Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
AGEUM – Analytiktechnikum bewertet Gesundheitsrisiken von Umweltverschmutzung
Forschung aktuell
XRF von Quarzfiltern, die städtischer (Probe 1), ländlicher (Probe 2) und keiner Umweltverschmutzung (Leer) ausgesetzt waren, mit mehr Eisen (Fe) und Schwefel (S) in der Stadt aufgrund verstärkter menschlicher Aktivitäten.
Das REM-Bild zeigt Polystrol (PS)-Partikel, die auf Calu-3-Lungenzellen liegen. Unten links: 3D-Verteilung der PS-Partikel in und auf den Zellen, gemessen mit SRS. Rechts: Maschinelles Lernen zeigt Anzahl, Größe, Form der Partikel.
Im Analytiktechnikum für Gesundheits- und Umweltforschung (AGEUM) am Standort Forchheim des Fraunhofer IKTS bieten neuartige, hochmoderne Mikroskopie- und Spektroskopietechniken starke Charakterisierungs- und Datenanalysekapazitäten zur Bewertung potenzieller Gesundheitsrisiken durch Umweltverschmutzung. Umweltfaktoren wie Smog, Mikro-/Nanoplastik, Bremsstaub oder Reifenabrieb (Ultrafeinstaub) zeichnen sich durch eine hohe Partikelheterogenität und eine starke Komplexität ihrer biologischen Wechselwirkungen mit lebenden Organismen aus. Daher wird ein komplementärer, multimodaler und skalenübergreifender Analyseansatz verfolgt. Röntgenfluoreszenz (XRF)-Mikroskopie bietet eine hohe Elementempfindlichkeit bis hinunter zum Kohlenstoff, variable Messpunktgrößen (100 µm für statistisch signifikante großflächige Scans, ~15 µm für räumlich detaillierte Elementverteilungen) und einen zusätzlichen Transmissionsdetektor zur Abbildung interner Strukturen. XRF identifiziert und quantifiziert Elemente in Umweltproben, in der Regel Pulver und Luftfilter (Bild 1).
Die integrierte Plattform mit Coherent Raman Scattering (CRS), Second Harmonic Generation (SHG), Fluoreszenz (FL) und Fluoreszenz Lifetime Imaging Mikroskopie (FLIM) bietet einen hohen Durchsatz, eine hohe Auflösung und die nicht-invasive Partikeldetektion in komplexen biologischen Matrizen auf Zell-, Organgewebe- und Kleintierebene. Mittels CRS, stimulierter Raman-Streuung (SRS) und kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) können chemisch verschiedene Partikel (Plastik, Kohlenstoff-, Metalloxid-basiert) und biologische Komponenten (Lipide, Proteine, Kollagen) identifiziert werden, ohne die Proben zu beeinträchtigen. Diese hohe Sensitivität kann in Kombination mit maschinellem Lernen dazu verwendet werden, Partikel zu lokalisieren, zu zählen und nach Größe und Form zu klassifizieren – trotz komplexer biologischer Zusammenhänge (Bild 2). CRS kann direkt auf pathologische Proben angewendet werden, um die Anhäufung von Partikeln in Organen und Körperflüssigkeiten mit den klinischen Daten der Patienten zu korrelieren.
Ergänzend können mit der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) Schwingungsmodi gemessen werden, die mit Änderungen des Dipolmoments verbunden sind. FTIR ermöglicht so labelfreie, hyperspektrale Infrarot-Bildgebung mit hohem Durchsatz und hoher Empfindlichkeit für die schnelle Charakterisierung und Quantifizierung von Umweltpartikeln in komplexen biologischen Systemen. Insgesamt werden diese drei Instrumente neue Erkenntnisse über die Verteilung und das Eindringen von Partikeln in verschiedene Organismen liefern und so die möglichen Auswirkungen von Umweltverschmutzungen auf die menschliche Gesundheit aufklären.
Leistungs- und Kooperationsangebot
- S2-Biolabor für die Probenvorbereitung mit Kryo-Workflow
- XRF zur Elementaranalyse
- Integrierte konfokale Mikroskop-Plattform für labelfreie chemische Bildgebung und molekulares Fingerprinting
- FTIR für die hyperspektrale chemische Bildgebung
- Rasterelektronenmikroskop (REM) mit hochauflösendem In-Operando-Nano-CT für 2D- und 3D-Bildgebung
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