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Wissenschaftliches Profil
Die Forschungsabteilung fokussiert sich auf die Erforschung, Entwicklung und Umsetzung innovativer optisch/photonischer Verfahren und Werkzeuge für die multiskalige Spektroskopie sowie multimodale Bildgebungsverfahren zusammen mit partikel- und chipbasierten molekularen Point-of-Care-Konzepten für die Analytik, Diagnostik und Therapie in den Bereichen Medizin, Lebens- und Umweltwissenschaften, Qualitäts- und Prozessanalytik sowie Pharmazie. Die Implementierung neuartiger Faserkonzepte für die Spektroskopie und Bildgebung als auch die fasergestützte Sensorik, Strategien für spektroskopische Hochdurchsatzmessungen, sowie feldaufgelöste optische Präzisionsmessverfahren eröffnen neue analytische Anwendungsfelder. Der Einsatz oberflächenverstärkender Raman- und IR-Detektionsverfahren zur Steigerung der Sensitivität spektroskopischer Methoden runden das Forschungsprofil der Abteilung ab. Generell verfolgt die Forschungsabteilung das Ziel, die gesamte Analysemesskette abzudecken, wobei dezentral und laborunabhängig einsetzbare Probenvor- und Aufbereitungsmethoden untersucht und in den gesamten Workflow implementiert werden. Entscheidend ist dabei die Entwicklung entsprechender Steuerungs- und Auswertungssoftware im eigenen Haus, die die Automatisierung vorantreibt und eine fortschrittliche diagnostische Photonik ermöglicht. So können wir die Datenanalyse mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens optimieren und automatisieren.
Getreu dem Motto des Instituts „From Ideas to Instruments“ streben wir die Translation unserer Forschungsergebnisse in marktreife Lösungen an. Das MediCARS-Gerät ermöglicht eine schnelle Gewebediagnostik und liefert Chirurgen innerhalb weniger Minuten hochauflösende, multimodale Bilder, um das Verständnis der Erkrankung zu verbessern. Das kompakte, anpassungsfähige System lässt sich nahtlos in jeden Operationssaal integrieren und liefert klinisch relevante Echtzeit-Erkenntnisse, beispielsweise zur präzisen Tumorranderkennung. Die Raman2GoTM-Plattform repräsentiert unser umfangreiches Wissen und unsere Expertise in der Entwicklung kompakter und benutzerfreundlicher Raman-Mikroskope für die In-vitro-Zelldiagnostik und zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad aus. In Verbindung mit dem RamanBioAssayTM – einem kompletten „Sample-to-Answer“-Workflow – ermöglichen unsere integrierten Probenaufnahmeeinheiten Studien zu Wechselwirkungen zwischen Medikamenten, wie sie beispielsweise bei Antibiotika-Empfindlichkeitstests häufig durchgeführt werden. Darüber hinaus untersucht der RamanCellAssayTM Zellen, die mit einer Reihe von Krankheitsbildern in Verbindung stehen, und liefert wertvolle Erkenntnisse für das Verständnis von Krankheiten und die Entwicklung potenzieller Therapien.
Design eines miniaturisierten Raman-Systems
Kompaktes multimodales nichtlineares Mikroskop für die intraoperative Schnellschnittdiagnostik
Dielektrophoretischer Chip mit 20 Kavitäten für die Raman-basierte Pathogendiagnostik und deren Resistenzbestimmung
Forschungsthemen
- Methodische Entwicklung von molekularem und funktionellem Kontrast-Mechanismen
- Raman / multimodale Instrumentierung für biomedizinische Fragestellungen; Implementierung bildgebender Verfahren in kompakte Systeme; mixed- and augmented Reality;
- Erforschung und Realisierung von miniaturisierten kostengünstigen Raman-Systemen
- Raman-spektroskopische Charakterisierung und Identifizierung von Pathogenen und deren Antibiotikaresistenzen (RamanBioAssay)
- Implementierung von spektraler Sensorik, Mikrofluidik, optische Fasern, Chip- und Nanopartikelbasierten Konzepten in kompakte miniaturisierte Setups;
- Forschung zu vor Ort und laborunabhängigen Probenvorbereitungs- und Behandlungsstrategien als wesentliche Werkzeuge für den Erfolg neuer Detektionssysteme und -methoden zur Abdeckung der gesamten Analysekette;
- Forschungsaktivitäten zu oberflächenverstärkten Detektionsverfahren zur Erhöhung der Empfindlichkeit spektroskopischer Methoden für biowissenschaftliche Fragestellungen ;
- Hochsensible Raman-Gassensoren zur Untersuchung von Umweltfragen;
- Untersuchung neuartiger Hohlkernfasern für hochsensible Anwendungen Raman Sensoren;
- Mustererkennung, multivariate und hyperspektrale Datenanalyse (Datenvisualisierung, -verarbeitung); Gerätesteuerung.
Die Suche nach neuen molekularen und funktionalen Kontrastmechanismen, deren Implementierung in innovative spektraloptische Verfahren und die darauf aufbauende Instrumentierung sind eine zentrale Herausforderung. Hierbei werden zwei komplementäre Ansätze verfolgt: Während ein Top-down-Ansatz auf der Basis physikalischer Messmethoden zur Spezifitäts- und Sensitivitätssteigerung herangezogen werden kann, stellt die Erforschung, Entwicklung und Integration von innovativen Markern und Labeln einen Bottom-up-Ansatz zur chemischen Kontrastierung dar.
Die Erforschung, Entwicklung und Implementierung von innovativen Technologien und Verfahren zielen insbesondere darauf ab,
- die Krankheitsdiagnostik zu verbessern (qualitativ und quantitativ);
- tiefgehende Einblicke in die Dynamik von Lebensprozessen zu ermöglichen;
- neue Anwendungsfelder der optischen Technologien für biomedizinische, umwelt- und lebenswissenschaftliche Kooperationspartner erschließen.
Anwendungsbereiche
- Mikrobielle Photonische Diagnostik (Erreger / Wirt / companion)
- Infektionsdiagnostik
- Spektrale Histopathologie (Molekülspektroskopie, hochauflösend und hyperspektrale Bildgebung)
- Medizinische, Umwelt-, Pharma-, Lebensmittel- und Prozessanalytik
Arbeitsgruppen
Plasmonverstärkte Bioanalytik
Dr. Dana Cialla-May
Angewandte Biospektroskopie und Bioassays
Dr. Susanne Pahlow, Dr. Anuradha Ramoji
Feldaufgelöste optische Präzisionsmessverfahren
Prof. Dr. Ioachim Pupeza
Multimodale Instrumentierung
Prof. Dr. Iwan Schie