Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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In this paper, we describe the labelling of antibodies by gold nanoparticles (AuNPs) with diameters of 10 and 60 nm with detection by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). Additionally, the AuNPs labelling strategy is compared with commercially available labelling reagents based on MeCAT (metal coded affinity tagging). Proof of principle experiments based on dot blot experiments were performed. The two labelling methods investigated were compared by sensitivity and limit of detection (LOD). The absolute LODs achieved were in the range of tens of picograms for AuNP labelling compared to a few hundred picograms by the MeCAT labelling.
Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is gaining importance for bioimaging cytometry to answer analytical, biological and biomedical questions. High sensitivity and spatial resolution make it an excellent tool for imaging of metal and heteroelement distribution in single cells. Comparable to CyTOF imaging mass cytometry, metal coded antibodies can be used for multiparametric analysis as well as quantification.
In this project, nanocrystals are investigated as new highly sensitive metal tags for identification and quantification of biomarkers, like Alzheimer’s or breast cancer, in clinical cell assays and tissue samples. Of high significance is the simultaneous analysis of several biomarkers at once, which is possible by special coding of lanthanide tags on the biomarker associated antibody. Nanocrystals show potential for sensitive measurement in MS due to high stability and signal amplification compared to tags with fewer metal atoms. For proof of principle, synthesis and characterization of lanthanide doped nanocrystals was performed by a nanoPET pharma GmbH with great reproducibility and homogenous size. In A549 cell cultures, the uptake and distribution of these nanocrystals within the monolayered cells was investigated by LA-ICP-MS measurements using subcellular resolution. The nanocrystals showed high sensitivity and the possibility of multiparametric analysis by doting different lanthanides. Additionally, stability of the bioconjugation of the nanocrystals and target antibodies was investigated using Dot Blot experiments and LA-ICP-MS.
Multiple sclerosis (MS) is the most common acquired neurological disease affecting Young adults. It leads to myelin destruction and formation of lesions in the brain and permeabilization of the blood-brain barrier (BBB).
Gadolinium based contrast agents (GBCA), used for diagnosis and monitoring by MRI, might accumulate in tissue, including brain. Using an animal model, application of linear and macrocyclic GBCA was investigated. Analysis was performed by laser ablation inductively coupled plasma (LA-ICP) MS. This method works as a bioimaging tool for sample thin sections and allows to identify regions of accumulated Gd in the samples.
In healthy and diseased mice, inflammationmediated changes in the brain were investigated by application of GBCA. The mean objective is to understand the changes in inflamed tissue and correlate alterations of the BBB by LA-ICP-MS (Imaging Mass Cytometry).
In der klinischen Diagnostik werden für zytometrische Messverfahren bereits eine Reihe von Reagenzien eingesetzt zur Markierung von Antikörper eingesetzt, um die Detektion von Biomarkern mittels Fluoreszenz- oder Flugzeitmassenspektrometrie zu ermöglichen.
Seit kurzem ist auch eine Imaging Mass Cytometry Kombination direkt erhältlich, wodurch der Nachweis von Biomarkern in Gewebeschnitten erreicht werden kann. Dazu wird eine Kopplung von Laser Ablation und induktiv gekoppeltem Plasma Massenspektrometrie eingesetzt, wobei ähnlich der Massenzytometrie, zuvor Antikörper mit Metallen markiert, und im Anschluss mit dem Gewebeschnitt inkubiert werden. Durch die hohe Ortsauflösung können die Biomarker lokalisiert, und zukünftig vielleicht auch quantifiziert werden.
Insbesondere Lanthanide eignen sich als Markierungsmetalle, da sie einen niedrigen Untergrund und chemisch ähnliches Verhalten zueinander aufweisen. Allein durch diese Elemente können bereits etwa 15 Parameter unterschieden werden, was durch isotopenreine Standards weiter gesteigert werden kann.
Vom Markierungsgrad abhängig werden unterschiedlich viele Metalle am Antikörper gebunden, und beeinflussen so die Sichtbarkeit im ICP-MS. Nanopartikel könnten daher eine deutliche Steigerung der Sensitivität bewirken. GdVO4 Nanokristalle scheinen bisher sehr vielversprechend und bieten neben multiparametrischen Anwendungen auch Multimodalität.
Die Synthese der Nanokristalle zeigte hohe Homogenität und Reproduzierbarkeit in Partikelgröße in der Zusammensetzung. Ein erstes Experiment mit einer Zellkultur konnte bereits die effiziente Markierung der Zellen unter Beweis stellen, wobei durch hohe Signalstärke auch subzelluläre Auflösung in der LA-ICP-MS erreicht werden konnte.
Imaging of elemental distributions in single cell assays as well as tissue sections can be performed by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). This powerful technique offers precise spatially resolved measurements at trace and ultratrace levels and has been established as an excellent tool to answer analytical, biological and biomedical questions. To date, mass cytometry is already able to simultaneously detect up to 40 cellular targets due to conjugation of isotopically pure lanthanides to affinity binders, e.g. antibodies.
To further enhance the ability of multiparametric analysis to more than 100 analytes at once, we investigated lanthanide nanocrystals as new, highly sensitive metal tags for identification of targets in clinical cell assays and tissue samples. Multiparametric analysis will be possible by encoding the lanthanide composition of nanocrystals associated to the affinity binders. Nanocrystals showed remarkable potential for sensitive detection in MS due to high stability and signal amplification compared to e.g. polymer tags, carrying fewer metal atoms. Furthermore, the nanocrystals allow multimodal imaging due fluorescence of Eu3+ as well as contrast enhancing properties of Gd3+ in magnetic resonance imaging.
Synthesis of functionalized lanthanide nanocrystals for further bioconjugation was performed with high reproducibility and monodisperse size distribution. For proof of principle, the uptake and distribution of these nanocrystals within the monolayered cell line A549 were investigated by mapping the intensities at subcellular resolution using LA-ICP-MS. It could be shown, that the cells were efficiently labeled with the nanocrystals. Additionally, the bioconjugation of the nanocrystals to antibodies and particularly the preservation of the antibody specificity was investigated using Dot Blot experiments. All in all, the results imply high sensitivity and the possibility of multiparametric analysis by doting various lanthanides into the nanocrystals.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe (polybromierte Flammschutzmittel) in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
In addition to previously reported results on the accelerated weathering of polystyrene samples (PS) containing 1 wt.% hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene samples (PP) containing 0.1 wt.% BDE-209. All studied polymer samples were exposed to a defined weathering schedule in a climate chamber in accordance to regulation EN ISO 4892-3:2006. For the determination of BDE-209 in the collected raining water the samples were prepared in accordance to a validated protocol. Before the analyses each sample was spiked with isotopically labeled BDE-209. Subsequently the samples were extracted with isooctane. The obtained extracts were concentrated, and the resulting solutions were analyzed by GC/MS. Additionally, the total bromine content was monitored for the weathered and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and X-ray fluorescence analysis (XRF) as a non-destructive and rapid method. In general, the resulting data from the accelerated weathering will be compared to those from the natural weathering experiments. Here, the surfaces of the test pieces were analyzed by LA-ICP-MS and XRF as well. Moreover, soil bed tests were conducted in a well characterized model soil. This soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining basin inside of an air-conditioned cellar. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To induce a leaching process from the samples by the raining water, the target water content is calculated to 8%. The actual humidity is measured by a tensiometer, assuring the duration of the raining period. A defined humidity is a fundamental parameter for a biological activity in the soil. The test polymers were placed up to the half in the soil. Microbial activity of the soil is monitored by a reference polymer (polyurethane) and should induce the release of HBCD and BDE-209 out of the test materials. These released analytes will be captured by passive samplers (silicone tubes) placed in a distinct distance to the polymer samples in the soil. The soil bed experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil.
In addition to previously reported results on the accelerated weathering of polystyrene samples (PS) containing 1 wt.% hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene samples (PP) containing 0.1 wt.% BDE-209. All studied polymer samples were exposed to a defined weathering schedule in a climate chamber in accordance to regulation EN ISO 4892-3:2006. For the determination of BDE-209 in the collected raining water the samples were prepared in accordance to a validated protocol. Before the analyses each sample was spiked with isotopically labeled BDE-209. Subsequently the samples were extracted with isooctane. The obtained extracts were concentrated, and the resulting solutions were analyzed by GC/MS. Additionally, the total bromine content was monitored for the weathered and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and X-ray fluorescence analysis (XRF) as a non-destructive and rapid method. In general, the resulting data from the accelerated weathering will be compared to those from the natural weathering experiments. Here, the surfaces of the test pieces were analyzed by LA-ICP-MS and XRF as well. Moreover, soil bed tests were conducted in a well characterized model soil. This soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining basin inside of an air-conditioned cellar. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To induce a leaching process from the samples by the raining water, the target water content is calculated to 8%. The actual humidity is measured by a tensiometer, assuring the duration of the raining period. A defined humidity is a fundamental parameter for a biological activity in the soil. The test polymers were placed up to the half in the soil. Microbial activity of the soil is monitored by a reference polymer (polyurethane) and should induce the release of HBCD and BDE-209 out of the test materials. These released analytes will be captured by passive samplers (silicone tubes) placed in a distinct distance to the polymer samples in the soil. The soil bed experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.