Top

Imaging mit planaren Optoden zur Untersuchung räumlich-zeitlicher Gradienten

Die Natur ist voll von Gradienten und Konzentrationsinhomogenitäten. Bei der Messung eines Analyten wie etwa O2, pH oder CO2 an verschiedenen Positionen in einer Probe werden häufig große Unterschiede festgestellt, unabhängig davon, ob diese natürlichen oder künstlichen Ursprungs sind. In vielen Fällen werden große Anstrengungen unternommen, um die Proben durch Rühren, Schütteln oder andere Mischmethoden zu homogenisieren, um gleichmäßige Reaktionsbedingungen in der gesamten Probe zu schaffen. Wenn wir jedoch daran interessiert sind, unsere Umwelt zu untersuchen, sollten wir die Natur nicht verändern. Viele Proben oder Experimente verfügen über bestimmte Bereiche, sogenannte Hot Spots oder räumlich eingeschränkte Zonen, in denen der Großteil einer Reaktion stattfindet. Dies ist der Fall, wenn Sediment-Wasser-, Wurzel-Boden-, Boden-Luft-, Flüssigkeit-Gas- oder Flüssigkeit-Flüssigkeit-Grenzflächen untersucht werden. Dabei werden Gradienten innerhalb der Probe oder eines Probenbereichs aufgebaut. Es ist wichtig diese meist verbrauchs- oder diffusionsbasierten Gradienten zu untersuchen, zu kontrollieren und / oder zu optimieren.

Methoden zur Kontrolle und Untersuchung von Konzentrationsgradienten oder Inhomogenität sind beispielsweise:

Mehrpunktmessungen erfordern eine manuelle Neupositionierung der Ausleseeinheit, mehrerer Auslesegeräte oder ein Mehrkanalgerät, um eine Vielzahl von Messpunkten im selben Experiment abzudecken und aufzuzeichnen. Für den Benutzer ist dies oft eine Frage der Zeit, des freien Platzes um die Probe und der Komplexität des Auslesesystems. Mikroprofiling wird in einem separaten Abschnitt beschrieben (siehe Mikroprofiling). An dieser Stelle möchten wir auf die Vorteile der 2D-Abbildung mit lumineszierenden, chemisch-optischen Sensoren eingehen.

Beim zweidimensionales Auslesen von optischen Sensoren, oder dem sogenannte Analyt-Mapping oder Imaging, wird ein 2D-Array-Detektor verwendet, um eine Vielzahl von Signalen bzw. Messpunkten gleichzeitig und innerhalb derselben experimentellen Vorgangs aufzuzeichnen (O. S. Wolfbeis, BioEssays 2015, 37, 8). Um die 2D-Signale planarer Optoden auszulesen, werden spezielle Lumineszenz-Kameradetektoren anstelle von Einkanal-Photodetektoren verwendet. Ein solches System für das zweidimensionale Auslesen optischer Sensoren besteht aus drei Hauptteilen:

Eine Kamera-Detektoreinheit wird für zwei Hauptzwecke verwendet, die Erzeugung von Anregungslichtsignalen und das zweidimensionale Sammeln von Lumineszenzemissionssignalen. Der zweite Teil besteht aus mindestens einem Lumineszenzsensorelement, das mit der Probe auf reversible Weise interagiert und bei Anregung analytenabhängige Lumineszenzänderungen erzeugt. Das dritte Element ist eine Software, die die aufgezeichneten Lichtsignal-Rohdaten in ein analytenabhängiges Datenfeld oder Bild transformiert.

Die Bildgebung ermöglicht es, Tausende von Messpunkten gleichzeitig zu erkennen und 2D-Analytkarten über eine Region von Interesse zu erzeugen. Darüber hinaus ermöglichen automatisierte Zeitreihenaufzeichnungen die Analyse von räumlich-zeitlichen Änderungen des jeweiligen Analyten. Die Daten ergeben eine visuelle Darstellung (Bild, Karte oder Video-Dia-Show) der Analytverteilung, mit der räumliche und zeitliche Unterschiede oder Hot Spots der Stoffwechsel- oder Reaktionsaktivität schnell identifiziert werden können. Dies gibt einen schnellen und einfachen Überblick über die Vorgänge in der Probe. Außerdem enthält jedes Messelement (jedes Pixel)  Informationen über den Analyten an dieser spezifischen Position als zweite Informationsebene. Frei ausgewählte Regions of Interest (ROIs) ermöglichen die Analyse und den Vergleich von Bereichen. Innerhalb eines Bildes können auch mehrere Gradienten analysiert oder zu verschiedenen Zeitpunkten verglichen werden.

Neben diesem "bildfüllenden" 2D-Imaging-Ansatz, bei dem das gesamte Sichtfeld Sensorinformationen enthält, bietet die Bildgebung noch weitere Möglichkeiten: Mehrere Sensoren können in einem Sichtfeld kombiniert werden, so dass mehrere Positionen in einem Experiment oder sogar mehrere Proben gleichzeitig aufgenommen werden können. Darüber hinaus können mehrere Sensortypen für verschiedene Messbereiche desselben Analyten in einer Probe kombiniert werden, um einen größeren Messbereich abzudecken. Es können aber auch Sensoren für verschiedene Analyten in einem Sichtfeld kombiniert und im selben Experiment mit demselben Gerät ausgelesen werden. Selbst die gleichzeitige Aufnahme ganzer Sensorarrays ist möglich (Y. Reinders et al. "Imaging of pH and pO2 on Irradiated Fibroblasts").

Fluorescence Ratiometric Imaging (FRIM) ist eine Methode zum Auslesen des Signals eines fluoreszierenden chemisch-optischen Sensors. Die ratiometrische Messung kompensiert die meisten der üblichen Störungen, wie z. B. inhomogene Lichtfelder. Eine optische Sensorfolie enthält einen analytempfindlichen Farbstoff und einen Referenzfarbstoff, die in einer durchlässigen Polymermatrixschicht immobilisiert sind. Der Indikatorfarbstoff emittiert rote oder grüne Fluoreszenz in Abhängigkeit von dem Analyten und dem jeweiligen Sensorfolientyp, die durch den Analyten dynamisch gelöscht wird, während der Referenzfarbstoff ein konstantes grünes bzw. rotes Lichtsignal abgibt. diese Emissionen stimmen genau mit der roten und grünen Kanlaempfindlichkeit eines Farb-RGB-Chips überein.

Das Messprinzip des VisiSens™ Imaging Systems - FRIM

Fluorescent Ratiometric Imaging (FRIM) ist eine Methode für das refernzierte Auslesen des Signals eines fluoreszierenden chemisch-optischen Sensors (Tschiersch et al. "Planar oxygen sensors for non invasive imaging in experimental biology" Microsensors. IntechOpten, 2011). Die ratiometrische Messung kompensiert die meisten üblichen Störungen, wie z. B. inhomogene Lichtfelder oder geometrische Änderungen. Eine optische Sensorfolie enthält einen analytsensitiven Farbstoff und einen Referenzfarbstoff, die in einer analytpermeablen Polymermatrixschicht immobilisiert sind. Der Indikatorfarbstoff emittiert rote Fluoreszenzsignale (oder grün, abhängig vom Analyten und dem jeweiligen Sensorfolientyp), die sich dynamisch mit variierender Analytkonzentration ändern. Der Referenzfarbstoff liefert ein stabiles und konstantes Lichtsignal. Diese Emissionen von Indikator- und Referenzfarbstoff entsprechen genau der Rot- und Grünkanalempfindlichkeit eines Farb-RGB-Chips in einer Digitalkamera. Der RGB-Chip zeichnet diese Signale separat auf und speichert die entsprechenden Informationen in den unabhängigen Farbpixeln, wodurch ein "Farbbild" entsteht. Die aufgezeichneten Informationen des roten und grünen Kanals können ratiometrisch referenziert werden, wodurch man eine referenzierte 2D-Sensorantwort erhält.

[Translate to Deutsch:] Fig. 1: Schematic illustration of sensor foil read out with a VisiSens detector unit (right) and working principle of a fluorescent sensor foil for 2D read-out (left).

Kontaktloses direktes Messen oder Auslesen durch transparente Wände

Die planare Sensorfolie kann direkt auf eine Oberfläche aufgebracht und 2D-Analytbilder aufgenommen werden. Da Lichtsignale auch transparente Gefäßwände passieren können, kann die Sensorfolie an der Innenwand eines transparenten oder sogar leicht trüben Behälters angebracht und Signale nichtinvasiv durch die Gefäßwand ausgelesen werden.

Was Sie für Ihre Anwendung wählen sollten


Eigenschaft
VisiSens A1, A2, A3
VisiSens TD
SichtfeldKlein (bis zu 3 x 2 cm2)x
Mittel (bis zu 8 x 6 cm2)x
Groß (bis zu DIN A4, 21,0 x 29,7 cm2) x mit Big Area Imaging Kit
Mikroskopischxx mit TD MIC Kit




Nur ein Analytxx
O2, pH und CO2 mit einem Systemx
Kombination mehrerer Sensorenx
Modulares System: Fügen Sie neue Analyt-Modalitäten zur Software hinzux

Detektor


Hochwertiger Detektorx
Perfekt aufeinander abgestimmte Komponentenxx
Sofort einsatzbereitxx
Portables Gerätx USB-betrieben

PoE-betrieben


Finden Sie Ihr perfektes Imaging System in mit unserem Product Finder

VisiSens Ax Serie:

VisiSens A1 O2 Imaging

  • VisiSens DU01 + Sensorfolie SF-RPSu4 + VisiSens AnalytiCal 1 Software + Adapter Tubus (optional)

MEHR Info

VisiSens A2 pH Imaging

  • VisiSens DU02 + Sensorfolie SF-HP5R oder SF-LV1R + VisiSens AnalytiCal 2 Software + Adapter Tubus (optional) + CaliPlate (optional)

MEHR Info

VisiSens A3 CO2 Imaging

  • VisiSens DU03 + Sensorfolie SF-CD1R + VisiSens AnalytiCal 3 Software + Adapter Tubus (optional)

MEHR Info

VisiSens TD Serie:

VisiSens TD Basis System

  • VisiSens TD Basis System + Sensorfolie SF-RPSu4 und/oder SF-HP5R und/oder SF-LV1R und/oder SF-CD1R + VisiSens ScientifiCal Software + Imaging Modalitäten für O2, pH und/oder CO2

MEHR Info

VisiSens TD Big Area Imaging

  • VisiSens TD Basis System + Sensorfolie SF-RPSu4 und/oder SF-HP5R und/oder SF-LV1R und/oder SF-CD1R + VisiSens ScientifiCal Software + Imaging Modalitäten für O2, pH und/oder CO2 + Big Area Imaging Kit + Montagerahmen

VisiSens TD Mic Konfiguration

  • VisiSens TD Basis System + Sensorfolie SF-RPSu4 + VisiSens ScientifiCal Software + Imaging Modalität für O2 + VisiSens TD Mic Kit

VisiSens TD Basis System für Imaging Sensor Plates (ISP)

  • VisiSens TD Basis System + Imaging Sensor Plate ISP96-RPSu4-S, ISP24-RPSu4-S für O2 oder ISP96-HP5R-S, ISP24-HP5R-S für pH + VisiSens ScientifiCal Software + Imaging Modalitäten für O2 und/oder pH + Sensor Plate Adapter Tubus

Info Box

Anwendungsbereich wählen

Presens TV

Tutorials, Webinare und informative Videos über unsere optischen Sensorsysteme

Alle Videos