Hocheffiziente Neue Schwingungsspektroskopische Methoden

Lebensmittel-, Heilpflanzen-, Material- und Krebsanalytik

Die Zahl der Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Schwingungsspektroskopie steigt kontinuierlich. So enthält die SciFinder-Datenbank der Amerikanischen Gesellschaft für Chemie (ACS) im Jahr 2010 insgesamt 2444, im Jahr 2013 bereits 3053 und im letzten Jahr 2015 sogar 3288 Publikationen – insgesamt 17082 im Zeitraum 2010-2015. 
 
Grund für die zunehmende Beliebtheit der auf Infrarot- bzw. Raman-Spektroskopie basierenden Analysensysteme sind einerseits effiziente technische  Weiterentwicklungen und verbesserte Datenvorbehandlungen zur Verarbeitung der spektralen Daten; andererseits bieten sie für den Anwender gegenüber konventionellen Analysenmethoden wie der Trenntechnologie, Massenspektroskopie (MS), etc., besonders im Fall einer hohen Probenanzahl, deutliche Vorteile: Leichte Handhabbarkeit,  kurze Analysenzeiten, Zerstörungsfreiheit, Simultanbestimmung von physikalischen und chemischen (physiko-chemischen) Parametern, Möglichkeit der qualitativen Analyse (Clusterung), sowie quantitativen Kontrolle potenter Inhaltsstoffe. Ziel des hier vorliegenden Artikels ist es, zunächst eine Kurzzusammenfassung des aktuellen technologischen Standes zu geben, um danach die in der Arbeitsgruppe um Professor Huck etablierten Systeme für die Lebensmittel-, Heilpflanzen-, Material- und Krebsanalytik überblicksmäßig zu beschreiben (Abb. 1).
 
Technische Entwicklungen
In den letzten Jahren wurden zum einen grundlegende Fortschritte im Design tragbarer Handspektrometer und zum anderen in der Entwicklung hochauflösender Spektrometer erzielt. Der Übergang von den raumgroßen Geräten der 70er Jahre hin zu kleinen Spektrometern - das kleinste derzeit am Markt erhältliche Gerät wiegt gerade einmal 60 Gramm -  ist durch die Einführung der Micro-Electro-Mechanischen Systeme (MEMS) zur Generierung optisch-mechanischer Funktionen im Nahen-Infrarotbereich (NIR; 4.000-12.000 cm-1), sowie durch die erfolgreiche Etablierung linear einstellbarer Filter (linear variable filter, LVF) für den mittleren IR-Bereich (MIR; 400-4.000 cm-1) in Kombination mit der abgeschwächten Totalreflexion (ATR) ermöglicht worden (Abb.

2). Tragbare Raman-Spektrometer werden zunehmend mit 1064-nm Anregungslasern zur effizienten Fluoreszenzunterdrückung ausgestattet. Wesentlicher Knackpunkt beim Miniaturisierungsschritt ist eine adequate Performance im Vergleich zu den teureren und technisch aufwändigeren Tischgeräten. 

 
Die weiteren Entwicklungen auf dem Gebiet der Imaging/Mapping-Technologien erlauben im NIR- bzw. MIR-Bereich eine laterale Auflösung von cirka 4 µm zu erreichen, wobei mithilfe der Focal-Plane Array (FPA) Detektortechnologie kurze Analysenzeiten erzielt werden können. Die neueste Generation der Raman-Imaging/Mapping Spektrometer zeichnet sich durch eine hohe Auflösung bis zu ca. 1 µm aus und erlaubt es, zur IR-Methode komplementäre spektrale Informationen zu generieren, ein vielversprechender Ansatz gerade für die Tumordiagnostik. Die Atom-Kraftfeld-Mikroskopie (AFM) ermöglicht erstmals hochaufgelöste materialanalytische Untersuchungen im Nanometer-Maßstab.
 
Hocheffiziente Applikationen
Im Bereich der Lebensmitteltechnologie nimmt zum einen die Zahl der Falschdeklarationen stetig zu, zum anderen wird der Druck durch Anbieter aus billig produzierenden Drittländern immer größer. Neben der Ursprungs- und Sortenbestimmung spielt selbstverständlich die quantitative Analyse potenter Inhaltsstoffe eine tragende Rolle. Hierbei sind in zunehmendem Ausmaß Informationen betreffend des beispielsweise anti-oxidativen Potentials, und damit der gesundheitsfördernden Wirkung, von Interesse. Im Rahmen eines durch die EU geförderten Interreg IV Projektes („Originalp“, www.originalp.eu) ist es erstmals gelungen, alpenländische Qualitätsprodukte wie zum Beispiel den Apfel geographisch mit Hilfe eines Clustermodells quasi zu schützen und gleichzeitig die qualitätsbestimmenden Parameter (Zucker, Phenole, alpha-Farnesin) nebst des anti-oxidativen Potentials zu bestimmen. Dazu wurde eine neue Apfel-Rotationsmaschine zur automatisierten Analyse mittels NIR-Spektroskopie entwickelt [1]. Dieses neue Analysensystem bietet in Kombination mit eingeführten Qualitätssiegeln erstmals die Möglichkeit, Produzenten als auch Konsumenten ein hohes Ausmaß an Sicherheit betreffend Ursprung und Qualität der Ware zu liefern. Lebensmittelverfälschungen mit schnellen, nicht-invasiven Analysenmethoden auf die Schliche zu kommen ist spätestens seit dem Pferdefleischskandal im Jahr 2013 von notwendigem Interesse. Zur Erkennung von Verfälschungen in Kalbswürsten mit Schweinefleisch und -fett wurde eine neue Erkennungsmethode mittels tragbarem NIR-Spektrometer (Phazir, Thermo-Fischer bzw. Micro-NIR, USD, beide USA) etabliert, um den schnellen, einfachen, zerstörungsfreien Kontrolleinsatz an einem beliebigen Ort mittels Messung durch die Verpackung zu ermöglichen [2].
 
Für die Heilpflanzenanalytik („Phytomics“) werden ähnliche Analysensysteme entwickelt, die allerdings neben der Ursprungs-, Sorten-/Spezies-, quantitativen Inhaltsstoff-, anti-oxidativen Potentialbestimmung erstmals die Optimierung des idealen Erntezeitpunktes erlauben. Dazu werden tragbare Hand-NIR/MIR Spektrometer direkt am Anbaufeld eingesetzt, womit sogar tageszeitliche Schwankungen potenter Inhaltsstoffe effizient erfasst werden können [3]. Anhand der auf MIR-/NIR-Spektroskopie basierenden Imaging-Methodik kann die Verteilung potenter Inhaltsstoffe, wie zum Beispiel jener des Proteins in der Brennnessel-Wurzel, dreidimensional erfasst werden, was völlig neue Erkenntnisse über Verteilung liefert (Abb. 3) [4]. Niedrig konzentrierte Inhaltsstoffe können prior Spektralanalyse selektiv angereichert werden (surface enhanced infrared spectroscopy, SEIRS). Quantenmechanische Spektren Simulationen liefern zusätzliche Unterstützung.
MIR-/NIR-/Raman-Spektroskopie eignen sich hervorragend zur Charakterisierung verschiedener Materialien wie zum Beispiel Polymeren, die IR aktive aliphatische, olefinische und aromatische CH Strukturen kombiniert mit –NH, -OH, - COOH und –C=O Funktionalitäten oder verschiedenen Kombinationen daraus wie –NH-CO (Amid) und –NH-COO (Urethan) enthalten. Es können chemische als auch physikalische Parameter bestimmt werden. Die chemische Reaktion, Konstitution (Zusammensetzung, Additive, Verunreinigungen) und Konfiguration (cis/trans, Taktizität), Konformation (trans/gauche), Zustand (amorph/kristallin) und Orientierung können zerstörungsfrei und simultan erfasst werden. Wichtiger Parameter ist die Konformation, welche die Struktur und die Charakteristik des Materials wesentlich beeinflussen. In der Polymerentwicklung/-forschung müssen Bulk-Proben, feste Polymere ebenso wie Emulsionen untersucht werden, wofür sich die diffuse Reflexionsmessung hervorragend eignet [5].
 
Nanomaterialien erfreuen sich zunehmender Beliebtheit für die Anwendung in den verschiedensten Bereichen. Die Schwingungsspektroskopie bietet hier eine hochinteressante Möglichkeit physico-chemische Paramter (Partikelgröße, spezifisiche Oberfläche, Porosität, Derivatisierung etc.) einfach und schnell zu messen. Mithilfe der AFM-IR können hochaufgelöste materialanalytische Untersuchungen im Nanometerbreich durchgeführt und darauf aufbauend ganze Images erstellt werden [6].
 
Auch in der Krebsdiagnostik werden zunehmend Methoden basierend auf MIR-, NIR- und Raman-Spektroskopie eingesetzt. Dabei spielt zunächst die Imaging/Mapping-Technik eine entscheidende Rolle, um Tumorerkrankungen in verschiedenen Stadien selektiv erfassen zu können. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend kann die Methodik auf eine Lichtleiter-Sonden-Technik extrapoliert werden, um Messungen direkt im Körper durchzuführen, sodass man etwaige Erkrankungen möglichst im Frühstadium erkennen kann [7]. Die 2-dimensionale Korrelationsspektroskopie bietet hier zusätzliche Möglichkeiten an spektraler Auflösung.
 
Ausblick
Besonders die Miniaturisierung von tragbaren NIR-Spektrometern zeigt eine rasante Entwicklung. In den nächsten Jahren werden Kleingeräte auf den Markt kommen, die kleiner als ein Smartphone sind, und es einem erlauben, vielfache Informationen über z.B. Lebensmittel zu erfahren. Die Datenanbindung wird über Bluetooth bzw. WLAN erfolgen.
 
Danksagung
Drittmittelförderprojekte sind die Basis für die durchgeführte Forschungsarbeit. Dafür sei herzlich gedankt, der EU (Interreg IV, Projekt „Originalp“), dem BMG und BMVIT (Wien, Österreich; Projekt „Novel Analytical Tools for Quality Control“), dem Land Tirol (Innsbruck, Österreich, Projekt „Oralkarzinom“), sowie zahlreichen anderen Förderern und Gönnern.
 
Kontakt
Prof. Christian W. Huck
Institut für Analytische Chemei und Radiochemie
Zentrum für Chemie und Radiochemie
Innsbruck, Österreich
Christian.w.huck@uibk.ac.at

Literatur

(1)         Schmutzler, M.; Huck, C. W. Vibrational Spectroscopy 2014, in press.

(2)         Schmutzler, M.; Beganovic, A.; Böhler, G.; Huck, C. W. Methods for Detection of Pork Adulteration in Vael Product Based on FT-NIR Spectroscopy for Laboratory, Industrial and On-Site Analysis, Food Control 2015, 57, 258–267, DOI: 10.1016/j.foodcont.2015.04.019.

(3)         Clara, D.; Pezzei, C. K.; Schönbichler, S. A.; Popp, M.; Krolitzek, J.; Bonn, G. K.; Huck, C. W. Comparison of Near-Infrared Diffuse Reflectance (NIR) and Attentuated-Total-Reflectance Mid-Infrared (ATR-IR) Spectroscopic Determination of the Antioxidant Capacity of Sambuci Flos With Classic Wet Chemical Methods (Assays), Analytical Methods 2016, 8, 97–104, DOI: 10.1039/C5AY01314C.

(4)         D. Pallua, J.; Pezzei, C.; Huck-Pezzei, V.; A. Schonbichler, S.; K. Bittner, L.; K. Bonn, G.; Saeed, A.; Majeed, S.; Farooq, A.; Najam-ul-Haq, M.; Abel, G.; Popp, M.; W. Huck, C. Curr. Bioact. Compd. 2011, 7, 12.

(5)         Heigl, N.; Greiderer, A.; Petter, C. H.; Kolomiets, O.; Siesler, H. W.; Ulbricht, M.; Bonn, G. K.; Huck, C. W. Simultaneous Determination of the Micro-, Meso-, and Macropore Size Fractions of Porous Polymers by a Combined Use of Fourier Transform Near-Infrared Diffuse Reflection Spectroscopy and Multivariate Techniques, Analytical Chemistry 2008, 80, 8493–8500, DOI: 10.1021/ac8013059.

(6)         Heigl, N.; Petter, C.; Najam-Ul-Hacq, M.; Rainer, M.; Vallant, R.; Bonn, G.; Huck, C. Journal of Near Infrared Spectroscopy 2008, 16, 211.

(7)         Huck Christian W.; Huck-Pezzei Verena .A. Multidimensional Approach of Infrared Imaging Spectra and Morphology of Oral Squamous Cell Carcinoma (OSCC); Schlapa, J., Ed.; Novapublisher, NY, USA, 2014.

Weitere Beiträge zum Thema: http://www.git-labor.de/

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