Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Isotopenverdünnungs-Ramanspektrometrie als Verhältnis-Messverfahren für die chemische und biochemische Analytik

Eine Rückführung chemischer Messergebnisse auf die SI-Einheiten (mol, kg, m) setzt Messverfahren voraus, mit denen ein Analyt eindeutig identifiziert und quantifiziert werden kann. In der PTB wurde in den letzten Jahren ein neues Verfahren zur Bestimmung von Stoffmengenkonzentrationen entwickelt, das diese Anforderung durch den Einsatz der oberflächenverstärkten Ramanspektrometrie (surface-enhanced Raman scattering, SERS) erfüllt. Durch Kombination mit dem Prinzip der „Isotopenverdünnung“ (isotope dilution, ID), wird über eine Verhältnismessung eine hochgenaue und metrologisch rückführbare, quantitative Analytik ermöglicht. Damit steht für viele klinisch-chemische Analyte erstmals eine Alternative zur Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie (IDMS) zur Verfügung.

Bild 1: Wesentliche Arbeitsschritte einer quantitativen Analyse nach dem doppel-IDSERS Verfahren. Aus den Spektren von Kalibrier-Mischungen wird ein PLS (Partial Least Squares) Vorhersagemodell erstellt. Damit werden die Isotopologen-Verhältnisse der gespikten Probe (R_bx) bzw. Referenz (R_bz) anhand von SERS-Spektren bestimmt und hieraus schließlich die gesuchte Konzentration c_x berechnet.

Das als IDSERS bezeichnete Verfahren wurde anhand der Bestimmung von Kreatinin und Harnsäure (zwei klinische Marker) in Blutserum entwickelt. Eine Validierung erfolgte durch Teilnahme an internationalen Vergleichsmessungen (RELA 2010/2011, EURAMET 1176). Dabei konnte gezeigt werden, dass die mit IDSERS bestimmte Serum-Kreatininkonzentration sehr gut mit den durch IDMS gemessenen Werten übereinstimmt.

Bild 2: Resultat einer Vergleichsmessung (RELA 2010). Die gemessenen Serum-Kreatininkonzentrationen und erweiterte Messunsicherheiten aller Ringvergleichsteilnehmer liegen innerhalb des geforderten Zielbereiches von ±5 % um den Mittelwert (gestrichelte Linie).

Literatur

[1] S. Zakel, O. Rienitz, B. Güttler, R. Stosch, Double Isotope Dilution Surface-enhanced Raman Scattering as a Reference
     Procedure for the Quantification of Biomarkers in Human Serum, Analyst 2011, 136  3956-3961

[2] F. Yaghobian, T. Weimann, B. Güttler, R. Stosch, ID-SERS based reference method for quantifying biomarkers on a single
     nanostructured chip, Lab on a Chip 2011, 11 2955-2960

[3] R. Stosch, S. Zakel, F. Yaghobian, S. Wundrack, T. Weimann, B. Güttler, Oberflächenverstärkte Ramanstreuung – Anwendung
     metallischer Nanostrukturen für die Metrologie in der Chemie, PTB-Mitteilungen 2011, 121, 137-140

[4] R. Stosch, A. Henrion, D. Schiel, B. Güttler: Surface-Enhanced Raman Scattering Based Approach for Quantitative
     Determination of Creatinine in Human Serum, Analytical Chemistry 2005, 77, 7386-7392.

[5] R. Stosch, A. Henrion, D. Schiel, B. Güttler, Oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie und Isotopenverdünnung
     – ein potentiell primäres Messverfahren für die Metrologie in der Chemie, PTB-Mitteilungen 2005, 115, 300-304.

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