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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Halten eines lebenden Objektes bei physiologischen Messungen mit einem Basiselement und Mitteln zum Arretieren des lebenden Objektes, die atraumatische Ohrenhalter sowie ein Mundstück aufweisen, das mit einer Aussparung für die Zähne des Lebewesens versehen ist, mit einem Masseanteil von wenigstens 95% an glasfaserverstärktem Kunststoff.
Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.
Sensitive and rapid detection of cholera toxin subunit B using magnetic frequency mixing detection
(2019)
Cholera is a life-threatening disease caused by the cholera toxin (CT) as produced by some Vibrio cholerae serogroups. In this research we present a method which directly detects the toxin’s B subunit (CTB) in drinking water. For this purpose we performed a magnetic sandwich immunoassay inside a 3D immunofiltration column. We used two different commercially available antibodies to capture CTB and for binding to superparamagnetic beads. ELISA experiments were performed to select the antibody combination. The beads act as labels for the magnetic frequency mixing detection technique. We show that the limit of detection depends on the type of magnetic beads. A nonlinear Hill curve was fitted to the calibration measurements by means of a custom-written python software. We achieved a sensitive and rapid detection of CTB within a broad concentration range from 0.2 ng/ml to more
than 700 ng/ml.
In modern bioanalytical methods, it is often desired to detect several targets in one sample within one measurement. Immunological methods including those that use superparamagnetic beads are an important group of techniques for these applications. The goal of this work is to investigate the feasibility of simultaneously detecting different superparamagnetic beads acting as markers using the magnetic frequency mixing technique. The frequency of the magnetic excitation field is scanned while the lower driving frequency is kept constant. Due to the particles’ nonlinear magnetization, mixing frequencies are generated. To record their amplitude and phase information, a direct digitization of the pickup-coil’s signal with subsequent Fast Fourier Transformation is performed. By synchronizing both magnetic beads using frequency scanning in magnetic frequency mixing technique magnetic fields, a stable phase information is gained. In this research, it is shown that the amplitude of the dominant mixing component is proportional to the amount of superparamagnetic beads inside a sample. Additionally, it is shown that the phase does not show this behaviour. Excitation frequency scans of different bead types were performed, showing different phases, without correlation to their diverse amplitudes. Two commercially available beads were selected and a determination of their amount in a mixture is performed as a demonstration for multiplex measurements.
The movement of magnetic beads due to a magnetic field gradient is of great interest in different application fields. In this report we present a technique based on a magnetic tweezers setup to measure the velocity factor of magnetically actuated individual superparamagnetic beads in a fluidic environment. Several beads can be tracked simultaneously in order to gain and improve statistics. Furthermore we show our results for different beads with hydrodynamic diameters between 200 and 1000 nm from diverse manufacturers. These measurement data can, for example, be used to determine design parameters for a magnetic separation system, like maximum flow rate and minimum separation time, or to select suitable beads for fixed experimental requirements.
For performing point-of-care molecular diagnostics, magnetic immunoassays constitute a promising alternative to established enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) because they are fast, robust and sensitive. Simultaneous detection of multiple biomolecular targets from one body fluid sample is desired. The aim of this work is to show that multiplex magnetic immunodetection based on magnetic frequency mixing by means of modular immunofiltration columns prepared for different targets is feasible. By calculations of the magnetic response signal, the required spacing between the modules was determined. Immunofiltration columns were manufactured by 3D printing and antibody immobilization was performed in a batch approach. It was shown experimentally that two different target molecules in a sample solution could be individually detected in a single assaying step with magnetic measurements of the corresponding immobilization filters. The arrangement order of the filters and of a negative control did not influence the results. Thus, a simple and reliable approach to multi-target magnetic immunodetection was demonstrated.
In der Abschlussarbeit „FILOS“ wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) ein Front-End für das laserbasierte Osteotom STELLA entwickelt. STELLA soll Kraniotomie (das Eröffnen des Schädels) im wachen Zustand ermöglichen und erfordert eine benutzerfreundliche Bedienungsplattform sowie ein funktionales und ästhetisches Design. Das Ziel von „FILOS“ war es, ein Gehäuse zu entwerfen, das den medizinischen Anforderungen entspricht, und ein Bedienkonzept zu entwickeln, dass die Akzeptanz bei Patient:innen und Anwender:innen fördert. Durch Expert:innen-Interviews mit Neurochirurg:innen und enge Zusammenarbeit mit dem ILT wurde ein durchdachtes Design entwickelt. Dieses soll den Anforderungen der Anwender:innen gerecht werden, das zukünftige Operationssystem repräsentieren und somit einen Mehrwert in der Medizin schaffen.
With the prevalence of glucosamine- and chondroitin-containing dietary supplements for people with osteoarthritis in the marketplace, it is important to have an accurate and reproducible analytical method for the quantitation of these compounds in finished products. NMR spectroscopic method based both on low- (80 MHz) and high- (500–600 MHz) field NMR instrumentation was established, compared and validated for the determination of chondroitin sulfate and glucosamine in dietary supplements. The proposed method was applied for analysis of 20 different dietary supplements. In the majority of cases, quantification results obtained on the low-field NMR spectrometer are similar to those obtained with high-field 500–600 MHz NMR devices. Validation results in terms of accuracy, precision, reproducibility, limit of detection and recovery demonstrated that the developed method is fit for purpose for the marketed products. The NMR method was extended to the analysis of methylsulfonylmethane, adulterant maltodextrin, acetate and inorganic ions. Low-field NMR can be a quicker and cheaper alternative to more expensive high-field NMR measurements for quality control of the investigated dietary supplements. High-field NMR instrumentation can be more favorable for samples with complex composition due to better resolution, simultaneously giving the possibility of analysis of inorganic species such as potassium and chloride.
Electronic cigarettes (e-cigarettes) have become popular worldwide with the market growing exponentially in some countries. The absence of product standards and safety regulations requires urgent development of analytical methodologies for the holistic control of the growing diversity of such products. An approach based on low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) at 80 MHz is presented for the simultaneous determination of key parameters: carrier solvents (vegetable glycerine (VG), propylene glycol (PG) and water), total nicotine as well as free-base nicotine fraction. Moreover, qualitative and quantitative determination of fourteen weak organic acids deliberately added to enhance sensory characteristics of e-cigarettes was possible. In most cases these parameters can be rapidly and conveniently determined without using any sample manipulation such as dilution, extraction or derivatization steps. The method was applied for 37 authentic e-cigarettes samples. In particular, eight different organic acids with the content up to 56 mg/mL were detected. Due to its simplicity, the method can be used in routine regulatory control as well as to study release behaviour of nicotine and other e-cigarettes constituents in different products.
Several unconnected laboratory experiments are usually offered for students in instrumental analysis lab. To give the students a more rational overview of the most common instrumental techniques, a new laboratory experiment was developed. Marketed pain relief drugs, familiar consumer products with one to three active components, namely, acetaminophen (paracetamol), acetylsalicylic acid (ASA), and caffeine, were selected. Common analytical methods were compared regarding the performance of qualitative and quantitative analysis of unknown tablets: UV–visible (UV–vis), infrared (IR), and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopies, as well as high-performance liquid chromatography (HPLC). The students successfully uncovered the composition of formulations, which were divided into three difficulty categories. Students were shown that in addition to simple mixtures handled in theoretical classes, the composition of complex drug products can also be uncovered. By comparing the performance of different techniques, students deepen their understanding and compare the efficiency of analytical methods in the context of complex mixtures. The laboratory experiment can be adjusted for graduate level by including extra tasks such as method optimization, validation, and 2D spectroscopic techniques.