(Kép)pontról (kép)pontra: az infravörös képalkotás biomérnöki alkalmazásai

© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015

(Kép)pontról (kép)pontra: az infravörös képalkotás biomérnöki alkalmazásai Gergely Szilveszter Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

PerkinElmer Szeminárium 2015. október 20.

black box ▼ grey box


Spektrális hiperkocka vs. tudomány Spektrális hiperkocka

„near-infrared AND imaging AND pharma” kulcsszóra történő keresés

Web of Science ScienceDirect

Progresszív fejlődés

70 60

Web of Science

50

ScienceDirect

58 57 58 52

49

40

48

31 30

30

22 18

16 17 15 13

14 10 9

6

4

2007

11 5 4 1

2006

1

6 2 42

7

2004

1

3

1996

10

7

2003

20

1994

közlemény (db)

5

év

Gyilok.

Lewis E.N., Carroll J.E., Clarke F.: A near infrared view of pharmaceutical formulation analysis. NIR news 12(3), 16–18 (2001)

2

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2005

2002

2001

2000

De mi volt 1994 előtt?

1998

0 1997


Egér a Marsról – az elv...

Itt már aktív: IR besugárzás, DE roncsolásmentes

Sokszor csak a boncasztalon látjuk az Alzheimerkór állapotát.

Korai észlelés és terápia: jobb esélyek. NIR kamera segít.

Golde T.E., Bacskai B.J.: Amyloid deposits can be rapidly detected in the brains of living mice using a novel ligand and near-infrared fluorescence imaging. Nat. Biotechnol. 23(5), 552–554 (2005)

3


Egér a Marsról – ... és a gyakorlat

Hintersteiner M. et al.: In vivo detection of amyloid-β deposits by near-infrared imaging using an oxazine-derivative probe. Nat. Biotechnol. 23(5), 577–583 (2005)

4


Selyemhernyó szexálása – az elv, ... Tenyésztés szempontjából fontos, hogy mi van a bábban.

Sumriddetchkajorn S., Chakkrit Kamtongdee C.: Optical penetration-based silkworm pupa gender sensor structure. Appl. Optics 51(4), 408–412 (2012)

Bábot megbontani nem lehet, mert akkor elpusztul…

Nézzünk bele a NIR segítségével a selyemhernyó bábjába!

5


Selyemhernyó szexálás – ... a „vas” ...

Dedikált LED, lézer, de előtte ki kell választani: mobil lehet.


6


Selyemhernyó szexálás – ... és a kimenet Lányoknál semmi extra …

… de a fiúknak világít a „farkuk”.


7


Vénaszkenner NIR 2007 Umeå (S): papírra „H2O”

http://www.newsweek.com/2015/01/16/making-blood-draws-easier-friendlier-needle-296317.html

Mozizzunk?

8


Mikro/makroszkópos képalkotás – fő pontokban

Pár/tíz mikrométeres nagyságrendek(től) pár centiméterig

Látható kép: vizsgálandó terület megkeresése, majd (N)IR mérés

Nem, vagy csak „kis” mintaelőkészítést igényel: rutin...

Különböző mérési módok: heterogén minták könnyebb vizsgálata

Meddig tart? Más megoldás lehet jó… (bemozdult fénykép)

egy pont

több pont

terület

Stefano Pera: Selection of the proper accessory for MID-IR & NIR, 2009. (PKI presentation)

9


Mikro/makroszkópos képalkotás – sok pont = vonal (1D), térkép (2D)

line scan

PKI: Spectrum Spotlight FT-IR Imaging System Tutorials. (SpectrumIMAGE software)

mapping

10


Mikro/makroszkópos képalkotás – FPA

FPA (Focal Plane Array)

videotelefon fejlesztése (AT&T): 1969!

Kepler űrtávcső: 95 megapixel

https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/multimedia/images/kepler-focal-plane-assembly.html

11


Mikro/makroszkópos képalkotás – T

T (transzmisszió)

12 Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, 2009. (PKI presentation)


Mikro/makroszkópos képalkotás – R-ek spekuláris reflexió E

R

gyengített teljes reflexió (ATR)

diffúz reflexió E

R (reflexió)

R

mintafelszín

mintafelszín

mintafelszín



Mikro/makroszkópos képalkotás – Ge



Eredetiségvizsgálat vs. imaging: makro (VIS)

Eredeti

Edzőteremben izomnövelő helyett „barkács cucc”.

Hamis

15 Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Horgos József (SE EGYSZSZI)


Eredetiségvizsgálat vs. imaging: makro (NIR)

Eredeti

mátrixhatás

Hamis

Abs.

PCA

16 Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Horgos József (SE EGYSZSZI)


Technológiai probléma vs. imaging I.

Probléma a tabletta felületén: mi az oka? (Kosz, polim.)

Spórolás miatt más alapanyag, bevonathiányt okozott.

• Képalkotás NIR tartományban: nincs roncsolás • 400 × 400 μm méretű mérési tartomány, 6,25 × 6,25 μm méretű képpontokkal • 64 × 64 pont, azaz összesen 4096 pont, pontonként 128 spektrum átlagolásával • Átlagos abszorbancia értékek alapján színezett ábrák

17 Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)


Technológiai probléma vs. imaging I.: korrelációs térképek (2D és 3D) Hatóanyag R2=0,88-0,96

Filmbevonat (Opadry®) R2=0,41-0,54



Technológiai probléma vs. imaging II.

transzmissziós kép (a) a transzmissziós, ill. reflexiós kép (b) a mikro ATR felvétel előtt (a)

(b)

Göb a fóliában – mi okozhatja? (Katalizátor vs. mátrix...)

495 μm × 385 μm

495 μm × 385 μm

19 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)


Technológiai probléma vs. imaging II.: korrelációs térkép: min. vs. max. R2

R2 (min.) = 0,000 : képen 2 (-30;4) ► spektrum 2 — R2 (max.). = 0,447 : képen 1 (48;-59) ► spektrum 1 —

Gyenge R2, mert gél bevonva mátrix anyagával.



▼

Technológiai probléma vs. imaging II.: Makro ATR (UATR) vs. mikro ATR (im.)

Ellenőrizve a tiszta anyagok spektrumával.



Gergely Szilveszter (BME)

Technológiai probléma vs. imaging II.: változékony tartomány kiválasztása

R2max. 0,461

R2max. 0,777

R2max. 0,949

22

4000-750 cm-1

1600-750 cm-1

1300-750 cm-1


Gergely Szilveszter (BME)

Technológiai probléma vs. imaging II.: megjelenítési lehetőségek (a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a) False Color Image, (b) False Color Image with Contours, (c) Contour Map, (d) Overlay Image, (e) Wire Surface Projection, (f) 3D Surface Projection

23


Technológiai probléma vs. imaging II.: előnyök és hátrányok ▼ ▼

Makro ATR (UATR) gyors mérés (~percek) csak kvázi átlag sp. (~mm2) kis katalizátor jel

Mikro ATR (imaging) lassabb mérés (~óra) képpontonkénti sp.-ok (~μm2) 24 nagy katalizátor jel

Gergely Szilveszter (BME ABÉT)


Csomagolóanyag – „as is”

Lehetne biológiailag lebomló csomagoló anyag is, de...

Kérdés: hány és milyen réteg – mert érintkezés az élelmiszerrel...

3 minta polimer gyantába öntve: külsőbelső oldal!

25 Gordon Péter (BME EFI-labs)


Csomagolóanyag – fénymikroszkóp

Fém réteg (pl. aroma zárás, oxigén kizárása): csillog-villog. 26 Gordon Péter (BME EFI-labs)


Csomagolóanyag – IR mikroszkóp



Csomagolóanyag – előkezelések ◄ CO2 és vízgőz

◄ zaj



Csomagolóanyag – azonosítás I.

PET



Csomagolóanyag – azonosítás II.

PA



Csomagolóanyag – azonosítás III.

PE



Csomagolóanyag – SEM

Mit keres a mintában a Cl és Ti? Nyomdafesték, ragasztó



Altesti dolgaink – kő kövön

Kövek (epe-, vese-, húgykő)

33 Bende Balázs (BUC)


Altesti dolgaink – spektrumok és PCA standardok ammónium-hidrogén-urát (au), húgysav (hs), nátrium-hidrogén-urát (nu), xantin (x)

minták 2837, 2838, 2839, 2893, 2905, 2940 100

100 90

90

80 T (%)

T (%)

70 60 50

80 70

40 60

30 20 10 4000

A kőalkotók spektrumai, eloszlása.

3500

3000

2500

2000

1500

1000

50 4000

500

3500

3000

2500

hullám szám (1/cm )

Projection of the variables on the f actor-plane ( 3 x 2)

1500

1000

500

A minták spektrumai, eloszlása.

Projection of the variables on the f actor-plane ( 3 x 2)

6

1,4 hs_B hs_C hs_A

4

2838_A

1,2

nu_B nu_A nu_C

2838_B 2838_C

1,0 0,8

2

2893_A 2893_B 2893_C

Factor 2 : ,43%

0,6 Factor 2 : 6,49%

2000

hullám szám (1/cm )

0 au_C au_A au_B

-2

0,4 0,2 0,0 -0,2

-4

2940_A 2837_B 2839_A

-0,4 x_A

-0,6

-6

2940_B

2839_B

2837_A

2940_C

2905_A 2839_C 2905_C 2905_B

2837_C

x_B x_C

-0,8 -8 -6

-4

-2

0

2

Factor 3 : 5,18%

4

6

8

Active

-1,0 -1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

Active

Factor 3 : ,15%

34 Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Bende Balázs (BUC)


Altesti dolgaink – keresés könyvtárral Keresés spektrumazonosság alapján.

35 Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Bende Balázs (BUC)


Altesti dolgaink – mire jó a kép? I. A kő szerkezetére, rétegeire is kaphatunk infót: IR képalkotás.

Támogatás: pár száz forint... (vs. pár 10 MFt)

Anderson J.C. et al.: Analysis of urinary calculi using an infrared microspectroscopic surface reflectance imaging technique. Urol. Res. (2007) 35(1) 41–48 (2007)

36


Altesti dolgaink – mire jó a kép? + Humán húgykő elektromos kábellel.



Altesti dolgaink – mire jó a kép? II.

Epekő: koleszterin. Jó-jó, de kidobják...



Altesti dolgaink – mire jó a kép? III.

Mi jó, ha kidobják? A daganat.



Altesti dolgaink – mire jó a kép? IV.



Altesti dolgaink – mire jó a kép? V.

A. Kallenbach-Thieltges et al.: Immunohistochemistry, histopathology and infrared spectral histopathology of colon cancer tissue sections J. Biophotonics 6(1) 88–100 (2013)

41


Képes képtelenségek Szerkezet, összetétel megállapítása roncsolás nélkül.

lószúnyog szárnya: 18,5 mm × 4,5 mm = 132 000 spektrum

Anyagok azonosítása (vegyszer, lőpor) az ujjlenyomaton.

ujjlenyomat: 20 mm × 13,5 mm = 450 000 spektrum Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, 2009. (PKI presentation)

42


A (N)IR képalkotásról összefoglalva

Roncsolásmentes (sok esetben, ha nem…)

Relatív gyors (jelsorozatok ma már órás helyett perces nagyságrendben képezhetők)

Rengeteg rejtett információ megfejthető (adatbányászat, oknyomozások)

Visszacsatolás a technológiába, minőségellenőrzésbe, minőségbiztosításba

Tudásintenzív módszerek

Nem olcsó (de nem az LN2 miatt drága) 43


Köszönöm megtisztelő figyelmüket! Gergely Szilveszter Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

PerkinElmer Szeminárium 2015. október 20.

black box ▼ grey box

(Kép)pontról (kép)pontra: az infravörös képalkotás biomérnöki alkalmazásai

Recommend Documents