Raman- und IR-spektroskopische Analytik

Die Arbeitsgruppe erforscht die Anwendung von Raman- und Infrarot-basierten Spektroskopie- und Bildgebungsverfahren, um Zellen und Gewebe zu charakterisieren sowie niedermolekulare Biomoleküle wie Medikamente oder Metabolite nachzuweisen. Zur Charakterisierung von Zellen und Gewebe werden Raman-Spektrometersysteme mit Mikroskopen, faseroptischen Sonden oder Mikrofluidikchips gekoppelt und die gewonnenen schwingungsspektroskopischen Daten werden mit Methoden des maschinellen Lernens ausgewertet. Eine Validierung erfolgt mit histopathologischen Untersuchungen als Goldstandard.

Die Absorption von Strahlung im mittleren Infrarot-Bereich zwischen 2.5 und 11 µm wird ebenfalls eingesetzt, um einen komplementären schwingungsspektroskopischen Fingerabdruck zu messen. Neben klassischen Fourier-Tranform Infrarot-Spektrometern werden auch neuartige Laser-direkt Infrarot- (LDIR) und optisch photothermische Infrarot (O-PTIR)-Verfahren mit durchstimmbaren Quantenkaskaden-Lasern angewendet.

Darüber hinaus umfassen die Aktivitäten der Arbeitsgruppe die Erforschung von optischen Effekten, um die Signalintensität in der Schwingungsspektroskopie um mehrere Größenordnungen zu erhöhen. Diese Erhöhung beruht auf der Verstärkung der elektrischen Feldintensität in der Umgebung von photonischen und plasmonischen Nanostrukturen und auf einer Kopplung ihrer Moden mit den molekularen Schwingungen. Ziel ist es, auf Basis eines fundamentalen Verständnisses dieser Signalverstärkung entsprechende Strukturen zu designen, zu untersuchen und in die Anwendung zu bringen. Die konkreten Anwendungsfelder liegen im Bereich der Umweltanalytik sowie im medizinischen Sektor, wie beispielsweise die Überwachung von Medikamentenspiegeln sowie der Nachweis von Metaboliten und Erregern. Gemäß dem Leibniz-IPHT-Motto Photonics for Life" ist das Ziel der Gruppe, gemeinsam mit Medizinerinnen und Medizinern die Raman- und Infrarot-basierten Methoden für eine verbesserte Gesundheitsversorgung in die Klinik zu überführen.

Forschungseinblicke

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Forschungsthemen

Langjährige Erfahrungen in der Probenpräparation und die instrumentelle Infrastruktur sind in der Arbeitsgruppe vorhanden, um bioanalytische Untersuchungen an Zell- und Gewebeproben durchzuführen. Kalibrierverfahren der Instrumente ermöglicht es, Messserien unter reproduzierbaren Bedingungen aufzunehmen. Weiterhin arbeitet die Arbeitsgruppe am Verständnis, Entwurf und Design von photonischen und plasmonischen Nanostrukturen einschließlich Funktionalisierung, um Schwingungsbanden in Spektren zu verstärken und leistungsstarke SERS- und SEIRA-Substrate für die Biophotonik anzuwenden.

  • Raman-mikroskopisches Imaging mit subzellulärer Auflösung
  • Raman-Spektroskopie mit faseroptischen Sonden
  • Optisch-photothermische Infrarot-Spektroskopie und -Imaging mit Quantenkaskadenlaser und optionaler Raman-Spektroskopie
  • Fourier-Transform-Infrarot Imaging in Transmission und Reflexion mit Focal Plane Array
  • Laser-Direkt Infrared-Spektroskopie und Imaging mit Quantenkaskadenlaser
  • Verständnis der spektralen Intensitäten in IR- und VCD-Spektren
  • Erforschung photonischer und plasmonischer Strukturen für den Einsatz als SERS- bzw. SEIRA-Substrat
  • Anwendung der SERS- bzw. SEIRA-Methode in der Bio-, Umwelt- und medizinischen Analytik
  • Nachweis von Medikamenten und deren Metabolite und deren Quantifizierung in komplexen Körperflüssigkeiten wie Urin oder Blut-basierte Matrices bzw. biologischen Proben
  • Untersuchung von Körperflüssigkeiten für den Nachweis von Biomarkern
  • Chirale Substrate zur oberflächenverstärkten Enantiomeren-Identifikation
  • Oberflächenfunktionalisierung plasmonischer Nanostrukturen

Anwendungsbereiche

  • Innovative Einzelzelldiagnostik als flüssige Biopsie, um Tumorzellen zu identifizieren, die in Körperflüssigkeiten von Krebspatienten zirkulieren
  • Raman- und Infrarot-Imaging von Dünnschnitten als markerfreies, molekulares Kontrastverfahren, um pathologisches Gewebe von Kontrollproben zu unterscheiden
  • Identifikation von Mikroplastik mittels simultaner Infrarot- und Raman-Spektroskopie
  • Quantitativer Nachweis niedermolekularer Substanzen (z. B. Medikamente, Metabolite) in Körperflüssigkeiten und biologischen Proben unter Verwendung leistungsstarker SERS-aktiver Strukturen
  • Identifikation von Biomarkern zur therapieunterstützenden Untersuchung von Körperflüssigkeiten
  • Schneller Nachweis von pathogenen Erregern
  • Vereinfachte und sensitivere Identifikation von Enantiomeren
  • SERS-basierte Detektionsverfahren in klinischer Umgebung und unter Verwendung von ressourcenschonenden SERS-Strukturen für Einsatzgebiete mit geringer Labor-/Reinraum-Infrastruktur

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