Seltene Erden Exoten in der medizinischen Diagnostik. 20 Jahre TGZ Bitterfeld-Wolfen, 15. November 2012

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1 Seltene Erden Exoten in der medizinischen Diagnostik 20 Jahre TGZ Bitterfeld-Wolfen, 15. November 2012

2 Leopold Wolf 23. November November 1974 Nestor der Chemie der Seltenen Erden

3 Wie selten sind Seltene Erden? Seltene Erden im täglichen Leben Seltene Erden in der medizinischen Diagnostik Zusammenfassung Dank

4 Seltene Erden Lanthanoide Scandium Sc Yttrium Y Lanthan La Cer Ce Terbium Tb Praseodym Pr Dysprosium Dy Neodym Nd Holmium Ho Promethium Pm Erbium Er Samarium Sm Thulium Tm Europium Eu Ytterbium Yb Gadolinium Gd Lutetium Lu 4f-Elemente Auffüllung innerer Elektronenniveaus

5 Seltene Erden im täglichen Leben - Legierungen: z.b. "Mischmetall" Cer/Fe-Legierung für Feuersteine, - "Phosphore", z.b. in Fernsehröhren (z.b. Eu für Rotkomponente), - UV-Filter in Sonnenbrillen "Neophangläser", - Suprapermanentmagnete (Samarium SmCo 5, Neodym Nd 2 Fe 14 B), - Feststofflaser Neodymlaser, - Neodym und Praseodym zur Glasfärbung (Kunstgläser), - Ni-Metallhydrid-Akkumulatoren (z.b. Lanthan), - Ceroxid als Poliermittel für Spezialgläser.

6 Seltene Erden in der Medizin - Gadolinium-Komplexe zur Kontrastverstärkung in der Kernspin-Tomographie, - Seltene Erd-Nuklide in der Nuklearmedizin, - Seltene Erd-Komplexe in Bioassays FIA basierend auf Eu-/Tb-/Sm-Phosphoreszenz.

7 Seltene Erd-Komplexe in Bioassays FIA basierend auf Eu-Phosphoreszenz - Wie funktionieren Bioassays, - Phosphoreszenz als Grundprinzip für Bioassays, - Molekulare Lichtsender und -empfänger als Wirkprinzip für neuartige Bioassays, - Selektive Proteinbestimmung im amol-bereich.

8 Wie funktionieren Bioassays? Bioassays Analytische Methoden zur Identifizierung und/oder Quantifizierung chemischer Substanzen in biologischen Systemen: - elektrochemische Methoden, z.b. ph-wert-messung zur Evaluierung des Säure-/Base-Status, - chemische Reaktionen, z.b. Glucose-Nachweis im Urin, - Hybridiserungsreaktionen für Nucleinsäuren, z.b. Mutationsnachweis, - immunologische Reaktionen, z.b. ELISA, RIA und FIA. Lichtsender und -empfänger (Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer - FRET) als Basis für neuartige Bioassays

9 Phosphoreszenz als Grundprinzip für Bioassays 1 A * 3 A * Stokes-Shift Fluoreszenz hv Phosphoreszenz 1 A

10 Molekulare Lichtsender/-empfänger als Wirkprinzip für Bioassays (FRET) FRET Lichtquelle Gelbfarbstoff Lichtsender Purpurfarbstoff Lichtempfänger Nachweis z.b. von Ag- (Protein A) Ak- (ImmunglobulinG) Wechselwirkungen mittels FRET

11 Spektroskopische Voraussetzungen für Lichtsender/ -empfänger (FRET-Systeme) Sender Empfänger Wellenlänge in nm Lichtsender Absorption Emission Empfänger

12 Funktionalisierte Europium(III)-Chelate als Lichtsender Antennengruppe COOH NH O N N N O N Eu O Chelatgrundgerüst O N O O Linker COOH NH NCS

13 Spektroskopische Eigenschaften des Lichtsenders [(DEDPA-phen)Eu] - 4x10 4 4x10 4 3x10 4 3x10 4 2x10 4 2x Zeit (ms) 1x10 4 1x Wellenlänge in nm Wellenlänge in nm

14 Energieaustausch (FRET) zwischen dem Lichtsender [(DEDPA-phen)Eu] - und einem Farbstoff als Empfänger rel. Intensität Wellenlänge in nm

15 Phosphoreszenz-Immunoassay: FRET zwischen Eumarkiertem IgG (1) und farbstoffmarkiertem Protein A (2) 100 (1) 80 emission intensity (2) λ (nm) Ak: Immunglobulin G (IgG), Ag: Protein A (Staphylococcus aureus)

16 Selektive Proteinbestimmung Farbstoff Nachweisgrenze Molarer Bereich Coomassie Brillant Blau 50 ng fmol - pmol Konventionelle Fluorophore Silber-Färbung [EuL]H 1-20 ng 1 ng 10 pg fmol - pmol fmol amol Anzahl der Zellen für den Nachweis eines einzelnen Proteins Silberfärbung: ; [EuL]H: 250

17 Vergleich der Nachweisbarkeitsgrenzen von carboxyfluorescein- und [EuL]H-markiertem Lysozym

18 Vergleich konventioneller Lichtsender mit Seltenen Erd-Chelaten als FRET- Sender Vorteile: Synthetisch gut zugänglich, UV/Vis-Daten (Emission, Absorption) als Basis für FRET- Design. Nachteile: Geringer Stokes-Shift, kurze Fluoreszenzlebensdauer, Fluoreszenz-Löschung durch O 2. Vorteile: Scharfe Emissionsbanden, Stokes-Shift > 250 nm, hohe Lumineszenzlebensdauer, kein O 2 -Quenching. Nachteile: H 2 O-Koordination löscht Lumineszenz, synthetischer Aufwand. Entwicklung von Multiplexing-Verfahren und von neuen Bioassays mit Nachweisgrenzen im atto-mol-bereich

19 Dank K. Zeckert, F. Schumer, H.-J. Böhme, R. Hoffmann, T. Züchner, E. Fanghänel, ChemiePark Institut, Sensient/Xyntec GmbH, J. Marx, BMBF Land Sachsen-Anhalt