(Kép)pontról (kép)pontra - Per-Formper-form.hu/wp-content/uploads/2015/08/keppontrol... · 1 3 7 4 6 7 5 11 14 18 31 30 49 58 57 58 48 52 1 2 2 1 4 6 4 10 9 5 16 17 15 13 22 0

(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.


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


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)


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!


6

Selyemhernyó szexálás – ... a „vas” ...


Appl. Optics 51(4), 408–412 (2012)

DedikáltLED, lézer,

de előtte ki kell választani: mobil lehet.


7

Selyemhernyó szexálás –

... és a kimenet


Appl. Optics 51(4), 408–412 (2012)

Lányoknál semmiextra …

… de a fiúknak világít

a „farkuk”.


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”


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)


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


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


Mikro/makroszkópos képalkotás – T

12

T(transz-misszió)


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



Mikro/makroszkópos képalkotás – Ge

14



15

� Eredeti � Hamis

Eredetiségvizsgálat vs. imaging:

makro (VIS)

Edzőteremben izomnövelő

helyett „barkács

cucc”.


Gergely Szilveszter (BME ABÉT) és Horgos József (SE EGYSZSZI)

16

� Eredeti � Hamis

Eredetiségvizsgálat vs. imaging:

makro (NIR)

PCA

Abs.

mátrixhatás


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 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)



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)

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.



21


Makro ATR (UATR) vs. mikro ATR (im.)

▼Ellenőrizve

a tiszta anyagok

spektrumá-val.



22


változékony tartomány kiválasztása

4000-750 cm-1 1600-750 cm-1 1300-750 cm-1

R2max.

0,461

R2max.

0,777

R2max.

0,949


Gerg

ely

Szilv

eszte

r (B

ME

)

23


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)


Gerg

ely

Szilv

eszte

r (B

ME

)

24

� Mikro ATR

(imaging)

� lassabb mérés (~óra)

� képpontonkénti sp.-ok (~μm2)

� nagy katalizátor jel


előnyök és hátrányok

� Makro ATR

(UATR)

� gyors mérés (~percek)

� csak kvázi átlag sp. (~mm2)

� kis katalizátor jel

▼

▼



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


Gordon Péter (BME EFI-labs)

Csomagolóanyag – fénymikroszkóp

Fém réteg (pl. aroma zárás,

oxigén kizárása):

csillog-villog.

26



27

Csomagolóanyag – IR mikroszkóp



28

Csomagolóanyag – előkezelések

◄ CO2

és vízgőz

◄ zaj



29

Csomagolóanyag – azonosítás I.

PET



30

Csomagolóanyag – azonosítás II.

PA



31

Csomagolóanyag – azonosítás III.

PE



32

Csomagolóanyag – SEM

Mit keres a mintában aCl és Ti?

Nyomdafes-ték, ragasztó



Altesti dolgaink – kő kövön

Kövek(epe-, vese-,

húgykő)

Bende Balázs (BUC)

33


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) és Bende Balázs (BUC)

35

Altesti dolgaink – keresés könyvtárralKeresés

spektrum-azonosság

alapján.


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)


Altesti dolgaink – mire jó a kép? +


37

Humán húgykő

elektromos kábellel.


Altesti dolgaink – mire jó a kép? II.

Epekő: koleszterin.

Jó-jó, de kidobják...

38



Altesti dolgaink – mire jó a kép? III.

Mi jó, ha kidobják?

A daganat.

39



Altesti dolgaink – mire jó a kép? IV.

40



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


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.



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)


Köszönöm

megtisztelő figyelmüket!

Gergely Szilveszter

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

PerkinElmer Szeminárium

2015. október 20.

black box▼

grey box


Documents

(Kép)pontról (kép)pontra - Per-Formper-form.hu/wp-content/uploads/2015/08/keppontrol... · 1 3 7 4 6 7 5 11 14 18 31 30 49 58 57 58 48 52 1 2 2 1 4 6 4 10 9 5 16 17 15 13 22 0