Spectral-Imaging-Technologie Anwendungen und Möglichkeiten

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1 Normierte Intensität Optical Spectrometer: Design, Technology, Application and Trend März 2008 IPHT Spectral-Imaging-Technologie Anwendungen und Möglichkeiten F. Erfurth, B. Nyuyki, A. Scheibe, H.-P. Saluz, W.-D. Schmidt Übersicht 1.0 Spot 0.8 Cy3 Cy Cy5 GMBU e.v. Grundprinzip von SI Typen und Einteilung Applikationen Eigenschaften und Grenzen Wellenlänge [nm]

2 Die GMBU e.v. stellt sich vor Die GMBU e.v. ist eine gemeinnützige Forschungseinrichtung mit drei eigenständigen Fachsektionen in Sachsen-Anhalt, Thüringen und Sachsen Umweltbiotechnologie und Biosensorik Nano- und Schichttechnologie Photonik und Sensorik Arbeitsgruppe Medizintechnik: VIS-NIR Remissions-Spektroskopie für dermatologische Anwendungen (Hautuntersuchungen) Fluoreszenz-Anregung und -Detektion (Spectral-Imaging) für die Bio- und Gentechnologie (Microarrays) weitere Spectral-Imaging-Anwendungen

3 Was ist Spectral-Imaging? Digitale Bildverarbeitung Spectral-Imaging 3D-Datensatz Probe RGB - Matrix RGB - Bild Klassische Spektroskopie λ Probe Spektrometer Spektrum mögliche Einteilung: MSI 3-12 Kanäle, HSI einige hundert Kanäle

4 Typen von Spectral-Imaging-Systemen Aufnahme des 3-dimensionalen spektralen Datensatzes: Nur in wenigen Fällen alle drei Dimensionen gleichzeitig Whisk- broom- Scanner Push- broom- Scanner λ häufig Scan über eine oder zwei Achsen (örtlich, spektral) Filter- Kamera x y Descour* *M. R. Descour and E. L. Dereniak, "Nonscanning no-moving-parts imaging spectrometer, SPIE Vol. 2480, pp , 1995.

5 Typen von Spectral-Imaging-Systemen Filter-Kamera: gleichzeitige Aufnahme zweier räumlicher Dimensionen Scan entlang spektraler Achse durch Auswechseln der Filter Beispiel: Whisk- broom- Scanner Filter- Kamera Push- broom- Scanner Δλ Multispektralkamera x y

6 Typen von Spectral-Imaging-Systemen Whiskbroom-Scanner: Aufnahme nur einer, der spektralen Dimension pro Messung Scan entlang zweier räumlicher Achsen Whisk- broom- Scanner Filter- Kamera Push- broom- Scanner λ Beispiel: Einkanalspektrometer kombiniert mit Koordinatentisch y Δxy

7 Typen von Spectral-Imaging-Systemen Pushbroom-Scanner: gleichzeitige Aufnahme zweier, einer räumlichen und der spektralen Dimension Scan entlang einer räumlichen Achse Whisk- broom- Scanner Filter- Kamera Push- broom- Scanner λ Beispiel: Δy Transmissions-Imaging- Spektrograf x

8 Typen von Spectral-Imaging-Systemen weitere Spectral-Imaging- Systeme: gleichzeitige Aufnahme einer spektralen und zwei räumlichen Dimensionen 3D-Imager λ je nach Typ kein Scan erforderlich Beispiele: FTIS (spektrales Multiplexing) CTIS (spek. und räuml. Multipl.) supraleitende Fotodetektoren x y

9 Spektrometer Spektrograf Spektrometer: erzeugt mehrere Bilder einer beleuchteten Eingangsblende auf einer fotoempfindlichen Fläche Beugungsgitter Spektrograf: erzeugt mehrere Bilder eines beleuchteten Eingangsspalts auf einer fotoempfindlichen Fläche Beugungsgitter für beide gilt: die Lage der Bilder ist eine Funktion der Wellenlänge

10 Funktionsweise eines Spektrografen Objekt-Ebene Transmissions-Imaging- Spektrograf Bild-Ebene Probe Objektiv Räumliche Achse Spektrale Achse Eingangsspalt Linsen und PGP-Element (Prisma-Gitter-Prisma) Detektor- Matrix Spektralbereich nm Öffnungsverhältnis F/2.8 Spalt-Länge 14.1 mm

11 Spektrografen anwenden Fasergekoppelt Punkt-Linie Imaging- Spektroskopie Zeitaufgelöste Mehrkanalmessungen Kapillaren mit Flüssigkeit

12 Applikations-Beispiele Imaging-Spektroskopie Zeitaufgelöste Mehrkanal- Spektroskopie Luftgestützte Überwachung Industrielle Produktionslinie Analyse biologischer Oberflächen Flüssige Medien Fasergekoppelt Punkt- Linien Müllsortierung Hautdiagnose Kapillarelektrophorese Analyse des Stoffwechsels in Gewebe Display- Tests Kontrolle pharmazeutischer Produkte Lebensmittel- Überwachung Industrielle chemische Komponentenüberwachung Microarray- Analyse Flammenanalyse

13 Applikation: Microarray-Scanner DNA-Sonde fixiert Fluoreszenter Farbstoff Laser-Anregung Spot Microarray + = Fluoreszenzmarkierte Test-DNA Spot DNA leuchtet in Abhängigkeit von Bindung Farbstoff Absorptionsmaximum Fluoreszenzmaximum Cy3 550 nm 570 nm Cy5 649 nm 670 nm Farbstoff-Fluoreszenzen werden üblicherweise durch Filter getrennt

14 Spectral-Imaging-System - Aufbau Funktion Komponenten 1. Anregung Laser, Linienoptik 2. Detektion Objektiv, Filter, Spektrograf, Kamera 3. Scan Verschiebetisch Spektrograf Roter Laser Makro-Objektiv Emissionsfilter Grüner Laser Verschiebetisch Spots Microarray

15 Scannen von Microarrays Normierte Intensität Spot-Reihe durch Laser- Linie angeregt Jede aufgenommene Linie erzeugt ein Spektralbild. 1.0 Spot 0.8 Cy3 Cy Cy Wellenlänge [nm] Der Bildsensor nimmt eine Vielzahl von Fluoreszenzspektren auf. Entmischung überlagerter Spektren

16 Normierte Intensität Normierte Intensität Experimentelle Ergebnisse 4-fach markiertes Microarray: (Array: 8 x 12 Spots) 1.0 Cy3 Cy3.5 Cy3 Cy3.5 kombiniert Grüne Anregung Wellenlänge [nm] Cy5 Cy5.5 Cy5 Cy5.5 kombiniert Rote Anregung Wellenlänge [nm] Darüber hinaus identifiziert: 3 Signaturen (Glas-Fluoreszenz, Lösungsmittel)

17 Applikation: Mehrkanalspektroskopie an Flammen Einfluss der Luftzufuhr auf den Verbrennungsverlauf einer Propan-Flamme Herkömmliches Kamerabild Luftzufuhr ohne gering mittel maximal

18 Spectral-Imaging an Flammen Zweiatomige Chemilumineszenz-Emitter Quelle: Clark, 1958

19 Intensität [counts] Höhe über Brenner [mm] UV-Spectral-Imaging an Flammen Intensität [%] Höhe über Brenner [mm] Rohspektren Wellenlänge [nm] 0,5 cm 2 cm 5 cm 10 cm über Brenner Signaturen der Komponenten Wellenlänge [nm] OH C2 CH CO GE GE: Glühemission Emission, ohne Sauerstoff Konzentration [1000 counts] OH C2 CH CO GE Emission, Sauerstoff: max Konzentration [1000 counts] OH C2 CH CO GE

20 Applikation: SI-Hautläsionsdiagnostik Schweinehaut mit Materialauftrag (Senf) Foto Komponente 1 Normalhaut Komponente 2 Blutgefäße Komponente 3 Senf

21 Normierte Remission [%] Hautläsionsdiagnostik Konzentration [%] Normalhaut Blutgefäße Senf Remissions-Spektren der Hautmessung Wellenlänge [nm] Normalhaut Trennbarkeit der Blutgefäße Komponenten Senf der Hautoberfläche 20 0 Bild Normalhaut Bild Blutgefäße Bild Senf

22 Eigenschaften und Grenzen Technische Parameter der Spectral-Imaging-Geräte der GMBU: spektrales Auflösungsvermögen: räumliches Auflösungsvermögen: Anzahl spektraler Kanäle: 6 nm typisch, 2 nm möglich 40 µm (Biochip-Scanner) 120 µm (Flammenanalyse) 128 typisch, 512 möglich Anzahl Spektren gleichzeitig: Für Biochip-Scanner Erweiterung auf >1000 wünschenswert Abmessungen: 60 x 60 x Kamera Für verschiedene Anwendungen Miniaturisierung wünschenswert außerdem: Weiterentwicklung Spektren-Unmixing wird fortgesetzt

23 Zusammenfassung Spectral-Imaging-basierte Analysesysteme: Universelles Bildgebungsverfahren Liefert umfassende spektrale Informationen Ermöglicht die klare Trennung verschiedener Materialkomponenten

24 Spectral-Imaging-Technologie Anwendungen und Möglichkeiten F. Erfurth, B. Nyuyki, A. Scheibe, H.-P. Saluz, W.-D. Schmidt Vielen Dank! Dipl.-Ing. (FH) Florian Erfurth GMBU e.v., Fachsektion Photonik und Sensorik Felsbachstraße 7 D Jena Tel. +49 (0) Fax. +49 (0) erfurth@gmbu-jena.de