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Wenn Moleküle Fingerabdrücke hinterlassen

24.02.2012
Neues optisches Primärverfahren für die klinische Chemie bei internationaler Vergleichsmessung erfolgreich getestet

Ebenso wie ein Einbrecher anhand seiner Fingerabdrücke gefasst werden kann, lassen sich Moleküle anhand bestimmter Eigenschaften eindeutig identifizieren. Den sichtbaren Hautlinien entsprechen dabei charakteristische Eigenschwingungen der Moleküle, die sich mit der Ramanspektrometrie detektieren lassen.


SERS-Messung an einem Kreatinin-Isotopologengemisch und Teilspektren von natürlichem (blau) und isotopenmarkiertem (rot) Kreatinin. (Abb.: PTB)

Für eine mengenmäßige Bestimmung wurde in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) eine Methode entwickelt, die die Ramanspektrometrie mit der „Isotopenverdünnung“ kombiniert und sich als Primärmessverfahren in der klinischen Chemie eignet. Das hat eine jetzt abgeschlossene internationale Vergleichsstudie gezeigt.

Eine Rückführung chemischer Messergebnisse auf die SI-Einheiten (mol, kg, m) setzt Messverfahren voraus, mit denen ein Analyt eindeutig identifiziert und quantifiziert werden kann. In der PTB wurde in den letzten Jahren ein neues Primärmessverfahren zur Bestimmung von Stoffmengenkonzentrationen entwickelt, das diese Anforderung durch den Einsatz der oberflächenverstärkten Ramanspektrometrie erfüllt.

Durch Kombination mit dem Prinzip der „Isotopenverdünnung“, wird über eine Verhältnismessung eine hochgenaue und metrologisch rückführbare, quantitative Analytik ermöglicht. Damit steht für viele klinisch-chemische Analyte erstmals eine Alternative zur Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie (IDMS) zur Verfügung.

Bei der Ramanspektrometrie geschieht die Identifizierung eines Analyten anhand von Eigenschwingungen, die für jede Substanz charakteristisch sind, ähnlich wie ein menschlicher Fingerabdruck. Um quantitative Bestimmungen höchster Genauigkeit zu erreichen wird der zu untersuchenden Probe, hier Blutserum, eine bekannte Menge eines isotopenmarkierten Standards („Spike“) zugesetzt. Die veränderte molare Masse des Spikes wird im resultierenden Mischungsspektrum durch die Massensensitivität der Molekülschwingungen zur Verhältnisbestimmung von Analyt und Standard ausgenutzt.

Um die geringen Substanzkonzentrationen im Blutserum nachweisen zu können, wurden die Analytmoleküle an Silber-Nanopartikel gebunden und so die Nachweisgrenze der Ramanspektrometrie entscheidend verbessert. Der resultierende Effekt wird als oberflächenverstärkte Ramanstreuung (surface-enhanced Raman scattering, SERS) bezeichnet und bewirkt eine Erhöhung der Raman-Streuintensität um mehrere Größenordnungen.

Die Leistungsfähigkeit dieses als IDSERS (isotope dilution surface-enhanced Raman scattering) bezeichneten Verfahrens wurde nun erstmals in einer internationalen Vergleichsmessung (IFCC-RELA 2010, http://www.dgkl-rfb.de/) getestet. Ziel war die Bestimmung der Stoffmengenkonzentration des klinischen Markers Kreatinin (Anzeiger für Nierenfunktionsstörungen) in zwei unterschiedlichen Serumproben. Zehn der insgesamt zwölf teilnehmenden Laboratorien, darunter vier Metrologieinstitute, waren mit der Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie (IDMS), dem aktuellen Referenzverfahren, vertreten. Ein Vergleich der Messdaten aller Teilnehmer zeigt, dass die in der PTB mit IDSERS ermittelten Serumkonzentrationen des Kreatinins sehr gut mit dem Mittelwert der durch IDMS gemessenen Werte übereinstimmen. Die Eignung und Leistungsfähigkeit der Methode als primäres Verhältnisverfahren für die Metrologie in der Chemie wurde damit erfolgreich nachgewiesen.

es/ptb

Wissenschaftliche Veröffentlichungen
S. Zakel, O. Rienitz, B. Güttler, R. Stosch, Double Isotope Dilution Surface-enhanced Raman Scattering as a Reference Procedure for the Quantification of Biomarkers in Human Serum, Analyst 136 (2011) 3956-3961

R. Stosch, A. Henrion, D. Schiel, B. Güttler: Surface-Enhanced Raman Scattering Based Approach for Quantitative Determination of Creatinine in Human Serum, Analytical Chemistry 77 (2005) 7386-7392.

Ansprechpartner
Dr. Sabine Zakel, PTB-Arbeitsgruppe 3.11 Anorganische Analytik, Tel. (0531) 592-3159, E-Mail: sabine.zakel@ptb.de

Dr. Rainer Stosch, PTB-Arbeitsgruppe 3.11 Anorganische Analytik, Tel. (0531) 592-3122, E-Mail: rainer.stosch@ptb.de

125 Jahre genau

Das Stichwort, das die PTB seit ihrer Gründung im Jahr 1887 (damals als Physikalisch-Technische Reichsanstalt, PTR) begleitet, ist: Genauigkeit. Genauer: Genauigkeit des Messens. Auf die Gründung folgte eine 125-jährige Erfolgsgeschichte. Viele der wissenschaftlichen Entdeckungen und messtechnischen Höchstleistungen wirken bis heute nach: etwa die Messungen am Ende des 19. Jahrhunderts zur Strahlung des Schwarzen Körpers, die als experimenteller Geburtshelfer des Planck’schen Strahlungsgesetzes und somit der Quantenmechanik gelten können. Die heutigen Möglichkeiten der PTB, Quantenspektroskopie zu betreiben, um die beste Atomuhr der Welt zu bauen oder das Geoid der Erde so genau zu vermessen wie nie zuvor, haben ihre Wurzeln in diesen Messungen aus der „Frühzeit“ der PTR. Ähnliche Entwicklungslinien ließen sich für zahlreiche physikalische Themen zeichnen: Etwa für die Phänomene, die sich (Stichwort: Supraleitung) bei tiefen Temperaturen zeigen – auch hier stehen Techniken und Messungen der PTR am Anfang. Oder die Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts durch Klaus von Klitzing, den die PTB heute als ein Kernelement bei der Entwicklung neuer Quantennormale für elektrische Größen einsetzt. Und last but not least die beiden vielleicht bekanntesten PTB-(Erfolgs-)Themen: die Atomuhren, die mit jedem Entwicklungsschritt genauer werden, mit unabsehbarem Genauigkeitsende, sowie die intensive Forschungsarbeit an den übrigen Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems.

In 125 Jahren PTB stecken viele Geschichten – historische und aktuelle. Sollten Sie Interesse haben, das eine oder andere Thema aufzugreifen, helfen wir Ihnen jederzeit gerne weiter. (presse@ptb.de). Weitere Informationen rund um das 125-jährige Jubiläum der PTB finden Sie direkt auf unserer Homepage: www.ptb.de (Dort bitte unten auf das 125-Logo klicken.)

Aus dem Veranstaltungskalender zum Jubiläum:

27. März 2012 „Metrology, the Universe and Everything“.
Helmholtz Symposium on the occasion of the completion of PTB’s first 3  42 – 1 years.

(Stadthalle Braunschweig / öffentliche Veranstaltung)

28. März 2012 Festveranstaltung zum 125-jährigen Jubiläum
Offizieller Empfang mit Ehrengästen
(Stadthalle Braunschweig / Teilnahme nur auf Einladung)
14. Juli 2012 125 Jahre genau - Tag der offenen Tür
(PTB, Braunschweig, Bundesallee 100 / öffentliche Veranstaltung)
17. Oktober 2012 Öffentliche Vorträge zur modernen Metrologie im Audimax der TU Berlin und anschließend Einweihung des renovierten Observatoriums, des ältesten Gebäudes der PTB.

Erika Schow | PTB
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de

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