Forschungsprofil

Der Fokus der wissenschaftlichen Arbeit am Leibniz-IPHT liegt auf den Optischen Gesundheitstechnologien und orientiert sich an aktuellen medizinischen Fragestellungen und Bedarfen. Inhaltlich ist die Forschung in sechs Forschungsfelder untergliedert: Biomedizinische Mikroskopie und Bildgebung, Multiskalen-Spektroskopie, Ultrasensitive Detektion, Spezialfaseroptik, Nanoplasmonik sowie Bioanalytische und – medizinische Chip-Systeme. Sie alle haben Zugriff auf die am Institut vorhandenen Schlüsseltechnologien wie bspw. Mikro-/Nanotechnologie, Fasertechnologie, Systemtechnologie und Methoden der Künstlichen Intelligenz.

Forschungsfelder

Biomedizinische Mikroskopie/Bildgebung

Das Forschungsfeld Biomedizinische Mikroskopie/Bildgebung zielt auf eine Abbildung biomedizinischer Strukturen verschiedener Größenordnungen von RNA/DNA, Rezeptoren und Proteinen über Viren und Mikroorganismen bis hin zu Zellen, Gewebe und Organen ab. Dazu wird ein weitreichendes methodisches Portfolio von der multimodalen molekularen Bildgebung, der holographischen Faserendoskopie, der hochauflösenden Mikroskopie über die hyperspektrale und multispektrale Bildgebung bis hin zur Nahfeld- sowie bio- und geomagnetischen Bildgebung erforscht und weiterentwickelt hinsichtlich einer Optimierung und Verbesserung zentraler Parameter wie: örtliche Auflösung, Aufnahmegeschwindigkeit, molekulare Spezifität oder Eindringtiefe.

Multiskalen Spektroskopie

Die Multiskalen Spektroskopie zielt auf die Charakterisierung von Molekülen und Materialien über ein breites Spektrum an physikalisch/chemisch relevanten zeitlichen und räumlichen Skalen ab. Aufbauend auf der Kompetenz im Bereich der linearen und nicht-linearen Raman-Spektroskopie werden z. B. experimentelle Konzepte er-forscht, die es ermöglichen, Raman-Spektren einzelner Moleküle oder Fragmente von Biomakromolekülen zu erhalten und auszuwerten. Diesen Einzelmolekül-spektroskopischen Ansätzen stehen Arbeiten gegenüber, die eine Hochdurchsatz-Raman-Analytik mit dem Ziel einer markerfreien Zellsortierung etabliert haben. Ein anderes prominentes Beispiel für zeit-skalenübergreifende Spektroskopie ist die Charakterisierung elektronisch angeregter Zustände, die von 10 fs bis in den ms-Bereich hin erfolgt. Ebenso werden spektroskopische Methoden zur Materialcharaktersierung, bspw. photothermale De-flektionsspektroskopie, und Verfahren zur ultrasensitiven, z. B. faserverstärkten Spektroskopie entwickelt.

Ultrasensitive Detektion

Auf dem Gebiet der Ultrasensitive Detektion forscht das Leibniz-IPHT basierend auf MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems )-ähnlichen Techniken, an fortschrittlichen Mikro- und Nanotechnologien sowie Aufbau- und Verbindungstechnologien, an neuartigen photonischen Detektoren, Sensoren und Quantentechnologien für Anwendungen in den Bereichen Life Science, Medizin, Sicherheit und Umwelt mit einer Auflösung, die an der Grenze des physikalisch Möglichen liegt. Dadurch kann elektromagnetische Strahlung in einem weiten Spektralbereich von Mikrowellen bis hin zu Gammastrahlen selbst noch bei einzelnen Photonen (als kryogene Variante ) und speziell als Quantenmetamaterialien detektiert werden. Raumtemperatursensoren werden insbesondere für den IR- bis THz-Spektralbereich unter Verwendung neuer Materialien , ternären Legierungen oder topologischen Isolatoren erforscht und optimiert. Anwendung findet die Detektor- und Sensor-Technologie unter anderem in weltraumgestützten Instrumenten für die deutschen, europäischen, amerikanischen und japanischen Weltraumagenturen, in der IR-Spektroskopie (z. B. zur Ölüberwachung) oder in Sicherheitskameras.

Spezialfaseroptik

Das Forschungsfeld Spezialfaseroptik beschäftigt sich im Wesentlichen mit Fragestellungen aus dem Bereich der Faseroptik mit Spezialfasern und mit deren Applikationsfeldern. Spezialfasern weisen im Gegensatz zu herkömmlichen Glasfasern wesentlich erweiterte Eigenschaften auf, was neuartige Anwendungen ermöglicht. Im Einzelnen werden hybride Glasfasern, welche bspw. flüssige Kerne aufweisen können, mikrostrukturierte Fasern zur nichtlinearen Frequenzkonversion genutzt. Des Weiteren werden Fasern mit maßgeschneiderten Index- und Dotierungsprofilen zur Laserlichter-zeugung und -verstärkung oder für Holographie-basierte endoskopische Anwendungen mittels Lichtausbreitung in komplexen Medien verwendet. Daneben werden lokal strukturierte Fasern (z. B. durch Faser-Bragg-Gitter modifizierte Fasern) oder mit plasmonischen Nanopartikeln funktionalisierte Fasern im Bereich der Sensorik eingesetzt.  Weiterhin werden Spezialfasern für das Tracking und Einfangen von Mikro- und Nano-Objekten genutzt und insbesondere Hohlkernfasern für die Spektroskopie genutzt.

Nanoplasmonik

Das Forschungsfeld der Nanoplasmonik umfasst die Applikation von nanostrukturierten Substraten und Nanopartikeln, um Licht zu manipulieren, d. h. zu formen, zu fokussieren und zu verstärken und um Nanopartikel, Moleküle oder Molekül-basierte Strukturen zu manipulieren, zu detektieren und spektroskopisch zu analysieren. Es werden die optischen Eigenschaften von Nanostrukturen simuliert, um Substrate für die Plasmon-basierte Spektroskopie und Sensorik entwerfen und herstellen zu können, die Licht und Analyt in denselben Hotspots konzentrieren. Die verstärkten elektrischen Felder erhöhen die elektromagnetische Antwort des Analyten, d. h. seine Absorptions- oder Streueigenschaften, und ermöglichen so die Detektion und Spektroskopie kleinster Probenmengen . Speziell entwickelte Nanostrukturen ermöglichen es auch, die Probenmenge bei chiral-sensitiver Sensorik zu reduzieren. Die Strukturen können entweder auf Substraten angeordnet werden , die in Mikrofluidik-basierten Erfassungs- oder Spektroskopiesystemen integriert werden können, oder sie können auf strukturierten plasmonischen Fasern aufgebracht oder darin enthalten sein.

Bioanalytische und -medizinische Chipsysteme

Im Feld Bioanalytische und -medizinische Chipsysteme werden ganzheitliche Lösungsansätze verfolgt, die es ermöglichen, die gesamte Analysemesskette, von der integrierten Probenvorbereitung über Methodenentwicklungen auf der Basis mikro- und molekularbiologischer Assays zu Chip-basierten Ausleseplattformen bis hin zum diagnostisch relevanten Ergebnis, abzudecken. Insbesondere liegt ein Schwerpunkt auf der Erforschung und Anwendung verschiedenster molekularer und spektroskopischer Verfahren für die Detektion, die Epidemiologie und das Verständnis sowie die spektroskopische Charakterisierung von pathogenen Bakterien und deren Antibiotikaresistenzen ,  (u. a. ausgezeichnet mit dem 3. Platz des Berthold Leibinger Innovationspreises sowie mit dem Thüringer Forschungspreis 2019). Weiterhin werden mikrofluidische Systeme mit integrierten funktionalen Elementen , funktionale Nanopartikel-Arrays und Mikroarray-basierte Verfahren sowie eigens dafür entwickelte, zum Teil voll integrierte Plattformen und Systemlösungen erforscht. Diese Forschungsarbeiten decken die gesamte Breite vom bioinformatischen Assaydesign über Oberflächenchemie, Fertigung, Testentwicklung, spektraler Bildgebung bis hin zur Bild- und Datenauswertung sowie spezifischen Anwendungen ab. Zudem werden Strategien und Verfahren für die optimale Probenvorbereitung erarbeitet und in komplexe Abläufe implementiert. Die Forschungsarbeiten sind getrieben vom aktuellen medizinischen Bedarf und erfolgen fast immer in Kooperation mit medizinischen Einrichtungen und Firmen. Durch die Einbindung der hauseigenen Schlüsseltechnologien ist es möglich, innovative Konzepte zu miniaturisieren sowie in eine mikrofluidische Peripherie bis hin zu Kartuschen-Systemen zu integrieren.

Schlüsseltechnologien

Eine Reihe von Schlüsseltechnologien bilden die technologische Basis für die Forschungsfelder und sind zugleich ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal des Leibniz-IPHT. Die Fasertechnologie und die Mikro- und Nanotechnologie besitzen jeweils mit der Faserziehanlage bzw. dem Reinraum eine herausragende infrastrukturelle Ausstattung.

Fasertechnologie

Seit mehr als 30 Jahren erforscht und entwickelt das Leibniz-IPHT Materialien und Herstellungsverfahren für kieselsäurebasierte Glasfasern. Die traditionell enge Verzahnung von Forschung und Fertigung im eigenen Haus ermöglicht es uns, bei der Entwicklung und Herstellung innovativer Faserkonzepte an vorderster Front zu stehen und wissenschaftliche und industrielle Partner aktiv zu unterstützen. Kompetente Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Ingenieurinnen und Ingenieure sowie Laborantinnen und Laboranten arbeiten in der gesamten Prozesskette zur Herstellung komplexer Glasfaserstrukturen zusammen.

Das Leibniz-IPHT verfügt über eine die gesamte Fasertechnologie zur Herstellung von Glasfasern mit hochkomplexen Kernen abdeckende Infrastruktur, die europaweit zu den modernsten Forschungsanlagen für die Faseroptik zählt. Fasern können hier in einem weiten Parameterbereich mit Geschwindigkeiten bis zu 100 m pro Minute gezogen werden. Ausgehend von unterschiedlichen Faser-Preformen werden komplexe Faserstrukturen mit Strukturgrößen bis in den 100 nm-Bereich realisiert. Angepasste Online-Mess- und -Regeltechniken sichern eine hohe Faserqualität; flexible Module ermöglichen Mehrfach- wie auch Druckbeschichtungen der optischen Fasern. In Auftragsarbeiten für kommerzielle Partner werden jährlich ca. 40 km Spezialfasern gezogen, in Kooperation mit der Ausgründung FBGS (Fiber Bragg Gratings Solutions) des Leibniz-IPHT werden ca. 50 Faserzüge im Jahr realisiert. Gemeinsam mit dem benachbarten Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (Fraunhofer-IOF) betreibt das Leibniz-IPHT ein Faserkompetenzzentrum, das im Rahmen öffentlich geförderter Verbundprojekte von externen Partnern genutzt werden kann.

Mikro- und Nanotechnologie

Im Reinraum des Kompetenz-Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien des Leibniz-IPHT werden Dünnschichtsensoren und Mikrostrukturen aus Materialien wie Gold, Silber, Niob, Titan oder Glas sowie spezielle Techniken für mikrofluidische Bauelemente erforscht und entwickelt. Die Stärke besteht darin, eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungsansätze für immer kompaktere, integrierte, multifunktionale Sensor- und Detektordesigns für Anwendungen in der Strahlungssensorik und der Biophotonik anbieten zu können. Dazu werden mit Hilfe von Top-down-Verfahren Nanostrukturen auf Waferlevel erzeugt. Bottom-up-Prozesse werden genutzt, um Nanopartikel zu gewinnen, deren Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten am Leibniz-IPHT ebenfalls intensiv erforscht werden. Für neue Sensorik- und Detektionsverfahren werden Top-down- und Bottom-up-Verfahren kombiniert. Der Reinraum ist täglich 12 Stunden in Betrieb, durchschnittlich arbeiten hier 25 Personen gleichzeitig. Es werden im Schnitt pro Jahr mehr als 260 Wafer hergestellt sowie ca. 100 Photolithografiemasken. Hinzu kommen Fertigungsaktivitäten, z. B. im Bereich der thermoelektrischen Sensorik.

Die adressierten Anwendungsfelder reichen von der Biosensorik (Plasmonische Nanomaterialien für die oberflächenverstärkte Spektroskopie) über Strahlungssensoren für die Wellenlängenbereiche von Röntgen bis THz und mikrofluidische Bauelemente für Lab-on-a-Chip-Systeme für medizinische und lebenswissenschaftliche Fragestellungen bis hin zur Mikro- und Nanooptik.

Künstliche Intelligenz (KI)

Für die umfangreiche Erfassung und Auswertung molekular-sensitiver Daten werden Methoden der Künstlichen Intelligenz (z.B. Machine Learning, Chemometrics Molecular Bioinformatics) erforscht, um Spektren oder Bilddaten in anwendergerechte Informationen zu übersetzen. Dieser Übersetzungsprozess wird am Leibniz-IPHT ganzheitlich untersucht, um schlussendlich die Messdaten für spezielle Ap- plikationen bestmöglich nutzbar zu machen.

Systemtechnologie

Die Systemtechnologie bringt die einzelnen Bauelemente, Sensoren und Komponenten zusammen und ermöglicht die Überführung in innovative und anwendergerechte und für das jeweilige Einsatzfeld verifizierte Funktionsmuster und Demonstratoren. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt daher auf der optimalen Implementierung der verschiedenen hardware- und softwareseitigen Schnittstellen.

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