Post on 06-Aug-2020
(Kép)pontról (kép)pontra:
az infravörös képalkotás
biomérnöki alkalmazásai
Gergely Szilveszter
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
PerkinElmer Szeminárium
2015. október 20.
black box▼
grey box
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
13
74
6 75
1114
18
31 30
49
58 57 58
4852
1 2 2 14
64
10 95
16 1715
13
22
0
10
20
30
40
50
60
70
19
94
19
96
19
97
19
98
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
20
13
20
14
20
15
kö
zle
mé
ny (
db
)
év
Web of Science
ScienceDirect
2
� „near-infrared AND imagingAND pharma” kulcsszóra történő keresés� Web of Science� ScienceDirect
� Progresszív fejlődés
� Spektrális hiperkocka
Spektrális hiperkocka vs. tudomány
De mi volt 1994 előtt?
Gyilok.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Lewis E.N., Carroll J.E., Clarke F.:A near infrared view of pharmaceutical formulation analysis.
NIR news 12(3), 16–18 (2001)
3
Egér a Marsról – az elv...
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), 552–554 (2005)
Sokszor csak a bonc-
asztalon látjuk az Alzheimer-kór állapotát.
Korai észlelés és terápia:
jobb esélyek.NIR kamera
segít.
Itt már aktív: IR besu-
gárzás, DEroncsolás-
mentes
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
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), 577–583 (2005)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
5
Selyemhernyó szexálása – az elv, ...
Sumriddetchkajorn S., Chakkrit Kamtongdee C.:Optical penetration-based silkworm pupa gender sensor structure.
Appl. Optics 51(4), 408–412 (2012)
Tenyésztés szempontjából fontos, hogy
mi van a bábban.
Bábot megbontani nem lehet, mert akkor elpusztul…
Nézzünk bele a NIR
segítségével a selyemhernyó
bábjába!
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
6
Selyemhernyó szexálás – ... a „vas” ...
Sumriddetchkajorn S., Chakkrit Kamtongdee C.:Optical penetration-based silkworm pupa gender sensor structure.
Appl. Optics 51(4), 408–412 (2012)
DedikáltLED, lézer,
de előtte ki kell választani: mobil lehet.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
7
Selyemhernyó szexálás –
... és a kimenet
Sumriddetchkajorn S., Chakkrit Kamtongdee C.:Optical penetration-based silkworm pupa gender sensor structure.
Appl. Optics 51(4), 408–412 (2012)
Lányoknál semmiextra …
… de a fiúknak világít
a „farkuk”.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
8
Vénaszkenner
http://www.newsweek.com/2015/01/16/making-blood-draws-easier-friendlier-needle-296317.html
Mozizzunk?
NIR 2007 Umeå (S):
papírra„H
2O”
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
9
� 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
Mikro/makroszkópos képalkotás –
fő pontokban
egy pont több pont terület
Meddig tart?Más megoldás
lehet jó… (bemozdult fénykép)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Stefano Pera: Selection of the proper accessory for MID-IR & NIR, 2009. (PKI presentation)
10
Mikro/makroszkópos képalkotás –
sok pont = vonal (1D), térkép (2D)
line scan
mapping
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
PKI: Spectrum Spotlight FT-IR Imaging System Tutorials. (SpectrumIMAGE software)
11
� FPA (Focal Plane Array)
Mikro/makroszkópos képalkotás – FPA
videotelefon fejlesztése
(AT&T): 1969!
https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device
http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/multimedia/images/kepler-focal-plane-assembly.html
Kepler űrtávcső:
95megapixel
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Mikro/makroszkópos képalkotás – T
12
T(transz-misszió)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, 2009. (PKI presentation)
13
Mikro/makroszkópos képalkotás – R-ek
E
R
mintafelszín
E R
spekuláris
reflexió
diffúz
reflexió
gyengített
teljes reflexió
(ATR)
R(reflexió)
mintafelszín mintafelszín
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, 2009. (PKI presentation)
Mikro/makroszkópos képalkotás – Ge
14
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, 2009. (PKI presentation)
15
� Eredeti � Hamis
Eredetiségvizsgálat vs. imaging:
makro (VIS)
Edzőteremben izomnövelő
helyett „barkács
cucc”.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Horgos József (SE EGYSZSZI)
16
� Eredeti � Hamis
Eredetiségvizsgálat vs. imaging:
makro (NIR)
PCA
Abs.
mátrixhatás
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Horgos József (SE EGYSZSZI)
17
• Képalkotás NIR tartományban:nincs roncsolás
• 400 × 400 μm méretű mérési tartomány,6,25 × 6,25 μm méretű képpontokkal
• 64 × 64 pont, azaz összesen 4096 pont,pontonként 128 spektrum átlagolásával
• Átlagos abszorbancia értékek alapjánszínezett ábrák
Technológiai probléma vs. imaging I.
Probléma a tabletta
felületén:mi az oka?
(Kosz, polim.)
Spórolás miatt más
alapanyag, bevonathiányt
okozott.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)
18
Hatóanyag
R2=0,88-0,96
Filmbevonat
(Opadry®)
R2=0,41-0,54
Technológiai probléma vs. imaging I.:
korrelációs térképek (2D és 3D)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)
19
Technológiai probléma vs. imaging II.
(a) (b)
495 μm × 385 μm495 μm × 385 μm
� transzmissziós kép (a) a transzmissziós, ill.reflexiós kép (b) a mikro ATR felvétel előtt
Göb a fóliában – mi okozhatja? (Katalizátor vs. mátrix...)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
20
Technológiai probléma vs. imaging II.:
korrelációs térkép: min. vs. max. R2
� R2 (min.) = 0,000 : képen 2 (-30;4) ► spektrum 2 —R2 (max.)
.= 0,447 : képen 1 (48;-59) ► spektrum 1 —
Gyenge R2, mert gél bevonva mátrix
anyagával.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
21
Technológiai probléma vs. imaging II.:
Makro ATR (UATR) vs. mikro ATR (im.)
▼Ellenőrizve
a tiszta anyagok
spektrumá-val.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
22
Technológiai probléma vs. imaging II.:
változékony tartomány kiválasztása
4000-750 cm-1 1600-750 cm-1 1300-750 cm-1
R2max.
0,461
R2max.
0,777
R2max.
0,949
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gerg
ely
Szilv
eszte
r (B
ME
)
23
Technológiai probléma vs. imaging II.:
megjelenítési lehetőségek
(a) False Color Image, (b) False Color Image with Contours, (c) Contour Map,
(d) Overlay Image, (e) Wire Surface Projection, (f) 3D Surface Projection
(a) (b)
(d) (e) (f)
(c)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gerg
ely
Szilv
eszte
r (B
ME
)
24
� Mikro ATR
(imaging)
� lassabb mérés (~óra)
� képpontonkénti sp.-ok (~μm2)
� nagy katalizátor jel
Technológiai probléma vs. imaging II.:
előnyök és hátrányok
� Makro ATR
(UATR)
� gyors mérés (~percek)
� csak kvázi átlag sp. (~mm2)
� kis katalizátor jel
▼
▼
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
Csomagolóanyag – „as is”
Kérdés: hány és milyen
réteg – mert érintkezés az
élelmiszerrel...
3 minta polimer
gyantába öntve: külső-belső oldal!
Lehetne biológiailag
lebomló csomagoló
anyag is, de...
25
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gordon Péter (BME EFI-labs)
Csomagolóanyag – fénymikroszkóp
Fém réteg (pl. aroma zárás,
oxigén kizárása):
csillog-villog.
26
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gordon Péter (BME EFI-labs)
27
Csomagolóanyag – IR mikroszkóp
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
28
Csomagolóanyag – előkezelések
◄ CO2
és vízgőz
◄ zaj
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
29
Csomagolóanyag – azonosítás I.
PET
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
30
Csomagolóanyag – azonosítás II.
PA
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
31
Csomagolóanyag – azonosítás III.
PE
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT)
32
Csomagolóanyag – SEM
Mit keres a mintában aCl és Ti?
Nyomdafes-ték, ragasztó
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gordon Péter (BME EFI-labs)
Altesti dolgaink – kő kövön
Kövek(epe-, vese-,
húgykő)
Bende Balázs (BUC)
33
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
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, 2940
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
5001000150020002500300035004000
hullámszám (1/cm)
T (
%)
50
60
70
80
90
100
5001000150020002500300035004000
hullámszám (1/cm)
T (
%)
Projection of the variables on the factor-plane ( 3 x 2)
Active
au_Aau_Bau_C
hs_A
hs_Bhs_C nu_Anu_Bnu_C
x_A
x_Bx_C
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
Factor 3 : 5,18%
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Fa
cto
r 2
:
6,4
9%
au_Aau_Bau_C
hs_A
hs_Bhs_C nu_Anu_Bnu_C
x_A
x_Bx_C
Projection of the variables on the factor-plane ( 3 x 2)
Active
2837_A
2837_B
2837_C
2838_A
2838_B2838_C
2839_A
2839_B
2839_C
2893_A2893_B
2893_C
2905_A
2905_B2905_C
2940_A
2940_B
2940_C
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
Factor 3 : ,15%
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Fa
cto
r 2
:
,4
3%
2837_A
2837_B
2837_C
2838_A
2838_B2838_C
2839_A
2839_B
2839_C
2893_A2893_B
2893_C
2905_A
2905_B2905_C
2940_A
2940_B
2940_C
A kőalkotók spektrumai, eloszlása.
A minták spektrumai, eloszlása.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Bende Balázs (BUC)
35
Altesti dolgaink – keresés könyvtárralKeresés
spektrum-azonosság
alapján.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Bende Balázs (BUC)
36
Altesti dolgaink – mire jó a kép? I.
Anderson J.C. et al.:Analysis of urinary calculi using an infrared microspectroscopic surface reflectance imaging technique.
Urol. Res. (2007) 35(1) 41–48 (2007)
A kő szerkeze-tére, rétegeire is kaphatunk
infót:IR képalkotás.
Támogatás: pár száz forint...
(vs. pár 10 MFt)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Altesti dolgaink – mire jó a kép? +
Gordon Péter (BME EFI-labs)
37
Humán húgykő
elektromos kábellel.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Altesti dolgaink – mire jó a kép? II.
Epekő: koleszterin.
Jó-jó, de kidobják...
38
Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Altesti dolgaink – mire jó a kép? III.
Mi jó, ha kidobják?
A daganat.
39
Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Altesti dolgaink – mire jó a kép? IV.
40
Gergely Szilveszter és Kontsek Endre (BME ABÉT)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
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) 88–100 (2013)
41
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
42
lószúnyog szárnya: 18,5 mm × 4,5 mm = 132 000 spektrum
Képes képtelenségek
ujjlenyomat: 20 mm × 13,5 mm = 450 000 spektrum
Anyagok azonosítása (vegyszer, lőpor) az
ujjlenyomaton.
Szerkezet, összetétel
megállapítása roncsolás
nélkül.
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015
Axel Rau: Chemical Imaging in characterization and troubleshooting of pharmaceutical materials, 2009. (PKI presentation)
43
A (N)IR képalkotásról összefoglalva
� Roncsolásmentes (sok esetben, ha nem…)
� Relatív gyors (jelsorozatok ma már órás helyett perces nagyság-
rendben képezhetők)
� Rengeteg rejtett információ megfejthető (adatbányászat, oknyo-
mozások)
� Visszacsatolás a technológiába, minőségellenőrzésbe, minőség-
biztosításba
� Tudásintenzív módszerek
� Nem olcsó (de nem az LN2 miatt drága)
© Gergely Szilveszter, BME ABÉT, 2015