Multimodales Mehrphotonen-Mikrospektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den vergangenen Jahren hat meine Gruppe unter Verwendung des neuen Gerätes mehrere Projekte bearbeitet, deren Themen sich an vorderster Front im Gebiet der Nano/-Biophotonik einordnen lassen. Die mit dem Spektrometer durchgeführten Arbeiten lassen sich in zwei Themengebiete sortieren: i) Entwicklung und Anwendung von SERS in der Bioanalytik und für biophysikalische Fragestellungen ii) Raman–Mikrospektroskopie an komplexen mikrostrukturierten Proben zu i): In den vergangenen Jahren haben wir neuartige Hybrid-Sonden entwickelt, die in SERS-Multiplex- Experimenten auch für die Bildgebung unter Verwendung von multivariaten statistischen Verfahren ausgenutzt werden können (ACS Nano 2010). Im unmittelbaren Zusammenhang mit der Verwendung von Metallnanopartikeln in komplexen bioorganischen Systemen, z.B. als SERS-Sonden, stehen unsere Untersuchungen zur SERS-Verstärkung und Stabilität von einzelnen Gold-Nanopartikeln und zum Verhalten anderer Nanomaterialien wie z.B. SiO2-Nanopartikeln in derartigen Proben. Darüber hinaus haben wir erstmalig die Charakterisierung von SERS-Sonden in parallelen Proben mittels Röntgentomographie beschrieben. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Zusammensetzung der Corona von organischen Molekülen auf Silber-Nanopartikeln in situ während des Transports und interessanterweise auch der toxischen Wirkung der Partikel konstant bleibt. Bisher kann die Oberfläche solcher Materialien mit anderen Methoden nicht in lebenden Zellen charakterisiert werden. Parallel zur Spektroskopie liefert die Röntgenmikroskopie Informationen zur Ultrastruktur der Zellen und zur Morphologie der Nanopartikel- Aggregate. Anhand von einfacheren Modellen (Lipidvesikel bzw. Proteinmoleküle) sind wir nun in der Lage, die Spektren aus intrazellulären Vesikeln besser zu verstehen. Ein wesentliches Ziel meines derzeit vom ERC geförderten Projekts MULTIBIOPHOT ist eine Darstellung von biologischen Strukturen mit einem multimodalen mikrospektroskopischen Ansatz. Das Gerät spielt dabei eine wichtige Rolle für die Untersuchungen zu den Mechanismen von SERS und SEHRS. Unter Ausnutzung der plasmonischen Eigenschaften der Metallnanopartikel nutzen wir Mehrphotonen-angeregte Prozesse für die Bildgebung und Charakterisierung von biophysikalischen Modellsystemen in Anwesenheit von Metallnanostrukturen aus. In einer Zusammenarbeit mit dem AK Rademann haben wir gezeigt, dass die dort in Glas hergestellten Gold- und Silbernanostrukturen SERS-aktiv und prinzipiell auch für analytische Anwendungen tauglich sind. Zu unseren Erkenntnissen zählt auch, dass es möglich ist, verschiedene Arten von Nanopartikeln gleichzeitig zu immobilisieren, z.B. Gold/Silber, Gold/katalytisch aktive Nanopartikel. So konnten wir vor kurzem den Ablauf einer durch Platin-Nanopartikel katalysierten Reaktion mittels SERS auf den Oberflächen verfolgen. Für die Anwendung und spezifische Oberflächen¬funktionalisierung immobilisierter Metallnanopartikel z.B. in Chipstrukturen wurde eine Mikrostrukturierung der Oberflächen mit lithographischen Verfahren begonnen. 5 Doctoral Fellows der Graduiertenschule der Exzellenzinitiative (DFG GSC 1013, SALSA) arbeiten mit dem Gerät im Rahmen der in meinem Arbeitskreis co-betreuten Dissertationsvorhaben. zu ii): Ein Großteil der Arbeiten zu dieser Thematik wurde im Rahmen eines von der DFG geförderten Einzelantrags durchgeführt und befasste sich mit der Charakterisierung von Bestandteilen von Bioaerosolen. In unseren Arbeiten nutzen wir Raman-Mikrospektroskopie und SERS für die Charakterisierung und Klassifizierung von Pollen als wichtigen Bestandteilen natürlicher Aerosole. Meine Gruppe konnte zeigen, dass es möglich ist, mittels Raman-Spektroskopie kombiniert mit multivariater Datenauswertung automatisierte Pollendetektionssysteme zu realisieren. Unsere Resultate fanden starke internationale Beachtung. Wir zeigten auch, dass Raman-Spektroskopie erstmalig eine Aufklärung der Chemie und Ultrastruktur des Polymers Sporopollenin ermöglicht, aus welchem die äußere Hülle von Pollen besteht. Dies wurde durch den Einbau SERS-aktiver Nanostrukturen in die Hülle mittels in situ Synthese von Nanopartikeln erreicht. Seit 2012 läuft ein großes internationales Projekt zur Charakterisierung von Pflanzenmaterialien nach Einbau von Silica an dem Gerät.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Characterization of Pollen Carotenoids with in situ and High-Performance Thin-Layer Chromatography Supported Resonant Raman Spectroscopy. Analytical Chemistry 2009, 81, 8426-8433
Schulte, F.; Mäder, J.; Kroh, L. W.; Panne, U.; Kneipp, J.
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Combined Synchrotron XRD/Raman Measurements: In Situ Identification of Polymorphic Transitions during Crystallization Processes. Langmuir 2010, 26, 11233-11237
Klimakow, M.; Leiterer, J.; Kneipp, J.; Rossler, E.; Panne, U., Rademann, K.; Emmerling, F.
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Following the Dynamics of pH in Endosomes of Live Cells with SERS Nanosensors. Journal of Physical Chemistry C 2010, 114, 7421-7426
Kneipp, J.; Kneipp, H.; Wittig, B.; Kneipp, K.
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Molecular changes during pollen 4. germination can be monitored by Raman microspectroscopy. Journal of Biophotonics 2010, 3, 542-547
Schulte, F.; Panne, U.; Kneipp, J.
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Surface-Enhanced Raman Scattering Hybrid Nanoprobe Multiplexing and Imaging in Biological Systems. ACS Nano 2010, 4, 3259-3269
Matschulat, A.; Drescher, D.; Kneipp, J.
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Long-Term Stable Silver Subsurface Ion-Exchanged Glasses for SERS Applications. ChemPhysChem. 2011, 12, 1683-1688
Simo, A.; Joseph, V.; Fenger, R.; Kneipp, J.; Rademann, K.
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SERS enhancement of gold nanospheres of defined size. J. Raman Spectrosc. 2011, 42, 1736–1742
Joseph, V.; Matschulat, A.; Polte, J.; Rolf, S.; Emmerling, F.; Kneipp, J.
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Surface-enhanced Raman scattering with silver nanostructures generated in situ in a sporopollenin biopolymer matrix. Chem. Commun. 2011, 47, 3236-3238
Joseph, V.; Schulte, F.; Rooch, H.; Feldmann, I.; Dörfel, I.; Österle, W.; Panne, U.; Kneipp, J.
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Characterizing the Kinetics of Nanoparticle-Catalyzed Reactions by Surface-Enhanced Raman Scattering. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 7592–7596
Joseph, V.; Engelbrekt, C.; Zhang, J.; Gernert, U.; Ulstrup, J.; Kneipp, J.
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Magnetic separation and SERS observation of analyte molecules on bifunctional silver/iron oxide composite nanostructures. J. Raman Spectrosc. 2012, 43 (9), 1204– 1207
Gühlke, M; Selve, S.; Kneipp, J.
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Nanoscopic Properties and Application of Mix-and-Match Plasmonic Surfaces for Microscopic SERS. J. Phys. Chem. C 2012, 116 (12), 6859–6865
Joseph, V.; Gensler, M.; Seifert, S.; Gernert, U.; Rabe, J. P.; Kneipp, J.
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Electron Energy Loss and One- and Two-Photon Excited SERS Probing of “Hot” Plasmonic Silver Nanoaggregates. Plasmonics 2013, 2 (8), 763-767
Kadkhodazadeh, S.; Wagner, J. B.; Joseph, V.; Kneipp, J.; Kneipp, H.; Kneipp, K.
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Gap Size Reduction and Increased SERS Enhancement in Lithographically Patterned Nanoparticle Arrays by Templated Growth. Advanced Optical Materials 2013, 4 (1), 312–318
Merk, V.; Kneipp, J.; Leosson K.
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Intracellular SERS hybrid probes using BSA–reporter conjugates. Anal. Bioanal. Chem. 2013, 405 (19), 6209–6222
Hornemann, A.; Drescher, D.; Flemig, S.; Kneipp, J.
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SERS reveals the specific interaction of silver and gold nanoparticles with hemoglobin and red blood cell components, Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 5364-5373
Drescher, D.; Büchner, T.; McNaughton, D.; Kneipp, J.
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Specific biomolecule corona is associated with ring-shaped organization of silver nanoparticles in cells. Nanoscale 2013, 5 (19), 9193-9198
Drescher, D.; Guttmann, P.; Buechner, T.; Werner, S.; Laube, G.; Hornemann, A.; Tarek, B.; Schneider, G.; Kneipp, J.
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Electric field effects on donor–acceptor dyes: A model compound study using UV/vis absorption and Raman spectroscopy. Chemical Physics Letters 2014, 592, 1-6
Lasogga, L.; Bricks, J.; Merk, V.; Kneipp, J.; Rettig, W.
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In situ characterization of SiO2 nanoparticle biointeractions using BrightSilica. Advanced Functional Materials 2014, 24 (24), 3765-3775
Drescher, D.; Zeise, I.; Traub, H.; Guttmann, P.; Seifert, S.; Büchner, T.; Jakubowski, N.; Schneider, G.; Kneipp, J.
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Relating surface-enhanced Raman scattering signals of cells to gold nanoparticle aggregation as determined by LA-ICP-MS micromapping. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2014, 406 (27), 7003-7014
Büchner, T.; Drescher, D.; Traub, H.; Schrade, P.; Bachmann, S.; Jakubowski, N.; Kneipp, J.
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Surface enhanced Raman scattering on aluminum using near infrared and visible excitation. Chemical Communications 2014, 50, 3744-3746
Mogensen, K. B.; Gühlke, M.; Kneipp, J.; Kadkhodazadeh, S.; Wagner, J. B.; Espina, M.; Kneipp, H.; Kneipp, K.
