DE102010014237A1

DE102010014237A1 - Untersuchung der Nanopartikelverteilung in Lebensmitteln durch nicht-invasive Bildgebungsverfahren

Info

Publication number: DE102010014237A1
Application number: DE201010014237
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2012-05-10
Also published as: WO2011121447A3; WO2011121447A2

Abstract

Die Erfindung betrifft die Detektion und Quantifizierung von Nanomaterialien in Lebensmitteln. Derartige Analysen sind in gesundheitlicher Hinsicht aber auch in puncto Qualitätssicherung von großer Wichtigkeit. Um die Produktionslinien in der Lebensmittelproduktion nicht weiter zu verkomplexieren sind schnelle und mit guter Auflösung arbeitende Analysenmethoden gefragt. Als solche können nicht-invasive Bildgebungsverfahren betrachtet werden, bei welchen das Objekt mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung untersucht wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Detektion und Quantifizierung von Nanomaterialien in Lebensmitteln. Um Aussagen über die Migration und die Verteilung von Nanomaterialien zwischen z. B. Verpackungsmaterial und Lebensmitteln zu treffen, sind schnelle und mit guter Auflösung arbeitende Analysenmethoden gefragt. Als solche können nicht-invasive Bildgebungsverfahren betrachtet werden, bei welchen das Objekt mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung untersucht wird. Derartige zerstörungsfreie Anwendungen haben den Vorteil, dass 3D Strukturen errechnet werden können, was eine vereinfachte und verständigere Ergebnisdarstellung ermöglicht.
Stand der Technik
Bildgebung erlaubt die Darstellung von multi-dimensionalen und multi-parameter Daten. Sie wird auch immer mehr zur Messung von Konzentration, Gewebe- und Oberflächenbechaffenheit (Hood et al., Science 306 2004 640-3.) verwendet. Hierbei ist festzustellen, dass die räumliche Auflösung als auch die Datenaufnahmerate immer mehr zunehmen. Die digitale Bildbearbeitung unterstützt dabei Anfertigung von Modellen als auch Validierungsstrategien und kann zur Darstellung von 3D Daten dienen. Eine Art der Datenaquise ist die Optische Kohärenztomographie (OCT). Diese berührungsfreie Methode wird bereits in biomedizinischen Diagnosesystemen verwendet (Chronakis et al., Int J Adv Manuf Technol 47 2010 963).
Eine Weiterentwicklung der OCT ist die Fourier domain OCT (FD-OCT), welche einen Einblick in die Dynamik biologischer Systeme geben kann. (Koch et al, J Biomed Opt 143 2009 034027). Gold Nanopartikel weisen interessante optische Eigenschaften auf. Daher werden sie unter anderem in Kombination mit OCT Verfahren in biomedizinischen Diagnosesystemen eingesetzt (Ungureanu et al., J Appl Phys 105 2009 102032; Sokolov et al., CANCER RES 63 2003 1999; Argawal et al., JBO 11 2006 04112). Kah et al. (JBO 14 2009 054015; APPL OPT 48 2009 D96) berichtet die Verwendung von Gold Nanoshells in in vivo Maus Experimenten, um einen besseren Kontrast bei OCT Bildgebungsverfahren zu erreichen. Weiterhin wurden die guten Kontrasteigenschaften von Gold nanoshells und Titandioxid Nanopartikeln für in vivo Untersuchungen von Hautgewebe mittels OCT genutzt (Kirillin et al., JBO 14 2009 021017). Zagaynova et al. berichtet (Phys Med Biol 53 2008 4995) die Verwendung von Silika-gold nanoshells mit einem 150 nm Silikakern und einer 25 nm dicken Goldschicht als OCT Kontrastagenz in in vivo Hasentests. Gold nanocages (< 40 nm) mit einem Oberflächenplasma-Resonanzpeak von ca. 800 nm, einer Wellenlänge, welche bei der OCT verwendet wird, wurden als Kontrastagenzien für optical imaging Methoden für z. B. spezifische Untersuchungen von Brustkrebszellen vorgeschlagen (Chen et al., Nano Lett 5 2005 473).
Oh et al. (Lasers Surg Med 39 2007 266) berichteten eine neue Methode zur Untersuchung vom Makrophagen mittels Superparamagnetischer Eisenoxid (SPIO) Nanopartikel. Als Analysenmethode kam hier eine Kombination von differentieller Phase Optische Kohärenztomographie (DP-OCT) mit einem externen oszillierendem Magnetfeld zum Einsatz. Weitere biomedizische Analysemethoden, welche auf die optischen Eigenschaften von Nanopartikeln aufbauen sind z. B. kohärente konfokale Mikroskopie (Davis et al., J Opt Soc Am A 25 2008 2102), Magnetische Kernspin Bildgebung MRI (Kim et al., Lasers Surg Med 40 2008 415; Monziols et al., Magn Resonance Imag 23 2005 745; Ramaswamy et al., TISSUE ENGIN Part A 15 2009 3899) oder gyromagnetische Bildgebung (Wei et al., JACS VOL. 131 2009 9728). Mehta et al. (J FOOD SCI 74 2009 E455) berichtet die Verwendung von Ultraschall zur online Qualitätssicherung in der Backwarenindustrie.
Die Verwendung nicht-invasiver Messmethoden ist in medizinischen Anwendungen weit verbreitet und findet mehr und mehr Einzug in die Materialwissenschaften. Die Verwendung von Kontrastagenzien hat zur erheblichen Verbesserung der Auflösung geführt. Der Einsatz von nicht-invasiven Messmethoden zur Detektion von Nanomaterialien in Lebensmitteln ist nicht bekannt. Hier ist die derzeitige maximale axiale Auflösung dieses Methoden meist der limitierende Faktor. Der Einsatz von Kontrastagenzien wie sie in der medizinischen Analytik verwendet werden, kann zu einer verbesserten Auflösung beitragen. Solche Kontrastagenzien können z. B. Nano-Goldshells oder andere in biomedizische Analysemethoden verwendete Nanopartikel sein. Unter Verwendung von Kontrastreagenzien können bequem nicht-invasive Messmethoden zur Detektion von Nanomaterialien in Lebensmitteln entwickelt werden. Derlei Messmethoden stellen eine erhebliche Verbesserung in Bezug auf Qualitätssicherung und Konsumentensicherheit dar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, gegenwärtige Messmethoden, die auf der Zerstörung der zu untersuchenden Lebensmittel basieren, zu ersetzen. Die einfache Analyse und Darstellung der Verteilung von Nanomaterialien in Lebensmitteln trägt zur Sicherung von Gesundheit und der Einhaltung von Qualitätsstandards bei. Die Anwendung nicht-invasiven Bildgebungsverfahren verringert die Umfang aufwendiger Präperationsmethoden, die Notwendigkeit hochspezialisierter Fachkräfte und komplizierter Protokolle.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein nicht-invasives Verfahren zur Analyse der Verteilung von Nanopartikeln in Lebensmitteln.
Da die derzeitigen nicht-invasiven Verfahren eine begrenzte axiale Auflösung haben, muss in erster Linie ein Methode erarbeitet werden, welche die Detektion von Nanomaterialien in Lebensmitteln erlaubt.
Zur Kontrast- und Auflösungsverbesserung können Kontrastreagenzien eingesetzt werden. Durch die Kombination der NIR laser OCT Methode mit nanoshell Partikeln, welche ein Plasmonresonanz bei 800 nm aufweisen, erlaubt die Entwicklung von invasiven Verfahren zur Untersuchung von Nanopartikeln in Lebensmitteln.
Die OCT Methode hat sich besten bewährt, was die Analyse von komplexen Geometrie angeht. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Aufwandt betreffs der Probenpräparation, so dass eine on-line Implementierung in Produktionslinien einfach ist. Hier kommt ein weiterer Umstand zum tragen. Die Messapparatur muss sich nicht notgedrungen in unmittelbarer Nähe zum Analyten befinden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die nicht-invasiven Verfahren auf z. B. US, MRT, PET aber auch XRD Methoden basisieren.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden.
Ausführungsbeispiel 1:
Zu Untersuchungs-/Kalibrierungszwecken wird ein Stück Käse mit gold shell Dispersionen bestimmter Konzentrationen über eine bestimmte Zeit behandelt. Die Anreicherung der Goldpartikel im Käse wird mit Hilfe der OCT analysiert. Nun kann auf Abhängigkeiten zwischen Dispersionskonzentration und Partikelkonzentration im Käse untersucht werden. Um ein mit Nanopartikeln bestücktes Verpackungsmaterial zu imitieren, kann eine mit gold shells beschichtete Folie verwendet werden. Diese wird mit einem Stück Käse in Kontakt gebracht und die Konzentration der Goldpartikel sowohl im Käse als auch an der Folie mittels OCT untersucht. Durch die Darstellung der Ergebnisse in 3D Bildern können nicht nur Aussagen zum Ausmaß der Partikelanreicherung/-abreicherung getroffen werden, sondern auch die räumliche Verteilung in leicht verständlichem Masse dargestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hood et al., Science 306 2004 640-3. [0002]
Chronakis et al., Int J Adv Manuf Technol 47 2010 963 [0002]
Koch et al, J Biomed Opt 143 2009 034027 [0003]
Ungureanu et al., J Appl Phys 105 2009 102032 [0003]
Sokolov et al., CANCER RES 63 2003 1999 [0003]
Argawal et al., JBO 11 2006 04112 [0003]
Kah et al. (JBO 14 2009 054015; APPL OPT 48 2009 D96) [0003]
Kirillin et al., JBO 14 2009 021017 [0003]
Zagaynova et al. berichtet (Phys Med Biol 53 2008 4995) [0003]
Chen et al., Nano Lett 5 2005 473 [0003]
Oh et al. (Lasers Surg Med 39 2007 266) [0004]
Davis et al., J Opt Soc Am A 25 2008 2102 [0004]
Kim et al., Lasers Surg Med 40 2008 415 [0004]
Monziols et al., Magn Resonance Imag 23 2005 745 [0004]
Ramaswamy et al., TISSUE ENGIN Part A 15 2009 3899 [0004]
Wei et al., JACS VOL. 131 2009 9728 [0004]
Mehta et al. (J FOOD SCI 74 2009 E455) [0004]

Claims

Verfahren zur Analyse der Verteilung von Nanopartikeln in Lebensmitteln umfassend eine nicht invasive Detektion basierend auf Reflektion, Streuung, Brechung oder anderen Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit Nanomaterie.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht invasive Detektion mittels Methoden, welche auf die Nutzung elektromagnetischer Strahlung zurückgreift, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontraststeigerung durch optische Aktivität der zu detektierenden Nanomaterialien erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelkonzentration in Abhängigkeit einer Dispersionskonzentration bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine on-line Implementierung in Produktionslinien erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine software gestützte Bildgebung die Darstellung der Nanomaterialienverteilung in 2-/3-D Bildern ermöglicht.
Verfahren nach einem die vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht invasiven Detektion nachfolgend eine invasive Detektion erfolgt.