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Isotopenverdünnungs-Ramanspektrometrie

Eine Rückführung chemischer Messergebnisse auf das SI setzt Messverfahren voraus, mit denen ein Analyt eindeutig identifiziert und quantifiziert werden kann. Die Ramanspektrometrie liefert zwar eine analytspezifisches Spektrum, galt jedoch zur Bestimmung von Stoffmengenkonzentrationen lange Zeit als zu ungenau. Dieses Manko wurde durch Kombination mit dem Prinzip der „Isotopenverdünnung“ (isotope dilution, ID) beseitigt. Eine Verhältnismessung gewährleistet hochgenaue und metrologisch rückführbare, quantitative Resultate, so dass z. B. für klinisch-chemische Analyte (Biomarker) erstmals eine Alternative zur Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie (IDMS) zur Verfügung steht.

Die Konzentration vieler Biomarker ist in ihrer natürlichen Umgebung, z. B. Blutserum in der Regel zu gering für eine Detektion mittels konventioneller Ramanspektrometrie. Dieses Problem kann durch die Anwendung der sog oberflächenverstärkten Ramanspektrometrie (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) gelöst werden. Dabei wird das zu detektierende Analytmolekül an metallische (Gold, Silber) Nanopartikel oder nanostrukturierte Oberflächen gebunden, was einen Anstieg der Raman-Streuintensität um mehrere Größenordnungen zur Folge hat.

  

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

In der Praxis wird neben der eigentlichen Probe unbekannten Gehaltes zusätzlich eine Vergleichsprobe mit bekannter Analytstoffmenge gemessen. Zunächst werden Probe und Vergleichsprobe mit der gleichen Stoffmenge Spike versetzt. Anschließend wird die Stoffmenge des Analyten in der Vergleichsprobe bis zur Angleichung der Häufigkeitsverhältnisse beider Isotopologe in Probe und Vergleichsprobe variiert ("exact matching"). Auf diese Weise lässt sich die Messunsicherheit verringern, da sich das Ergebnis auf ein mit hoher Genauigkeit bekanntes Referenzmaterial stützt.

Resultat EURAMET.QM-K12, Probe A

Bild 2: Resultat der internationalen Vergleichsmessung EURAMET.QM-K12. Die gemessenen Serum-Kreatininkonzentrationen und erweiterte Messunsicherheiten aller Teilnehmer liegen innerhalb des für Referenzmessverfahren geforderten Bereiches von ±5 % um den Mittelwert (gestrichelte Linie). 

Das neue Verfahren (ID-SERS) wurde anhand der Bestimmung von Kreatinin und Harnsäure in Blutserum entwickelt und validiert. Die Eignung von ID-SERS als höherwertiges Referenzmessverfahren zur Bestimmung von Stoffmengenkonzentrationen konnte durch erfolgreiche Teilnahme an zwei internationalen Vergleichsmessungen (Opens external link in new windowRELA 2010/2011, EURAMET 1176) nachgewiesen werden.

Seit 2012 wird ID-SERS in der Datenbank des Joint Committee for Traceability in Laboratory Medicine (JCTLM) als Opens external link in new windowerstes Referenzmessverfahren auf Basis der Ramanspektrometrie geführt.

 


Veröffentlichungen

B. Güttler, S. Zakel, S. Wundrack, R. Stosch, Isotope-Dilution Surface Enhanced Raman Spectroscopy - Metrologically Traceable Reference Measurements at the Highest Precision Level and Their Application in Clinical Chemistry, in: G. Gucciardi, N. Lidgi-Guigui and M. Lamy de La CHAPELLE (eds.), Handbook of enhanced spectroscopy, CRC press (2015).

A. Rae, R. Stosch, P. Klapetek, A. R. Hight Walker, D. Roy, State of the art Raman techniques for biological applications, Opens external link in new windowMethods 68 (2014) 338-347.

S. Zakel, S. Wundrack, G. O´Connor, B. Güttler, R. Stosch, Validation of isotope dilution surface-enhanced Raman scattering (IDSERS) as a higher order reference method for clinical measurands employing international comparison schemes, Opens external link in new windowJournal of Raman Spectroscopy 44 (2013) 1246-1252.

R. Stosch, S. Zakel, Molekulare Fingerabdrücke – Isotopenverdünnung in der quantitativen Ramanspektrometrie, Opens external link in new windowlabor&more 2012 (4) 40-44.

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, Opens external link in new windowAnalyst 136 (2011) 3956-3961.

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

R. Stosch, A. Henrion, D. Schiel, B. Güttler: Surface-Enhanced Raman Scattering Based Approach for Quantitative Determination of Creatinine in Human Serum, Opens external link in new windowAnalytical Chemistry 77 (2005) 7386-7392.