Analyse von Gemischen (miszellarer Systeme) mit Origin

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Die Analyse der Bestandteile organischer und anorganischer Substanzen stellt eines der zentralen Gebiete der biologischen, chemischen oder medizinischen Forschung dar. Durch das Verfahren der Trennung und Analyse von Gemischen durch die Zentrifugation einer Lösung bei hoher Geschwindigkeit, auch als analytische Ultrazentrifugation bezeichnet, gelingt es, die unterschiedlichen Substanzen in einer Lösung zu charakterisieren und Aufschlüsse über die Stoffanteile verschiedener Lösungen zu gewinnen.

Dieses Verfahren besitzt gegenüber anderen Methoden der Kolloidanalytik den Vorteil, Gemische exakt voneinander trennen zu können und dabei auch Teilchen unter einer Größe von 30nm herauszufiltern. So ist es z. B. bei der Untersuchung einer Blutprobe im Gegenteil zu anderen Verfahren, wie z. B. der Elektronenmikroskopie, möglich, nicht nur Ausschnitte, sondern gesamte Probenvolumen zu analysieren. Dies erlaubt die Ermittlung der genauen Verteilungsverhältnisse flüssiger und fester Bestandteile des Blutes.

Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm werten zur Erforschung von Gemischen Proben mit Hilfe des Geschwindigkeitslaufes aus. Durch die extreme Beschleunigung einer Lösung in der Zentrifuge erfolgt die Trennung der Teilchen voneinander. Die einzelnen Teilchen sondern sich in Schichten voneinander ab. Anhand dieser Sedimentation kann die Geschwindigkeit der einzelnen Stoffanteile in der Lösung, die durch die unterschiedliche Schwere der Teilchen entsteht, mit optischen Methoden erfaßt werden. Es können verschiedene Teilchenparameter aus den Sedimentationsschichten ermittelt werden. Das Zentrifugieren einer Probe in zwei unterschiedlichen, aber chemisch äquivalenten Lösungsmitteln ermöglicht außerdem das Ablesen der Teilchendichteverteilung.

Die statistische Analyse und Visualisierung der gemessenen Eigenschaften erfordert das Einlesen der Daten in eine Software. Es sollen verschiedene Aufgaben bewältigt werden:

• Definition eines eigenen Importfilters zum Einlesen der Rohdaten aus der Ultrazentrifugation
• Automatisierung der Abläufe und Erstellung einer benutzerdefinierten Oberfläche zur Vereinfachung der Arbeitsabläufe
• Berechnung der Sedimentationskoeffizientenverteilung
• Glätten der Daten mit FFT oder Splines
• Berechnung der Teilchengrößenverteilung, Abspeichern in integraler und differenzierter Form
• Erstellung eines Graphen zur Teilchendichteverteilung (r/T)
• Erstellung einer Layoutseite zur Dokumentation des Graphen und der Messdaten.

Origin, das System zur Visualisierung, Analyse und Präsentation von Daten, stellt bei der Bewältigung der Analyse eine umfassende Lösung dar. Es erlaubt neben der Erstellung eines eigenen Importfilters und der Bearbeitung der Daten durch zahlreiche mathematische Funktionen die Automatisierung von Abläufen mittels der C-ähnlichen Programmiersprache LabTalk. Über ein Origin-Makro, entwickelt von Helmut Coelfen und Kristian Schilling am Max-Planck-Institut, werden Arbeitsschritte der Analyse automatisiert und die Berechnung der Daten über individuell programmierte Windows-Buttons benutzerfreundlich gesteuert.

Nach dem Einlesen der Rohdaten wird die Verteilung des Sedimentationskoeffizienten berechnet. Danach erfolgt die Glättung der Werte mit Hilfe des eingebauten FFT-Filters in Origin oder mit einer Splinefunktion, die mittels einer externen DLL eingebunden werden kann, bearbeitet.

Die Ergebnisse der Teilchengrößenverteilung werden in eigenen Worksheets abgespeichert. Neben der Bildung eines Mittelwerts des Sedimentationskoeffizienten erfolgt die Weiterverarbeitung der Werte mit Origins mathematischen Funktionen: Verschiedene Normierungsverfahren, Mittelwertbildung, Gauss-fit usw.

Über benutzerdefinierte Buttons wird aus den Worksheets zur Teilchengrößenverteilung der Graph zur Verteilung der Teilchendichte dargestellt. Zur Formatierung des Graphen bietet Origin weitere Menüfunktionen, wie eine Achsendialogbox, verschiedene Graph-Typen, die Möglichkeit zur Formatierung der Beschriftung etc. Alle relevanten Daten der Analyse sind imund exportierbar. Die Ergebnisse und Graphen können in einer Layoutseite zur Dokumentation oder Präsentation zusammengefaßt werden.