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Forschungsfelder

Inhaltlich konzentrieren sich die Arbeiten innerhalb der drei Schwerpunkte Biophotonik, Faseroptik und Photonische Detektion auf sechs Forschungsfelder, welche gleichermaßen Zugriff auf die am Institut etablierten Schlüsseltechnologien haben.

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.

Die Multiskalen Spektroskopie zielt auf die Charakterisierung von Molekülen und Materia-lien 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.

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.

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.

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.

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.

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