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Imaging mit planaren Optoden zur Untersuchung r?umlich-zeitlicher Gradienten
Die Natur ist voll von Gradienten und Konzentrationsinhomogenit?ten. Bei der Messung eines Analyten wie etwa O2, pH oder CO2 an verschiedenen Positionen in einer Probe werden h?ufig gro?e Unterschiede festgestellt, unabh?ngig davon, ob diese natürlichen oder künstlichen Ursprungs sind. In vielen F?llen werden gro?e Anstrengungen unternommen, um die Proben durch Rühren, Schütteln oder andere Mischmethoden zu homogenisieren, um gleichm??ige Reaktionsbedingungen in der gesamten Probe zu schaffen. Wenn wir jedoch daran interessiert sind, unsere Umwelt zu untersuchen, sollten wir die Natur nicht ver?ndern. Viele Proben oder Experimente verfügen über bestimmte Bereiche, sogenannte Hot Spots oder r?umlich eingeschr?nkte Zonen, in denen der Gro?teil einer Reaktion stattfindet. Dies ist der Fall, wenn Sediment-Wasser-, Wurzel-Boden-, Boden-Luft-, Flüssigkeit-Gas- oder Flüssigkeit-Flüssigkeit-Grenzfl?chen 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 Inhomogenit?t sind beispielsweise:
- gleichzeitige Messungen an mehreren Messpositionen (A. Flohr et al. "Assessing the Impact of pH Fluxes", M. K?ster "Monitoring Oxygen Dynamics at the Sediment-Water Interface")
- Analytprofiling durch Verschieben eines Sensors in unterschiedliche Positionen (K. Koop-Jakobsen und M. Gutbrod "O2, pH and CO2 Dynamics in Salt Marsh Tidal Ponds")
- oder die Verwendung von 2D-Auslesetechniken (K. Vopel et al. "Benthic Disturbance Recovery")
Mehrpunktmessungen erfordern eine manuelle Neupositionierung der Ausleseeinheit, mehrerer Ausleseger?te oder ein Mehrkanalger?t, 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 Komplexit?t des Auslesesystems. Mikroprofiling wird in einem separaten Abschnitt beschrieben (siehe Mikroprofiling). An dieser Stelle m?chten 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 analytenabh?ngige Lumineszenz?nderungen erzeugt. Das dritte Element ist eine Software, die die aufgezeichneten Lichtsignal-Rohdaten in ein analytenabh?ngiges Datenfeld oder Bild transformiert.
Die Bildgebung erm?glicht es, Tausende von Messpunkten gleichzeitig zu erkennen und 2D-Analytkarten über eine Region von Interesse zu erzeugen. Darüber hinaus erm?glichen automatisierte Zeitreihenaufzeichnungen die Analyse von r?umlich-zeitlichen ?nderungen des jeweiligen Analyten. Die Daten ergeben eine visuelle Darstellung (Bild, Karte oder Video-Dia-Show) der Analytverteilung, mit der r?umliche und zeitliche Unterschiede oder Hot Spots der Stoffwechsel- oder Reaktionsaktivit?t schnell identifiziert werden k?nnen. Dies gibt einen schnellen und einfachen ?berblick über die Vorg?nge in der Probe. Au?erdem enth?lt jedes Messelement (jedes Pixel) Informationen über den Analyten an dieser spezifischen Position als zweite Informationsebene. Frei ausgew?hlte Regions of Interest (ROIs) erm?glichen die Analyse und den Vergleich von Bereichen. Innerhalb eines Bildes k?nnen auch mehrere Gradienten analysiert oder zu verschiedenen Zeitpunkten verglichen werden.
Neben diesem "bildfüllenden" 2D-Imaging-Ansatz, bei dem das gesamte Sichtfeld Sensorinformationen enth?lt, bietet die Bildgebung noch weitere M?glichkeiten: Mehrere Sensoren k?nnen in einem Sichtfeld kombiniert werden, so dass mehrere Positionen in einem Experiment oder sogar mehrere Proben gleichzeitig aufgenommen werden k?nnen. Darüber hinaus k?nnen mehrere Sensortypen für verschiedene Messbereiche desselben Analyten in einer Probe kombiniert werden, um einen gr??eren Messbereich abzudecken. Es k?nnen aber auch Sensoren für verschiedene Analyten in einem Sichtfeld kombiniert und im selben Experiment mit demselben Ger?t ausgelesen werden. Selbst die gleichzeitige Aufnahme ganzer Sensorarrays ist m?glich (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 St?rungen, wie z. B. inhomogene Lichtfelder. Eine optische Sensorfolie enth?lt einen analytempfindlichen Farbstoff und einen Referenzfarbstoff, die in einer durchl?ssigen Polymermatrixschicht immobilisiert sind. Der Indikatorfarbstoff emittiert rote oder grüne Fluoreszenz in Abh?ngigkeit von dem Analyten und dem jeweiligen Sensorfolientyp, die durch den Analyten dynamisch gel?scht wird, w?hrend 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 St?rungen, wie z. B. inhomogene Lichtfelder oder geometrische ?nderungen. Eine optische Sensorfolie enth?lt einen analytsensitiven Farbstoff und einen Referenzfarbstoff, die in einer analytpermeablen Polymermatrixschicht immobilisiert sind. Der Indikatorfarbstoff emittiert rote Fluoreszenzsignale (oder grün, abh?ngig vom Analyten und dem jeweiligen Sensorfolientyp), die sich dynamisch mit variierender Analytkonzentration ?ndern. 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 unabh?ngigen Farbpixeln, wodurch ein "Farbbild" entsteht. Die aufgezeichneten Informationen des roten und grünen Kanals k?nnen ratiometrisch referenziert werden, wodurch man eine referenzierte 2D-Sensorantwort erh?lt.
Kontaktloses direktes Messen oder Auslesen durch transparente W?nde
Die planare Sensorfolie kann direkt auf eine Oberfl?che aufgebracht und 2D-Analytbilder aufgenommen werden. Da Lichtsignale auch transparente Gef??w?nde passieren k?nnen, kann die Sensorfolie an der Innenwand eines transparenten oder sogar leicht trüben Beh?lters angebracht und Signale nichtinvasiv durch die Gef??wand ausgelesen werden.
Was Sie für Ihre Anwendung w?hlen sollten
| Eigenschaft | VisiSens A1, A2, A3 | VisiSens TD | |
|---|---|---|---|
| Sichtfeld | Klein (bis zu 3 x 2 cm2) | x | |
| Mittel (bis zu 8 x 6 cm2) | x | ||
| Gro? (bis zu DIN A4, 21,0 x 29,7 cm2) | x mit Big Area Imaging Kit | ||
| Mikroskopisch | x | x mit TD MIC Kit | |
| Nur ein Analyt | x | x | |
| O2, pH und CO2 mit einem System | x | ||
| Kombination mehrerer Sensoren | x | ||
| Modulares System: Fügen Sie neue Analyt-Modalit?ten zur Software hinzu | x | ||
Detektor | Hochwertiger Detektor | x | |
| Perfekt aufeinander abgestimmte Komponenten | x | x | |
| Sofort einsatzbereit | x | x | |
| Portables Ger?t | x USB-betrieben | PoE-betrieben |
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VisiSens Ax Serie:
VisiSens A1 O2 Imaging
- VisiSens DU01 + Sensorfolie SF-RPSu4 + VisiSens AnalytiCal 1 Software + Adapter Tubus (optional)
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 Modalit?ten für O2, pH und/oder CO2
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 Modalit?ten 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 Modalit?t 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 Modalit?ten für O2 und/oder pH + Sensor Plate Adapter Tubus