Special turbo-analyses | Realtime sporenanalyse van gassen met laserspectroscopie Gasanalyse in ppb’s in secondes Direct sporen van kleine gasmoleculen meten op ultralage niveaus die gaschromatografisch vaak niet haalbaar zijn. Dat kan met laserspectroscopie ontwikkeld op basis van technologie van de Trace Gas Facility aan de Radboud Universiteit. Medische en life sciences-toepassingen van de analysers hebben wereldwijd een vlucht genomen. Vincent Hentzepeter | Fotografie: Foodnote Kabels, snoeren, gasleidingen en meet- en calab. We bereiken deze hoge gevoeligheid 99,93 % reflectie blijft bijna al het licht dat regelapparatuur domineren het laboratorium door niet met een lamp te werken, maar binnenkomt in de cel en bereiken we met van de Life Science Trace Gas Facility in het zorgvuldig afgestemde lasers te maken in een meetcel van 30 cm een effectieve weg- Huygensgebouw van de Radboud Universiteit. Overal staan experimentele opstellingen met lasers en meetcellen, gekoppeld aan pc’s die de absorptiepatronen weergeven. Hier is twintig jaar ervaring opgebouwd met de ontwikkeling van gasdetectoren die real- ‘Hoe langer je padlengte door het gas, hoe lager je te meten concentratie kan zijn’ time gasconcentraties kunnen meten rond of lager dan ppb-niveau. Dat zijn één of minder combinatie met een hoge padlengte door lengte van 400 meter! Hoe langer je pad- deeltjes per miljard. “Ja, dit is een echt fysi- het gas. Door gebruik van spiegels met lengte door het gas, hoe lager je te meten concentratie kan zijn en hoe hoger de gevoeligheid.” Dat zegt Frans Harren, universi- Moleculaire fingerprint gassen tair hoofddocent bij het Institute for Molecu- De Trace Gas Facility gebruikt in zijn opstellingen laagvermogen (milliWatt)-lasers in het infrarood-golflengtegebied tussen de 2,8 en 11 micrometer. Hierbinnen geven de belangrijke gassen heel specifiek absorptiepatronen – een moleculaire fingerprint. De gasdetectoren absorberen infrarood licht maximaal door lasereigenschappen te combineren met uiterst gevoelige spectroscopische methoden en detectietechnieken. Ten eerste fotoakoestische spectroscopie, een methode waarbij lichtabsorptie direct wordt omgezet in geluid, dat eenvoudig met een microfoon gemeten kan worden. Ten tweede met optische trilholtes, ‘cavities’, met hoogreflecterende spiegels (> 99,9 %) die de laserstraal duizenden keren heen en weer door het gasmedium laten kaatsen. De extreme weglengte resulteert in een hoge gevoeligheid. Ten derde door de laser met kilohertz-frequentie over een absorptielijn heen en weer te scannen, wat zich kenmerkt door een sterk signaal bij een lage ruis. Dit geeft hoge gevoeligheid bij een korte weglengte, terwijl de meetopstelling eenvoudig is. centraties in de lucht met geavanceerde la- les and Materials. Zijn onderzoeksgroep werkt aan het opsporen van lage gasconser-spectroscopische methoden. Daarnaast is hij wetenschappelijk adviseur van Sensor Sense, een in 2004 gestarte spin-off van de Radboud Universiteit, die de technologie naar de markt bracht. Infraroodspectroscopie De Trace Gas Facility past laserfysica toe voor onderzoek aan veel voorkomende, moleculaire gassen die gerelateerd zijn aan de groei van planten en micro-organismen, 24 Laboratorium Magazine | Nummer 3-2014 24-28 LM140313_Gasanalyses Radboud 24 03-04-14 11:30 Voor de ontwikkeling van deze opstelling voor CO-metingen werkt Frans Harren samen met het Academisch Medisch Centrum Groningen. De meting van het CO-gehalte (in de ademhaling) bij nierdialysepatiënten is een maat voor de afbraak van rode bloedlichaampjes. Normaal is deze ongeveer 4 ppm, bij nierpatiënten ligt die hoger. Omdat dit gas een sterker signaal geeft, kan in de laserspectroscopie-opstelling volstaan worden met een relatief korte weglengte tijdens de meting. processen als rijping en bederf, de kwali- Non-invasief “Grotere moleculen zijn nog te complex teit van de lucht of de menselijke gezond- Het grote voordeel van de techniek is dat er voor spectroscopische analyses, door over- heid. Het gaat om verbindingen als NO, zonder enige monstervoorbereiding direct lappende absorptielijnen en hun rotationele CO, CO2, waterdamp, aldehyden, alcoho- en zeer gevoelig een gasconcentratie kan en vibrationele eigenschappen. Bij kleine len, ketonen, zuren, terpenoïden en diverse worden bepaald. En dat non-invasief. In se- moleculen liggen de absorptielijnen meer uit koolwaterstoffen. Toepassingen zijn conden is er resultaat – onmogelijk met elkaar. Hoe groter de afstand ertussen, hoe plantengroeistudies, het vroegtijdig opspo- klassieke technieken. “Bij GC-MS zit je vast beter je kunt scheiden.” ren van plantenziektes- en plagen, het bewaken van oogsten, bodemonderzoek, milieumetingen van lucht, het volgen van de groei van micro-organismen, moleculaire biologie, geneeskunde en medisch onderzoek bij patiënten. De detectie van moleculen gebeurt met nabij-infraroodspectroscopie (NIRS). Daar waar de frequentie van ‘Grotere moleculen zijn nu nog wel te complex voor spectroscopische analyses’ het laserlicht overeenkomt met de spectraallijnen van het te onderzoeken aan het absorberen van de gassen, desor- Spin-off gas, vindt absorptie van laserenergie beren, het plaatsen in de GC-kolom en het De commerciële ontwikkeling van de experi- plaats. De energieterugval – herkenbaar uitlezen van het chromatogram. GC is een mentele gasdetectoropstellingen werd tien aan een dal in de grafiek door uitdoving goede analysemethode, maar voor routine- jaar geleden gestart. Sensor Sense, een van licht – is een maat voor de concentra- matige metingen te arbeidsintensief. Hele- spin-off bedrijf van de Radboud Universiteit, tie van het gas. “De detector meet het ver- maal als je dynamische processen wilt vol- wist de laboratoriumopstellingen in drie jaar mogen. We scannen de lezer continu over gen, bijvoorbeeld voor onderzoek aan tijd te integreren in een doos ter grootte van de absorptielijnen heen, dan zie je de ab- monsters waarbij je de hele cyclus van gas- een computer. “En zo te automatiseren dat sorptiepiek. De absorptie is heel laag van- productie door bacteriën gedurende dagen zelfs een bioloog ermee kan werken”, lacht wege lage concentraties, maar door de wilt volgen. Bovendien kunnen we hiermee Harren. “Deze gasdetectoren in een compu- lange paslengte komen we toch boven de lagere concentraties meten dan met GC.” ter sized box worden wereldwijd verkocht, detectorruis heen. Het hele systeem pro- Een beperking is dat er alleen aan eenvou- met name voor de analyse van gassen als beren we continu te optimaliseren.” dige gasmoleculen gemeten kan worden. ethyleen, ammoniak en stikstofdioxide. SenNummer 3-2014 | Laboratorium Magazine 24-28 LM140313_Gasanalyses Radboud 25 25 03-04-14 11:30 Onderzoek voor taaislijmziektepatiënten sor Sense ontwikkelt de prototypes tot een commercieel instrument, inclusief de software. Het is een mobiel systeem dat aan heel veel biologische labs is verkocht.” Taaislijmziektepatiënten De onderzoeksgroep van Frans Harren werkt nauw samen met microbiologen en medici in het St. Radboud UMC, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van een snelle analyse van merkergassen voor longinfecties bij taaislijmziektepatiënten. Deze patiëntengroep is zeer kwetsbaar voor infecties. Grijpt een infectie eenmaal om zich heen, dan is die moeilijk te behandelen, omdat de medicijnen door slijmophopingen niet goed bij de longblaasjes kunnen komen. Continue monitoring van het ziektebeeld is essentieel om op tijd in te grijpen. “We richten ons onderzoek op de analyse van waterstofcyanide. Dit komt door een verdedigingsmechanisme vrij bij een bacteriële infectie in de longen. HCN kunnen we in uitademingsgassen al in hele lage gehal- Frans Harren bestudeert de absorptiepieken van HCN. Deze erlenmeyers bevatten cultures van Pseudomonas aeruginosa, een aerobe gramnegatieve bacterie die berucht is bij de wondinfectie van brandwonden. Het organisme staat bekend als een mycoparasiet. Het is een gevaarlijke ziekenhuisbacterie voor patiënten met een verzwakt immuunsysteem, maar voor gezonde personen niet gevaarlijk. Tijdens de groei van bacteriecultures wordt gekeken hoe Pseudomonas het gas HCN in de tijd produceert. Er wordt steeds geschakeld van de ene erlenmeyer naar de andere. Het kweken en wisselen van de cultures is handwerk, het volgen van de ontwikkeling van de HCN-concentratie gaat volledig computergestuurd. Door de metingen te vergelijken met gaschromatografische analyse wordt duidelijk hoe de IRS-metingen correleren met klassieke methodes. tes meten, voordat de kinderen ziek zijn. We onderzoeken nu verschillende bacteriesystemen uit het sputum dat ze opgehoest hebben. Dit doen we samen met de klinisch chemici van het lab geneeskunde, de afdeling microbiologie en de kinderarts. Het geld komt uit een subsidie van het longfonds.” In het laboratorium staan erlenmeyers in een klimaatkast met een kweek van bacteriën uit het sputum. De productie van gassen wordt gemeten via slangetjes die leiden naar een geautomatiseerde meetopstelling. Door steeds andere monsters in te zetten met een bekende microbiologische Promotieonderzoeker Anne Neerincx wisselt erlenmeyers met longbacterieculturen van taaislijmziektepatiënten. samenstelling kan Harren de in vitro-productie van HCN continu bepalen en concentraties correleren met de microbiologische samenstelling van het monster. GC-MS wordt ingezet voor het valideren van de metingen. “Je moet het systeem natuurlijk valideren op de huidige methode, dat is GC-MS. Zo kun je de totale gasemissie vergelijken met wat je voor HCN meet.” NO-detectoren Bij astmapatiënten is het gebruikelijk stikstofmonoxide te meten in de ademhalingsgassen om hun ziektebeeld te volgen. Met de huidige apparatuur kan dit al nauwkeurig, maar het is behoorlijk kostbaar. Daarom werkt Harren samen met longartsen aan een alternatieve meetmethode met IRS. “Niet omdat het beter, maar wel omdat het goedkoper kan. De NO-detectoren in ziekenhuizen werken met chemieluminiscentie, hebben een zuur26 Laboratorium Magazine | Nummer 3-2014 24-28 LM140313_Gasanalyses Radboud 26 03-04-14 11:30 Opstellingen en infrastructuur in de Trace Gas Research Facility. stofaansluiting nodig en zijn behoorlijk kost- water staan. De een gaat fermenteren, de bewaren van fruit beter onder controle te baar. We hebben nu ademtesten ontwikkeld ander raakt in een slaapstand. Je kunt dan krijgen. “Er is nog geen behoorlijke ethanol- en vangen de ademhalingsgassen in een aan fermentatieproducten als acetaldehyde sensor op de markt voor concentraties van speciale ballon op, waarna we de inhoud en ethanol zien hoeveel zuurstof er nog is 50 ppb of lager. In fruitschuren wil je rou- analyseren. Het gebruik van deze partybal- en wat de strategie van ras tot ras is om te tinematig en tegen lage kosten kunnen lonnen is uitgebreid getest bij het RIVM. overleven in moeilijke omstandigheden. Na meten of het zuurstofgehalte niet te laag wordt, waardoor het fruit gaat fermenteren. ‘HCN kunnen we in hele lage gehaltes meten, voordat de kinderen ziek zijn’ Er komt dan alcohol vrij. Momenteel merk je dat te laat, eenvoudig omdat de apparatuur niet gevoelig genoeg is. We werken nu samen met Plant Research Wageningen en diverse bedrijven om ethanol gevoeliger dan met bestaande systemen te kunnen De patiënten moeten er in uitademen met in vitro-onderzoek kunnen de uitkomsten meten. Je zou dan eerder kunnen bijsturen. een zekere uitblaassnelheid. Dat moet goed gebruikt worden voor veldexperimenten, Onze technologie kun je dan koppelen aan gebeuren, anders krijg je te veel variatie in de om zo tot hogere rijstoogsten te komen.” een meet- en regelsysteem voor de optima- meting en krijgen we geen representatieve lisatie van de gassamenstelling, bijvoor- waarden van het ziektebeeld. Het is de be- Ethanolsensor doeling dat de behandelend arts straks direct Harren is nu bezig met het ontwikkelen van Dat percentage schommelt normaal rond de NO-concentratie van patiënten kan meten een sensor voor fruittelers, bedoeld om het de 1%.” LM beeld door extra zuurstof toe te voegen. in het ziekenhuis. “Dan spreek je wel over jaren ontwikkeling. Uiteindelijk, maar daar kan wel 25 jaar overheen gaan, kan dat soort apparatuur zelfs bij de patiënt thuis staan.” Dag- en nachtritme Met Plant Research Wageningen is er veel samenwerking voor onderzoek naar groeiprocessen in planten. Van de modelplant ‘zandraket’ werd de gassamenstelling in proefopstellingen bestudeerd. ‘Bij zaailingen van Arabidopsis is het dag- en nachtritme onderzocht. De plantjes produceren ethyleen waaraan je de fysiologie kunt aflezen.” Rijstplanten werden ook onderzocht. “Bij rijst is gekeken hoe soorten overleven als ze een paar dagen bij weinig licht onder Het werkingsprincipe van de laserspectroscopische opstellingen. (Illustratie: Marjan Hammink) Nummer 3-2014 | Laboratorium Magazine 24-28 LM140313_Gasanalyses Radboud 27 27 03-04-14 11:30
© Copyright 2024 ExpyDoc
