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

Átírás

1 (Kép)pontról (kép)pontra: az infravörös képalkotás biomérnöki alkalmazásai black box grey box Gergely Szilveszter Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék PerkinElmer Szeminárium október 20.

2 Spektrális hiperkocka vs. tudomány Spektrális hiperkocka near-infrared AND imaging AND pharma kulcsszóra történő keresés Web of Science ScienceDirect Progresszív fejlődés közlemény (db) De mi volt 1994 előtt? Gyilok Web of Science ScienceDirect év Lewis E.N., Carroll J.E., Clarke F.: A near infrared view of pharmaceutical formulation analysis. NIR news 12(3), (2001) 2

3 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), (2005) 3

4 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), (2005) 4

5 Selyemhernyó szexálása az elv,... Tenyésztés szempontjából fontos, hogy mi van a bábban. Bábot megbontani nem lehet, mert akkor elpusztul Nézzünk bele a NIR segítségével a selyemhernyó bábjába! Sumriddetchkajorn S., Chakkrit Kamtongdee C.: Optical penetration-based silkworm pupa gender sensor structure. Appl. Optics 51(4), (2012) 5

6 Selyemhernyó szexálás... a vas... Dedikált LED, lézer, de előtte ki kell választani: mobil lehet. Sumriddetchkajorn S., Chakkrit Kamtongdee C.: Optical penetration-based silkworm pupa gender sensor structure. Appl. Optics 51(4), (2012) 6

7 Selyemhernyó szexálás... és a kimenet Lányoknál semmi extra de a fiúknak világít a farkuk. Sumriddetchkajorn S., Chakkrit Kamtongdee C.: Optical penetration-based silkworm pupa gender sensor structure. Appl. Optics 51(4), (2012) 7

8 Vénaszkenner NIR 2007 Umeå (S): papírra H 2 O Mozizzunk? 8

9 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, (PKI presentation) 9

10 Mikro/makroszkópos képalkotás sok pont = vonal (1D), térkép (2D) line scan mapping PKI: Spectrum Spotlight FT-IR Imaging System Tutorials. (SpectrumIMAGE software) 10

11 Mikro/makroszkópos képalkotás FPA FPA (Focal Plane Array) videotelefon fejlesztése (AT&T): 1969! Kepler űrtávcső: 95 megapixel

12 Mikro/makroszkópos képalkotás T T (transzmisszió) Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, (PKI presentation) 12

13 Mikro/makroszkópos képalkotás R-ek E spekuláris reflexió R E diffúz reflexió gyengített teljes reflexió (ATR) R (reflexió) R mintafelszín mintafelszín mintafelszín 13 Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, (PKI presentation)

14 Mikro/makroszkópos képalkotás Ge 14 Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, (PKI presentation)

15 Eredetiségvizsgálat vs. imaging: makro (VIS) Edzőteremben izomnövelő helyett barkács cucc. Eredeti Hamis 15 Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Horgos József (SE EGYSZSZI)

16 Eredetiségvizsgálat vs. imaging: makro (NIR) mátrixhatás Eredeti Hamis Abs. PCA 16 Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Horgos József (SE EGYSZSZI)

17 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 μm méretű mérési tartomány, 6,25 6,25 μm méretű képpontokkal pont, azaz összesen 4096 pont, pontonként 128 spektrum átlagolásával Átlagos abszorbancia értékek alapján színezett ábrák 17 Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)

18 Technológiai probléma vs. imaging I.: korrelációs térképek (2D és 3D) Hatóanyag R 2 =0,88-0,96 Filmbevonat (Opadry ) R 2 =0,41-0,54 18 Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)

19 Technológiai probléma vs. imaging II. transzmissziós kép (a) a transzmissziós, ill. reflexiós kép (b) a mikro ATR felvétel előtt (a) (b) 495 μm 385 μm 495 μm 385 μm Göb a fóliában mi okozhatja? (Katalizátor vs. mátrix...) Gergely Szilveszter (BME ABÉT) 19

20 Technológiai probléma vs. imaging II.: korrelációs térkép: min. vs. max. R 2 R 2 (min.) = 0,000 : képen 2 (-30;4) spektrum 2 R 2 (max.). = 0,447 : képen 1 (48;-59) spektrum 1 Gyenge R 2, mert gél bevonva mátrix anyagával. 20 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)

21 Technológiai probléma vs. imaging II.: Makro ATR (UATR) vs. mikro ATR (im.) Ellenőrizve a tiszta anyagok spektrumával. 21 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)

22 Technológiai probléma vs. imaging II.: változékony tartomány kiválasztása Gergely Szilveszter (BME) R 2 max. 0,461 R 2 max. 0,777 R 2 max. 0, cm cm cm -1 22

23 Technológiai probléma vs. imaging II.: megjelenítési lehetőségek (a) (b) (c) Gergely Szilveszter (BME) (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

24 Technológiai probléma vs. imaging II.: előnyök és hátrányok Makro ATR (UATR) Mikro ATR (imaging) gyors mérés (~percek) lassabb mérés (~óra) csak kvázi átlag sp. (~mm 2 ) képpontonkénti sp.-ok (~μm 2 ) kis katalizátor jel nagy katalizátor jel 24 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)

25 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)

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

27 Csomagolóanyag IR mikroszkóp 27 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)

28 Csomagolóanyag előkezelések CO 2 és vízgőz zaj 28 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)

29 Csomagolóanyag azonosítás I. PET 29 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)

30 Csomagolóanyag azonosítás II. PA 30 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)

31 Csomagolóanyag azonosítás III. PE 31 Gergely Szilveszter (BME ABÉT)

32 Csomagolóanyag SEM Mit keres a mintában a Cl és Ti? Nyomdafesték, ragasztó 32 Gordon Péter (BME EFI-labs)

33 Altesti dolgaink kő kövön Kövek (epe-, vese-, húgykő) 33 Bende Balázs (BUC)

34 Altesti dolgaink spektrumok és PCA standardok minták ammónium-hidrogén-urát (au), húgysav (hs), 2837, 2838, 2839, nátrium-hidrogén-urát (nu), xantin (x) 2893, 2905, T (%) T (%) A kőalkotók spektrumai, eloszlása hullámszám (1/cm) Projection of the variables on the factor-plane ( 3 x 2) , hullámszám (1/cm) Projection of the variables on the factor-plane ( 3 x 2) A minták spektrumai, eloszlása. 4 hs_b hs_c hs_a nu_b nu_a nu_c 1,2 1,0 2838_A 2838_B 2838_C 2 0,8 0,6 2893_A 2893_B 2893_C Factor 2 : 6,49% 0-2 au_c au_a au_b Factor 2 :,43% 0,4 0,2 0,0 2940_A -4-6 x_a x_c x_b -0,2-0,4-0,6-0,8 2837_B 2837_A 2837_C 2839_B 2839_A 2905_A 2839_C 2905_C 2940_B 2940_C 2905_B Factor 3 : 5,18% Active -1,0-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Factor 3 :,15% Active 34 Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Bende Balázs (BUC)

35 Altesti dolgaink keresés könyvtárral Keresés spektrumazonosság alapján. 35 Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Bende Balázs (BUC)

36 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) (2007) 36

37 Altesti dolgaink mire jó a kép? + Humán húgykő elektromos kábellel. 37 Gordon Péter (BME EFI-labs)

38 Altesti dolgaink mire jó a kép? II. Epekő: koleszterin. Jó-jó, de kidobják Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)

39 Altesti dolgaink mire jó a kép? III. Mi jó, ha kidobják? A daganat. 39 Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)

40 Altesti dolgaink mire jó a kép? IV. 40 Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)

41 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) (2013) 41

42 Képes képtelenségek Szerkezet, összetétel megállapítása roncsolás nélkül. lószúnyog szárnya: 18,5 mm 4,5 mm = spektrum Anyagok azonosítása (vegyszer, lőpor) az ujjlenyomaton. ujjlenyomat: 20 mm 13,5 mm = spektrum 42 Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, (PKI presentation)

43 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

44 Köszönöm megtisztelő figyelmüket! black box grey box Gergely Szilveszter Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék PerkinElmer Szeminárium október 20.