversorgung und Abwasserentsorgung
Neue Schadstoffe und Krankheitserreger im Wasserkreislauf stellen auch in
Deutschland eine akute Herausforderung für die Trinkwasserversorgung und
Abwasserentsorgung dar. Mit der neuen BMBF-Fördermaßnahme „Risikomanagement von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf – RiSKWa“ sollen Antworten darauf gefunden werden. 12 Forschungsverbundprojekte mit über 90 Akteuren aus Wissenschaft, Wirtschaft, Gesellschaft
und Behörden arbeiten in den kommenden drei Jahren an einem innovativen
und dynamischen System des Risikomanagements im Wasserkreislauf.
www.dechema.de
Spektroskopie-Zubehör
Herstellung von Artemisinin
Der effektivste Wirkstoff gegen Malaria, Artemisinin, lässt sich jetzt kostengünstig und in großer Menge herstellen. So wird es künftig möglich sein, die
225 Millionen an Malaria erkrankten Menschen in Entwicklungsländern zu
erschwinglichen Preisen mit entsprechenden Medikamenten zu versorgen.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in
Potsdam und der Freien Universität Berlin haben eine sehr einfache Synthese von Artemisinin entwickelt, das Pharmaunternehmen bislang nur aus
Pflanzen gewinnen konnten. Als Ausgangssubstanz verwenden die Chemiker ein Abfallprodukt der derzeitigen Artemisininproduktion, das auch biotechnologisch in Hefe erzeugt werden kann, und verwandeln es in einem
einfachen, aber sehr einfallsreichen Ansatz in die wirksame Substanz.
Originalliteratur:
Lévesque F. and Seeberger P.H.: Continuous-Flow Synthesis of the Anti-Malaria Drug Artemisinin. Angewandte Chemie international edition, 16 January 2012; DOI: 10.1002/anie.201107446
Bronze-Matrjoschka
Eine Puppe in der Puppe und noch
eine drumherum, so erklärt Thomas
Fässler seine Moleküle: Er packt ein
Atom in einem Käfig in noch ein weiteres Atomgerüst. Mit ihrer großen
Oberfläche könnten solche Strukturen als hocheffiziente Katalysatoren
dienen. Wie bei dem russischen Holzspielzeug sitzt ganz innen drin ein
einzelnes kleines Zinnatom, eingepackt in eine Hülle aus zwölf Kupfer­
atomen, und diese ist nochmals um- Metallcluster, aufgebaut wie eine
geben von weiteren 20 Zinnatomen. russische Matrjoschka. Foto: TUM
In der Arbeitsgruppe von Professor
Fässler am Institut für Anorganische Chemie der Technischen Universität
München (TUM) gelangen solche aus drei Schalen aufgebauten räumlichen
Strukturen als isolierte Metallcluster in Legierungen zum ersten Mal.
http://portal.mytum.de
Originalliteratur:
S. Stegmaier, T. F. Fässler: A Bronze Matryoshka – The Discrete Inter­metalloid
Cluster [[email protected]@Sn20]12– in the Ternary Phases A12Cu12Sn21 (A = Na, K).
J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19758–19768
Punktgenau zusammengesteckt
DNA ist nicht nur der Träger der genetischen Information, DNA ist auch ein
interessantes Nanobaumaterial. Ähnlich wie beim Origami, der japanischen
Kunst des Papierfaltens, lässt sich beispielsweise ein langer DNA-Einzelstrang mithilfe kurzer DNA-Stückchen in eine nahezu beliebige dreidimensionale Form falten. Diese Nanostruktur lässt sich zudem mit spezifischen
Andockstellen für Proteine ausstatten. Ein Team um Takashi Morii von der
Universität Kyoto stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine
neue Methode vor, mit der die Proteine über spezielle „Adapter“ angeknüpft werden, so genannte Zinkfingerproteine.
http://onlinelibrary.wiley.com
Originalliteratur:
Nakata E. et al.: Zinc-Finger Proteins for Site-Specific Protein Positioning on
DNA-Origami Structures (2012). Angewandte Chemie. doi:10.1002/
ange.201108199
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 79
Titelstory
Diodenarray Spektrometer
Laborspektroskopie neu erleben
Durch ihre Bauform sind herkömmliche
Spektrometer für das Labor oftmals nur
für eine einzige Art von Messung ausgelegt. So können beispielsweise häufig nur Küvetten gemessen werden.
Auch ist es notwendig die Probe immer
direkt zum Messgerät zu bringen.
Zunehmend ist jedoch eine höhere
Flexibilität im täglichen Laborbetrieb
gefragt. Das neuentwickelte Diodenarray-Spektrometer Tidas E (Abb. 1) der
Firma J&M Analytik setzt genau hier an.
Das Diodenarray-Spektrometer wird der Anforderung gerecht. Neben einem integrierten Küvettenhalter für Standardküvetten mit 12,5 mm
Kantenlänge verfügt das Instrument zudem über
eine eingebaute Lichtquelle und externe Lichtleiteranschlüsse.
Je nach gewählter Spektrometervariante
kommen als Lichtquelle entweder eine Halogenlampe oder eine Kombinationslichtquelle aus
Deuterium und Halogen zum Einsatz. Alle verwendeten Komponenten sind hierbei gründlich
erprobt und aufeinander abgestimmt.
Externe Lichtleiteranschlüsse
Die externen Lichtleiteranschlüsse sind die Basis
für die große Flexibilität (Abb. 2). Mit Hilfe von
Lichtleitern können hier unterschiedliche Messzellen wie Tauchsonden, Durchflussmesszellen
oder externe Küvettenhalter angeschlossen werden. Durch diese Möglichkeit entfällt nun einer
der wesentlichen Nachteile anderer Laborspektrometer, man muss die Probe nicht mehr zum
Gerät zu bringen. Vielmehr ist es jetzt möglich
mit Hilfe von diversen Messköpfen die Messung
direkt in der Probe vorzunehmen.
Die Vorteile liegen klar auf der Hand: Zum
Einen entfällt die oftmals mühsame Probenentnahme und zum Anderen besteht nicht mehr
die Gefahr der Probenverunreinigung bei der
Probenentnahme und Aufbereitung. Durch die
Verwendung von Tauchsonden kann die Kinetik
von beispielsweise Mischprozessen im Mischgefäß praktisch „live“ beobachtet werden. Für
die Durchführung der Messungen kann die integrierte Lichtquelle verwendet werden. Darüber
hinaus kann die Probe aber auch mit speziellen
Lichtquellen (LED, Laser usw.) beleuchtet werden.
Neben den gängigen Messmöglichkeiten für
Transmission und Absorption können so weitere
80 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
spektroskopische Methoden angewandt werden.
Auch Fluoreszenzmessungen sind mit der Standardversion des Tidas E ohne große Umbaumaßnahmen möglich. Zur Fluoreszenzanregung kann
die Probe im einfachsten Fall im integrierten Küvettenhalter positioniert und unter 90° mit Hilfe
des externen Lichtleiteranschlusses beleuchtet
werden. Durch die Lichtleiteranschlüsse können
sämtliche verfügbaren fasergekoppelten Strahlquellen zur Fluoreszenzanregung verwendet werden. Neben Lasern kommen hier auch immer häufiger spezielle LED-Lichtquellen zum Einsatz. Je
nach Anwendungsfall ist aber auch die Einkopplung monochromatischer Strahlung, basierend auf
einer scannenden monochromatischen Lichtquelle
möglich. Damit steht das gesamte Spektrum für
die Fluoreszenzanregung zur Verfügung. Durch
die softwareseitige Kopplung von Monochromator und Spektrometer sind getriggerte Messungen
ebenfalls möglich und ermöglichen so einen Scan
über den gesamten Wellenlängenbereich.
Datenanalyse
Die neugestaltete Tidas DAQ3 Software (Abb. 2)
vervollständigt das Diodenarray-Spektrometer.
Die deutschsprachige Software (andere Sprachen
sind ebenfalls einstellbar) wurde im Vergleich zur
Vorgängerversion bei der Bedienbarkeit und der
Funktionalität umfassend verbessert. Direkt nach
Titelstory
Abb. 1: Tidas E Diodenarray Spektrometer
dem Start fallen zum Beispiel die großen und einfach zu bedienenden Schaltflächen zur Steuerung auf. Die Software dient jedoch nicht nur zur
Gerätesteuerung, hier geht die Firma J&M Analytik einen Schritt über das Übliche hinaus. Neben
vielfältigen, integrierten Standardauswertungen
für Farbmessung, Schichtdickenbestimmung und
multivariater Datenanalyse ist es zudem möglich,
die Software in ihrem Erscheinungsbild an die
persönlichen Bedürfnisse anzupassen. Hierzu
kann der Anzeigenbereich nach Wunsch konfiguriert werden.
Eine weitere Neuerung ermöglicht die Benutzung sogenannter Skripte. Damit ist es nun
ab sofort sehr einfach möglich Messabläufe zu
„automatisieren“. Ab Werk sind bereits Skripte
für die Überprüfung der Kalibrierung der Wellenlängen- und photometrischen Richtigkeit des
Spektrometers vorprogrammiert. Ein weiterer
wichtiger Unterscheidungspunkt zu herkömmlichen kompakten Spektrometern ist der Ethernetanschluss, der den bekannten USB-Anschluss
ersetzt. Die Einbindung in bestehende Netzwerke ist damit problemlos möglich. Das Gerät kann
damit nun auch an nur beschränkt zugänglichen
Standorten (z.B. Glove-Box, explosionsgeschützer Bereich, Bio-Sensitiver-Bereich) aufgestellt
werden. Die Messung bzw. Steuerung des Gerätes erfolgt in sicherer Entfernung über Netzwerk.
Anwendungen
Damit eignet sich das Spektrometer für eine
Vielzahl unterschiedlicher Messaufbauten. Wie
bereits angesprochen kann der interne Küvettenmessplatz für Transmissions- bzw. Absorptionsmessungen in Kombination mit der internen
Lichtquelle genutzt werden. Für spezielle Messungen ist jedoch oftmals der Einsatz anderer
Lichtquellen gewünscht und sogar notwendig.
Diese Lichtquellen können nun sehr einfach über
Lichtleiter eingekoppelt werden. Ebenso möglich
ist der Anschluss externer Messköpfe bzw. Messzellen. Als Zubehör sind hierzu speziell entwickelte Reflexionsmessköpfe mit Lichtleiterkabel
erhältlich. Damit lassen sich zum Beispiel Farbmessungen an Körpern bzw. Kunstgegenständen
realisieren. Die berührungslose Messung macht
diese Art der Messtechnik besonders für historisch wertvolle oder empfindliche Gegenstände
interessant. Die gleiche Methode kann zur Mes-
Abb. 2: Tidas E mit Deuterium- und Halogenlichtquelle … mit Laserlichtquelle
Abb. 3: Tidas DAQ 3 Software
sung und Bestimmung der Schichtdicke von nur
wenigen Mikrometer dicken Schichten genutzt
werden. Das einfallende Licht wird hierbei nicht
nur an der ersten Grenzfläche, sondern auch an
der zweiten Grenzfläche, der dünnen Schicht reflektiert. Das hierbei auftretende Interferenzmuster ist charakteristisch für das Material und die
Dicke der Schicht. Die Software berechnet somit
die Schichtdicke. In gleicher Art und Weise wie
der Reflexionsmesskopf können auch Tauchsonden mit Lichtleiterkabeln mit dem Gerät verbunden werden. Ebenso denkbar ist der Einsatz externer Durchflussmesszellen oder temperierbarer
Küvettenhalter mit oder ohne Rührwerk. Da die
Software ebenfalls ein Modul zur multivariaten
Datenanalyse hat, sind auch Messungen zur
Konzentrationsbestimmung möglich. Zuvor
muss natürlich die Kalibrationsmodell mit Proben bekannter Konzentration erstellt werden.
Diese Modelle können selbstverständlich gespeichert und bei Bedarf für die Auswertung wieder
geladen werden. Durch die sehr hohe Empfindlichkeit des eingesetzten Detektors lassen sich
mit dem Gerät auch optisch dichte Flüssigkeiten
sehr einfach messen.
Fazit
Das neuentwickelte Spektrometer Tidas E ist damit ihr Partner für den abwechslungsreichen Labortag. Durch seine vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ist es besonders auch für Ausbildung und
Forschung geeignet und wird sehr gerne in Hochschulen für diverse Praktika eingesetzt. Geliefert
wird das Spektrometer mit allen notwendigen
Verbindungskabeln und einer ausführlichen Bedienungsanleitung für Software und Gerät.
Das Gerät ist zudem geeignet um Messreihen
im Labor für Grundlagenuntersuchungen und
Machbarkeitsstudien zur Vorbereitung einer späteren Prozessanbindung aufzunehmen. Die gewonnenen Ergebnisse bzw. erstellten chemometrischen Modelle können dabei meist direkt auf
die Prozessmessung übertragen werden, da im
späteren Prozess-Messsystem von J&M die gleichen hochwertigen Hardwarekomponenten zum
Einsatz kommen. Auch die mitgelieferte Software
ist via OPC an jede beliebige SPS anbindbar.
Dr. Dag Kubin, Vorstand
Daniel Bieg, Vertrieb, J&M Analytik
Dr. Heinrich Piening, Bayerische
Schlösserverwaltung
▶ ▶K ontakt
Daniel Bieg
J & M Analytik AG
Essingen
Tel.: 07361/9281-0
Fax: 07361/9287-12
[email protected]
www.j-m.de
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 81
Massenspektrometrie
Schwerpunkt
Das „Spice-Phänomen“
Strukturaufklärung synthetischer Cannabinoide
Der Ursprung des Phänomens der synthetischen Cannabinoide als Designerdrogen
lässt sich nicht mehr eindeutig eruieren. Eine wichtige Rolle für den späteren weltweiten „Erfolg“ spielen jedoch vermutlich Entwicklungen in England, speziell im
Londoner „Szeneviertel“ Camden Market. Das Auftreten von „Spice“ fällt in eine
Zeit, kurz nachdem im Vereinigten Königreich „Magic Mushrooms“ (psilocybinhaltige
Pilze) als Drogen der Klasse A kategorisiert wurden (übrigens in UK dieselbe Kategorie, in der auch „harte“ Drogen wie Kokain und Heroin gelistet sind) und somit
jeglicher Besitz bei Haftstrafe verboten wurde (18. Juli 2005). Diese Gesetzesänderung war nötig, da ab den frühen 2000er Jahren und bis zu diesem Zeitpunkt findige
Händler eine Gesetzeslücke ausnutzten, wonach der Handel / Verkauf der Substanz
Psilocybin und getrockneter/verarbeiteter Magic Mushrooms verboten war, nicht
jedoch der von frischen Pilzen mit diesem Wirkstoff. Eine zentrale Rolle als Großhändler in diesem schnell wachsenden Markt von Magic Mushrooms spielte dabei
eine Firma mit dem bezeichnenden Namen „The Psyche Deli“. Bereits in der Diskussion um das Verbot der Magic Mushrooms wurde deutlich, dass die Großhändler,
insbesondere auch „The Psyche Deli“ erkannt hatten, dass es offensichtlich einen
riesigen Bedarf an sog. „Legal Highs“ gibt. Diese Nachfrage scheint besonders
angetrieben durch den Wunsch nach „Recreational Highs“, ohne dabei offensichtliche Pfade des Illegalen zu beschreiten noch sich bei der Beschaffung auf ein wie
auch immer geartetes kriminelles Milieu einzulassen.
Kräutermischungen als Modedroge
Infolge dieser Ereignisse berichteten englische
Printmedien seit Anfang 2006 von „Spice“, einer
Kräutermischung, die als „smoking blend“ in
Londoner Headshops verkauft wurde. Nach den
„Magic Mushrooms“ also ein neues Produkt der
Firma „The Psyche Deli“ und im folgenden aufgrund seines legendären Erfolges und seiner Popularität namensgebend für eine neue Klasse
von, wie sich später herausstellen sollte, synthetischen Designerdrogen.
Das besondere an „Spice“ sind neben der
professionellen Aufmachung in verschweißten
Hochglanz-Ziplock-Beutelchen mit auffälligem
Design eine Zutatenliste und manchmal Warnhinweise. Die Zutatenliste liest sich wie das Who
is Who von exotischen Pflanzen mit teilweise
mystischem Ruf althergebrachter Schamanendrogen, aber allesamt ohne Legalitätseinschränkung. Die Kräutermischung wurde zusätzlich
als Räucherwerk/Raumduft beschrieben und als
nicht für den menschlichen Konsum bezeichnet,
um somit einen freien Verkauf ohne Beschränkung zu fördern. Dem steht jedoch eine Vielzahl von User-Berichten und Videos im WWW
entgegen, in denen der Gebrauch der Kräutermischungen detailliert erklärt wird (meist Inha82 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
lation durch Rauchen). Das Internet als Informations- und Empfehlungsplattform wurde somit
zu einem zweiten wichtigen Baustein für den
Erfolg dieser neuen Modedroge. Dass die Kräutermischungen bis Ende 2008 frei verkauft werden konnten, liegt vor allem daran, dass bis dato
pflanzenbasierte Drogen, mit Ausnahme von
Cannabis, meist keine bzw. nur dubiose oder wenig erstrebenswerte Wirkung besaßen, nur von
einem sehr eingeschränkten Personenkreis konsumiert wurden und daher bei der Überwachung
durch Behörden keine große Rolle spielten. Dies
änderte sich jedoch mit Berichten über die massive Cannabis-ähnliche Wirkung dieses Produkts
und Berichten in vielen Print- und Massenmedien sowie der Tatsache, dass in den Produkten jedoch keine bekannten natürlichen Cannabinoide
nachweisbar waren.
Strukturaufklärung
Erst im Dezember 2008 und nahezu gleichzeitig
konnten zwei Wirkstoffe, JWH-018 und CP
47,497-C8, aus diesen Produkten strukturell aufgeklärt werden (THC Pharm/Uni Freiburg). Zu
diesem Zeitpunkt hatte das Produkt bereits so
große Popularität erlangt, dass Engpässe im
Handel auftauchten.
Die Aufklärung der Strukturen brachte eine
überraschende Erkenntnis. Bei den gefundenen
Stoffen handelt es sich um synthetische Cannabinoide, die z.T. bereits seit Ende der 80er Jahre
bekannt sind. Es sind Substanzen, die nach Bekanntwerden der klassischen menschlichen Cannabinoidrezeptoren (CB1 und CB2) chemisch
synthetisiert und in vitro auf CB1- und CB2Rezeptor-Agonist-Wirkung getestet wurden.
Während CB1 vor allem im menschlichen Gehirn
exprimiert wird, kommen CB2-Rezeptoren vor
allem auf Zellen des Immunsystems und blutbildenden Zelltypen vor. Die chemische Synthese
war damals davon geleitet, Substanzen zu identifizieren, die möglichst spezifisch einen der beiden Rezeptoren ansprechen, um damit pharmazeutische Wirkungen der bekannten natürlichen
Cannabinoide, wie z. B. Schmerzreduktion, zu
erzielen, jedoch möglichst ohne dabei psychoaktive Wirkungen zu entfalten. Die deutschen
Behörden reagierten überraschend flexibel und
unterstellten die nun bekannten Substanzen
und einige „offensichtliche“ Analogen in einem
Schnellverfahren erst vorläufig und später, mit
einigen weiteren Substanzen, dauerhaft dem Betäubungsmittelgesetz (BtMG). Seitdem werden
auf Empfehlung des Sachverständigenausschusses für Betäubungsmittel synthetische Canna-
binoide nach und nach in Anlage II des BtMG
gelistet und als verkehrsfähige, aber nicht verschreibungsfähige Betäubungsmittel eingestuft.
Somit ist jede Form der unerlaubten Herstellung,
des Handels und des Besitzes untersagt.
Im Zuge unserer ersten eigenen Spice-Analysen sowie der Identifizierung der synthetischen Cannabinoide als eigentliche Wirkstoffe
der Räuchermischungen war zu vermuten,
dass nach einem Verbot von einigen Einzelsubstanzen durch das BtMG neue Strukturanaloge
in den Handel gebracht würden. Für viele der
synthetischen Cannabinoide sind zwar biologische CB1/CB2-Bindungskonstanten in der
chemischen Literatur verfügbar (ironischerweise hilfreich für die gezielte Entwicklung neuer
Räuchermischungen), jedoch nur sehr limitierte
chemisch-spektroskopische Daten. Dies macht
eine eindeutige Identifizierung mittels moderner chemischer Analysetechniken, speziell im
Spurenbereich wie z. B. in Körperflüssigkeiten
mittels GC-MS bzw. LC-MS schwierig und unsicher. Aus diesem Grund synthetisierten wir
einige mögliche Cannabinoide der Naphthoylindole (Abb. 2) um sie komplett chemischspektroskopisch zu charakterisieren. Die Basis
bildet dabei die Hochfeld-NMR-Spektroskopie,
mit deren Hilfe die Struktur der synthetisierten Moleküle eindeutig belegt wurde. Steht
die Struktur einmal fest, können anschließend
„molekulare“ Fingerprints mit anderen, empfindlicheren spektroskopischen Techniken, wie
IR, EI-MS bzw. ESI-MS-MS der Moleküle erstellt und diese zusammen mit der Struktur in
Datenbanken abgelegt werden.
Strukturanaloga umgehen
das Betäubungsmittelgesetzt
Abb. 1: Strukturformel-Beispiele der unterschiedlichen Klassen potentieller synthetischer Cannabinoide (angelehnt an ACMD report on the major cannabinoid agonists, 2009).
Mit Hilfe dieser akkumulierten Daten gelang uns
schnell der Nachweis (mittels GC-MS), dass nur
wenige Wochen nach dem Verbot von JWH-018
(N-n-pentyl) neue Produkte auf dem Markt auftauchten, in denen statt dessen das N-n-butylAnaloge JWH-073 enthalten war und somit das
BtMG-Verbot umgangen wurde. Seit 2008 werden, mit anfänglich einer Verbindung (JWH-018),
synthetische Cannabinoide als neue psychoaktive Substanzklasse in den jährlichen Reports des
Europäischen Early Warning Systems von Europol mit hohen Zuwachsraten gelistet (EMCDDA:
2009: 9 Verbindungen; 2010: 11 Verbindungen).
Auch isolieren wir immer wieder neue synthetische Cannabinoide aus dem immer breiteren
Sortiment unterschiedlicher Produkte. Die Räuchermischungen sind zwar aufgrund von lokalen
Behördenkontrollen meist nicht mehr in Headshops verfügbar, können jedoch ohne Schwierigkeiten online bestellt und anonym über den
Postweg geliefert werden.
Die Struktur der Moleküle erlaubt eine Vielzahl möglicher kleiner chemischer Modifikationen an verschiedenen Positionen, wobei auch
isobare Verbindungen auftreten können, sodass
massenspektrometrische Daten von bislang
unbekannten Verbindungen in der Regel keine
eindeutige Strukturzuordnung erlauben. Die
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 83
Massenspektrometrie
Schwerpunkt
Substanzen werden von uns deshalb klassisch
nasschemisch aus den Kräutermischungen isoliert und ihre Strukturen mittels NMR aufgeklärt.
Ähnlich ist die Situation bei potentiellen Metaboliten, die in Spuren nach dem Konsum von
synthetischen Cannabinoiden in Körperflüssigkeiten auftauchen. Aufgrund der sehr niedrigen
Konzentrationen sind diese nur mit Chromatographie-gekoppelten massenspektroskopischen
Techniken nachzuweisen. Da jedoch viele Stellen
im jeweiligen Ausgangsmolekül durch Metabolismus modifizierbar sind, gelingt eine eindeutige Identifizierung nur nach der Synthese mit
anschließender Strukturbestätigung durch NMR.
Für einige mögliche Metabolite haben wir bereits Synthesen durchgeführt und die jeweiligen
Zielmoleküle mittels NMR eindeutig charakterisiert.
Beispielsweise folgt die Struktur des hydroxylierten Metaboliten A NMR-spektroskopisch
aus den folgenden Betrachtungen (Abb. 2).
Die OH-Gruppe in Position 5 ruft bei den
13C-NMR-Absorptionsfrequenzen („chemischen
Verschiebungen“) der Kohlenstoffatome C-4 bis
C-7 charakteristische Änderungen relativ zu denen im nicht hydroxylierten Ausgangsmaterial
hervor. Diese Änderungen sind aus Modellverbindungen (z. B. 5-Hydroxyindol) bekannt und
sind nur mit dem gezeigten Isomer, nicht aber
Abb. 2: Ausschnitt aus der 2D-NMR 1H,13C-long-range-Korrelation des potentiellen Metaboliten A (=
5-OH-JWH-073) zur Zuordnung der Absorption von C-2 des Indol-Rests (Abszisse: 1H-, Ordinate: 13Cchemische Verschiebung). Da unabhängig nachgewiesen wurde, dass C-2 ein Wasserstoffatom trägt,
folgt die Verknüpfung der 1-Naphthoyl-Gruppe mit Position 3 des Indol-Rests.
NMR-Spektroskopie
Für die nicht mit der Methode vertrauten Leser
geben wir eine kurze Erläuterung. Bei der NMR(= kernmagnetische Resonanz-)Spektroskopie
macht man sich die Wechselwirkung von Atomkernen bestimmter Isotope, die einen Kernspin
und damit ein magnetisches Moment aufweisen, mit einem Magnetfeld zu Nutze. Bei der
NMR-Messung bringt man Substanzen, die solche Isotope (z. B. 1H) enthalten, in ein homogenes Magnetfeld großer Stärke (z. B. 14 Tesla).
Dort besetzen die Kernspins im einfachsten Fall
zwei unterschiedliche Energie­niveaus, die ihrer
parallelen und antiparallelen Orientierung relativ zur Feldrichtung entsprechen. Zwischen den
Energieniveaus lassen sich Übergänge („Umklappen” der Kernspins) induzieren, indem man
elektromagnetische Strahlung (im obigen Fall
mit einer Frequenz von ca. 600 MHz) auf die
Probenlösung einwirken lässt.
Die genaue Frequenz, die erforderlich ist,
um den Umklappvorgang zu bewirken, hängt
84 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
von der Umgebung, des Kerns im Molekül
und damit von der Molekülstruktur ab.
Aus empirischen Beziehungen zwischen Absorptionsfrequenzen („chemischen Verschiebungen”) im NMR-Spektrum und Teilstrukturelementen lassen sich Molekülstrukturen
ableiten. Die NMR-Spektren werden verkompliziert durch intramolekulare Wechselwirkungen benachbarter Kernspins, was zu Feinaufspaltungen von Absorptionslinien führt
(„Spin–Spin-Kopp­
lung”). Diese Feinstruktur
der Absorptionen enthält mannigfache Information über die relative Anordnung magnetischer Kerne in den Molekülen.
Besondere Vorteile bieten NMR-Spektrometer mit hohen Magnetfeldstärken, weil hierdurch die Detektionsempfindlichkeit gesteigert
(stärker unterschiedliche Besetzung der Energieniveaus, „Boltzmann-Verteilung”) und die
spektrale Dispersion erhöht wird, was zur Vereinfachung der oft komplizierten Spektren führt.
mit einem 4-, 6- oder 7-Hydroxy-Derivat vereinbar. Die Frage, ob der 1-Naphthoyl-Rest mit
C-2 oder C-3 der Indol-Einheit verknüpft ist,
wird durch ein sogenanntes zweidimensionales
1H,13C-Korrelations-Experiment beantwortet, in
welchem eine Wechselwirkung zwischen C-2
und den Wasserstoffkernen der NCH2-Gruppe
beobachtet wird (Abb.2). Dies bedeutet, dass
maximal drei chemische Bindungen zwischen
C-2 und diesen Wasserstoffen liegen können.
Dadurch kann die Absorption von C-2 identifiziert werden. Außerdem lässt sich mit derselben
Technik nachweisen, dass C-2 ein Wasserstoffatom trägt. Der Naphthoyl-Rest kann folglich nur
an C-3 stehen.
Die Erfahrungen der letzten Jahre zeigen
deutlich, dass synthetische Cannabinoide ein
beträchtliches Gefahrenpotential für die Gesundheit darstellen. Keine der Substanzen ist
für den Humangebrauch getestet, geschweige
denn zugelassen. Die dubiosen Herstellungspraktiken bergen sowohl in Reinheit und Zusammensetzung wie auch Konzentration der
Wirkstoffe unkalkulierbare Risiken. Neben
drastischen Berichten von Intoxikationen werden in jüngster Vergangenheit auch zunehmend Suizide publik, die in Zusammenhang
mit einem zeitnahen Konsum von synthetischen Cannabinoiden stehen. Aufgrund der
heute schon verfügbaren Daten sind einige
hundert potentielle Substanzen möglich, die
die momentane Praxis der Einzelstoffunterstellung unter das BtMG als Katz- und Maus-Spiel
erscheinen lassen. Aus diesem Grund gibt es,
ähnlich wie in Großbritannien, angestoßen
durch den ACMD-Report, Überlegungen und
Rechtsgutachten, die die gängige Praxis ändern und durch ein vielfach wirkungsvolleres
Verfahren einer Stoffgruppenunterstellung ersetzen sollen. Dies wird zwar die nun einmal
geöffnete „Büchse der Pandora“ in Bezug auf
synthetische Cannabinoide nicht mehr rückgängig machen, erleichtert aber die Arbeit
der überwachenden Behörden erheblich und
würde damit den Zugang sensibler Zielgruppen (Jugendliche, junge Erwachsene) zu diesen
Substanzen erheblich vermindern.
Autoren
Prof. Dr. Ludger Ernst, Technische Universität
Braunschweig, NMR-Labor der Chemischen
Institute, Braunschweig
Dr. Till Beuerle, Technische Universität
Braunschweig, Institut für Pharmazeutische
Biologie
▶ ▶K ontakt
Dr. Till Beuerle
Technische Universitaet Braunschweig
Tel.: 0531/3915385
[email protected]
Massenspektrometrie
Schwerpunkt
Von Pharmakokinetik zu Sensorik
On-line Massenspektrometrie für lebenswissenschaftliche Anwendungen
Abb. 1:
Atemluftprobengewinnung
(© Fraunhofer IVV)
suchungen ist es Ziel, nicht-invasive Früherkennungsmethoden für Krankheiten zu entwickeln.
Meist werden Atemluftuntersuchungen mittels gängiger analytischer Methoden wie Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS),
u. a. in Kombination mit Anreicherungsmethoden
(z. B. Purge & Trap), durchgeführt. Die GC-MSTechnik bietet hier eine sehr ausgereifte und robuste Vorgehensweise mit hoher Auflösung und
Empfindlichkeit, allerdings mit einem Nachteil:
einem nicht unwesentlichen Zeit- und Arbeitsaufwand. Gasproben müssen gemäß validen
Protokollen gesammelt und verarbeitet werden,
und auch die anschließenden Messungen mittels
GC-MS sind oft zeitintensiv. Für Untersuchung
von schnellen Prozessen ist die GC-MS Methode
also nicht optimal geeignet. Die Echtzeit-Massenspektrometrie bietet hierfür eine Lösung.
On-line Massenspektrometrie:
Aufspüren von VOCs in Bruchteilen
von Sekunden
Einleitung
22 Dr. rer. nat. Jonathan Beauchamp,
wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung
Analytische Sensorik am Fraunhofer-Institut für
Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising
Flüchtige organische Verbindungen
sind Teil unseres Lebens. Sie befinden
sich in fast jeder Umgebung, sei es zu
Hause, im Auto, oder am Berggipfel.
Meist werden sie von uns nicht bemerkt – mit einer Ausnahme: geruchsaktive Verbindungen werden bewusst
wahrgenommen und können starke
Reaktionen hervorrufen. Wie solche
Geruchsstoffe an das olfaktorische Epithel gelangen, oder wie sie vom Körper
nach Aufnahme wieder abgegeben
werden, ist teils noch ungeklärt. On-line
Massenspektrometrie geht diesen Prozessen auf die Spur.
Untersuchungen am Menschen werden heutzutage überwiegend an Körperflüssigkeiten wie
Blut und Urin, sowie an Körpergewebe durchgeführt. Hingegen ist die analytische und physiologische Bewertung von Gasen, z. B. in der Ausatemluft, noch relativ schwach repräsentiert.
Ausnahme hierfür ist das routinemäßige Monitoring in der Intensivstation von einfachen Verbindungen (z. B. O2 und CO2) um die Vitalfunktionen
von Patienten zu überwachen. Im Gegensatz
hierzu werden komplexere flüchtige organische
Verbindungen, oder VOCs („volatile organic compounds“), meist vernachlässigt, obwohl sie ein
hohes Potential für Informationen bieten.
Die Historie der Atemluftuntersuchung
reicht mindestens zweitausend Jahre zurück;
schon Hippokrates berichtete über bestimmte Geruchsqualitäten der Atemluft in Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten. In
chemisch-analytischer Hinsicht ist dieses Forschungsgebiet allerdings relativ neu, da erst
seit verhältnismäßig kurzer Zeit fokussierte
und umfangreiche Studien durchgeführt werden, bei denen die Detektion und Identifizierung von gasförmigen VOCs aus der Ausatemluft des Menschen und deren Korrelation mit
dem Gesundheitszustand realisiert werden [1].
Basierend auf den Ergebnissen solcher Unter-
Mitte der 90er Jahre wurde das sogenannte
Protonentauschreaktions-Massenspektrometer
(PTR-MS) für die Echtzeit-Messungen von VOCs
entwickelt [2]. Basierend auf dem Prinzip der
chemischen Ionisierung erfolgt hierbei die Ionisierung flüchtiger organischer Moleküle aus einer Luftprobe durch protoniertes Wasser (H3O+).
Bei einem Zusammenstoß der beiden Reaktionspartner wird ein Proton vom H3O+ auf das VOC
übertragen. Die anschließende Detektion des
Produkt-Ions gelingt über ein gekoppeltes Massenspektrometer. Da an die Reaktionskammer
des Gerätes ein elektrisches Feld angelegt wird,
können die Reaktionsbedingung gemäß den
analytischen Bedingungen eingestellt werden
[2]. Hierbei resultieren mehrere Vorteile der Methode: die sanfte Ionisierung führt zu einer geringen Fragmentierung der Analyten und häufig
zu einem aus dem Mutter-Ion sich ableitenden
Hauptsignal. Außerdem laufen die Reaktionen
sehr schnell ab (ca. 100 µs) und Produkt-Ionen
können somit in Bruchteilen von Sekunden (i. d.
R. 50 ms) erfasst werden.
Einsatz der PTR-MS in verschiedensten
Forschungsbereichen
Das PTR-MS-Messverfahren wird inzwischen in
vielen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt,
darunter in der Atmosphären- oder Umweltchemie, für den Nachweis von Sprengstoff oder
Narkotika, in der Lebensmittelbranche für Aromaf­
reisetzungsstudien und zur LebensmittelQualitätskontrolle, sowie zunehmend in der Medizin [3]. Im letztgenannten Bereich wird, wie in
der Einleitung schon erwähnt, überwiegend an
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 85
Massenspektrometrie
Schwerpunkt
zeutischen Kapsel im Minutentakt mittels eines
speziellen Alveolarluftsammlers über mehrere
Stunden hinweg Atemproben gewonnen [5]. Es
konnte dabei gezeigt werden, dass das Eukalyptol aus den Kapseln nach einer gewissen Zeit in
der Ausatemluft freigesetzt wurde, wobei die
Konzentration des Geruchsstoffes schlagartig
anstieg, danach aber auch relativ schnell wieder
abfiel (zwischen ca. 12 – 30 min.). Trotz dieser
sehr dynamischen Prozesse war darüber hinaus
Eukalyptol im weiteren Zeitverlauf selbst 25
Stunden später noch im Atem nachweisbar [5].
Des Weiteren wurden große intra- sowie interindividuelle Unterschiede festgestellt, die durch
Unterschiede in Körpergröße bzw. -gewicht oder
Sättigungszustand der Probanden bedingt sein
können.
Abb 2: Das Protonentauschreaktions-Massenspektrometer (© Ionicon Analytic GmbH)
der Zusammensetzung der Atemluft geforscht
um mögliche Biomarker bestimmter Krankheiten
zu identifizieren. Erste Studien in denen die PTRMS-Methode speziell zum Monitoring dynamischer Prozesse, wie z. B. in der Pharmakokinetik
eingesetzt wurde, zeigen die besondere Stärke
dieser Technik.
Einfluss von Lebensmitteln und
Arzneistoffen auf die AtemgasZusammensetzung
Der Forschungsbereich Pharmakokinetik befasst
sich mit die Aufnahme, Verteilung, Metabolisierung und Ausscheidung von Fremdstoffen in und
Abb. 3:
Ausgeatmetes Eukalyptol
nach Einnahme einer
pharmazeutischen Kapsel
(© Fraunhofer IVV)
86 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
aus dem Körper. Die Aufnahme von VOCs erfolgt
hierbei über verschiedene Wege, primär jedoch zusammen mit Nahrungsmitteln, u.a. als Aromen,
oder über das Einatmen von gasförmigen Substanzen. Je nach Aufnahmeart und den physikochemischen Eigenschaften dieser Verbindungen werden sie – oder deren Abbauprodukte – aus dem
Körper wieder freigesetzt. Eine der möglichen
Ausscheidungsrouten ist hierbei über die Atemwege [4].
Das PTR-MS-Verfahren wurde kürzlich für
die Untersuchung der Ausatemluft in Bezug
auf pharmakokinetische Prozesse eingesetzt. In
einer Studie wurden von Probanden nach Einnahme von einer Eukalyptol-haltigen pharma-
Sensorik: Der Weg eines Duftstoffes
zum olfaktorischen Epithel
Die Frage, wie Gerüche wahrgenommen werden,
ist seit langem Gegenstand intensiver Forschung.
Grundvoraussetzung für den Riechprozess ist,
dass Geruchsstoffe, die durch die Nase gelangen, an das olfaktorische Epithel „andocken“
und ihre Geruchsinformation auf diese Weise an
das Gehirn weitergeben. Noch ungeklärt bleibt
hingegen, was genau mit dem Geruchsstoff
während seiner Passage durch die Nase passiert:
inwieweit sich z. B. die individuelle Physiologie
oder die Art des Riechens (schnüffeln, tief einatmen) auf die Geruchswahrnehmung auswirken.
Essentiell für derartige Untersuchungen ist eine
kontrollierte Geruchsstimulation, bei der definierte Konzentrationen von Geruchsstoffen in
definierten Zeitintervallen den zu untersuchenden Probanden dargeboten werden [6].
Der weitere Weg eines Geruchsstoffes in
der Nase ist variantenreich. Geruchsstoffe können entweder über die „normale“ orthonasale
Route an das Epithel gelangen oder, wie bei
der Aromawahrnehmung während des Essens,
über den Rachenraum, den retronasalen Weg
[7]. Für Untersuchungen an Geruchsstoffen in
Bezug auf ihre Passage durch die Nase, welche einen sehr schnellen Prozess darstellt,
müssen daher geeignete Methoden mit hoher
Zeitauflösung eingesetzt werden. Hier bietet
das PTR-MS-Messverfahren neue Einsatzmöglichkeiten, um im Nasenraum Studien über das
Riechen durchzuführen.
So wurde kürzlich eine Sonde direkt an das
olfaktorische Epithel von Proband platziert
und diese Sonde mit dem Einlass des PTR-MS
verbunden. Den Probanden wurden dann Geruchspulse – in diesem Fall von 2,3-Butandion,
einer butterartigen Aromanote – aus dem Olfaktometer präsentiert, wobei sie aufgefordert
wurden, verschiedene Riechtechniken in einer
zufälligen Reihenfolge einzusetzen; d. h., sie
sollten entweder „schnüffeln“, „normal“ oder
„forciert“ riechen. Zur gleichen Zeit zeichnete
das PTR-MS kontinuierlich (mit ca. 2 Hz) und
in Abhängigkeit von der eingesetzten Riechtechnik die Konzentrationen des Geruchsstoffes direkt an der Riechspalte den Probanden
Massenspektrometrie
Schwerpunkt
auf. Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die
Art des Riechens einen großen Einfluss darauf
ausübt, welche Geruchstoffmengen zum Epithel transportiert werden [8].
Zusammenfassung und Ausblick
Die Atemluft, sei es beim Ein- oder Ausatmen,
ist ein hochkomplexes Medium, das eine reichhaltige Informationsquelle über den Menschen
bietet. Bisherige Studien schöpfen nur teilweise die zahlreichen Möglichkeiten aus, Atemgase zu untersuchen. In diesem Zusammenhang
kann das PTR-MS-Messverfahren ein wichtiges
Tool darstellen, insbesondere wegen der Echtzeit-Messoption des Gerätes. Weiterhin werden in Zukunft neue Entwicklungen und Optimierungen des PTR-MS verstärkt in
physiologisch-medizinischen Untersuchungen
zum Einsatz kommen, wie z. B. in Koppelung
mit einem Flugzeitmassenspektrometer in
Form eines PTR-TOF-MS [9]. Derartige Entwicklungen erweitern das Spektrum der analytischen Möglichkeiten, wobei für die Untersuchung der Atemluft Methodiken mit einer sehr
hohen Auflösung über einen relativ großen
Massenbereich hinweg, einem niedrigen Detektionslimit und mit einer zugleich hohen
zeitlichen Auflösung unabdingbar sein werden.
Die Zukunft der Atemgasforschung ist und
bleibt spannend. Wenn wir hier mit großen Erwartungen die Luft anhalten, sollten wir sie auf jeden
Fall beim Ausatmen sorgfältig untersuchen.
Danksagung
Teile der präsentierten Studien wurden zusammen mit Wissenschaftler/innen aus anderen
Forschungseinrichtungen durchgeführt. Der
Autor möchte somit folgenden Kollegen danken: A. Buettner und F. Kirsch (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg), und M.
Scheibe und T. Hummel (Universitätsklinik Carl
Gustav Carus Dresden).
Abb. 4: Proband mit Nasensonde (© Fraunhofer IVV)
Keywords:
Literatur
[1] Amann A. und Smith, D.: World Scientific Publishing,
2005.
[2]Hansel A. et al.: Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc.
149/150 609–619 (1995)
[3] Blake R.S. et al.: Chem. Rev. 109 (3) 861–896 (2009
[4] Beauchamp J.: J. Breath Res. 5 037103 (2011)
[5] Beauchamp J. et al.: J. Breath Res. 4 026006 (2010)
[6]Beauchamp J. et al.: Meas. Sci. Technol. 21 025801
(2010)
[7] Buettner A. und Beauchamp, J.: Food Qual. Pref. 21
915–924 (2010)
[8] Beauchamp J. et al.: Human Chemo. 2010 (2011)
[9] Herbig J. et al.: J. Breath Res. 3 027004 (2009)
ProtonentauschreaktionsMassenspektrometrie (PTR-MS),
flüchtige organische Verbindungen (VOCs),
Atemluft, Geruchsstoffe
▶ ▶K ontakt
Dr. Jonathan Beauchamp
Abteilung Analytische Sensorik,
Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik
und Verpackung (IVV)
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www.ivv.fraunhofer.de
Eine hypothetische Frage, natürlich! Aber selbst, wenn man
sie stellen könnte, wäre sie beim SPECTRO MS überflüssig.
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gesamte relevante Messspektrum absolut gleichzeitig.
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SPECTRO MS: Eine neue Ära der ICP-Massenspektrometrie
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 87
Massenspektrometrie
Schwerpunkt
Ungeduldige Forscher träumen mit DREAMS
Bestimmung langlebiger Radionuklide mit Beschleunigermassenspektrometrie
Das Helmholtz-Zentrum DresdenRossendorf hat sein Spektrum ionenanalytischer Verfahren um eine weitere
hochsensitive Methode erweitert:
die Beschleunigermassenspektrometrie
(accelerator mass spectrometry = AMS).
Die AMS ist prädestiniert zur Bestimmung langlebiger Radionuklide (Halbwertszeit ≥ 100 Jahre). Diese werden
nicht, wie allgemein üblich, mittels
Zerfallszählung detektiert. Vielmehr
bestimmen die „ungeduldigen Forscher“
die noch nicht zerfallenen Nuklide wesentlich effizienter massenspektrometrisch.
Abb. 1: Schematischer Aufbau von DREAMS.
Beschleunigermassenspektrometrie
mit DREAMS
beschleunigt werden: MeV statt keV. Die AMS
liefert somit weitaus niedrigere Nachweisgrenzen (ca. 1x106 Atome oder 10-8 Bq) als die MS.
Auch gegenüber den Verfahren der klassischen
Zerfallszählung ist die AMS bei Proben geringer
(spezifischer) Aktivität wegen ihrer höheren Empfindlichkeit überlegen. Insbesondere wenn die zu
bestimmenden Nuklide keine günstig zu detektierende Strahlung emittieren, z. B. reine β-Emitter
wie 10Be oder reine Elektroneneinfang-Nuklide
wie 53Mn sind, haben MS-Verfahren die Nase
vorn. Zudem gilt, je langlebiger ein Radionuklid
ist, desto günstiger sind MS-Verfahren gegenüber
der Zerfallszählung. Demnach hat sich vor allen
Dingen die AMS bei der Bestimmung besonders
langlebiger Radionuklide (Abb. 2) wie der Aktinide Uran und Plutonium [2] durchgesetzt.
Eine instrumentelle Besonderheit von
DREAMS ist die quasi-simultane Messung der
stabilen und radioaktiven Isotope durch ein
schnelles „Bouncing“-Magnetsystem auf der
Niederenergieseite zur Erhöhung der Präzision.
Zudem dient eine dünne Absorberfolie (Siliziumnitrid, Dicke 1 µm) auf der Hochenergieseite
Weltweit existieren nur etwa 80 AMS-Anlagen.
Im Gegensatz zu den in Europa gängigen niederenergetischen AMS-Anlagen, die sich weitgehend auf die Bestimmung von Radiokohlenstoff
14C (Halbwertszeit: 5730 Jahre) spezialisiert haben, wird die AMS-Anlage des HZDR – DREAMS
(DREsden AMS) – als erste moderne Anlage in
der EU mit einer Terminalspannung von 6 Millionen Volt betrieben [1]. DREAMS ist mit seinen
ca. (15 x 25) m2 großen Ausmaßen (Abb. 1) kein
besonders kleines oder einfach zu bedienendes
Massenspektrometer. Nur ein interdisziplinär arbeitendes Team von Physikern, Chemikern und
Ingenieuren, gemeinsam mit Kollegen aus den
angewandten Wissenschaften, produziert präzise und sinnvoll interpretierbare AMS-Daten.
Der große Vorteil der AMS gegenüber der konventionellen Massenspektrometrie (MS) ist die
effiziente Unterdrückung von Störsignalen von
Molekülionen und Isobaren. Dies liegt vor allen
Dingen an der höheren Energie, auf die die Ionen
88 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
22 (vlnr) Dr. Silke Merchel, Dr. Georg Rugel, Mag.
Stefan Pavetich, Dr. Shavkat Akhmadaliev
zur weiteren Unterdrückung von Isobaren, d.h.
10B bei 10Be-Messungen bzw. 36S bei 36Cl-Messungen. Darüber hinaus wird für die eindeutige
Identifikation des Radionuklids ein Gasionisationsdetektor mit vier Segmenten verwendet.
Aufgrund dieser und anderer instrumenteller
Weiterentwicklungen der AMS, sind nun Bestimmungen von Isotopenverhältnissen (radioaktiv/
stabil) im Bereich von 10-16 möglich [1,3]. Typische Messzeiten niedrigkonzentrierter Proben
liegen im Bereich von einer Stunde.
Schwerpunkt
Ready-to-use
Reagenzien ...
Abb. 2: Übersicht langlebiger Radionuklide mit
Halbwertszeiten größer als 1 Jahr. Die rot markierten Nuklide werden routinemäßig mittels AMS bestimmt. Isotope von Uran (233,234,236U) und Plutonium (239,240,241,242,244Pu) sind nicht dargestellt.
Abb. 3: Radionuklidanreicherung: Vom Bohrkern
zur AMS-Probe.
Nasschemische Probenvorbereitung
lenschutz, Nuklearsicherheit, Nuklearentsorgung,
Radioökologie, Phytologie, Ernährungswissenschaften, Toxikologie und Pharmakologie verdrängt. Das größte Interesse an AMS-Messungen
kommt seit einigen Jahren aus den Geowissenschaften [5]. Dies spiegelt sich auch in den ersten
an DREAMS durchgeführten Projekten wieder.
Kollegen der TU Bergakademie Freiberg, der
Universität Rennes, der Universität Bayreuth, der
Universität Newcastle und der Bundesanstalt
für Geowissenschaften und Rohstoffe Hannover
untersuchen z.B. 10Be und 26Al in quarzreichen
Proben aus Flusssedimenten und Moränen (von
Gletschern zurückgelassenes Material). Die kosmische Strahlung erreicht die Erde hauptsächlich als sekundär produzierte hochenergetische
Neutronen und Myonen; und diese induzieren in
(Oberflächen-)Material Kernreaktionen. Die Produkte dieser Reaktionen, z.B. 10Be, archivieren
zeitliche Informationen über die vergangenen
geomorphologischen Vorgänge. Die so abgeleiteten Gletscherbewegungen und Erosionsraten
lassen somit Rückschlüsse auf das Klima der
letzten Tausend bis wenige Millionen Jahre zu.
In Analogie können auch frische Oberflächen
hervorgerufen durch Erdbeben, Vulkanausbrüche (Abb. 4), Bergstürze (Abb. 4), Meteoriteneinschläge oder Tsunamis datiert werden.
Eine Rekonstruktion des Klimas durch die
Bestimmung von 10Be, welches direkt in der Erdatmosphäre erzeugt und in Eisbohrkerne inkorporiert wurde ist ebenfalls möglich. Das Alfred-
Neben einer „State-of-the-art“-AMS-Anlage,
ist die Installation radiochemischer Probenpräparationslabore eine weitere zwingende Voraussetzung für ein erfolgreiches AMS-Labor.
Die Durchführung der AMS zur Bestimmung
langlebiger Radionuklide ist ausschließlich an
chemisch vorpräparierten Proben möglich, da
die Originalproben (Wasser, Gestein, etc.), die
ausreichende Gesamtmengen des Radionuklides enthalten, zu groß (100 g – 10 kg) sind.
Oder anders formuliert, die Radionuklidkonzentrationen von sub-ppq sind zu gering, um die
Analyse typischer 1 mg-Targets zu ermöglichen.
Eine Anreicherung um bis zu einen Faktor 106
ist somit erforderlich (Abb. 3). Zudem leistet die
chemische Aufbereitung den essentiellen
Schritt zur Isobarenunterdrückung und entfernt
ggf. Kontaminationen anderen Ursprungs. So
kann z.B. die Analyse des auf der Erde „in-situ“
gebildeten 10Be in Quarzgestein nur erfolgen,
nachdem die Proben von der um mehrere Größenordnungen höheren 10Be-Komponente –
aus der Produktion an den Gasen in der Erdatmosphäre – befreit worden sind.
Applikationen
Anfänglich bevorzugt untersuchte Proben aus der
Kosmochemie, der Astro- und Kernphysik werden
zunehmend von Proben aus den Bereichen Strah-
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GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 89
Massenspektrometrie
Schwerpunkt
Abb. 4: Mittels AMS datierbare geomorphologische Vorgänge: Gletscherbewegungen (links),
Bergstürze (oben), Vulkanausbrüche (unten),
durch Tsunami ausgelöste Bergstürze (rechts).
Wegener-Institut und die Universität Heidelberg
untersuchen Proben aus der russischen Arktis an
DREAMS.
Durch die Bestimmung mehrerer Nuklide,
d.h. Radionuklide mit AMS an DREAMS und der
TU München bzw. Edelgase mittels MS am MPI
Mainz, kann die Bestrahlungsgeschichte von Meteoriten z. B.„Ksar Ghelane 002“ [6] und „Gebel
Kamil“[7] vollständig aufgeklärt werden.
Teilen Sie mit uns auch Ihre Träume
Wie die oben angeführte Beispiele zeigen, steht
DREAMS und seine Chemielaboratorien externen Nutzern, insbesondere denen von anderen
Helmholtz-Zentren, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und Universitäten, zur
Verfügung. Interdisziplinäre Projekte aus allen
Forschungsbereichen sind willkommen. Kommerzielle Proben aus Rückbau und Hydrogeologie werden das DREAMS-Profil abrunden.
Danksagung
Der Erfolg eines Großgerätes steht und fällt mit
dem Teamwork. Deshalb möchten wir uns bei
der DREAMS-Operator-Crew, W. Möller (HZDR),
R. Michel (U Hannover), den Kollegen der AMSAnlagen in Wien (VERA) und Aix-en-Provence
(ASTER) und all unseren bisherigen Nutzern für
ihre Arbeit und ihr Vertrauen bedanken.
Literatur
[1]Akhmadaliev S. et al.: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res.
B, im Druck (2012)
[2] Fifield L. K.: Quaternary Geochronology 3, 276–290
(2008)
[3] Merchel S. et al.: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 266,
4921–4926 (2008)
[4]Merchel S.; Herpers, U.: Radiochim. Acta 84, 215–
219 (1999)
90 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Funktionsweise einer AMS-Anlage
Grundsätzlich besteht eine AMS-Anlage, also
auch DREAMS, immer aus denselben Komponenten. In der Ionenquelle werden meist durch
Beschuss mit Cs+-Ionen aus den festen Proben
einfach negative Element- oder Molekülionen,
z.B. BeO-, erzeugt und extrahiert. Störende Isobare, die keine stabilen negativen Ionen bilden
können, z.B. das zum 26Al- isobare 26Mg-, werden in diesem Schritt schon weitestgehend unterdrückt. Mittels elektrostatischer und magnetischer Analysatoren werden die negativen
Ionen mit der gewünschten Energie, Masse
und Ladung ausgewählt und diese zu messenden Isotope (stabil – radioaktiv) in den Tandembeschleuniger eingeschossen. Die Ionen
werden im Tandembeschleuniger zum positiv
geladenen Hochspannungsterminal beschleunigt, wo sich ein „Stripper“ (Folie und/oder
Gas) befindet. Damit werden nicht nur Hüllenelektronen entfernt, so dass eine Ladungsumkehr zu mehrfach positiven Ionen erfolgt, darüber hinaus brechen bei diesem Vorgang auch
alle Molekülbindungen auf. Die nun positiv geladenen Atomionen (Be2+, Cl5+) werden zum
[5]Gosse, J. C.; Phillips, F. M.: Quaternary Science
Reviews 20, 1475–1560 (2001)
[6] Llorca J. et al.: Meteorit. Planet. Sci., submitted
[7] Folco L. et al.: Science 329, 804 (2010)
anderen, auf Erdpotential liegenden Ende des
Tandems, beschleunigt. Der Ionenstrahl, der
den Beschleuniger verlässt, besteht aus verschiedenen Ionensorten mit unterschiedlichen
Ladungszuständen und Energien. Ein Analysiermagnet auf der Hochenergieseite separiert
die Ionen nach ihrem Impuls zu Ladungsverhältnis, d.h. ihrer magnetischen Steifigkeit, und
ist somit ein zweiter Massenseparator. Ein
elektrostatischer Analysator, der die Ionen nach
ihrem Energie- zu Ladungsverhältnis, d.h. ihrer
elektrischen Steifigkeit, trennt, beseitigt die Ionen mit „falscher“ Energie. Beide Schritte dienen der weiteren Reduzierung des Untergrundes. Das Detektorsystem, in dem die Isotope
identifiziert werden, ist den spezifischen Anforderungen angepasst. Meist werden Gasionisationsdetektoren für die Zählung der radioaktiven Isotope verwendet, wohingegen der
makroskopische Strom der stabilen Isotope
über sog. Faraday-Cups gemessen wird. Aus
den Ergebnissen ergibt sich dann das für die
Probe charakteristische Verhältnis von radioaktivem zu stabilem Isotop.
Autoren
Dr. Silke Merchel, Dr. Shavkat Akhmadaliev,
Mag. Stefan Pavetich, Dr. Georg Rugel
▶ ▶K ontakt
Keywords:
AMS, Radionuklide
Kontakt
Dr. Silke Merchel
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
[email protected]
www.hzdr.de/ams
Elektrochemie
Kopplung von Elektrochemie und
Massenspektrometrie
Die Simulation natürlicher Redox-Vorgänge
Die Elektrochemie (EC) ist eine der klassischen Methoden
Oxidationsreaktionen zu induzieren. Ihr Einsatz als Simulationstechnik zur Untersuchung oxidativer oder reduktiver
Vorgänge liegt daher nahe.
Die elektrochemische Zelle
besteht aus drei Elektroden, der
Arbeits-, Referenz- sowie Gegenelektrode (Abb. 2). Zwischen Gegen- und Arbeitselektrode wird
eine Spannung, das Potential, angelegt. Die Referenzelektrode
kompensiert Polarisationseffekte
und stabilisiert das System. Das
Potential ist die treibende Kraft,
um Redoxreaktionen anzustoßen.
Die Polarität des Potentials bestimmt dabei, ob Oxidationen
oder Reduktionen stattfinden.
In amperometrischen Zellen
strömt die zu untersuchende Substanz an der planaren Arbeitselektrode vorbei. Moleküle, die an die Oberfläche der Elektrode diffundieren und
mit dieser in Berührung kommen,
können umgesetzt, d.h. oxidiert oder
reduziert werden. Ist das Produkt
instabil, können Folgereaktionen
stattfinden. Wichtige Parameter zur
Steuerung der Reaktion sind die
Höhe des Potentials, die Flussrate,
der pH-Wert des Puffers sowie das
Material der Arbeitselektrode.
Das System
Die Firma ERC Riemerling bietet
das System Roxy (Abb. 1) an, das
als Reaktor zur elektrochemischen
Umsetzung direkt mit einem Massenspektrometer (MS) gekoppelt
werden kann. Die Probe wird dabei
kontinuierlich mit einer Spritzenpumpe durch die elektrochemische
Abb. 1: Roxy EC-System
mit Spritzenpumpe und Potentiostat
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 91
Elektrochemie
Abb. 2: Schema einer elektrochemischen Zelle
Mit EC/MS simulierbare
metabolische Reaktionen
Mit EC/MS durchführbare
Reaktionen an Peptiden/Proteinen
Aliphatische Hydroxylierung
Reduktion von Disulfidbrücken
Benzylische Hydroxylierung
Peptidspaltung C-terminal von Tyrosin
Dealkylierung von Aminen
Peptidspaltung C-terminal von
Tryptophan
Dealkylierung von Ethern
Oxidative Surface Mapping
Aromatische Hydroxylierung
N-Oxidation
S-Oxidation
P-Oxidation
Alkoholoxidation
Dehydrogenierung
O-Dealkylierung
Abb. 3: Instrumenteller Aufbau. (A) Oxidation/Reduktion des Analyt (B) Konjugation der Reaktionsprodukte mit einer Zielsubstanz
Zelle gepumpt (Abb. 3A). Mit Arbeitselektroden aus GlassyCarbon,
Magic Diamond, Gold und Platin
steht eine umfangreiche Auswahl
an Materialien zur Verfügung. Die
Verweilzeit in der Zelle ist so kurz,
dass auch reaktive Zwischenprodukte direkt detektiert werden
können. Eine Probenaufreinigung
ist durch den rein instrumentellen
Aufbau ohne zugesetzte Chemikalien oder Enzyme nicht notwendig.
Die Bindung der gebildeten Produkte an eine Zielsubstanz, wie z.B.
Glutathion (GSH), kann ebenfalls
leicht bestimmt werden. Die Zielsubstanz wird mit einer zweiten
Spritzenpumpe über ein T-Stück
dem Auslass der elektrochemischen
Tab. 1: Elektrochemisch durchführbare Reaktionen
Zelle zugeführt (Abb. 3B). Eine Reaktionsschleife ermöglicht eine definierte Reaktionszeit vor der Analyse im Massenspektrometer.
Sollen die in der elektrochemischen Zelle erzeugten Produkte
z.B. im NMR identifiziert werden,
steht mit der µ-PrepCell ein präparatives System zur Herstellung
von µg-Mengen an Produkten zur
Verfügung.
Bei Bedarf kann das Gerät in
eine HPLC integriert werden, z.B. um
elektrochemisch erzeugte Produkte
chromatographisch aufzutrennen,
oder die Analyse einer größeren Zahl
von Proben zu automatisieren. Wird
die elektrochemische Zelle nach
der HPLC-Säule installiert, ist eine
Umsetzung der einzeln eluierenden
Substanzen möglich. Abbildung 4
gibt einen Überblick über mögliche
Gerätekonfigurationen.
Anwendungen
Abb. 4: Gerätekonfigurationen zur Kopplung von Elektrochemie und Massenspektrometer
92 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Ursprünglich wurden überwiegend
Metabolismusstudien pharmazeutischer Wirkstoffe durchgeführt.
Abbildung 5 zeigt die bei Umsetzung von Amodiaquin entstehenden Produkte und GSH-Konjugate
sowie die Zuordnung zu bekannten
Metaboliten der Phase I und II.
Die Elektrochemie kann Reaktionen durchführen, die durch eine
Ein-Elektronen-Oxidation gestartet
werden. Die maximal anlegbare
Höhe des Potentials wird durch die
ab einem bestimmten Wert einsetzende Elektrolyse der mobilen Phase begrenzt. Reaktionen, die erst
außerhalb dieses Potentiallimits
ablaufen, sind nicht durchführbar.
Arbeitselektroden aus leitfähigem
Diamant (Magic Diamond) produzieren erst bei sehr hohen Span-
Elektrochemie
Abb. 5: (A) Metaboliten von Amodiaquin. (B) Massenspektra der Phase I-Metaboliten nach Reaktion bei verschiedenen Potentialen. (C) Massenspektra der
Konjugationsprodukte mit GSH (m/z 661 Konjugation mit Metabolit 1, m/z 633 Konjugation mit Metabolit 2)
nungen Sauerstoff, so dass mit
Einführung dieses Elektrodenmaterials das nutzbare Potentialfenster
erweitert wurde. Auch schwierigere Reaktionen mit hohem Oxidati-
onspotential sind dadurch möglich.
Tabelle 1 gibt den aktuellen Stand
durchführbarer Reaktionen wieder.
Neben der Entwicklung neuer
Elektrodenmaterialien wird auch
an geänderten Ansteuerungen
der Zelle geforscht. So konnte z.B.
durch das Anlegen von Rechteckpulsen an der Zelle die bisher nicht
durchführbare O-Dealkylierung erreicht werden.
Die Möglichkeiten, die das
System bietet, werden so beständig erweitert. Der Einsatz der EC/
MS-Kopplung beschränkt sich folgerichtig inzwischen nicht mehr
auf die Pharmazie, sondern ist in
Forschungsbereiche zum Thema
Abwasser, Nahrungszusatzstoffe,
Proteomics, oder Xenobiotika vorgedrungen (Abb. 6).
Fazit
Abb. 6: Anwendungsbereiche der EC/MS-Kopplung
Das Roxy EC-System ermöglicht
ein schnelles Screening der Re-
duktions- und Oxidationsprodukte
eines Analyten. Es ist eine Ergänzung bestehender Techniken und
kann in deren Vorfeld wichtige
Daten über zu erwartende Produkte liefern.
▶ ▶K ontakt
Dr. Daniel Vetter
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GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 93
Elektrochemie
Hochdurchsatz Elektrochemie mit
online Spurenanalytik
Eine neue Methodik mit breitem Anwendungspotential
Die Langzeitstabilität von Werkstoffen
ist von überaus großer Bedeutung speziell im Bereich Korrosion/Korrosionsschutz sowie der elektrochemischen
Energieumwandlung. Ein neuartiger
experimenteller Aufbau ermöglicht
es nun, die realen Auflöseraten aller
Materialkomponenten parallel zu der
elektrochemischen Untersuchung zu
messen. Die volle Automatisierung der
Methode und die geringe Größe der
Elektrode ermöglichen dabei einen
hohen experimentellen Durchsatz.
Ein simples Konzept
Dass Korrosionsprodukte von einem fließenden
Medium abtransportiert werden, ist jedermann
klar. Verbreitete Beispiele dafür sind rotbraune
Rinnsale unter Rostflecken an Auto oder Fahrrad.
Weitaus kontrollierter läuft dieser Vorgang natürlich in Flusssystemen ab, also Pipelines oder Rohrleitungen. Nehmen wir an, ein langes Rohr sei
völlig stabil im strömenden Medium, mit Ausnahme jedoch eines einzigen Defektes. Mit einer geeigneten Analytik könnte man am Rohrausgang
den Fortschritt der Korrosion über die Zeit verfol-
gen. Und mehr noch: Bei Kenntnis des Rohrmaterials lassen sich Rückschlüsse darüber ziehen, welcher Bestandteil besonders korrosionsanfällig ist.
Gleichzeitige elektrochemische Messungen und
eine geeignete Oberflächencharakterisierung des
Defektes am Rohr würden es ferner ermöglichen,
festsitzende Korrosionsprodukte zu identifizieren,
da diese dem Detektor am Rohrausgang entgangen sind. Was nach dem Traum eines Anlagenbauers klingt, ist natürlich im Feldversuch kaum praktikabel. Das Konzept dahinter ist jedoch aus
wissenschaftlicher Sicht äußerst reizvoll.
Die Handhabung entscheidet
Einen kontinuierlichen Fluss eines wässrigen Mediums zu erzeugen ist vergleichsweise einfach.
Das Einbringen der Probe gestaltet sich jedoch als
äußerst komplex, da jede Geometrie stets mit gewissen Vor- und Nachteilen verbunden ist. Generell ist das Anströmen einer Fläche im Vergleich zu
einem dreidimensionalen Körper zu bevorzugen,
da es zu weit weniger Turbulenzen und lokalen
Unterschieden der Flussrate kommt. Zudem lassen sich flache Proben oft am leichtesten erzeugen und ermöglichen die Verwendung von Aufsatz-Zellen, um einen lokalisierten und schnellen
Probenkontakt zu gewährleisten.
Die vorgestellte Rasterdurchflusszelle bedient
sich genau dieses Prinzips, und wurde dabei
maßgeblich von mikroelektrochemischen Kapillarzellen inspiriert bei der fein ausgezogene Glaskapillaren mit Elektrolyt befüllt, einem Dichtring
versehen, und mit definierter Kraft auf ein flaches
Substrat aufgedrückt werden [1]. Mikroelektroden
in der Glaszelle ermöglichen das volle Spektrum
elektrochemischer Untersuchungen, wobei die
kontaktierte Fläche dabei äußerst reproduzierbar
ist [2]. Dieses Konzept wurde am Max-Planck Institut für Eisenforschung um ein Flusssystem erweitert, indem mit Hilfe von mikromechanischen
Methoden eine Durchflusszelle in V-Geometrie aus
Polyacrylat angefertigt wurde (Abb. 1). Angetrieben wird der konstante Elektrolytfluss dabei durch
eine Peristaltikpumpe. Die Spurenanalytik in Form
eines ICP-MS (Inductively Coupled Plasma – Mass
Spectrometry) ist der Zelle nachgeschaltet, wobei
die Zeitverzögerung zwischen der Freisetzung von
Spezies an der Oberfläche und dem Erreichen des
Detektors etwa 15 Sekunden beträgt. Diese analytische Methode ermöglicht es, viele Elemente
parallel mit außergewöhnlich niedrigem Detektionslimit zu bestimmen [3]. Neben der ICP-MS
können alternativ auch andere analytische Methoden nachgeschaltet werden; insbesondere die
UV-VIS Spektroskopie wurde bereits mehrfach zur
Bestimmung einzelner Elemente über geeignete
Komplexbildner eingesetzt [4].
Der in Abbildung 1 dargestellte Gesamtaufbau
hat neben dem geringen Platzbedarf der Messung
und der empfindlichen Spurenanalytik noch einen
weiteren entscheidenden Vorteil: Die Reproduzierbarkeit. Grund dafür ist nicht nur die genau bestimmte Kontaktfläche zum Substrat, sondern vor
allem die Konstanz der Bedingungen. So sorgt der
gleichmäßige Elektrolytfluss zum einen während
der Messung für die rasche Einstellung eines stationären Zustandes. Da dieser Fluss auch ohne Substratkontakt, also bei abgehobener Zelle, aufrecht
erhalten wird, ist zum anderen auch ein Abtransport von Reaktionsprodukten zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen gegeben. Dies ist
auch für die Analytik von hoher Bedeutung, da nur
so eine zuverlässige Quantifizierung möglich ist.
Es gibt viel zu tun
Abb. 1: Schematische Darstellung des Messaufbaus (ICP-MS stark verkleinert abgebildet)
94 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Der experimentelle Aufwand in der modernen Materialforschung ist durch das komplexe Zusammenspiel einer Vielzahl an Einflussgrößen sehr
hoch. Für die Stabilität in wässrigen Lösungen sind
mehrere materialspezifische Größen (Zusammensetzung, Struktur etc.) und Umgebungsgrößen
(Temperatur, Zusammensetzung der Lösung etc.)
zu berücksichtigen. Meist ist es sinnvoll, nur einen
Parameter zu variieren, um dessen Einfluss zu isolieren. Daraus ergibt sich allerdings eine enorme
Anzahl an Permutationen, die durch reproduzier-
Elektrochemie
Abb. 2: Zwei fundamentale Ansätze zur Parametervariation mit Hilfe einer Serie von Messpunkten
Die vorgestellte Methode erlaubt sowohl
schnelle Screening-Untersuchungen als auch
umfangreiche Studien mit sehr hoher Datentiefe durchzuführen. Beispiele für erfolgreiche
Anwendungen umfassen verschiedene Stähle,
metallische Korrosionsschutzüberzüge, insbesondere Zink, sowie die Elektrodenstabilität
von Kupfer, Rhodium und Platin Katalysatoren.
Doch auch in vielen weiteren Bereichen kann in
Zukunft ein wertvoller Beitrag zum Verständnis
von Auflösungsprozessen und zur Materialoptimierung geleistet werden.
Literatur
Abb. 3: Intensitätsprofil der Elemente Ni, Cr und Mo während des Korrosionstests einer Nickel Basislegierung in belüfteter 0,1 M Schwefelsäure
bare Experimente abgedeckt werden muss. Generell bieten sich hier mit der ortsaufgelösten Rasterdurchflusszelle zwei Möglichkeiten:
▪▪ 1. Die Präparation einer homogenen Oberfläche, auf der automatisiert eine Vielzahl
von Untersuchungen unter Variation der
Messparameter durchgeführt werden [5].
▪▪ 2. Serien oder Matrizes von Messpunkten
auf inhomogenen Substraten, beispielsweise
lateral gradierten Proben bei denen sich die
Zusammensetzung kontinuierlich entlang
einer Ortskoordinate ändert. Dies ermöglicht
somit u.a. eine Serie von Messungen entlang
dieses Gradienten zur Bestimmung des Einflusses von Legierungselementen [6].
Darüber hinaus lassen sich mit diesen beiden Techniken nicht nur große Mengen an Daten über ideale Systeme gewinnen, sondern auch komplexe
Proben, etwa Schweißnähte, lokal untersuchen.
[1] Lohrengel M.M. et al.:, Electrochim. Acta, 47 137–
141 (2001)
[2]Mardare A.I. et al.: Rev. Sci. Instrum., 80 046106
(2009)
[3]Klemm S.O. et al.: Electrochem. Commun., 13
1533–1535 (2011)
[4]Klemm S.O. et al.: Electrochim. Acta, 56 4315–
4321 (2011)
[5]Klemm S.O. et al.: J. Solid State Electrochem., 1–8
(2011)
[6]Klemm S.O. et al.: Electrochim. Acta, 56 9627–
9636 (2011)
Ein konkretes Einzelbeispiel
Als gute Demonstration für das Potential der Methodik dienen Korrosionsuntersuchungen einer
Nickel Basislegierung in verdünnter Schwefelsäure. In diesem Medium ist das Material sehr beständig, weshalb die online Analytik äußerst anspruchsvoll ist. Abbildung 3 zeigt dennoch ein sehr
deutliches Signal der initialen Auflösung aller Elemente nach Zellkontakt, gefolgt von einem Abfall
der Intensität auf sehr geringe Korrosionsraten.
Die folgende lineare Potentialdurchfahrt in anodische Richtung hat weiterhin einen erneuten Anstieg der Materialauflösung zur Folge, wobei die
Korrelation zum gemessenen Strom (nicht abgebildet) äußerst gut ist. Hiermit kann also die Korrosionsrate am Ruhepotential, welche elektrochemisch nicht direkt zugängig ist, direkt und effizient
untersucht werden, genauso wie die selektiven
Auflösungserscheinungen aufgetrennt nach den
jeweiligen Elementen.
Keywords:
Elektrochemie, online-Spurenanalytik,
Hochdurchsatz
▶ ▶K ontakt
Dr. Sebastian O. Klemm
[email protected]
Dr. Karl J. J. Mayrhofer
[email protected]
Max-Planck Institut für Eisenforschung
Abteilung für Grenzflächenchemie und
Oberflächentechnik
Düsseldorf
www.mpie.de
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 95
Elektrochemie
Elektrochemische Sensorik für Mikroreaktoren
Miniaturisierte Sensoren zur In-situ-Messung
In dieser Arbeit wird ein in Mikrorohrreaktoren integrierbares Durchflussmodul vorgestellt, das den Einsatz miniaturisierter elektrochemischer Sensoren
zur in-situ-Messung erlaubt. Hierbei
wird die Reaktion durch die sensorische Messung nicht gestört und die zu
kontrollierenden Parameter können
während der gesamten Reaktionszeit
verfolgt sowie mögliche Veränderungen registriert werden [1,2].
Mikroreaktoren
Mikroreaktoren werden aufgrund ihrer, im Vergleich zu konventionellen Reaktoren, geringen
Größe und der damit verbundenen Vorteile, in
der Analytik, der Verfahrenstechnik, aber auch
in der Chemie und Biochemie eingesetzt. In
miniaturisierten Reaktoren kann eine leichtere
Regulierung der Prozessparameter (Temperatur etc.), die homogene Verteilung der an der
Reaktion beteiligten Substanzen sowie eine
präzisere Prozessführung gewährleistet werden [3,4]. Um z. B. die Effizienz und die Ausbeute biochemischer Reaktionen zu maximieren, ist die genaue Kontrolle und Einstellung
von Parametern wie pH-Wert und Sauerstoffgehalt wichtig. Des Weiteren ist es vorteilhaft,
dass diese Parameter während der gesamten
Abb. 1: Durchflusszelle
Reaktion im Mikroreaktor verfolgt werden
können, um Veränderungen zu registrieren und
bei Bedarf einzugreifen. Bisher sind jedoch lediglich Temperatur-, Druck- sowie Massenflusssensoren bekannt, die in Mikroreaktoren integriert sind [5].
Durchflussmodul und
elektrochemische Sensoren
Das entwickelte Durchflussmodul (Abb. 1) wurde
aus Polydimethylsiloxan (PDMS), einem elastischen, biokompatiblen Silikonelastomer gefertigt.
Der sich in der Zelle befindende Kanal hat eine
Länge von 3,2 cm, ist 1 mm hoch und 4 mm breit.
Ein Vorteil des verwendeten elastischen Materials ist, dass die Sensoren flüssigkeitsdicht umschlossen werden. Der rechteckig ausgebildete
Durchflusskanal ermöglicht weiterhin, dass die
sensitiven Stirnflächen der Elektroden mit der
Kanalwand eine Ebene bilden und somit eine Behinderung der Strömung vermieden werden
kann. Des Weiteren kann der Stofffluss aufgrund
der Transparenz des Materials verfolgt werden.
In diesem Durchflussmodul wurden bisher
elektrochemische Sensoren zur Bestimmung von
pH-Wert, Redoxpotential und Sauerstoffgehalt
(Abb. 2) eingesetzt. Die Elektroden sind einzeln
austauschbar. Zudem sind weitere miniaturisierte Elektroden, die z.B. auf anderen Messprinzipien beruhen oder einen anderen Analyten detektieren, einsetzbar.
Bei dem Sauerstoffsensor (Abb. 2c) handelt
es sich um ein Dreielektrodensystem, welches
durch eine gaspermeable Polypropylenmembran
von der Messlösung getrennt ist. Die weitgehen-
Abb. 2: Beispiele für Sensoren für das Durchflussmodul: a) Redoxelektrode, b) pH-Elektrode, c) Sauerstoffsensor, d) Referenzelektrode
96 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Elektrochemie
de Strömungsunabhängigkeit des Sensorsignals,
die für den Einsatz des Sensors im Mikroreaktor
im Durchfluss wichtig ist, wird aufgrund der Verwendung einer Mikrokathode als Arbeitselektrode gewährleistet. Als Redoxelektrode (Abb. 2a)
fungiert ein in Glas eingeschmolzener Platindraht. Zur pH-Messung im Mikroreaktor sind
bisher Antimonelektroden (Abb. 2b) eingesetzt
worden. Für die Bestimmung von pH-Wert und
Redoxpotential ist zusätzlich eine Referenzelektrode (Abb. 2d) nötig. Diese besteht aus einem
Silberdraht, der mit Silberchlorid überzogen
ist und in einen KCl-haltigen Innenelektrolyten
taucht. Der elektrolytische Kontakt zur Messlösung wird über ein sich an der Stirnseite der Referenzelektrode befindliches Keramikdiaphragma hergestellt.
Untersuchungen und Ergebnisse
In Abbildung 3 ist das Ansprechverhalten des
miniaturisierten Sauerstoffsensors bei Wechsel
zwischen befeuchteter Luft und befeuchtetem
Stickstoff bei einem Polarisationspotential UP
von -800 mV dargestellt. Wie zu erkennen ist,
sind die Messwerte auch bei mehrmaligem
Wechsel zwischen Luft und Stickstoff reproduzierbar. Die t90-Zeit dieses Sensors, d.h. die Zeit
nach der 90 % des Endwertes erreicht sind, beträgt ca. 35 Sekunden.
In Abbildung 4a sind die Kalibriergeraden
einer pH-Elektrode gegen 4 verschiedene, aber
Abb. 3: Ansprechverhalten des Sauerstoffsensors bei Wechsel zwischen befeuchteter Luft und befeuchtetem Stickstoff
vom Aufbau her gleiche Referenzelektroden
dargestellt. Dabei zeigt sich, dass die Referenzelektroden fast identisch sind. Die Sensitivität
der Antimonelektrode liegt im Bereich von 53
bis 54 mV / pH. In Abbildung 4b sind die Kalibriergeraden mehrerer pH-Elektroden gegen eine
Referenzelektrode abgebildet. Die Unterschiede
zwischen den Kalibriergeraden der Antimonelektroden sind vernachlässigbar gering. Dies
wurde aufgrund des einfachen Aufbaus der Antimonelektroden erwartet [6]. Daraus folgt, dass
sowohl die pH- als auch die Referenzelektroden
reproduzierbar herstellbar sind.
Die miniaturisierten Sensoren, integriert in die
in Abbildung 1 gezeigte Durchflusszelle, wurden
in einem Mikroreaktor eingesetzt. Ein mehrere
Meter langer Schlauch mit einem Innendurchmesser von 1,6 mm fungierte als Mikrorohr-
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Elektrochemie
Abb. 4: a) Kalibriergeraden einer pH-Elektrode gegen verschiedene Referenzelektroden und b) verschiedener pH-Elektroden gegen die gleiche Referenzelektrode
reaktor. Als biologische Messlösung diente ein
Medium mit Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae). Saccharomyces cerevisiae ist ein einfach zu
handhabender Organismus, der leicht verfügbar,
preiswert sowie nicht toxisch ist und keine sterilen Arbeitsbedingungen erfordert [7].
In den hier dargestellten Messungen enthielten die Probelösungen neben den Hefezellen zusätzlich noch Zucker und z.T. Calciumcarbonat (nur
in Abb. 6). Der Zucker wurde von den Hefezellen
unter Sauerstoffverbrauch umgesetzt. Dies zeigte
sich zum einen im abfallenden Sauerstoffgehalt,
zum anderen auch im sinkenden Redoxpotential.
Obwohl in das Ausgangsgefäß, aus dem das Medium in den Mikroreaktor gefördert wurde, Luft
eingeleitet wurde, lag der Sauerstoffgehalt innerhalb weniger Minuten nahe 0 mg / l, d.h. der in
das Medium eingeleitete Sauerstoff wurde sofort
von den Zellen verbraucht. Das Calciumcarbonat,
welches im Ansatz in Abbildung 6 enthalten war,
diente lediglich der pH-Wert-Regulierung, da während des Zuckerabbaus Kohlendioxid entstand.
Dieses löste sich im Medium und verringerte den
pH-Wert, was in Abbildung 5 (Ansatz ohne Calciumcarbonat) zu erkennen ist. Befand sich, wie
in Abbildung 6 dargestellt, Calciumcarbonat im
Messmedium, wurde ein Teil der Protonen, die aus
der Dissoziation der Kohlensäure hervorgegangen
sind, durch diese Substanz gebunden.
Teile dieser Arbeit wurden von der Kurt-SchwabeStiftung mit einem Kurt-Schwabe-Stipendium
gefördert.
Literatur
Abb. 5: Messung in einem Hefe-Zucker-Medium im Mikroreaktor
[1]Päßler S. et al.: Technisches Messen 77, 24–29
(2010)
[2]Bertau M. et al.: Sensorgestütztes Mikroreaktorsystem, Offenlegungsschrift DE 10 2009 048 113 A1 2011.04.07
[3] Ehrfeld W. et al.: Microreactors, Wiley-VCH, 2000,
1 ff.
[4] Schirmer G. et al.: Innovative Technik – Neue Anwendungen 42, 1–2 (2009)
[5] Löbbecke S. und Ferstl W.: P&A Kompendium, 59–62
(2004)
[6] Baldauf S.: Bachelorarbeit an der TU BA Freiberg und
am KSI Meinsberg (2011)
[7] Hoffmann N.: Chemie in unserer Zeit 4, 201–213
(1996)
Keywords:
Mikroreaktor, elektrochemische Sensoren,
In-situ-Messung, Durchflussmodul
▶ ▶K ontakt
Abb. 6: Messung in einem Hefe-Zucker-Calciumcarbonat-Medium im Mikroreaktor
98 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Prof. Dr. Winfried Vonau
Dipl.-Nat. Sandra Päßler
Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik
e.V. Meinsberg
Ziegra-Knobelsdorf
[email protected]
www.ksi-meinsberg.de
Elektrochemie
Potentiometrische Untersuchungen
Neuartige Wasserstoffelektroden
Die Standard-Wasserstoffelektrode besitzt in der Elektrochemie eine zentrale
Bedeutung als Referenzsystem und
Nullpunkt der elektrochemischen Potentialskala. Auf Grund des hohen apparativen Aufbaus und der schwierigen
Handhabung sind Wasserstoffelektroden in der klassischen Ausführungsform ungeeignet und werden nur noch
für Präzisionsmessungen und zur Überprüfung von Standard-Pufferlösungen
eingesetzt [1 – 4].
Abb. 1: Wasserstoffelektrode mit integrierter Wasserstoffquelle
Zusammenfassung
Indikatorelektroden, sowie als potentialstabile
Referenzsonden in Lebensmittelprodukten.
Neuartige einfach handhabbare Mess- und Referenzelektroden auf der Basis von Wasserstoffelektroden wurden entwickelt. In den aus
Kunststoffmaterial bestehenden Elektrodenkörper ist eine elektrochemische Zelle als Wasserstoffquelle integriert. Der in-situ kontinuierlich
erzeugte Wasserstoff gelangt über ein in den
Elektrodenkörper integriertes Zuleitungsrohr zu
der palladiumhaltigen inerten Messelektrode.
Durch Modifizierung mit einem mit definierten
säurehaltigen Innenelektrolyten gefüllten Elektrolytbecher und Einbindung einer flexiblen mikroporösen Membran sind die Elektroden auch
als Referenzsonden einsetzbar. Potentiometrische Untersuchungen mit den neuartigen Elektroden auf Wasserstoffbasis erfolgten in Ethanol- und HF-haltigen Lösungen als pH-sensitive
Einführung
Die Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit
von pH-Messungen in stark sauren, chemischaggressiven und in nicht-wässrigen Medien
nimmt, insbesondere in der Lebensmittel- und in
der Pharmaindustrie, zu. Es wurden neue stabförmige Wasserstoffelektroden mit integrierten
und auswechselbaren Wasserstoffquellen und
palladiumhaltigen Messelektroden für den Einsatz in chemisch-aggressiven und alkoholischen
Lösungen, sowie für Lebensmittelproben entwickelt. Die neuartigen Elektroden auf Basis der
Wasserstoffelektrode können sowohl als pHsensitive Messelektroden, als auch als potentialstabile Referenzelektroden Anwendung finden.
Elektrodenaufbau
Der Aufbau der neuartigen Wasserstoffelektrode
ist in Abbildung 1 dargestellt. Der in einer elektrochemischen Zelle in-situ erzeugte Wasserstoff
wird über einen in den Elektrodenkörper integrierten Kanal kontinuierlich zu einer inerten palladiumhaltigen Messelektrode geführt. Das inerte Elektrodenmaterial steht bei Verwendung als
Messelektrode in direktem Kontakt mit der entsprechenden Messlösung.
In Abbildung 2 ist schematisch eine neue Referenzsonde auf Basis einer Wasserstoffelektrode
dargestellt. Für den Einsatz als Referenzelektrode wird die Elektrode mit einem Elektrolytgefäß
aus Kunststoff, gefüllt mit einem säurehaltigen
Elektrolyten mit definierter Zusammensetzung,
versehen. Die inerte Messelektrode taucht in die
Elektrolytlösung ein und steht durch eine in das
Tabelle 1: pH-Werte verschiedener realer Proben
Produktproben
Abb. 2: Schematischer Aufbau der Referenzsonde
auf Basis der Wasserstoffelektrode
pH-Glaselektrode
kommerzielle
vs. neue Referenzsonde
pH-Einstabmesskette
H-Vollmilch (3,5 % Fett)
6,84
6,70
Frischmilch (3,5 % Fett)
6,89
6,77
Buttermilch
4,27
4,10
Kefir
4,87
4,61
Sauermilch
3,54
3,57
Rotwein
3,54
3,40
Rosewein
3,47
3,21
Weißwein
3,38
3,18
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 99
Elektrochemie
Elektrolytgefäß integrierte, flexible und mikroporöse Membran in direktem Kontakt mit der jeweiligen Messlösung. Die polymerhaltige Membran
besteht aus einem speziellen kunststoffhaltigen
Material und zeichnet sich durch eine niedrige
Ausflussrate (< 250 µl/24 Std.) und große Beständigkeit gegenüber Säuren und Basen aus.
Ergebnisse
Abb. 3: Untersuchung in HF-haltigen Lösungen, Messlösungen: a) 1 M HF, b) 10 M HF, c) 5 M HF
Abb. 4: Potentiometrisches Ansprechverhalten der Wasserstoffelektrode in wässrig/ethanolhaltigen
Lösungen. Messlösungen: a KCl, b 0,01 M KCl/Ethanol (80 :20), c 0,01 M KCl/Ethanol (50 :50), d 0,01 M
KCl/Ethanol (20 :80), e Ethanol
Abb. 5: Einstellverhalten von pH-Glaselektroden in Pufferlösungen und realen Proben bei Einsatz der
neuen Referenzsonde. Pufferlösungen: a pH: 2,10; b pH: 2,95; c pH: 4,10; d pH: 5,10; e pH: 6,01; f pH
7,03; g pH: 7,79. Reale Proben: 1. H-Vollmilch, 2. Buttermilch, 3. Frischmilch
100 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Potentiometrische Untersuchungen erfolgten in
verschiedenen HF-haltigen Lösungen und in Lebensmittelproben und Ethanol-Wasser-Gemischen. Abbildung 3 zeigt das potentiometrische
Ansprechverhalten einer Einstabmesskette
(schwarze Kurve) bestehend aus einer Wasserstoffelektrode mit integrierter Ag/AgCl-Referenzelektrode, sowie einer Wasserstoffelektrode
mit einer externen Ag/AgCl-Referenzelektrode
(rote Kurve). Die Elektroden wurden in HF-Lösungen unterschiedlicher Konzentration über einen Zeitraum von 140 Stunden getestet. Die in
den unterschiedlichen HF-Lösungen ermittelten
Messpotentiale sind bei beiden Messketten nahezu identisch. Die Sonden auf Basis von Wasserstoffelektroden zeigen stabile Potentiale und
keine Drifterscheinungen Die Untersuchungen
bestätigen die guten Einsatzmöglichkeiten dieser chemisch-resistenten Elektroden in stark
sauren Lösungen, in denen glashaltige Elektroden nicht eingesetzt werden können.
Abbildung 4 zeigt das potentiometrische An­
sprechverhalten in verschiedenen alkoholischwässrigen Lösungsmittelgemischen. Die Potentiale
wurden gegen konventionelle Ag/AgCl-Referenzelektroden gemessen. Es wurden nach kurzer Zeit
stabile Messwerte erhalten. Als wässrige Komponente wurde eine 0,01 M KCl-Lösung verwendet.
Mit zunehmendem Ethanolgehalt ist eine Verschiebung der Messpotentiale zu positiven Werten
erkennbar. Es konnte eine Abhängigkeit der Potentialwerte vom Ethanolgehalt beobachtet werden.
Eine Potentialzunahme mit zunehmendem Gehalt
der organischen Komponente steht in Übereinstimmung mit den von Schwabe und Queck publizierten Ergebnissen zum Einsatz klassischer Wasserstoffelektroden [5 – 7].
Durch Modifizierung der Wasserstoffelektroden mit Elektrolytgefäß und integrierter mikroporöser Membran und Eintauchen der palladiumhaltigen Messelektrode in einen säurehaltigem
Elektrolyten definierter Konzentration sind die
Elektroden auch als potentialstabile Referenzsonden einsetzbar. Es wurden mit den neuartigen Referenzsonden pH-Bestimmungen in verschiedenen
Milchprodukten und Weinproben durchgeführt.
Die Abbildungen 5 und 6 zeigen das potentiometrische Ansprechverhalten bei Verwendung
der Wasserstoffreferenzelektroden in verschiedenen Pufferlösungen und Lebensmittelproben. Als
Messelektroden wurden konventionelle pH-Glaselektroden eingesetzt. Verwendet wurden BrittonRobinson-Pufferlösungen (pH-Wertbereich: 2 – 8)
mit konstanter Ionenstärke. Die in den Milchprodukten und Weinproben ermittelten pH-Werte
stimmen mit denen mit einer kommerziellen Einstabmesskette gemessen Werten gut überein.
Elektrochemie
Literatur
[1]Galster H.: pH-Messung, VCH-Verlag Weinheim
(1990)
[2] Le Blanc M. Z. Phys. Chem., 12, (1983)
[3] Schwabe K.: pH-Messung, Akademie-Verlag, Berlin
(1980)
[4]Kaden H. und Vonau W. :J. prakt. Chem, (1998),
710–721
[5] Schwabe K.: Österreichische Chemiker-Zeitung, 65,
11, 339–357 (1964)
[6]Schwabe K. und Queck C.: Bull. Soc. Chim. Beograd, 39, 433–552 (1974)
[7]Schwabe K.und Queck C.: Electrochim. Acta, 27, 7
805–819 (1982)
Autoren
Abb. 6: Einstellverhalten von pH-Glaselektroden in Pufferlösungen und realen Proben bei Einsatz der
neuen Referenzsonde. Pufferlösungen: a pH 2,10; b pH 2,95; c pH 4,10; d pH 5,10; e pH: 6,01; f pH 7,03; g
pH 7,79. Reale Proben: 1. H-Vollmilch, 4. Rosewein, 5. Rotwein, 6. Weißwein
In Tabelle 1 sind mit den Referenzsonden
bestimmten pH-Werte verschiedener Lebensmittelproben aufgeführt. Die Messpotentiale
zeichnen sich durch eine hohe Stabilität, geringe Drift und kurze Ansprechzeiten aus. Die Messungen erfolgten direkt in den realen Proben
bei Raumtemperatur.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Ergebnisse bestätigen die guten zukünftigen
Einsatzmöglichkeiten der neuen Sonden auf der
Basis von Wasserstoffelektroden unter spezifischen Einsatzbedingungen, wie z. B. in stark
säurehaltigen Proben. Sie sind sowohl als pHsensitive Indikator-, als auch, nach entsprechender Modifizierung mit Elektrolyten und mikropo-
röser Membran, als Referenzelektroden
einsetzbar. Die robusten Elektroden zeichnen
sich durch einen einfachen Aufbau, eine hohe
mechanische Stabilität und problemlose Handhabbarkeit aus. Aufbauend auf den bisherigen
Erfahrungen muss zukünftig die Entwicklung einer anwender- und bedienerfreundlichen symmetrischen Einstabmesskette mit Referenz- und
Messelektrode auf der Basis von Wasserstoffelektroden im Fokus stehen.
Danksagung
Die Autoren danken dem Bundesministerium für
Wirtschaft und Technoliogie (BMWi) für die Förderung des Vorhabens (Förderkennzeichen:
2218307ST9).
Johannes Schwarz, Kurt-Schwabe-Institut für
Mess- und Sensortechnik e. V. Meinsberg, Alexander Hörig, Kurt-Schwabe-Institut für Messund Sensortechnik e. V. Meinsberg, Wolfram
Oelssner, Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und
Sensortechnik e. V. Meinsberg, Winfried Vonau,
Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e. V. Meinsberg, Hans-Joachim Kohnke,
Gaskatel Gesellschaft für Gassysteme durch
Katalyse und Elektrochemie mbH
Keywords:
Wasserstoffelektrode, Referenzsonde,
Potentiometrie, Lebensmittelproben
▶ ▶K ontakt
Dr. Johannes Schwarz
Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik
e. V. Meinsberg
Ziegra-Knobelsdorf
[email protected]
Lebensmittelanalytik und -Technologie
Du bist, was Du isst
Lamarcks späte Rehabilitation
Es wird ein köstlicher Tag für Jean-Baptiste de Lamarck gewesen sein, als er im Jahr
1800 mit seiner frisch ausformulierten Theorie der Artentransformation allgemeine
Zustimmung in der wissenschaftlichen Welt erntete. Das naturwissenschaftliche
Multitalent und Mitbegründer der modernen Biologie vertrat darin die Ansicht,
dass das Grundprinzip zur Artenvielfalt die Vererbung erworbener Eigenschaften ist.
Erst 80 Jahre später wurde diese Idee von dem
Freiburger Zoologen August Weismann in Frage
gestellt und es verankerte sich in der allgemeinen Vorstellung zur Vererbung eine strikte Trennung von dem gelebten Körper und der weiter
zu gebenden Erbinformation. Neue wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen nun, dass tatsächlich vieles, was wir tun, doch das Erbmaterial modifiziert und so die im eigenen Leben
erworbenen Eigenschaften an nachfolgende
Generationen weitervererbt werden können
(siehe auch GIT10 / 2011, S. 718).
Die plastische Kontinuität des Erbgutes
In der Zeit von Lamarck nahmen Naturforscher an, dass durch den Einfluss von Umwelt
erbliche Veränderungen bewirkt werden können. Charakteristisch für diese Art der Vererbung war die alternierende Abfolge von Körper und Keimzelle als Träger der vererbbaren
Informationen. Im Körper gespeicherte Erfahrungen des Lebens sollte folglich auf die
Keimzelle übertragen werden und so fort. Die
individuelle Entwicklung wird somit zu einem
Evolutionsfaktor. Später bestand Weismann
auf einer Kontinuität der erblichen Anteile in
Ei- und Samenzelle, wobei der Organismus,
selbst sterblich, nur unmaßgeblicher Träger
der Erbinformation ist. Nicht zuletzt die Entdeckung der Desoxyribonukleinsäure (DNS)
Doppelhelix als dauerhafter Träger der Erbinformation durch James Watson und Francis
Crick 1953 (Abb. 1), welches mit einer spezifischen Abfolge von vier verschiedenen Nukleinsäurebasen die Konstruktionsinformation
unserer Körperzellen kodiert, festigte diese
Annahme (Abb. 2). Der Gedanke, was die Evolution antreibt, beschränkte sich nunmehr auf
die Veränderung dieser DNS-Basensequenz
und der Auswahl der daraus resultierenden
am besten an die Lebensumstände angepassten Eigenschaften.
102 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Abb. 1: Begründer der modernen Genetik, Maclyn McCarty, James Watson und Francis Crick
© Marjorie McCarty
Die eigene DNS ist nur
eine Informationsoption
Wenn das DNS Makromolekül alle Erbinformation trägt, muss dann nicht die gesamte Merkmalsausprägung genau dieser Informationssequenz entsprechen? Schnell zeigte sich, dass das
eigene Erbmaterial nur eine Informationsoption
für mögliche Ausprägungen ist. Die Basen-Sequenzinformation der DNS wird von einem spezifischen Enzym abgelesen, in eine Zwischenkopie
überschrieben und diese letztendlich in eine
brauchbare Eiweißstruktur übertragen. Dieser Informationsfluss wird mit all seinen Zwischenschritten hocheffizient durch eine Vielzahl an
Regulationsmechanismen an die jeweilige Stoffwechselsituation der Zelle angepasst. Schon hier
führen also längst nicht alle Informationseinheiten, die zur Verfügung stehen und in eine
Arbeitskopie überschrieben werden, zu einer
Merkmalsausprägung. Eine Vielzahl von Nahrungsmittelbestandteilen, wie das Resveratrol
aus der Weintraube, spezielle, mehrfach ungesättigte Fettsäuren aus Seefisch oder verschiedene
pflanzliche Sterole, werden diskutiert Einfluss auf
genau diese Expressionsregulationen zu nehmen.
Sie modulieren direkt den zellulären Informationsfluss und initiieren relevante Stoffwechselabläufe. Fettsäuren zum Beispiel komplexieren mit
bindungsfähigen Eiweißen, werden von den Zellen aufgenommen und direkt in den Zellkern
transportiert. Dort interagiert dieser Komplex direkt mit der DNS. Dadurch werden Informationen
zum Fettstoffwechsel aber auch zum Immunsystem entsprechend aktiviert.
Die DNS liegt als Strang auf „Histone“ genannte Rollenstrukturen aufgewickelt in räumlich kondensierter Form als Chromosom im
Zellkern vor. Sollen Informationen abgerufen
werden, müssen diese erst für das Ablesewerk-
Abb. 2: Das Modell der DNA von Watson und
Crick 1958
© Christoph Bock
zeug, die RNA-Polymerase, zugänglich gemacht
werden. Jede auf der DNS kodierte und in ein
Protein übersetzte Informationseinheit wird als
Gen bezeichnet. Es besteht aus einer Promotor
genannten Bindestelle für die RNA-Polymerase,
darauffolgend die eigentlichen Strukturinformationen für das zu generierende Eiweiß und einer
Termination. Wie können nun Umweltfaktoren,
unsere Ernährungsgewohnheiten und Handlungen auf die Gesamtheit dieser Geninformation
und deren Ausprägung Einfluss nehmen und
sich soweit manifestieren, dass es an weitere
Generationen vererbbar wird?
Das Epigenetik genannte Forschungsgebiet
beschreibt hierzu eine Kaskade biochemischer
Abläufe, welche die Anbindung der RNA-Polymerase an das Gen beeinflusst, und z.B. die Genexpression blockiert. Eine Stilllegung von Genen
erfolgt immer dann, wenn die DNS-Base Cytosin
in der Promotorregion mit einem kleinen organischen Molekül, einer Methyl-Gruppe, enzymatisch durch Methyltransferasen dekoriert wird.
Hierdurch können weder die Polymerase noch
weitere für die Genexpression wichtige Faktoren an den Promotor binden. Werden bestimmte
Essigsäuremoleküle von den Histonen entfernt,
kann der DNS-Strang nicht abgewickelt werden,
sodass der Informationsbereich nicht ablesbar
ist. Das Gen ist inaktiv. Dies wiederum kann zu
weiteren, stringenteren Genstilllegungreaktionen führen. Die von Essigsäure befreiten Histone können mit Methylgruppen beladen werden,
was zur weiteren Bindung von spezifischen, blockierenden Eiweißen an diese Histone führt. Das
Freilegen informationstragender DNS-Abschnitte
von den Histonen ist nochmals erschwert. Das
Gen ist dauerhaft inaktiv.
Nährstoffe als Faktoren
zur Genstilllegung
Bestandteile von Nahrungsmitteln und Ernährungsgewohnheiten im Verlaufe des Lebens
selbst sind sehr gut untersuchte Auslösefaktoren
für Blockierungen von Genexpressionen.
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GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 103
Lebensmittelanalytik und -Technologie
Abb. 4: Eine Mutation des Axin-Gens (axin-fused)
erzeugt Mäuse mit Knickschwänzen. Der Grad
der Knickschwänzigkeit variiert bei genetisch
identischen Klonen. © Emma Whitelaw
Abb. 3: Bienenkönigin und Arbeiterinnen sind genetisch identisch aber morphologisch
verschieden. © Waugsberg
Die Erbinformation einer Bienenarbeiterin
ist gleich der einer Bienenkönigin. Das Aussehen und die damit verbundenen Eigenschaften
sind denkbar unterschiedlich – warum? Als eine
Ursache wurde die exklusive Ernährung einer
zukünftigen Bienenkönigin mit Gelee Royal ausgemacht. Gelee Royal enthält Methyltransferasen, welche durch eine Methyl-Dekorierung bestimmter Gene die ursprüngliche Erbinformation
in Richtung Königin modulieren sollen. Abhängig
vom Muster der stillgelegten Gene entstünden
dann aus der gleichen DNS-Grundinformation
entweder Proletarier oder Royalisten (Abb. 3).
Auch bei uns Menschen sind Genstilllegungen bekannt. Und sie scheinen nur in charakteristischen Lebensabschnitten möglich zu sein.
In bestimmten Zeitfenstern unseres Lebens
können spezifische Merkmalsausprägungen in
Form eines metabolischen Imprintings, modifiziert werden. Tierstudien des Mediziners Glen
E. Mott konnten darlegen, dass der Cholesterolstoffwechsel von Primaten durch die Ernährung
in der frühen Lebensphase signifikant geprägt
wird. Um im Körper die Menge an Cholesterol
konstant zu halten wird die Menge an durch
die Nahrung aufgenommenem Cholesterol mit
der Menge an selbst synthetisiertem Cholesterol
abgeglichen. Bekommen neugeborene Primaten
nun eine cholesterolarme Diät, wird dass Regelsystem gezwungen das notwendige Cholesterol
in unphysiologisch hohem Maße selbst zu bilden. Bei einer Cholesterolgabe Monate später
wird diese Eigensynthese jedoch nicht herunterreguliert, sondern bleibt hoch. Die Regulation der
Cholesterol-Homöostase von Aufnahme, Eigensynthese und Abfluss ist nicht ausbalanciert. Wie
es scheint, muss in diesem nachgeburtlichen Lebensabschnitt eine adäquate Justierung des Regelsystems erst gelernt werden. Zudem wird ein
jeweils definierter Zeitraum zur Programmierung
von Stoffwechselabläufen angenommen. Eine
Umprogrammierung später im Leben ist wiederum unmöglich. In letzter Konsequenz muss
also Muttermilch von Primaten viel Cholesterol
104 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
enthalten um spätere Erkrankungen, wie Arteriosklerose, zu vermeiden. Und genau so ist es.
Wenn solche metabolischen Programmierungen irreversibel, genetisch manifestiert werden,
sind sie dann auch auf weitere Generationen
vererbbar?
Sind durch Ernährung erworbenen
Eigenschaften vererbbar?
Vererbung im biologischen Sinne heißt nichts
anderes, als dass sich zwei unterschiedliche Erbguteinheiten zu einem neuen, individuellem Erbmaterial vereinigen. Die Frage ist nun, bleiben
die Methylgruppen-Dekorationen der DNS, welche die erworbenen Eigenschaften im Erbgut fixieren, bei den molekulargenetischen Vorgängen
der Fortpflanzung erhalten? Neue Studien hierzu
zeigen, dass bei der Entwicklung der männlichen
und weiblichen Keimzellen die DNS zunächst
vollständig demethyliert wird, um anschließend
geschlechtsspezifisch neu dekoriert zu werden.
Nach der Befruchtung erfolgt eine weitere Reprogrammierung des Erbmaterials des nun entstandenen Embryos, um die unterschiedlichen
elterlichen Methylierungsmuster anzugleichen.
Obwohl die DNS-Dekoration generell eliminiert
wird, gibt es dennoch Hinweise auf eine Vererbung erworbener Merkmale. Über die evolutionäre Konservierung von DNS-Methylierungsmustern ist heute noch wenig bekannt.
Vergleichsstudien zwischen Primaten und dem
Menschen offenbaren differentielle Methylierungsmuster gleicher Gene. Was dafür spricht,
dass die Stilllegung von Genen und deren Vererbung auch ein evolutiver Faktor der Artenbildung sein kann.
Viel eindeutiger zeigt sich demgegenüber,
dass bestimmte Lebensumstände von Müttern,
wie chronische Krankheiten und Übergewicht,
Größe und Durchblutung der Plazenta, die Entwicklung des Föten in utero beeinflussen können. Epidemiologische Studien belegen zum
Beispiel, dass Kinder diabetischer Mütter öfter
übergewichtig werden. Insbesondere die mütterliche Ernährung scheint ein prägnanter Faktor zu sein, Gene für hormonelle und neuronale
Regulationen des Föten permanent genetisch
zu prägen und somit die Expression der fetalen
Erbinformation nachhaltig zu beeinflussen. Klinische Erhebungen hierzu dokumentieren, dass
ein nutritiver Überfluss in utero eher zu Mangelsituationen im späteren Leben des Kindes führt
und umgekehrt.
Neueste Studien lassen erkennen, dass auch
Vitamine den DNS-Informationsfluss direkt
beeinflussen können. Folsäuremangel ist ein
entscheidender Faktor für die Spina bifida oder
offener Rücken genannte Fehlbildung von Neugeborenen in der frühen Phase der Schwangerschaft. Eine inadäquate Folsäureversorgung der
Mutter scheint eine gesunde Stilllegung von
Genen zu stören, indem einerseits die Proteinbildung blockiert und andererseits Methylierungen des DNS-Stanges unphysiologisch verändert
werden.
Lamarck hatte also insofern recht, dass
ernährungsbedingte Merkmalsausprägungen
möglicherweise direkt über die Keimbahn als
transgenerationale Programmierung oder indirekt als physiologisch-fetale Programmierung an
kommende Generationen weitergegeben werden können, ohne dass dies in der Basensequenz
der DNS fixiert ist. Ergibt sich daraus nicht eine
neue Verantwortung für unsere Ernährungsgewohnheiten gegenüber unseren Kindern?
In den letzten Jahren seines Lebens erblindete Lamarck. Er starb verbittert 1829 in Paris und
wurde in einem Armengrab beigesetzt. Über diese
neuen Einsichten hätte er sicher weise gelächelt.
▶ ▶K ontakt
Prof. Dr. sc. nat. Christopher Beermann
Mikrobiologie/Biotechnologie
Fachbereich Lebensmitteltechnologie
Hochschule Fulda
[email protected]
Lebensmittelanalytik & Technologie
Inline-Prozesskontrolle
pH-Elektrode für den Einsatz bei der Bierherstellung
Zusammenfassung
Prozessschritten der Bierherstellung,
In dieser Präsentation werden Referenzelektroden, die sowohl auf porösen Al2O3-KeramikFormkörpern basieren, als auch eine neu entwickelte Festkörperreferenzelektrode auf Basis
eines ausgehärteten, mit kristallinem KCl gesättigten Polyesterharz, vorgestellt. Weiterhin
wurden eine bruchfeste pH-Einstabmesskette
bestehend aus einer mechanisch stabilen pHIndikatorelektrode aus Antimon, die mit der
Festkörperreferenzelektrode zu einer konstruktiven Einheit zusammengefasst ist, gefertigt
und deren elektrochemische Eigenschaften
aufgezeigt.
werden elektrochemische Sensoren be-
All-solid-state-Referenzelektroden
22 v.l.n.r.: PD Dr. Wolfram Oelßner, Dipl.-Chem.
Ute Enseleit, Prof. Dr. Winfried Vonau
Die Forderung nach lückenloser Kontrolle von Nahrungsgütern vom Erzeuger
bis zum Verkauf gewinnt zunehmend an
Bedeutung. Zur online-Bestimmung z. B.
des pH-Wertes in den verschiedenen
nötigt, die mechanisch sehr robust sowie druck- und temperaturbeständig
sind [1, 2].
Es wurden unterschiedliche Arten von Festelektrolyt-Referenzelektroden entwickelt, hinsichtlich ihres konstruktiven Aufbaus optimiert und
erprobt. Dabei handelt es sich insbesondere
um eine Harz-Festkörper-Referenzelektrode
und zwei Keramik-Referenzelektroden (Typ 1
und 2) in verschiedenartiger Bauweise.
Harz-Festkörperreferenzelektrode
Bei der Herstellung dieser Elektroden wird ein
ungesättigtes Polyesterharz mit einem Überschuss an fein pulverisiertem KCl vermischt, mit
einem Ag/AgCl-Sinterkörper versehen und in einer Silikongussform ausgehärtet, wobei zylinderförmige Festkörper-Referenzelektroden mit
dem Durchmesser 5 mm entstehen (Abb. 1).
Eine optimale Zusammensetzung für die Referenzelektroden bildete ein Harz-Salz-Gemisch
mit 65 % Salzgehalt und feiner Partikelgröße
des verwendeten Salzes, die eine ausreichende
Reserve an KCl für die Aufrechterhaltung eines
stabilen Potenzials gewährleistete. Durch die
kleinere Partikelgröße wurde die Ausbildung
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 105
Lebensmittelanalytik & Technologie
der Öffnungen wurde eine poröse Keramik, die
als Diaphragma fungiert, mit einem speziellen
Kleber eingeklebt. Als innere Ableitung dient
wiederum ein in erstarrtem KCl eingebetteter,
mit einem Silberdraht kontaktierter Ag / AgClSchmelzkörper. In die anderen Öffnungen des
Keramikrohres (Abb. 3) können ausgewählte Indikatorelektroden zur Schaffung einer Kombinationssonde platziert werden.
Ergebnisse
Abb. 1: Harz-Feststoff-Referenzelektrode
Abb. 2: Referenzelektroden aus isolierten porösen keramischen Hohlzylindern
von zahlreichen Diffusionskanälen begünstigt.
Zudem fand ein geringer Ausfluss von Chlorid­
ionen statt. Die Harz-Referenzelektrode wurde
für den Bau der All-solid-state-pH-Elektrode
verwendet.
Keramik-Referenzelektroden Typ 1
Die Keramik-Referenzelektrode Typ 1 basiert
auf einem porösen, einseitig verschlossenen
Al2O3-Formkörper. Die Porosität des oxidkeramischen Hohlzylinders mit dem Durchmesser
8 mm und der Länge 5 cm beträgt 27 % mit
einem mittleren Porendurchmesser von
650 nm. Bis auf eine kleine kreisförmige Stelle,
die das Diaphragma darstellt, ist der Formkörper mit einem chemikalienbeständigen Glaslot
dicht umschlossen (Abb. 2). Dadurch wird der
Austritt von KCl stark minimiert. Die Herstellung der keramischen Gehäuse für die Referenzelektroden erfolgte am Fraunhofer-Institut
für Keramische Technologien und Systeme IKTS
(Institutsteil Hermsdorf). Ihre innere Ableitung
besteht aus einem in festem KCl eingebetteten
Ag/AgCl-Schmelzkörper. Zum Schmelzen des
KCl bei der Temperatur 780 °C wurde ein kleiner Ofen (Eigenbau der Henze-Hauck Prozessmesstechnik/Analytik) verwendet, in dem das
keramische Gehäuse platziert werden konnte.
Mit Hilfe von hitzebeständigem Silikonkautschuk wurde der glasierte keramische Formkörper in einen Edelstahlschaft eingebracht,
der am oberen Ende durch eine Steckverbindung mit einer Messleitung kontaktiert wurde.
Untersuchungen haben allerdings gezeigt,
dass beim Schmelzen des KCl Gase austraten
durch die das Glaslot der Al2O3-Keramik beschädigt wurde. Es bilden sich kleine Bläschen,
die die Glasabdeckschicht durchdrangen. Da
die Dichtheit der Keramik-Referenzelektrode
Typ 1 nicht gewährleistet war, kam diese für den
Bau der All-sold-state-pH-Elektrode nicht in Betracht.
Keramik-Referenzelektrode Typ 2
Weiterhin erfolgte die Konstruktion einer neuartigen, in ein Mehrloch-Keramikröhrchen eingebetteten Keramik-Referenzelektrode. Das 4-LochKeramikrohr mit dem Durchmesser 12 mm
besteht aus einer 85 %-igen Al2O3-Keramik (Dimulit C 610) der Firma CeramTec (Abb. 3). In eine
Abb. 3: Referenzelektrode mit fest eingeklebtem Keramikdiaphragma, Mehrlochkeramikrohr und Sensorkopf
106 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Nach der Elektrodenherstellung bedarf es sowohl bei der Harz- als auch bei den KeramikReferenzelektroden einer Formierungszeit, um
die gewünschte Potenzialstabilität zu gewährleisten. Nachdem die Elektroden ca. 1 bis
2 Tage in einer 3 M KCl-Lösung belassen wurden, lieferten sie ein definiertes und stabiles
Potenzial. Die Mindestlebensdauer im ständigen Einsatz beträgt ca. 6 Monate. Eine zwischenzeitliche Trockenlagerung der Referenzelektroden ist möglich, was ein wesentlicher
Vorteil gegenüber herkömmlichen Referenzelektroden ist. Im Normalfall sollten die Elektroden dennoch in konzentrierten KCl-Lösungen
aufbewahrt werden.
All-solid-state-pH-Elektrode
Entwickelt wurde eine bruchfeste pH-Einstabmesskette, bestehend aus einer mechanisch stabilen pH-Indikatorelektrode aus Antimon und
einer Harz-Festkörper-Referenzelektrode, die zu
einer konstruktiven Einheit zusammengefasst
sind. Die Antimonelektrode mit ca. 3 mm Durchmesser wird durch Verpressen von Antimonpulver in einer zylinderförmigen Stahlgussform
hergestellt. Die Indikator- und Referenzelektrode sowie ein Temperaturfühler wurden mittels
einer Epoxidharz-Vergussmasse in einen aus
Edelstahl gefertigten Sensorschaft eingegossen,
der am oberen Ende durch eine Steckverbindung mit einer Messleitung kontaktiert wurde.
Die All-solid-state-pH-Elektrode mit der Länge
50 cm und 12 mm Durchmesser wurde in einer
Brauerei mit Hilfe branchenüblicher Flanschverbindungen in Reaktionsbehälter eingebaut. Sie
zeichnet sich durch hohe Bruchfestigkeit sowie
Druck- und Temperaturbeständigkeit aus (Abbildungen 4 und 5).
Die mV/pH-Kennlinien sind im pH-Bereich
2 ... 9 linear. Bei der Erprobung einer größeren Anzahl von Versuchsmustern wiesen alle
Exemplare in diesem pH-Bereich übereinstimmend die Steilheit -54 mV/pH bei T = 25 °C auf
(Abb. 6). Die Lebensdauer der pH-Einstabmesskette beträgt ca. 6 Monate. Gegen Reinigungsund Desinfektionsmittel, die in der Brauerei
verwendet werden, ist die All-solid-state-pHElektrode beständig. Die Ansprechzeit der Antimonelektrode bei Lösungswechsel beträgt ca.
20 Sekunden (Abb. 7). Da sich die Oberfläche
der Sb-Elektroden in einigen NBS-Pufferlösungen chemisch verändert, erfolgt die Kalibrierung mit speziellen Pufferlösungen (TamponePuffer), damit keine potenzialverfälschenden
Lebensmittelanalytik & Technologie
Abb. 4: All-solid-state-pH-Elektrode
Abb. 5 (unten): Sensorkopf der Allsolid-state-pH-Elektrode mit Indikatorelektrode, Referenz-elektrode
und Temperaturfühler
Wechselwirkungen zwischen einzelnen Puffersubstanzen und der
Metalloxidoberfläche auftreten.
wiss. Mitarbeiterin,
Danksagung
Geschäftsführer,
Henze-Hauck
Prozessmesstechnik / Analytik
Dessau
Die Arbeiten wurden gefördert vom
Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie (BMWi) über die
Arbeitsgemeinschaft industrieller
Forschungsvereinigungen „Otto von
Guericke“ e.V. (AiF) im Rahmen des
Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM)-Kooperationen unter dem Förderkennzeichen KF 22118304PR9.
PD. Dr. Wolfram Oelßner
wiss. Mitarbeiter,
Dipl.-Ing. Jost Henze
Abb. 6: Kalibrierkurve der Festkörper-pH-Elektrode mit NBS- und Tamponepuffern bei einer Temperatur von 25 °C
Keywords:
All-solid-state-pH-Elektrode,
All-solid-state-Referenzelektrode,
Keramik-Referenzelektrode,
Harz-Festkörperreferenzelektrode
Literatur
[1]Belitz H.-D. und Grosch W.: Food
Chemistry, 2nd ed. Springer Verlag
Berlin, Heidelberg, 471 ff. (1999)
[2]Henze J. und Guth U.: DE 100 13
944 (2000)
Autoren
Prof. Dr. Winfried Vonau
stellv. Institutsleiter,
Dipl.-Chem. Ute Enseleit
▶ ▶K ontakt
Dipl.-Chem. Ute Enseleit
Kurt-Schwabe-Institut für Messund Sensortechnik e.V. Meinsberg
Ziegra-Knobelsdorf
Tel.: 034327-6080
Fax: 034327-608-131
www.ksi-meinsberg.de
[email protected]
Abb. 7: Zeitliches Einstellverhalten der Festkörper-pH-Elektrode bei Wechsel
in verschiedene Pufferlösungen
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Einrichtung und Technik
Drinnen oder Draußen
Die Lagerung von Druckgasflaschen
Werden Gase im Arbeitsprozess benötigt, muss für die sichere
Lagerung der Druckgasflaschen und – packungen gesorgt sein.
Und das nicht nur, weil der Inhalt unter anderem giftig, entzündbar oder brandfördernd sein kann, sondern auch, weil diese unter hohem Druck stehen.
Abb.1: G90 Schrank zur Innenlagerung
2er 50 Liter-Gebinde mit den Maßen von
nur 2050 x 615 x 600 mm.
Bei der Frage, wie Druckgasflaschen optimal,
also sicher und effektiv im Arbeitsprozess, gelagert werden, stehen Sicherheitsverantwortliche
vor der Qual der Wahl zwischen Innen- und Außenlagerung. Beides hat seine Vor- und Nachteile. Um die passende Lösung zu finden müssen
mit einem Experten die jeweiligen betrieblichen
Gegebenheiten und Arbeitsabläufen geklärt
werden.
Rechtlicher Hintergrund
In den entsprechenden Regeln, Normen und Verordnungen (siehe Infokasten) sind vielerlei Aspekte aufgeführt, die bei der Lagerung von
Druckgasbehältnissen mindestens zu beachten
und einzuhalten sind. Dazu zählen beispielsweise der unbedingte Schutz vor Erwärmung, sowie
die permanente Entlüftung und der Schutz vor
Beschädigung. Des Weiteren ist vorgeschrieben,
dass Druckgasflaschen so gelagert werden müssen, dass diese nicht umkippen können. Auch
auf die richtige Kennzeichnung ist zu achten, damit die von den gelagerten Gasen ausgehenden
Gefahren sofort erkennbar sind. Unterschieden
wird bei den Anforderungen an die Lagerung
108 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Einrichtung und Technik
Rechtliche Grundlagen
Für die Lagerung von Druckgasen gelten
die folgenden Vorschriften:
▪▪ Gefahrstoffverordnung (GefStoffV)
▪▪ Technische Regel Gefahrstoffe 510 (TRGS
510), Abschnitte 10 und 11: Lagerung
▪▪ Technische Regel Gefahrstoffe 526
(TRGS 526): Laboratorien
▪▪ Betriebssicherheitsverordnung
(BetrSichV)
▪▪ Technische Regeln Betriebssicheheitsverordnung (TRBS) 2152 ff
▪▪ Technische Regeln Druckgase 280
(TRG 280): Allgemeine Anforderungen
und Betreiben von Druckgasbehältern.
▪▪ Technische Regeln Druckgase 300
(TRG 300): Druckgaspackungen
▪▪ Technische Regeln Druckgase 301
(TRG 301): Druckgaskartuschen
▪▪ DIN EN 14470-2 „Feuerwiderstandsfähige Lagerschränke„ Teil 2: Sicherheitsschränke für Druckgasflaschen
Abb.2: Außenlagerung in Gebäudenähe
zwischen entzündbaren und giftigen Gasen, die
verschieden gehandhabt werden müssen.
Lagern in Innenräumen
Beim Lagern vor Druckgasflaschen besteht die
Möglichkeit der Lagerung im Gebäude und der
Lagerung im Freien. Innenlagerung ist in Lagerräumen oder Sicherheitsschränken erlaubt, beides unter genau definierten Bedingungen und
Vorgaben, beispielsweise im Hinblick auf Entlüftung, Lage und Ex-Schutz. Stand der Technik bei
der Lagerung in Druckgasflaschenschränken ist
die Feuerwiderstandsfähigkeit von 90 Minuten
der Typ G90 Schränke. Besonderer Vorteil ist,
dass der Weg des benötigten Gases von der Lagerstätte bis zur Verwendungsstelle kurz ist, besonders bei den Lösungen, die direkt am Arbeitsplatz aufgestellt und über Medienanschlüsse im
Schrank bedarfsweise genutzt werden können.
Aufwändige Verrohrungen und daraus resultierende mögliche Verunreinigungen werden dabei
minimiert. Da die Schränke als gleichwertig zu
einem abgeschlossenen Lagerraum gelten, müssen zusätzliche Ex-Schutz-Zonen nicht eingehalten werden.
Lagerung im Freien
Trotz der Vorteile, die die Lagerung im Gebäudeinneren bringt, kann für manche Betriebe,
die Außenlagerung die bessere Alternative sein.
Betriebe, die oft und große Mengen nutzen, stehen in Bezug auf die Lagerung in Arbeitsplatznähe natürlich vor einem Platzproblem. Denn oft
sind die Stellflächen in den Laboren begrenzt.
Auch der Kostenfaktor spielt eine Rolle, wenn
bei größeren Mengen zwischen Lagerung in
Räumen innerhalb des Gebäudes oder im Freien
abgewogen wird.
Druckgasflaschenschränke
zur Außenlagerung
Ist die Entscheidung auf Grund der genannten
Abwägungen auf die Einrichtung eines Außenlagers für Druckgasflaschen gefallen, gibt es auch
da verschiedene Lösungen. Möglich ist die Lagerung der Flaschen in offenen Depots, wobei
zwingend Ex-Schutz-Maßnahmen, wie zum Beispiel die Einrichtung von Schutzbereichen, mit
zu beachten sind. Auch wenn der Platzbedarf bei
dieser Lösung hoch ist, sprechen in einigen Fällen die niedrigen Kosten dafür. Eine Alternative
ist die Lagerung in Druckgasflaschenschränke
zur Außenlagerung. Da diese als gleichwertig zu
einem Lagerraum gelten, müssen hier keine umliegenden Schutzzonen eingerichtet werden. Für
Betriebe die zwar außen, aber platzsparend unmittelbar in Gebäudenähe lagern möchten, ist
dies empfehlenswert. Im Vergleich zu Druckgasflaschenschränken zur Innenlagerung erfolgt die
Entlüftung dann nicht technisch sondern auf natürlichem Weg über Belüftungsöffnungen im
Schrank.
Beispiel aus der Praxis
Klebstoffhersteller UHU hat genau diesen Entscheidungsprozess mit Experten durchlaufen.
Nach Abwägung der Vor- und Nachteile hat man
sich im Bereich Forschung und Entwicklung für
die Außenlagerung in speziellen Druckgasflaschenschränken des Herstellers Asecos ent-
schlossen. Hier werden für die Chromatografie
diverse Druckgase, wie beispielsweise Stickstoff
oder Wasserstoff, täglich in großen Mengen genutzt. Das international tätige Unternehmen
trägt eine hohe Verantwortung für die Sicherheit
von Mensch und Umwelt. Deshalb war nicht nur
wichtig, dass die gesetzlichen Mindeststandards
eingehalten werden. Die schweren Flaschen
können von den Mitarbeitern immer über verbaute Einrollklappen sicher und leicht ein- und
ausgebracht werden.
Des Weiteren helfen noch weitere Eigenschaften der Schränke bei der sicheren und
trotzdem funktionalen Lagerung im Freien. Die
Strukturoberfläche der Schränke ist komplett
verzinkt und zusätzlich pulverbeschichtet, was
hohen Korrosionsschutz vor Wind und Wetter
bietet. Ein geneigtes Dach verhindert zusätzlich,
dass sich Wasser anstaut oder in ungewollte
Richtungen abfließt. Ein Edelstahlsockel sorgt
für optimalen Schutz vor mechanischen Beschädigungen und ausrichtbare Stellfüße erleichtern
den Ausgleich von Bodenunebenheiten für einen
sicheren Stand des Schranks.
▶ ▶K ontakt
Manuela Krawetzke
Asecos GmbH
Gründau
Tel.: 06051/92220-785
Fax: 06051/92220-727
[email protected]
www.asecos.com
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 109
Zellbiologie
Testung neuartiger Glaskeramiken
Einsatz im Knochen Tissue Engineering
Im Knochen Tissue Engineering (TE) kommen häufig bioaktive Keramiken zum
Einsatz, da sie die Bildung von neuem Knochen stark fördern und leicht mit dem
Gewebe verwachsen. In dieser Studie wurde die Proliferation und osteogene
Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen auf Glaskeramik untersucht.
Die Viabilität der Zellen konnte über einen Kultivierungszeitraum von 5 Wochen
nachgewiesen werden. Mittels REM-Aufnahmen und spezifischer histologischer
Färbungen konnten Calciumphosphat-Einlagerungen in der extrazellulären Matrix
(EZM) beobachtet werden, was auf die osteogene Differenzierung der Zellen hindeutet. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die hier verwendete Glaskeramik
als Trägermaterial potentiell für den Einsatz im Knochen TE geeignet ist.
Einleitung
Knochen ist ein spezialisiertes Gewebe, welches die Kapazität zur Selbstheilung besitzt.
Dennoch leiden jährlich weltweit ca. 2,2 Mio.
Patienten an Knochendefekten, die ohne eine
Transplantation nicht heilen [1]. Eine Alternative zu auto- und allogenen Transplantaten ist
die Züchtung von künstlichem Gewebe, das
sogenannte Tissue Engineering (TE). Das TE
nutzt zur Herstellung eines Transplantats die
Kombination aus Biomaterialien und Zellen.
Dabei spielt sowohl der Zelltyp, als auch die
Auswahl des Biomaterials eine entscheidende
Rolle.
Im Allgemeinen sollte das Biomaterial für Knochen TE folgende Anforderungen erfüllen: Es sollte
biokompatibel, biodegradierbar und sterilisierbar
sein, eine 3D hochporöse und interkonnektierte
Architektur aufweisen, mechanisch stabil sein und
die Oberfläche sollte die Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung fördern.
Geeignet sind unter anderem bioaktive Glaskeramiken, basierend auf anorganischen Silicaten und Phosphaten [2]. Diese Trägermaterialien
zeigen ein Knochenwachstum stimulierendes
Verhalten und fördern die Ausbildung einer carbonathaltigen Hydroxylapatitschicht, die eine
starke Bindung zwischen Matrix und menschlichem Knochengewebe gewährleistet [2].
a)
Abb. 1: REM-Aufnahmen der Glaskeramik Osseolive, Beschreibung siehe Text
110 • GIT Labor-Fachzeitschrift 02/2012
b)
Zellbiologie
a)
bungen mit dem Fluorophoren 4’,6-Diamidino2-phenylindol (DAPI) und Calcein werden nach
Protokollen des Herstellers Sigma ausgeführt.
b)
Ergebnisse
c)
d)
Abb. 2: REM-Aufnahmen von ucMSC nach 5-wöchiger Expansion (a, b) und DAPI-Färbung (Oberseite
des Biomaterials) der Differenzierungsproben , ucMSC (c), adMSC (d)
Methoden
Die verwendete Glaskeramik Osseolive der Firma Curasan besteht aus einem Silicium-dotierten Calciumkaliumnatriumphosphat [3]. Die Materialien wurden mittels Schlickertechnik und
offenzelligen PU-Schäumen für diesen Versuch
hergestellt. Bei der Herstellung dünnerer zylindrischer Formkörper (hier: 10 x 3 mm) ist die Erhaltung eines interkonnektierten, offenzelligen
Netzwerks nicht immer gewährleistet. Die Porengröße beträgt etwa 500 μm. Zur Sterilisation
wurde das Material autoklaviert.
Die verwendeten ucMSC (mesenchymale
Stammzellen) wurden aus humaner Nabelschnur
isoliert. Die Isolation wurde mit der ExplantMethode nach Protokollen unsere Arbeitsgruppe
durchgeführt [4]. AdMSC (aus humanem Fettgewebe [5]) wurden vom österreichischen Roten
Kreuz zur Verfügung gestellt. Nach der Expan-
sion der ucMSC und adMSC in Kulturmedium
(αMEM, 5 % humanes Serum, 50 µg/ml Gentamycin) werden die Zellen mit Accutase abgelöst
und eine Suspension (6 x 104 Zellen/50 µl) auf
die Oberseite jeder Matrix aufgebracht. Nach
einer Woche Kultivierung werden die Proben
zur Expansion und Differenzierung unterteilt.
Für die weitere Expansion über 4 Wochen wird
Kulturmedium verwendet. Für die osteogene Differenzierung werden die Proben in osteogenem
Differenzierungsmedium (Miltenyi Biotec) kultiviert. Das Medium wird an Tag 1, 3 und 5 jeder
Versuchswoche gewechselt.
Die Stoffwechselaktivität der Differenzierungsproben wird über den Glukoseverbrauch/
Lakatproduktion ermittelt. Die Viabilität der
MSC wird in den Expansionsversuchen mittels
MTT-Tests bestimmt. Rasterelektronenmikroskopische (REM)-Aufnahmen werden mit einem Jeol
JSM-6700F durchgeführt. Die histologischen Fär-
Mittels REM-Aufnahmen wurde festgestellt, dass
das Biomaterial herstellungsbedingt nicht vollständig interkonnektiert ist. Die Matrix weist häufig keine Poren, sondern Vertiefungen auf (Abb. 1a,
Poren mit Pfeilen gekennzeichnet). Allerdings
weist die Oberfläche des Biomaterials eine sehr
unebene Struktur auf (Abb. 1b). Eine raue Oberfläche begünstigt die Adhäsion von Zellen. Die MSC
sind nach 5 Wochen Expansion gleichmäßig auf
der Matrix verteilt. Sowohl ucMSC, als auch ad­
MSC haben viel EZM gebildet. Der entstandene
Zellrasen verschließt die Poren (Abb. 2a). Die MSC
weisen eine flache, und glatte Morphologie auf,
was auf eine starke Adhäsion hindeutet (Abb. 2b).
Die gleichmäßige Verteilung der MSC auf der Glaskeramik wurde in den Differenzierungsversuchen
mittels DAPI nachgewiesen (Abb. 2 c, d). Der Verlauf der Em/Ex-Werte über den Zeitraum von 5
Wochen weist darauf hin, dass die sich adMSC
über 3–4 Wochen vermehren, bis sie sich aufgrund
der limitierten Fläche von der Keramik lösen (Abb.
3a). Hingegen lösen sich die ucMSC nach 5-wöchiger Expansion nicht vom Trägermaterial ab. Sowohl beim Glukoseverbrauch, als auch bei der
Lactatproduktion sind nur geringe Unterschiede
zwischen der Kultivierung von ucMSC und adMSC
zu erkennen. UcMSC und adMSC weisen eine kurze Lag-Phase von ca. 5–8 Tagen auf (Abb. 3b). Die
osteogene Differenzierung von MSC auf Osseolive
mithilfe des Differenzierungsmediums konnte anhand von REM-Aufnahmen bestätigt werden. Im
Vergleich zur EZM nach 5-wöchiger Expansion,
weist die EZM der Differenzierungsproben eine
sehr raue Morphologie auf (Abb. 4 a, b). Diese
Morphologie ist auf Calciumphosphat-Ablagerungen zurückzuführen, was ein deutlicher Hinweis
auf die Mineralisierung der EZM ist [6]. Durch die
Färbung mit Calcein konnte die Calcifizierung der
EZM von ucMSC und adMSC nachgewiesen werden. Die fluoreszierenden Bereiche bestätigen die
Einlagerung von Calciumionen (Abb. 4 c, d).
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GIT Labor-Fachzeitschrift 02/2012 • 111
Zellbiologie
a)
b)
Abb. 3: (a) Viabilität der MSC auf der Glaskeramik nach 5-wöchiger Expansion und (b) akkumulierter Glukoseverbrauch/Laktatproduktion der Differenzierungsproben
a)
d)
b)
c)
e)
Abb. 4: REM-Aufnahmen der Differenzierungsproben von ucMSC (a, b), Calcein-Färbung von ucMSC (c), adMSC (d) und Blindprobe, ohne Zelle (e)
Diskussion
Neben der Auswahl des geeigneten Zelltyps,
spielt die Wahl der Matrix eine entscheidende
Rolle für das TE. Keramiken genügen häufig den
Anforderungen des Knochen TE. Osseolive ist
eine Calcium basierte Glaskeramik und kann mit
dem Kochengewebe verwachsen. Die Matrix besitzt eine raue Oberfläche, welche nachweislich
die Adhäsion der Zellen fördert. Diese Glaskeramik weist herstellungsbedingt keine vollständige offenzellige Interkonnektivität auf. Allerdings
konnte anhand von REM-Aufnahmen und der
Färbung mit DAPI gezeigt werden, dass sich dies
nicht nachteilig auf die Verteilung der MSC auswirkt. Auch die Unterseite der Matrix, welche
nicht direkt mit Zellen besiedelt wurde, ist nach
5 Wochen vollständig mit Zellen bedeckt (nicht
gezeigt). Folglich wachsen und wandern die
MSC langsam von oben nach unten durch das
Material. Für adMSC konnte eine steigende bzw.
gleich bleibende Viabilität über 4 Wochen ge112 • GIT Labor-Fachzeitschrift 02/2012
zeigt werden; ucMSC für 5 Wochen. Die adMSC
lösen sich ab Woche 4 von der Glaskeramik ab,
was mikroskopisch mittels DAPI bestätigt wurde
(nicht gezeigt) und durch die Ergebnisse des
MTT-Test unterstützt wird. Ursache hierfür ist die
limitierte Oberfläche bei einer höheren Zellgröße
der adMSC im Vergleich zu ucMSC. Die osteogene Differenzierung von sowohl ucMSC, als auch
adMSC durch das Differenzierungsmedium
konnte mithilfe von REM-Aufnahmen und histologischen Färbungen nachgewiesen werden.
Autoren
M.Sc. Sonja Kress, Dipl.-Chem. Anne Neumann,
Universität Hannover, Institut für Technische Chemie, Hannover; Dr. Birgit Weyand, Medizinische
Hochschule Hannover, Plastische, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Hannover; Dr. Wolf-Dietrich Hübner, Dr. Fabian Peters, Curasan, Kleinostheim; Prof. Cornelia Kasper, Universität für
Bodenkultur, Department Biotechnologie, Wien
Literatur
[1]Lewandrowski K.U.:, Biomaterials 21(8), 757–64
(2000)
[2] Rezwan K.: Biomaterials 27(18), 3413–31 (2006)
[3] Bernstein A.: J Biomed Mater Res B Appl Biomater
84(2), 452–62 (2008)
[4]Lavrentieva A.: Cell Communication and Signaling
8, 18–26 (2010)
[5] Wolbank S.: Cell Tissue Bank 8(3), 163–77 (2007)
[6] Lamers E.: Biomaterials 31(12), 3307–16 (2010)
▶ ▶K ontakt
Prof. Dr. Cornelia Kasper
Universität für Bodenkultur
Institut für Angewandte Mikrobiologie
Wien
Österreich
[email protected]
Zellbiologie
Künstliche Blutgefäße
Erfolgreiche Versorgung von in vitro-Geweben
Ziel des Tissue Engineerings ist die
Herstellung von menschlichen Geweben und Organen im Labor. Der Aufbau
größerer Gewebekonstrukte ist bislang
jedoch limitiert, da eine mit dem Blutgefäßsystem im Körper vergleichbare
Nährstoffversorgung fehlt. Im Rahmen
eines Fraunhofer-Forschungsprojekts
hat sich ein Konsortium aus fünf Fraunhofer-Instituten das Ziel gesetzt, künstliche Blutgefäßsysteme zu entwickeln.
Immunfluoreszenzfärbung von CD 31 (rot) und den Zellkernen (blau) von menschlichen Endothelzellen,
die auf dem biokompatiblen verdruckbaren Röhrenmaterial wachsen.
Züchtung von Geweben
und Organen im Labor
Die Idee, menschliche Organe im Labor herzustellen, klingt für die meisten mehr nach Science Fiction als nach reeller Forschung. Aber
für die vielen Patienten, die jahrelang auf ein
passendes Spenderorgan warten, könnte ein
individuell für sie gezüchtetes künstliches Organ die Rettung sein. Ganz so weit ist die Wissenschaft zwar noch nicht, doch am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung
IAP, Potsdam, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart,
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen,
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und
Automatisierung IPA, Stuttgart und FraunhoferInstitut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg,
wird in einem Gemeinschaftsprojekt an der
Grundvoraussetzung für die erfolgreiche Produktion funktionsfähiger Organe gearbeitet. In
generativer Fertigung werden durch eine neuartige Methodik Präpolymere als Tinte mikrostrukturiert verdruckt und durch Multiphotonenpolymerisation ortsgenau ausgehärtet. So
entstehen dreidimensionale Strukturen aus
elastomeren Kunststoffen, die als künstliche
Blutgefäße ausgebaut werden, indem sie in
Folge einer biochemischen Funktionalisierung
mit einer dichten (konfluenten) Endothelzellschicht ausgekleidet werden. Solche künstlichen Blutgefäße können zukünftig Gewebe und
Organe mit Nährstoffen versorgen.
Die Herstellung von Geweben im Labor
(Tissue Engineering) ist in der Wissenschaft
inzwischen bekannt und wird vielfach eingesetzt. Bisher scheiterte man jedoch am Aufbau
größerer Gewebe oder Organe. Das liegt in
erster Linie daran, dass die Nährstoffversorgung des Gewebes nicht gewährleistet werden
konnte. Die Konstruktion feinster Kapillargefäße schien bis vor kurzem unmöglich. In einem
groß angelegten Projekt wurden nun erstmals
vollständig biokompatible künstliche Blutgefäße entwickelt, indem Verfahren aus der
Produktionstechnik auch auf elastische Biomaterialien übertragen wurden. Die Kombination
von zwei verschiedenen Techniken soll den
Durchbruch bringen: Die im Rapid Prototyping
etablierte 3-D-Drucktechnik und die in der Polymerwissenschaft entwickelte hochauflösende
Multiphotonenpolymerisation.
Herstellung von 3-D-Strukturen
Rapid Prototyping beschreibt eigentlich die
schnelle Produktion komplex geformter Produkte durch das schichtweise Auftragen von Material (Abb. 1).
Alles, was man für den Aufbau braucht, ist
ein dreidimensionaler Plan. Wie ein übergroßer
Tintenstrahldrucker wird der 3-D-Inkjet-Drucker
mit speziell produzierten Tinten befüllt und
trägt dieses Material dann in feinen Schichten
auf, die durch Lichteinstrahlung nur an bestimmten Stellen chemisch verbunden werden.
Nicht vernetztes Stützmaterials wird abgetragen und übrig bleibt eine dreidimensionale
Struktur. So kann der Drucker extrem schnell
auch komplexe Strukturen wie Röhren oder
Verzweigungen aus verschiedenen Materialien
erzeugen. Um Blutgefäße zu drucken, wird aber
zudem noch die Multiphotonenpolymerisation
benutzt. Bei dieser Technik wird das Material
mit kurzen Laserpulsen beschossen, wobei sich
nur die getroffenen Moleküle zu langen Ketten
verbinden. So sind sie in der Lage, die hauchfeinen Röhrenstrukturen auszubilden, die für ein
Blutgefäßsystem benötigt werden. Das MateriGIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 113
Zellbiologie
al polymerisiert und wird fest, bleibt aber dabei
so elastisch wie natürliche Materialien. Diese
Reaktion lässt sich derart gezielt steuern, dass
der Aufbau von feinsten Strukturen nach einem
dreidimensionalen Bauplan möglich ist. Der
Prototyp für eine Anlage, die diese beiden Verfahren kombiniert, ist schon im Aufbau. Doch
bevor ein künstliches Gefäßsystem geschaffen
werden kann, musste viel Zeit in Planung und
Simulation der Werkstücke gesteckt werden.
Verzweigungen, Maße und Struktur der kleinen Röhrchen müssen exakt berechnet werden,
damit später kein Stau entsteht und das Blut
ungehindert fließen kann.
Wenn aus Tinte Röhren werden
Eine weitere große Herausforderung stellte die
Drucktechnik vor allem an das Material. Die
späteren Blutgefäße müssen flexibel und elastisch sein und zudem in der Lage, mit dem biologischen Material im Körper zu interagieren.
Damit die Multiphotonenpolymerisation überhaupt funktioniert, müssen die künstlichen
Polymere zudem photovernetzbar sein. Dafür
wurden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP spezielle Tinten entwickelt, die all diese Eigenschaften erfüllen
und mit dem neuen kombinierten Herstellungsverfahren prozessierbar sind. Sie basieren
auf einem Baukasten mit unterschiedlichen
Monomer- und Polymerkomponenten und lassen sich zu Materialien mit maßgeschneider-
ten elastischen Eigenschaften vernetzen.
Biofunktionalisierung
Röhren aus synthetischen Polymeren
allein reichen nicht, um ein funktionierendes Gefäßsystem zu bilden. Die zukünftigen Blutgefäße müssen biologisch aktiv werden. Deshalb wurde erst
ein Stützgerüst aus synthetischen Röhrchen aufgebaut, das dann am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB mit biologischen
Strukturen funktionalisiert wird, um hierüber menschliche Zellen anzusiedeln
(Abb. 2).
Dazu wurden die Wissenschaftler
modifizierte biologische Strukturen, wie
etwa Heparin und Ankerpeptide in die
Innenwände integriert. Oft werden dafür auch Tinten aus Hybridmaterialien,
die von vornherein eine Mischung aus
synthetischen und natürlichen Polymeren
enthalten, verwendet. In einem zweiten
Schritt können sich in den Röhrensystemen Endothelzellen anheften. Diese Zellen bilden im Körper die innerste Wandschicht
eines jeden Gefäßes. Die Auskleidung ist wichtig, damit die Bestandteile des Blutes nicht
kleben bleiben, sondern weitertransportiert
werden. Nur wenn es gelingt, eine komplette Schicht lebender Zellen anzusiedeln, kann
Abb.1: Prinzip des
schichtweisen Aufbaus der
verzweigten Gefäßstruturen mit
hochauflösenden Rapid-Prototyping-Technologien.
Abb. 2: Fraunhofer-Forscher spülen ein Polymerröhrchen, aus dem ein künstliches Blutgefäß werden kann mit Zellmedium.
114 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Zellbiologie
das Gefäß so arbeiten wie seine natürlichen
Vorbilder. Um dieses funktionelle Endothel
als innerste Lage der Röhrchen aufzubauen,
ist eine Kultivierung mit Zellen in einem speziell entwickelten Bioreaktor notwendig. Hier
findet eine dynamische Versorgung der Zellen
mit Medium statt, die vergleichbar ist mit dem
Blutfluss durch die Blutgefäße im Körper. Im
Bioreaktor werden die physiologischen Bedingungen nachgeahmt, um die künstlichen Blutgefäße zu evaluieren. So kann gezeigt werden,
wie das berechnete Design, die Materialeigenschaften und die Verarbeitung aufeinander
abgestimmt werden müssen. Zudem ist diese
Kultivierung essenziell für die Aufrechterhaltung der Funktion der Endothelzellen in den
Gefäßen. Erst die im Bioreaktor über die Zellen strömende Flüssigkeit sichert das Überleben der Zellen.
kann der Gewebekomplex als Testsystem genutzt werden und so Tierversuche ersetzen.
Auch die Behandlung von Bypass-Patienten
mit künstlichen Gefäßen ist denkbar. Bis Gewebe oder Organe aus dem Labor mit eigenen
Blutgefäßen tatsächlich implantiert werden
können, wird es allerdings noch einige Zeit
dauern.
In-vitro-Testsysteme
oder Implantate
Projektpartner
Noch steht diese neue Technologie zum Aufbau elastischer dreidimensional geformter Biomaterialien am Anfang. Doch die Technik
bietet viele Möglichkeiten für weitere Entwicklungen. Mit den so erzeugten Blutgefäßen ließen sich komplett künstliche Gewebe oder Organe an einen Kreislauf anbinden und mit
Nährstoffen versorgen. Diese eignen sich dann
zwar noch nicht für eine Transplantation, dafür
Förderung
Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft zur
Förderung der angewandten Forschung e.V.
für die Förderung des Projekts “Herstellung
bio-inspirierter Versorgungssysteme für Transplantate mittels Rapid Prototyping über Inkjet-Druck und Multiphotonenpolymerisation
(BioRap)“ über das Programm Marktorientierte Vorlaufforschung.
▪▪ Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam
▪▪ Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart
▪▪ Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT,
Aachen
▪▪ Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik
und Automatisierung IPA, Stuttgart
▪▪ Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
IWM, Freiburg
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Save-the-date für den Workshop „BioRap – 3
D-strukturierte Biomaterialien mittels Rapid Prototyping“
Datum: 16. Mai 2012
Ort: Fraunhofer-Institutszentrum Stuttgart.
Weitere Informationen unter http://www.igb.
fraunhofer.de/de/events.html.
Autoren: Petra J. Kluger, Esther C. Novosel, Kirsten A. Borchers, , Thomas Hirth und Günter E.M.
Tovar, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB
Keywords:
Biomaterialien, Inkjet-Druck, Biofunktionale
Oberflächen, Biologisierte Werkstücke, Tissue
Engineering
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Priv.-Doz. Dr. Günter E.M. Tovar
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
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GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 115
Bioanalytik
Viele Keime wie diese Gram-negative Stäbchen können Sepsis auslösen. Vielfältige Antibiotikaresistenzen machen diese Bakterien
zunehmend schwer bekämpfbar.
© sebastian kaulitzki
Früh erkannt, Gefahr gebannt
Verfahren zum Nachweis von Sepsis
Sepsis ist eine systemische Entzündungsreaktion, die bei Nicht- oder Falschbehandlung in kürzester Zeit zum Tod führen
kann. Ursache ist eine Infektion mit Krankheitserregern, die häufig mit unspezifischen Symptomen wie Fieber oder veränderter
Herzfrequenz beginnen kann. Klassisch wird eine Sepsis seit vielen Jahrzehnten mit Hilfe einer Blutkultur nachgewiesen, eine
etablierte Methode, die jedoch bis zu mehreren Tagen in Anspruch nehmen kann.
Um Betroffenen effektiver mit gezielten Therapien
helfen zu können, sind dringend Verfahren zur
Aufklärung über die Art des Erregers gefordert.
Hier wollen wir verschiedene Methoden zur
schnellen Sepsisdiagnostik vorstellen, die sich bereits am Markt oder in der Entwicklung befinden.
Der Fokus liegt auf Produkte, die den direkten
Nachweis der Erreger aus Vollblut ermöglichen.
Die Blutvergiftung gilt als eine der häufigsten
Todesursachen weltweit. Allein in Deutschland
sterben rund 60.000 Menschen an dieser Erkrankung, wobei die öffentliche Wahrnehmung
dieser Entzündungsreaktion im Vergleich zu
Herz-Kreislauf- oder Krebserkrankungen immer
noch sehr gering ist [1]. Und das, obwohl die
Überlebenswahrscheinlichkeit bei Betroffenen
nach Angaben des Kompetenznetzes Sepsis bei
lediglich 40–60 % liegt [2]. Eine der Ursachen für
die hohe Sterblichkeitsrate liegt in der falschen
Behandlung bedingt durch die späte Diagnose.
Sepsistherapie im Blindflug
Im Verdachtsfall einer Sepsis behandelt der Arzt
Patienten entsprechend einer Leitlinie der Deut116 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
schen Sepsis-Gesellschaft [3], initial jedoch weitestgehend im Blindflug, da dem Arzt meist Informationen zum Krankheitserreger fehlen. Jeder
einzelne Mikroorganismus, sei des Bakterium, Pilz
oder Virus, erfordert eine auf ihn abgestimmte Behandlungsstrategie, um das Leben des Betroffenen
zu retten. Im klassischen Fall der Diagnostik ermöglicht jedoch erst eine mikrobiologische Kultivierung definierte Aussagen über den Erreger
(Abb.1). Obwohl ein diagnostisches Ergebnis erst
nach 18 Stunden bis zu mehreren Tagen vorliegt,
beginnt der Mediziner trotzdem sofort mit einer
„empirischen“ Antibiotikatherapie. Ein breites
Spektrum an Mikroorganismen soll abgetötet und
der Infektionsherd (falls überhaupt bekannt) beseitigt werden. Verschiedene Methoden, wie die
Bestimmung des Gehalts des Biomarkers Procalcitonin (PCT) [4] im Serum, unterstützen hier, da sie
als Hilfsmittel zur Feststellung einer Sepsis und zur
Kontrolle der Antibiotikagabe dienen können.
Ebenso kann so die Wirkung einer Antibiotikagabe
kontrolliert werden. Aussagen über die Art des Erregers und eventuell vorliegende Antibiotika-Resistenzen gibt es jedoch beim Einleiten der Therapie nicht. An dieser Stelle setzen Produkte
verschiedener Diagnostikunternehmen sowie erfolgversprechende Neuentwicklungen an (siehe
Auswahl in Tab. 1). Mit dem Ziel, eine schnellere
und maßgeschneiderte Therapie zu ermöglichen,
sollen so Mediziner in der Wahl ihrer Mittel unterstützt werden. Die Tabelle fokussiert auf bereits
CE-zertifizierte, kommerziell erhältliche molekularbiologische Tests zur Sepsisdiagnostik ergänzt
durch Matrix Assisted Laser Desorption Ionization
– Time Of Flight Massenspektrometrie (MALDITOF)-Verfahren.
Der Schnelltest Septifast von Roche ist in der
Lage, 25 Organismen (Bakterien und Pilze) parallel über eine Realtime-Polymerase Kettenreaktion
(PCR) nachzuweisen. Dieser Test kann rund 90%
der sepsisrelevanten Pathogene charakterisieren.
Der Anwender benötigt 1,5 ml Vollblut, wobei initial eine Isolation der gesamten DNA mit Hilfe
keramischer Beads durchgeführt wird. Nach einer
manuellen Aufreinigung über säulenchromatrographische Verfahren erfolgt die Überführung der
isolierten DNA in das hauseigene Realtime-PCRGerät. Optimal erfolgt die Analyse in weniger als
6 Stunden, wobei der reale Zeitbedarf wesentlich
auch von der Integration in den organisatorischen
Bioanalytik
Klinikablauf abhängen kann. In den letzten Jahren sind viele Studien durchgeführt worden, die
Stärken und Schwächen des Tests beschreiben.
Das Detektionslimit ist im Vergleich zur Blutkultur, die theoretisch einen einzigen kultivierbaren
pathogenen Keim pro Milliliter Blut nachweisen
kann, etwas höher. Außerdem werden auch bereits antibiotisch abgetötete Keime über die PCR
nachgewiesen, die mittels Blutkultur kein Ergebnis geben würden [9].
Abreicherung humaner Nukleinsäure
Abb. 1: Petrischale mit Bakterienkulturen (Escherichia sp.): Bakterien dieses Typs sind weit verbreitete
Pathogene. © Claudia Disqué
und eukaryotischer Nukleinsäuren ausnutzt.
Ein rund 20-facher Überschuss an Cytosin-Guanosin-Dinukleotiden (CpG-Motive) in prokaryotischer Nukleinsäure, die nicht-methyliert
vorliegen, dient als Unterscheidungsmerkmal.
Das Unternehmen verwendet eine affinitäts-
chromatographische Aufreinigung in seinem
Produkt VYOO. Hierbei bindet ein funktionelles
Protein gezielt die pathogenen CpG-Motive.
Eine bis zu 90 %ige Abreicherung von eukarotischer Nukleinsäure verbessert das analytische Ergebnis deutlich.
© javier brosch/Fotolia.com
Größere Mengen an Patientenblut könnten
helfen, die Sensitivität der diagnostischen Tests
zu verbessern. Doch was tun mit dem großen
Überschuss an humaner DNA, die parallel zur
Pathogen-DNA aufgereinigt wird? Um die Störeinflüsse humaner Nukleinsäure zu verringern, haben Unternehmen clevere Lösungen
erarbeitet. Molzym reduziert die humane DNA
mit ihrem Produkt SepsiTest (Abb.2) durch eine
sequentielle Lyse [8]. Vor der eigentlichen Freisetzung der Nukleinsäure der Erreger werden
Blutzellen lysiert und die humane DNA enzymatisch abgebaut. Nach Anreicherung der intakten Bakterien oder Pilze erfolgt ein gezieltes Aufbrechen dieser Zellen. Die spezifischen
16S rDNA-Abschnitte der Keime können so
weitestgehend ohne Störeinfluss humaner
DNA vervielfältigt werden. Eine ähnliche Lösung bietet die Jenaer Firma SIRS-Lab, die das
unterschiedliche Methylierungsmuster pro-
ournal
-j
y
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o
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GIT Labor-Fachzeitschrift
117
Bioanalytik
Abb. 2: PCR-test für die Detektion von Sepsis verursachenden (Molzym, SepsiTest) © Claudia Disqué
Massenspektrometrische Verfahren
Unternehmen wie Bruker Daltonik (SepsiTyper)
[12, 13] oder Abbott (Ibis Bioscience) [11] setzen
auf MALDI-TOF als eine mögliche Applikation zur
Sepsisdiagnostik. In klinischer Erprobung befinden sich Ansätze, die aus positiven Blutkulturen
heraus eine schnelle Charakterisierung der pathogenen Organismen ermöglichen. Auch eine
Kopplung einer (broad-range)-PCR mit MS-Technologien liefert vielversprechende Ergebnisse, die
in Zukunft einiges erwarten lassen.
Aktuelle Projekte aus
Forschung und Entwicklung
Zwei spannende und innovative Forschungsansätze seien beschrieben, um die Produkt-
und ermittelt eventuell vorliegende Antibiotikaresistenzen.
pipeline zur Sepsisdiagnositk abzubilden. FastDiagnosis [14] ist ein vom Bundesministerium
für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes
Projekt klinischer Gruppen aus Jena und Dresden sowie der Firmen Qiagen, rap.ID und RBiopharm. Ziel des Konsortiums ist ein diagnostischer Ansatz aus drei aufeinander
aufbauenden Schritten. Nur einige Minuten
dauert die initiale Multiplex-Charakterisierung
von Entzündungsmarkern auf Basis eines lateral flow Teststreifens. Das Ergebnis, der sog.
Sepsis-Score, spiegelt die Wahrscheinlichkeit
einer Sepsiserkrankung wider. Im zweiten
Schritt werden die Erreger mittels Mikro-Raman-Spektroskopie [15] identifiziert. Falls notwendig erfolgt der dritte und abschließende
Schritt des Projekts, eine ca. 2-stündige isothermale Amplifikation bestätigt die Erreger
Integriertes Labor
im Hosentaschenformat
Beim MinoLab-System muss der Mediziner lediglich die zu untersuchende Probe in ein kleines Gerät stecken. Entwickelt wird das hochintegrierte
„Lab-on-a-chip“-Produkt derzeit im gleichnamigen BMBF-geförderten Projekt [16] vom Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI
(Leipzig) in deutsch-österreichischer Kooperation
mit dem Austrian Institute of Technology, Fraunhofer IZM, Magna Diagnostics, Siemens, Intel und
microfluidic ChipShop. Das Verfahren nutzt magnetische Partikel, die über spezifische Fängermoleküle an pathogenen Zellen in einer Blutprobe bin-
Anbieter
Assay
Detektion
Nachweisbare
Pathogene
Nachweisgrenze
[cfu/mL]
Zeitbedarf [h]
Literatur
Roche Molecular Diagnostics, Branchburg, USA
SeptiFast:
Multiplex Realtime PCR
Fluoreszenz
25 davon Pilze:
Candida und Aspergillus
30-100
6
6,7
Molzym,
Bremen
SepsiTest: Selektive Lyse
mit anschließender PCR
Sequenzierung
> 345
20
4-12
8
SIRS-Lab, Jena
Vyoo: Multiplex-PCR
Gelelektrophorese
40 Pathogene
(davon 6 Pilze)
Resistenzen
3-10
1000
8
9,10
Abbott/Ibis
PLEX-ID BAC Spectrum:
PCR-Analyse
MALDI-TOF
> 300
6-8
5,11
Bruker Daltonik, Bremen
SepsiTyper: Probennahme aus positiver
Blutkultur
MALDI-TOF
0,5
(außer Kultur)
12,13
Tab. 1: Übersicht über kommerziell erhältliche Sepsisdiagnoselösungen (Auswahl).
118 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Bioanalytik
Studien zeigten [17], dass die Kombination von
herkömmlichen mit neuen, sensitiven Methoden
durchaus in der Lage sein können, den Behandlungserfolg und damit die Überlebenswahrscheinlichkeit der betroffenen Personen deutlich
zu verbessern. Ein Ergebnis, dass höhere Kosten
mehr als kompensieren sollte.
Literatur
[1]Reinhard K. und Brunkhorst FM. Med. Welt. 58,
3–32 (2007)
[2]http://www.kompetenznetz-sepsis.de/
[3]Reinhart K. et al.: Anaesthesist. 59(4):347–70
(2010)
[4]Reinhart K. und Meisner M. Crit Care Clin.
27(2):253–63 (2011)
[5]Ecker DJ. et al.: Expert Rev Mol Diagn. 10(4):
399–415 (2010)
[6] Yanagihara K. et al.: Crit Care. 14(4): R159 (2010)
[7]Dierkes C. et al.: BMC Infect Dis. 11;9: 126
(2009)
[8]Mühl H. et al.: Diagn Microbiol Infect Dis.
66(1):41–9 (2010)
[9] Mancini N. et al.: Clin Microbiol Rev. 23(1): 235–51
(2010)
[10] Hansen WL. Bruggeman CA, Wolffs PF. J Clin Microbiol.; 47(8):2629–31 (2009)
Abb. 3: MinoLab-System, Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI
Weitere Literatur ist beim Autoren erhältlich.
den und das Lab-on-a-chip-System vollautomatisch
per Magnetkraft durchlaufen. Diese Fängermoleküle sind für die Funktionalität des Systems von
entscheidender Bedeutung. Antikörper oder auch
kurze Peptidsequenzen werden eingesetzt, um die
geringe Menge pathogener Keime zu isolieren.
Über einen Magneten werden die Partikel samt
Krankheitserreger auf eine Kunststoffkarte überführt und durch verschiedene miniaturisierte Reaktionskammern bewegt (Abb.3).
Dort erfolgt neben der Lyse der Erregerzellen
eine PCR an der Oberfläche speziell präparierter
Nanopartikel. Auf der Oberfläche dieser Magnetbeads befinden sich immobilisierte Primer, DNASequenzen, die jeweils charakteristisch für eine
Pathogensequenz sind. Auf einem magnetoresistiven Biochip werden die Produkte der an die Magnetobeads gebundenen PCR über Hybridisierungs-
sonden gezielt detektiert. So soll der Mediziner
nach 1–2 Stunden diagnostische Aussagen über
Krankheitserreger sowie Antibiotikaresistenzen erhalten. Von der magnetischen Isolation der Pathogene, dem Transport auf dem Lab-on-chip-System
über die Bead-gebundene PCR bis zum Einsatz
als Label zur Detektion wird bei diesem Verfahren
die Vielseitigkeit der magnetischen Nanopartikel
ausgenutzt. Sämtliche Reaktionen, von der Probenaufbereitung über die Zielmolekülisolation
bis zum Nachweis, können dabei berührungsfrei
und vollautomatisch erfolgen. Bis dieses Gerät zur
klinischen Erprobung zur Verfügung stehen wird,
werden allerdings noch einige Jahre vergehen.
Zusammenfassend bieten die bereits erhältlichen Produkte und vielversprechenden Entwicklungen eine sinnvolle Ergänzung zu den etablierten Blutkulturen und Biomarker-Tests. Erste
▶ ▶K ontakt
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Genomics
Multiparameterdiagnostik in der Praxis
Die Multiplex-PCR in der Medizin
Heute ist die Multiparameterdiagnostik aus der Klinik nicht mehr wegzudenken
und bildet ein intelligentes und aussagekräftiges Tool für die frühzeitige und rasche Abklärung verschiedenster medizinischer Fragestellungen. Sie fasst diverse
Einzelanalysen in ein einziges, leicht handhabbares Panel mit mehreren Parametern zusammen und ermöglicht aus nur wenig Probenmaterial, effizient, mehrere
Faktoren gleichzeitig zu bestimmen. Dies führt zur Reduktion einzelner, zeitaufwendiger Arbeitsschritte und somit auch zur Verringerung potentieller Fehlerquellen. Speziell bei komplexen Krankheitsbildern vermittelt der Multiparameteransatz eine rasche und präzise Diagnostik, die umgehend zur Einleitung gezielter
Therapiemaßnahmen herangezogen werden kann.
Die Multiplex-PCR-Amplifikation
Bestimmung therapeutischer Effekte
Die Multiparameterdiagnostik basiert auf der
Analyse von Biomarkern, die entweder durch
Krankheit bedingt verändert vorliegen oder als
genomisch verankerte Unterscheidungsmerkmale
zur Genotypisierung von Patienten herangezogen
werden können. Die Multiplex-PCR bildet hier
eine grundlegende Technologie, durch die die Detektion mehrerer molekularer Marker in einem
Analyseansatz erfolgen kann. Die Typisierung von
Biomarkern dient der Bestimmung von Krankheit
und Krankheitsstadien, wird zur Verlaufsprognostik eingesetzt oder zur Analyse des Therapieerfolges genutzt. Als molekulare Marker dienen dabei
alle DNA-Varianten, die sich durch ihre individualdiagnostische Unterscheindungskraft auszeichnen, wie z.B. natürlich vorkommende Wiederholungssequenzen („Short Tandem Repeats“, STR´s).
Ebenso können pathologische Genveränderungen
geeignete DNA-Marker bilden.
Die STR basierte Multiplex-PCR-Analyse ist seit
den 90er Jahren in der Forensik oder bei Abstammungsgutachten als sogenannter „Genetischer Fingerabdruck“ bekannt und gewinnt
als Methodik in den letzten Jahren auch zunehmend in der medizinischen Diagnostik an Bedeutung [1, 2]. STR´s sind DNA-Bereiche, die
sich bis 100 mal tandemartig wiederholen können und eine Länge von 100–500 Basenpaaren
umfassen. Diese Sequenzmotive bestehen
meist aus 2 bis 5 Nukleotiden, die als Di-, Tri-,
Tetra-, oder Pentanukleotidrepeats über das
gesamte menschliche Genom verteilt vorliegen.
Fast alle STR´s sind hochpolymorph und eignen
sich aus diesem Grund besonders gut für die
individuelle Unterscheidung von DNA-Proben
[3, 4] (Abb.1).
Durch diese Eigenschaft entwickelt sich die
STR basierte Multiplex-PCR auch im medizini-
120 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
schen Bereich zu einer wichtigen Analytik. So
kann zum Beispiel nach Stammzell- bzw. Knochenmarktransplantation die Wirksamkeit dieser
therapeutischen Maßnahmen beurteilt werden
[5]. Für die prognostische Einschätzung wird
nach Transplantation die Analyse des hämatopoetischen Chimärismus vorgenommen. Hierbei
werden die relativen Stammzellenanteile des
Spenders und Empfängers mit Hilfe von Multiplex-STR-Assays bestimmt. Mit der quantitativen
Bestimmung der Spender-DNA in der Patientenprobe kann eindeutig das Anwachsen oder die
Abstoßung des Transplantats überwacht werden. Die Multiplex-PCR Analyse erreicht dabei
eine Sensitivität von bis zu 1 % verbleibender
Rezipientenzellen. Eine Verbesserung der Sensitivität kann durch eine der PCR vorangehende
Anreicherung relevanter Zellpopulationen (z. B.
CD34+) geschehen [6].
Differential-Diagnostik
Die Multiplex-PCR wird zunehmend auch zur
Differentialdiagnostik und Subtypenklassifizierung von Krankheiten eingesetzt. So wird dieses
Verfahren unter anderem auch zur Differenzierung der unterschiedlichen Leukämieformen genutzt. Bei der Entstehung der Leukämie kommt
es in einzelnen hämatopoetischen Vorläuferzellen zu genetischen Veränderungen, die für die
maligne Transformation verantwortlich sind. Dabei spielen chromosomale Translokationen, die
zu pathologischen Fusionsgentranskripten führen, eine große Rolle [7, 8].
Ausgehend von der cDNA eines Patienten
können parallel in einer einzigen Multiparameterdiagnostik viele verschiedene Fusionstrans­
kriptvarianten und -gene nachgewiesen werden.
Genomics
Abb. 1: Elektropherogramm der Allelleiter eines STR basierte Multiplex-PCR-Assays, die aus 12 verschiedenen STR-Loci bestimmt wurde.
Da bestimmte Translokationen
einen für den Krankheitsverlauf
günstigen oder ungünstigen prognostischen Wert besitzen, kann mit
deren Identifizierung eine rasche
Risikostratifizierung der Patienten
erfolgen. Zusätzlich kann durch
die Genotypisierung eine Subtypenklassifizierung der Leukämie
erfolgen, die eine risikoadaptierte
Therapie ermöglicht. Die Multiparameter-PCR bildet so eine schnelle, einfach durchzuführende und
standardisierbare Alternative zu
den derzeit häufig durchgeführten
zytogenetischen Verfahren und repräsentiert ein initiales ScreeningTool für eine präzise und robuste
Diagnostik (Abb. 2).
Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Multiplex-PCR findet sich
im Bereich der Dermatologie. Die
Befundung oberflächlich vorkommender Mykosen wird herkömmlich über die mikroskopische Begutachtung des Nativpräparats,
einer anschließenden Kultivierung
der darauf befindlichen Pathogene und deren mikroskopischer
Identifizierung durchgeführt. Für
diese Arbeitsschritte werden meist
mehrere Wochen benötigt, ohne
dass eine gezielte Therapie begonnen werden kann. Trotz fundierter
phylogenetischer Kenntnisse ist
die eindeutige Bestimmung des
Erregers und damit die Differentialdiagnostik nicht immer mög-
lich. Desweiteren kann durch Dominanz einer Spezies oder durch
Kontamination das Artenspektrum
der kultivierten Pathogene verfälscht werden. Die molekulare
Multiparameterdiagnostik kann
bei dieser Fragestellung, im Gegensatz zur klassischen Analytik, innerhalb eines Tages solide
Resultate bereits aus geringsten
Probenmengen liefern. Dabei
verläuft der Erregernachweis
über speziesspezifische DNA-Sequenzmotive, die eine eindeutige
Differenzierung der Pathogene
erlaubt (Abb. 3). Besonders der
Zeitgewinn bei der Einleitung der
pathogenspezifischen
Therapie
bestimmt die Attraktivität dieses
Assays. Auch wird durch diese
Methodik einer Antimykotikaresistenz vorgebeugt, die durch unspezifischen und unnötigen Einsatz
von Medikamenten hervorgerufen
werden kann. So ist anzunehmen,
dass die molekulare Diagnostik
auch zukünftig in der Dermatologie an Akzeptanz gewinnen wird.
Entwicklung von
Multiplex-Assays und
Auswahl der Biomarker
Der prädikative Wert der Multiparameterdiagnostik setzt sich aus Sensitivität und Spezifität des Markerpanels sowie im Besonderen auch
der Robustheit des Assays und der
Reproduzierbarkeit der Ergebnisse
zusammen. Um dies gewährleisten
zu können, ist eine sorgfältige Aus-
wahl der enthaltenen Biomarker unabdingbar. Die Vorstellung, dass
Schwächen einzelner Marker durch
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GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 121
Genomics
Abb. 2: Elektropherogramm eines Multiparameterassays zur Detektion von 31 möglichen Transkriptvarianten bei akuter myeloischer Leukämie.
zahlreiche andere Marker im Panel ausgeglichen
werden könnten, ist genauso wenig tragfähig, wie
Redundanzen von Biomarkern untereinander zu
einer Verbesserung der Risikoprädiktion führen. In
vielen Fällen wird der Gewinn an Sensitivität durch
einen Verlust an Spezifität aufgehoben [9]. Daher
sind für die Entwicklung von Multiplex-PCR-Assays nicht nur umfangreiches Know-How und
langjährige Erfahrungswerte gefordert, sondern
auch die sorgfältige Validierung an der für den Test
relevanten Patientengruppe bzw. Population.
Ein gutes Beispiel ist das Testsystem für
die Chimärismusdiagnostik. Da hier im Vergleich zur Forensik kein datenbankgeführter
genomischer Abgleich der Patienten erfolgt,
können Spender und Empfänger nur auf Grund
der detektierten, individuell vorkommenden
STR-Loci unterschieden werden. Eine für diese
Anwendung herangezogene Multiparameteranalyse muss daher Biomarker enthalten, die
eine hohe Ausbeute an sog. informativen Loci
ermöglicht. Hierfür wären u.a. deren Heterozygotierate sowie eine ausgewogene Allelverteilung ablesbare Auswahlkriterien [5].
So ist leicht ersichtlich, dass die Zusammensetzung der Markerpanels je nach Anwendungsbereich unterschiedlichen Spezifikationen
folgen muss, um die jeweils besonderen Anforderungen optimal beantworten zu können. Hierfür ist die enge Kooperation mit dem klinischen
Partner eine Grundvoraussetzung.
Bei allen zuvor angeführten Beispielen und
den dort herausgestellten Vorteilen der Multiparameterdiagnostik darf das Kosten/NutzenVerhältnis jeder einzelnen Anwendung nicht
außer Acht gelassen werden. So sollten insbesondere bei geringem Probenaufkommen,
beim Facharzt oder im Labor, die teilweise nötigen Investitionen in Equipment und Ausbil122 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Abb. 3: Gelelektrophorese zum spezifischen Nachweis von Dermatophyten, Pilzen und Hefen.
dung bedacht werden. Auf der anderen Seite
spart die spezifische Diagnostik von mehreren
Parametern in einem Reaktionsansatz Ressourcen, die anderweitig sinnvoll eingesetzt
werden können. Zukünftig werden die neuen molekularen Methoden in Verbindung mit
dem rasch wachsenden Know-How vielfältige
Möglichkeiten in der Multiparameterdiagnostik eröffnen. Dabei sollte das Bestreben bei
der Entwicklung von Diagnostika immer darin
liegen, möglichst krankheitsspezifische, aber
kosteneffiziente Testsysteme für einfach zu bedienende, robuste Detektionssysteme zu etablieren, die einen unmittelbaren Kundennutzen,
wie Therapierelevanz, beinhalten.
Literatur
[1] Koehl U. et al.: Leukemia, 17(1), 232–6 (2003)
[2] Butler JM.: Biotechniques, 3(4) (2007)
[3] Alford R. L. et al.: Am J Hum Genet. 55(1), 190–195
(1994)
[4]Bright J.-A.: Wiley Encyclopedia of Forensic Science,
DOI: 10.1002/9780470061589.fsa118 (2009)
[5] Thiede C. et al.: Leukemia, 18, 248–254 (2004)
[6]Bornhäuser M. et al.: Haematologica, 94, 1613–
1617 (2009)
[7] Rubnitz J. E. et al.: Acute Myeloid Leukemia, Pediatric Oncology, 55(1), 21–51 (2008)
[8] Haferlach T. et al.: Crit. Rev. Oncol. Hematol., 56(2),
223–34 (2005)
[9] Lackner K. J.: Multiparameteranalytik in Forschung
und Praxis; Kapitel 1; ISBN978-3-89967-703-4;
Papst Science Publisher (2011)
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Digital-Refraktometer „denkt mit“ beim Probenhandling
Kleiner Sensor, große Leistung
A und O für genaue und reproduzierbare Messungen mit einem Refraktometer sind ein sauberes Messprisma
und eine gute Probenauftragung.
„Smart Measure“, die neueste Erfindung von Rudolph Research Analytical, unterstützt Sie dabei.
Smart Measure prüft automatisch,
ob vor der Probenauftragung das
Prisma völlig sauber ist, ob ausreichend Probe aufgetragen ist und ob
die Ergebnisse von Kalibriermessungen plausibel sind, ob Bläschen auf dem Prisma
die Messung stören, wie sie z. B. bei kohlensäurehaltigen Getränkeproben auftreten
können. Das J457 nutzt das bewährte Prinzip der beidseitigen elektronischen Temperierung. Dabei umschließt der Deckel die Probe berührungslos. Das Prisma sitzt
fugenlos in der flachen Probenmulde, was die rückstandslose Entfernung von Proben
erleichtert. Der weite Messbereich von 1,26 bis 1,72 schließt auch Substanzen mit
extrem niedrigem Brechungsindex wie Sevofluran ein. Die Messtemperatur können
Sie zwischen 10 °C und mindestens 100 °C einstellen.
Sie tragen die Probe auf, drücken die Start-Taste und los geht‘s: Das J457 prüft die
Probenauftragung und die Temperatur, mißt mit einer Präzision von ±0.00002 den
Brechungsindex und zeigt das Ergebnis in der von Ihnen gewählten Skala an. Das
Messprotokoll können Sie an handelsübliche Bürodrucker oder Computer senden.
Standards wie USP, Phar. Eu., 21 CFR Part 11, GLP/GMP, ASTM ... sind selbstverständlich. Eine Kalibrierflüssigkeit mit Zertifikat ist im Zubehör enthalten.
Mit den neuen kompakten Sonocheck
ABD07-Sensoren zur berührungslosen
Luftblasendetektion bedient der Hallenser Ultraschallspezialist Sonotec
den Trend zur Miniaturisierung. Speziell, wenn Mobilität gefragt ist, spielt
die Größe eine entscheidende Rolle.
Die Clamp-On-Sensoren sind mit einer Breite von 25,2 Millimetern, einer
Höhe von 17,8 mm und einer Tiefe von
12,7 mm nur halb so groß wie herkömmliche Luftblasendetektoren. Bei
der Leistung gibt es dagegen keinen Unterschied.
Die Empfindlichkeit der Sensoren ist applikationsspezifisch definierbar. Der Anwender kann vorgeben, ab welcher Luft- bzw. Gasblasengröße sie reagieren sollen. Sonotec entwickelt die Sensoren nicht nur, sondern fertigt sie auch am Unternehmenssitz
in Halle/Saale und kann flexibel auf die Wünsche der Kunden eingehen.
TEC++ Dr. Volker Schmidt GmbH
Tel.: 06154/623050, [email protected], www.tecplusplus.de
Relaunch
Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH
Tel 0345/13317-0, [email protected], www.sonotec.de
Fettbestimmung bei Kleintieren
Zinsser Analytic bietet den mobilen MicroCT Scanner LaTheta LCT-200 von HitachiAloka an. Das Gerät ist für Kleintiere bis
1,5 kg konzipiert und ist ein erprobtes
Werkzeug für die biomedizinische Forschung.
Der neue Standard umfasst die bewährten Werkzeuge zur automatischen in vivo
Quantifizierung von Subkutan- und Viszeralfett. Der Fettanteil der Leber und das
bisher in vivo nicht erfassbare Braunfett
(BAT) können ebenso bestimmt werden.
Auch klare Aufnahmen von Herz und
Lunge sind möglich. Eine gute Darstellung
ist selbst in Gegenwart von Implantaten
oder Stents gewährleistet. Während der CT-Aufnahme werden die Bildschnitte in
Echtzeit am Bildschirm angezeigt. Das Gerät benötigt lediglich eine Standfläche von
etwa einem Quadratmeter.
Zinsser Analytic GmbH, Frankfurt
Tel.: 06978/91060, [email protected], www.zinsser-analytic.com
Sterile Filterspitzen
Fritsch hat seine Homepage neu gestaltet. Neben regelmäßigen Aktualisierungen und
Optimierungen wurde parallel am Relaunch gearbeitet. So wurde z.B. die Benutzerfreundlichkeit verbessert: die Navigation auf der Einstiegsseite hilft den Besuchern
und Neukunden rasch an die gewünschten Informationen zu gelangen oder gezielt
Kontakt aufzunehmen. Neue Themen-Bereiche mit wichtigen Informationen für Kunden sind auch neu entstanden – dazu zählt eine Enzyklopädie mit Infos rund um das
Thema Partikelgrößenmessung. Auch zahlreiche Artikel zu spezifischen Themen der
Mechanochemie stehen dem Besucher nun - wenn gewünscht auch zum Downloaden - zur Verfügung. Mit Rücksicht auf den internationalen Markt hat der Hersteller
zwei weitere Länderversionen, nämlich für Spanien und Italien, eingeführt. GeräteAnimationen gewähren einen schnellen Produktüberblick, zeigen die wichtigsten
Geräte-Infos und leiten den Besucher mit einem Klick zum passenden Laborgerät.
Die neuen sterilen labsolute Filterspitzen mit Aerosolbarriere halten Aerosole
und Biomoleküle zuverlässig zurück und
schützen damit sowohl Ihre Proben als
auch Ihre Pipetten vor Kontaminationen.
Die Spitzen sind für PCR- und Zellkulturproben geeignet, da sie frei von RNasen,
DNasen, humaner DNA, PCR-Inhibitoren
und Pyrogenen sind. Die Verwendung von ausschließlich frischem, nicht wiederaufbereitetem Kunststoffgranulat garantiert nicht nur höchste Reinheit sondern gute
Passform und geringe Aufsteck- und Abwurfkräfte bei allen gängigen Pipettenfabrikaten wie Gilson, Brand, Biohit, Thermo Finn, Eppendorf, Socorex, Oxford etc.
Die transparenten Filterspitzen sind in fünf verschiedenen Größen von 0,1 μl bis
1250 μl erhältlich und werden in praktischen, stabilen und standfesten Boxen geliefert. Bis zum 31.3.2012 sind die neuen Filterspitzen mit 25 % Einführungsrabatt
erhältlich.
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124 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Labormarkt
Toc/TNb-Bestimmung
Analytik Jena stellt seine Analysatoren der Multi N/C-Serie vor. In vielerlei Anwendungsbereichen auch jenseits der Trink- und Abwasseranalytik ist eine schnelle und zuverlässige TOC/TNb-Bestimmung erforderlich. Insbesondere Proben mit extremer Matrix, wie
z.B. Meerwasser, Solen, konzentrierte Säuren und Laugen stellen dabei hohe Anforderungen an Toc-Geräte, die nach dem Prinzip der katalytischen Hochtemperaturverbrennung
arbeiten. Es ist jedoch möglich, die mit der Matrix dieser Proben einhergehenden Wartungszyklen am Toc-Analysator durch optimierte Gestaltung der Verbrennungsführung
sowie der Verbrennungsrohrfüllung bei gleichbleibend stabilen Analysenergebnissen
bedeutend zu verlängern. Sowohl durch die in weiten Bereichen frei wählbare Verbrennungstemperatur als auch durch die robuste und gleichzeitig empfindliche Auslegung
des Focus Radiation NDIR-Detektors der vorgestellten Serie sind nun Applikationslösungen mit minimiertem Geräteverschleiß und deutlich erhöhten Standzeiten verfügbar.
Pipetten-Dichtheitsprüfung
Brand stellt seine PLT Unit vor, ein Pipetten-Dichtheitsprüfgerät. Luftpolsterpipetten müssen im Rahmen der
Prüfmittelüberwachung gemäß ISO
8655 in regelmäßigen Abständen
kalibriert werden. Kalibrierzertifikate
geben jedoch nur die Ergebnisse zum
Prüfzeitpunkt wieder. Kritisch sind
die Zeiträume zwischen diesen Kalibrierungen, da Undichtigkeiten zu
jedem Zeitpunkt auftreten können.
Weit über 80% der zur Reparatur
eingesandten Pipetten sind undicht
und liegen außerhalb der Volumentoleranz, obwohl sie nicht tropfen.
Die tägliche Kontrolle der Pipette mit
dem Prüfgerät sichert diese Phasen
ab. Kleinste Undichtigkeiten werden erfasst. Diese entstehen durch Beschädigungen
an der Dichtung, Kolben oder Spitzenaufnahmekonus. Grenzwerte für handelsübliche
Einkanal- und Mehrkanal-Pipetten sind im Volumenbereich 1 µl bis 10 ml bereits
hinterlegt. Das Ergebnis der Prüfung – mit oder ohne Spitze, dynamisch oder statisch
– erhält man nach wenigen Sekunden.
Brand GmbH & Co. KG
Tel.: 09342/808-0, [email protected], www.brand.de
Analytik Jena AG, Jena
Tel.: 03641/7770, [email protected], www.analytik-jena.de
Klimakammern
Neuer Detektor
Metrohm erweitert sein Portfolio für die
Ionenchromatographie mit einem amperometrischen Detektor. Als Alternative
zum Leitfähigkeits- und UV/VIS-Detektor
wird er eingesetzt, wenn elektroaktive
Substanzen bestimmt werden sollen. Der
neue Detektor zeichnet sich durch hohe
Selektivität und Messempfindlichkeit aus.
Dadurch können Konzentrationen bis in
den ng/l-Bereich sicher bestimmt werden.
Der Detektor zeichnet sich durch seine
optimierten, anwenderfreundlichen und wartungsarmen Messzellen aus. Dank ihrer
Drei-Elektroden-Konfiguration in Wall-Jet- oder Thin-Layer-Geometrie überzeugen
sie durch niedriges Rauschen und eine ausgezeichnete Signalstärke. Für eine große
Breite von Applikationen stehen dem Anwender eine Vielzahl von 2- und 3-mm-Arbeitselektroden in den üblichen Materialien Gold, Silber, Platin und Glassy Carbon
zur Verfügung. Die wartungsfreien Hilfs- und Referenzelektroden ergänzen das Detektionssystem.
Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG
Tel.: Tel 0711/77088-0, [email protected], www.metrohm.de
e
mehr aktuelluf …
a
Produkte
git-labor.de
Die Klimakammern der Serie Kambic von CiK Solutions
bieten hohe metrologische Performance und sind intuitiv
und flexibel bedienbar. Typische Einsatzgebiete sind z.B.
Langzeit-Stabilitätstests, Kalibrierlabors, Material Testlabors, Materialkonditionierung und Alterungstests. Der
Kunde kann im Standardprogramm wählen zwischen
zwölf Modellen in vier verschiedenen Kammergrößen
mit jeweils drei verschiedenen Temperaturbereichen.
Aber auch individuelle, kundenspezifische Lösungen
sind möglich – bis hin zur begehbaren Klimakammer.
CiK Solutions GmbH
Tel.: 0721/62690850, www.cik-solutions.com
Charakterisierung von Polymeren
Mit der Rotor-Schnellmühle Pulverisette 14 stellt Fritsch eine Lösung
zur Probenvorbereitung vor: Die
Analyse von Polymeren wird mit
Hilfe der Gel-Permeations-Chromatografie durchgeführt. Dabei handelt
es sich um eine Art der Flüssigchromatographie ähnlich der HPLC. Die
Trennung findet hier aufgrund der
Größe der Moleküle in der Lösung
statt. Je nach Detektor werden Molmassenmittelwerte, Polydispersität
und Viskosität der Polymerprobe ermittelt. Wichtig hierzu ist die geeignete Probenvorbereitung um die Polymere zu lösen. Degradation, d.h. die Zerstörung von Materialeigenschaften des Polymers muss
dabei vermieden werden. Eine Lösung zur Probenvorbereitung stellt die vorgestellte
Rotor-Schnellmühle dar. Damit lassen sich Endfeinheiten bis < 80 µm erreichen. Eine
Versprödung des Polymers mit flüssigem Stickstoff oder das Vermahlen unter Zugabe
von Trockeneis vermeidet die Degradation.
Fritsch GmbH
Tel.: 06784/70146, [email protected], www.fritsch.de
GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012 • 125
Labormarkt
Schläuche aus Elastomeren
16k Zeilenkamera - 100 kHz - CoaXPress
Reichelt Chemietechnik stellt in seinem neu
aufgelegten Handbuch Thomafluid-I auf 120
Seiten ein breites Spektrum an Schläuchen
für Aufgabenstellungen im Labor, Technikum
und Betrieb vor. Hierzu gehören Schläuche für
die Analysentechnik, Chemietechnik, Industrietechnik, Betriebstechnik, Medizintechnik,
Pharmatechnik sowie für die Lebensmittelindustrie. Die Material-Palette bietet für jeden
Anwendungsfall eine Lösung, wobei sämtliche
Schläuche sowohl für Mikroanwendungen
wie auch für Makroanwendungen zur Verfügung stehen. Im Einzelnen handelt es sich
um folgende Materialtypen: FPM, MVQ, PVC,
EVA, EPDM, EPDM/PP, PUR, IIR, NBR, CR sowie SBR. Eine Neuentwicklung ist die
Schlauchtype Thomafluid EPDM/PP-Hochleistungs-Pumpen- und Chemieschlauch.
Der Schlauch ist resistent gegenüber verdünnten Säuren und Laugen sowie polaren
Lösungsmitteln. Die mechanische Belastbarkeit ist 30 Mal höher als von Silikon, so
dass der Schlauch speziell in Rollenpumpen (Schlauchpumpen) zum Einsatz kommt.
Die ELiiXA+ mit 16.384 Pixel
je 5 µm Pixelgröße, wird mit
100 kHz ausgelesen und e2v
erreicht eine so gute SensorPlanarität, dass eine scharfe
Abbildung über die gesamte
Länge von 82 mm sichergestellt ist. Der Multi-Line
CMOS-Sensor garantiert einen Dynamikumfang von 73
dB.: Vor der A/D-Wandlung
wird durch das Design der
Photodiode ein hoher Charge-Conversion-Faktor erreicht. Die Verstärker sind direkt
neben den aktiven Pixeln angeordnet, dies führt zu einer QE von 72 % bei 550 nm.
Das CDS sorgt für homogene, rauscharme Bilder. Zudem verfügt die Kamera über
manuelles/automatisches Tap-Balancing, FFC, Kontrastspreizung, analoges/digitales
Binning, LUTs. Die ELiiXA+ gibt es mit CL Full Interface, 850 MB/s und 50 kHz.
Die volle Geschwindigkeit wird mit CoaXPress, vier Links in der CXP-6-Konfiguration,
erreicht: 16k-Auflösung, 100 kHz Zeilenrate und 16.4 Gbps Datenrate.
Weitere Informationen zur ELiiXA+ Zeilenkamera finden sie unter www.rauscher.de/
Produkte/Kameras/e2v-Zeilenkameras-Monochrom/ELiiXA-Plus/
Reichelt Chemietechnik GmbH & Co.
Tel.: 06221/3125-0, [email protected], www.rct-online.de
Rauscher GmbH
Tel.: 08142/44841-0, [email protected], www.rauscher.de
Schutzhandschuhe
Die Semadeni Gruppe erweitert sein
Angebot an Schutzhandschuhen.
Dazu zählen Dentalhandschuhe mit
aufgerauter Handfläche für einen
besseren Halt sowie sterile OPHandschuhe, beide aus Latex. Neu
im Programm ist auch ein Chemikalien-Schutzhandschuh aus LatexNeoprene. Alternativ zu den LatexHandschuhen sind Handschuhe aus
Nitril erhältlich, darunter die extra
langen „Safe Long“ die sehr elastisch und damit reißfest sind. Ebenfalls sehr dehnbar und für den Einsatz im Lebensmittelbereich zugelassen ist der
Handschuh „Softline“ aus Polyethylen (PE). Auch Schnitt-, Hitze- und Kälteschutzhandschuhe finden sich unter den Neuvorstellungen.
Semadeni (Europe) AG
Tel.: 0211/3003423, [email protected], www.semadeni.com
Klappbares Taschenthermometer
Das handliche Taschenthermometer
ThermoJack der Dostmann electronic
GmbH ein robustes, leicht transportables Thermometer für die regelmäßige Temperaturkontrolle an variablen Einsatzorten. Das ca. 10 cm lange
Fühlerrohr mit Einstechspitze ermöglicht Kerntemperaturmessungen auch in harten
und tiefgekühlten Lebensmittelproben. Das Gerät erfüllt die Anforderungen Norm EN
13485. Das große LCD-Display zeigt die Temperatur wahlweise in °C und °F mit einer
Auflösung von 0,1 °C an. Der Messbereich reicht von –40 °C bis +250 °C. Die Genauigkeit beträgt ±0,5°C, die Ansprechzeit beträgt ca. 5 s. Das Gehäuse nach IP65
erlaubt die Reinigung des Gerätes mit fließendem Wasser. Die Versorgung mit einer
3,0V-Knopfzelle ermöglicht Dauerbetrieb bis zu 200 Stunden. Das Taschenthermometer besonders handlich und erlaubt den universellen Einsatz an häufig wechselnden
Einsatzorten, denn es passt in jede Kitteltasche.
Dostmann Electronic GmbH
www.dostmann-electronic.de, [email protected]
126 • GIT Labor-Fachzeitschrift 2/2012
Thermostate
Huber hat seine MPC-Thermostate durch technisch verbesserte Nachfolgemodelle ersetzt. Die Geräte haben ein neues Frontdesign erhalten und sind jetzt serienmäßig mit einer RS232-Schnittstelle ausgestattet. Dazu kommt eine verbesserte Temperaturanzeige,
die jetzt eine durchgängige Auflösung von 0,1 °C über den gesamten Temperaturbereich
bietet. Der zuvor als Advanced-Version erhältliche optionale Pt100-Fühleranschluss entfällt. Die Thermostate sind einfach zu bedienen und alle Kältemodelle arbeiten umweltschonend mit natürlichem Kältemittel. Sie eignen sich für viele Anwendungen wie z. B.
Probentemperierung, Analytik, Materialprüfung oder für das externe Temperieren von
Messgeräten und Versuchsaufbauten. Die Geräte erreichen eine Temperaturkonstanz
von ±0,05 °C und sind ausgestattet mit einem Übertemperatur- und Unterniveauschutz
der Klasse III/FL (DIN 12876) für den Einsatz mit brennbaren Flüssigkeiten. Die Umwälzpumpe erreicht Leistungen von 20 l/min; 0.2 bar (druckseitig) bzw. 17 l/min; 0,18 bar
(saugseitig). Erhältlich sind Einhänge-, Umwälz- und Badthermostate für Temperierarbeiten bis +200 °C sowie Kältethermostate für Temperaturen bis -30 °C. Abgerundet
wird das Angebot mit Zubehör wie z.B. Testglaseinsätze, variable Stellböden, Baddeckel,
Fühler sowie Schläuche, Temperierflüssigkeiten und diverse Adapter.
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Polymere
Reinmetalle
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Faseroptische Systeme
Kalibrierstandards
Küvetten
KNF NEUBERGER GMBH
Dosierpumpen
Pumpen
Vakuumpumpen
KNICK ELEKTRONISCHE MESSGERÄTE
GMBH & CO. KG
Leitfähigkeitsmessgeräte
pH-Messgeräte und Elektroden
KRÜSS GMBH
ANAMED ELEKTROPHORESE GMBH
C + P MÖBELSYSTEME GMBH & CO. KG
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Kontaktwinkelmessgeräte
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Zentrifugen
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Leitfähigkeitsmessgeräte
pH-Meter
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Hochdruck-Homogenisatoren
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