Englische Übersetzung des Titels: Continuous, reagent-free glucose monitoring

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Abstract

Die häufige Überwachung der Glucosekonzentration kann sowohl akute Risiken als auch Langzeitkomplikationen für Patienten mit Diabetes mellitus, einer Störung des Glucosemetabolismus, verringern. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz einer minimal-invasiven, kontinuierlichen Glucosebestimmung nutzt die Spektroskopie molekularer Schwingungen und macht dabei von der hohen Sensitivität und Selektivität der reagensfreien, fasergebundenen Transmissionsspektroskopie im mittleren infraroten Spektralbereich Gebrauch. Quantenchemische Simulationen konnten unter Verwendung von effektiven Fragmentpotentialen den Einfluss des Solvationsprozesses auf die Schwingungsspektren von Glucose beschreiben und für den Fall von 80 gemittelten Einzelspektren mit jeweils 18 umgebenden Wassermolekülen eine sehr gute Korrelation mit experimentellen Daten (R=0,941) erzielen. In Laborversuchen wurde bei Messreihen an wässrigen Testlösungen auf der Basis eines Quantenkaskadenlasers bei einer Emissionswellenlänge von 9,69µm und eines speziell entworfenen faseroptischen Sensors eine rauschäquivalente Vorhersagegenauigkeit von 0,6mg/dL bei einer Integrationszeit von 4s erreicht. Durch diese Ergebnisse konnte erstmals und sehr deutlich die in-vitro-Machbarkeit im Kern des Ansatzes belegt werden. Die Experimente wurden flankiert von Untersuchungen zu potenziellen Störsubstanzen und Maßnahmen zur Erhöhung der Biokompatibilität des Fasersensors. Die in-vivo-Tauglichkeit eines subkutan implantierten Sensors konnte schließlich in ersten Versuchsreihen demonstriert werden.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

The frequent control of glucose concentration can reduce short-term risks and long-term complications for patients with diabetes mellitus, a disorder of glucose metabolism. The approach of minimally invasive, continuous glucose monitoring presented in this work employs the spectroscopy of molecular vibrations and makes use of the high sensitivity and selectivity of reagent-free, fiber-based transmission spectroscopy in the mid-infrared spectral region. Quantum chemical simulations described the impact of the solvation process onto the vibrational spectrum of glucose using effective fragment potentials. For an averaging over 80 single spectra with 18 surrounding water molecules each, a very good correlation with experimental data (R=0.941) was established. In-vitro measurements with aqueous solutions utilized a quantum cascade laser at an emission wavelength of 9.69µm and a specially designed fiber optical sensor to achieve a noise-equivalent concentration as low as 0,6mg/dL with an integration time of 4s. For the first time, the results could clearly show the in-vitro feasibility of the approach. The experiments were accompanied by investigations regarding potentially interfering substances and means to improve the biocompatibility of the fiber sensor. The in-vivo suitability of a subcutaneously implanted sensor could finally be demonstrated in first measurements.