BANSAI – Biomedizinische Analyseeinheit mit Laserlicht

Das Ziel des Projektes BANSAI ist es, ein Blutanalysesystem aufzubauen und weiter zu entwickeln. Die Motivation dabei ist ein System zu entwerfen, das bereits vorhandene Tests sensibler und vertrauenswürdiger durchführt, zudem die Entwicklung weiterer Tests ermöglicht und eine Miniaturisierung prinzipiell zulässt. Erreichbar ist dieses Ziel unter anderem durch die Verwendung eines Lasers der, anstelle von Gasentladungslampen mit Quecksilberdampffüllung, als Lichtquelle fungiert.

Im Rahmen des BANSAI Projektes besteht seit Januar 2013 eine intensive Kooperation mit dem Zentralinstitut für Laboratoriumsmedizin, Mikrobiologie und Transfusionsmedizin (ZLMT) des Städtischen Klinikums Karlsruhe.

 

Medizinischer Hintergrund

Viele Stoffe verursachen eine Verfärbung der Flüssigkeit in der sie gelöst sind. Diese Verfärbung ist umso stärker je mehr Stoff gelöst wurde. So ähnlich ist das auch im Blut. Wenn Zellen geschädigt sind, wird ihre Zellmembran porös und somit durchlässig für verschiedene Stoffe, wie zum Beispiel Enzyme. Enzyme sind sogenannte Biokatalysatoren, welche die Reaktion bestimmter Substrate beschleunigen.

Befinden sich also Enzyme im Blut und stellt man ihnen bestimmte Substrate zur Verfügung, ruft man damit eine Reaktion hervor, die in der Regel eine Verfärbung des Blutes hervorruft. Mit einer photometrischen Messung kann diese Verfärbung detektiert werden. Umgekehrt kann es aber auch vorkommen, dass im Blut zu wenige Enzyme sind, auch das lässt sich mit dieser Methode herausfinden. Anhand z.B. der Enzymkonzentration im Blut können Mediziner auf Krankheiten rückschließen.

Photometrie

Grundlage der Blutanalyse ist meistens eine photometrische Messung. Die Photometrie ist das am häufigsten im klinischen Labor eingesetzte Messverfahren. Bei einer photometrischen Messung wird die Lichtabsorption von Molekülen im sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich gemessen.

Die Photometrie beruht auf dem Lambert-Beer-Gesetz, durch welches die Abhängigkeit der Extinktion von der Konzentration einer Lösung beschrieben werden kann. Dazu wird ein Lichtstrahl (I0) durch eine Küvette mit einer zu untersuchenden Probe, z.B. Blut oder Blutplasma, geschickt und die Intensität des durchgelassenen Lichtstrahls (I(d)) gemessen. Abbildung 1 zeigt das Prinzip einer absorptionsphotometrischen Messung.

Das Verhältnis der durchgelassenen Strahlungsintensität (I(d)) zur einfallenden Strahlungsintensität (I0) bezeichnet mal als Transmission T.

T = I(d) /I0

Aus der Transmission wird anschließend die Extinktion E berechnet:

E = -log(T) = log( I0/I(d) )

Das Lambert-Beer-Gesetz sagt aus, dass die Extinktion E(λ) proportional zur molaren Extinktionskoeffizienten ε(λ) (einer charakteristischen Stoffkonstante bei der betreffenden Wellenlänge), der Konzentration c des gelösten Stoffes und der durchstrahlten Schichtdicke d ist.

E(λ) = log( I0/I(d) ) = ε(λ)*c*d
Lambert-Beer-Gesetz

Bei Gültigkeit des Lambert-Beer-Gesetzes kann aus der Extinktion schließlich die Konzentration eines Stoffes im Blut berechnet werden.

Für eine photometrische Analyse ist es unter anderem notwendig, dass die Lichtquelle möglichst schmale und möglichst viele Wellenlängenbereiche bietet.

Der große Nachteil der bisherigen Messanlagen ist, dass mit Gasentladungslampen nur wenige Wellenlängen zur Verfügung stehen, was die Entwicklung weiterer Tests beschränkt. Des Weiteren sind die Anlagen verhältnismäßig groß und sehr teuer, und aussagekräftige Blutuntersuchungen deshalb ausschließlich im Labor durchführbar.

Die Lasertechnik, die nun erstmals zur Blutanalyse eingesetzt werden soll, bietet neues Forschungspotential, sowie die Möglichkeit der Miniaturisierung der Analysegeräte. Große Fortschritte versprechen dabei organische Halbleiterlaser. Die nanostrukturierten Laserchips sind durchstimmbar und versprechen kompakte Systemkonzepte.

BANSAI Aufbau

Als Lichtquelle kommt beim Projekt BANSAI ein innovativer organischer Halbleiterlaser zum Einsatz. Der monochromatische Lichtstrahl passiert den Strahlteiler und wird zu gleichen Teilen auf die Mess- und Referenzküvette geleitet und anschließend von optischen Detektoren (Photodioden) detektiert.

In der Messküvette befindet sich die zu untersuchende Probe, deren Moleküle die einfallenden Lichtstrahlen teilweise absorbieren. Die Referenzküvette ist mit reinem Lösungsmittel gefüllt. Aus den unterschiedlichen Strahlungsintensitäten wird die Extinktion und daraus schließlich die Konzentration des gesuchten Stoffes im Blut berechnet. Der gesamte Messvorgang wird mit einem LabVIEW Programm gesteuert. In Abbildung 2 ist der momentane Messaufbau im IONAS Labor dargestellt.

Oben auf dem Regal im orangen Gehäuse der organische Laser und daneben die Temperaturcontroller für die Küvettenhalter. Unten auf dem Tisch von links nach rechts: integrierende Verstärker, die Küvettenhalter mit direkt montierten Photodioden, der Strahlteiler und ein Computer, auf dem die LabView Software läuft.

Eine langfristige Vision und Teilziel der Entwicklung von BANSAI ist NAUTILOS.