Wissenschaftliches Profil

Die Technologiegruppe Sensorsysteme und Systemintegration verfolgt zwei Aufgaben.
Zum einen erforscht sie neue optische Sensorkonzepte für Fragestellungen aus den Bereichen Medizin, Gesundheit, Umwelt sowie Sicherhgeit und entwickelt etablierte Sensorkonzepte weiter. Beispiele hierfür sind:

• die Erforschung neuartiger, effizienter Beleuchtungskonzepte in der Raman-Spektroskopie zur schnellen Untersuchung großer Gewebeproben,

• die Erforschung von hochauflösenden 3D-Bildgebungsverfahren für Centimeter große Proben,

• die Entwicklung und Diskussion besonders kompakter konfokaler Raman-Mikrospektrometer mit herausragenden Signaleigenschaften und

• die Erforschung neuer Ansätze der Multiparameterdiagnostik.

Zum anderen unterstützt die Technologiegruppe andere Forscher:innen des Leibniz-IPHTs und ihre Partner direkt mit speziellen optischen und automatischen Lösungen bei der Beantwortung ihrer Fragestellungen. Die schnelle Zurverfügungstellung von angepassten Spezial-Werkzeugen hilft bei Forschungsaufgaben, kostengünstig und reproduzierbar auch große Probenmengen zu verarbeiten und so neue Ergebnisqualitäten zu erreichen. Beispiele hierfür sind:

• eine optische Bildgebung von Organismen direkt am Kryostaten eines Mikrotoms mit zugehöriger Auswertungssoftware,

• die Entwicklung eines kompakten tragbaren konfokalen Raman Mikroskops für die vor Ort Versorgung (Point-of-Care),

• der Aufbau eines automatischen Raman-Probenscanners für 96-Well-Platten,

• Beratung bei Fragestellungen zum optischen Systemdesign und

• die Unterstützung bei der Vervielfältigung und beim Transfer von Laboraufbauten in relevante Forschungsumgebungen.

Durch den engen Kontakt mit den Forscher:innen des Leibniz-IPHTs und ihren Partnern sieht sich die Technologiegruppe mit einer wachsenden Zahl an Aufgaben und interessanten Fragestellungen konfrontiert und kann daher immer wieder interessante Themen für Abschlussarbeiten aus den Bereichen: Physik, angewandter Physik, Photonik, optischer Technik, physikalischer Chemie oder vergleichbaren Disziplinen anbieten. 

Forschungsthemen

3D-Bildgebungsverfahren für große Proben

Die hochauflösende Bildgebung von Centimeter großen und dicken Proben ist eine Herausforderung, da Licht diese kaum zu durchdringen vermag. Der Schichtweise Abtrag in Kombination mit systematischer 2D-Bildgebung kann eine Lösung für optisch und mechanisch heterogenes Material sein [1]. Ein starker Hintergrund von defokussiertem Licht reduziert jedoch Kontraste gerade in der Fluoreszenzmikroskopie deutlich. Wir entwickeln an Verfahren zur Unterdrückung dieses Hintergrundes, mit dem Ziel zellulärer Auflösung in Centimeter Tiefe.

[1] Foo W, Wiede A, Bierwirth S, Heintzmann R, Press AT, Hauswald W. Automated multicolor mesoscopic imaging for the 3-dimensional reconstruction of fluorescent biomarker distribution in large tissue specimens. Biomed Opt Express. 2022;

Lichtschicht-Raman-Mikrospektroskopie

Konfokale Raman-Mikroskopie ist in der Lage färbungsfrei Bilder mit interessanten biochemischen Kontrasten zu erzeugen. Geringe Raman-Streuquerschnitte der Probe führen jedoch zu Belichtungszeiten im Sekundenbereich von einzelnen Bildpunkten. Wir entwickeln effiziente Beleuchtungskonzepte welche die Bildgebung deutlich beschleunigen werden [2].

[2] Hauswald W, Förster R, Popp J, Rainer Heintzmann. Thermal illumination limits in 3D Raman microscopy : A comparison of different sample illumination strategies to obtain maximum imaging speed. PLoS One. 2019;14: 1–17. doi:10.1371/journal.pone.0220824

POC Raman

Am Leibniz-IPHT werden verschiedene diagnostische Assays entwickelt, welche mit konfokalen Raman-Mikroskopen ausgelesen werden. Da jedoch Größe, Stabilität und Preis dieser Instrumente einer breiten Anwendung dieser Assays im Wege stehen, entwickeln wir spezialisierte konfokale Raman-Spektrometer welche bei hoher Signalqualität kompakt, stabil und transportabel sind [3].

[3] Jahn IJ, Grjasnow A, John H, Weber K, Popp J, Hauswald W. Noise Sources and Requirements for Confocal Raman Spectrometers in Biosensor Applications. Sensors. 2021;21: 1–20. doi:10.3390/s21155067

Markierungsfreie, multimolekulare Interaktionsassays

Ein Biosensor hat die Aufgabe, Biomoleküle spezifisch und empfindlich nachzuweisen. Bei herkömmlichen Ansätzen werden ausgewählte Zielmoleküle an komplementäre Fängermoleküle gebunden und die erfolgreiche Bindung wird durch eine zusätzliche Markierung angezeigt. Dies erfordert jedoch zusätzliche, auf die Anwendung zugeschnittene Verarbeitungsschritte. Im Gegensatz dazu gibt es zahlreiche markierungsfreie Interaktionsassays, doch sind diese oft mit Kompromissen bei den Nachweiseigenschaften verbunden. Wir haben einen neuartigen diffraktometrischen Biosensor entwickelt, der auf zusätzliche Färbung verzichtet und mit seiner optischen Leseeinheit parallel diffraktive Biosensorchips quantitativ auslesen kann [4].

[4] to be published soon

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