Konfokales Ramanmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den ersten drei Jahren seit Inbetriebnahme im Mai 2011 wurde das beschaffte System hauptsächlich für die Erforschung und Entwicklung neuer Detektions- und Analyseverfahren im Kontext mikrofluidischer labon-a-chip Systeme eingesetzt. Wissenschaftliche Schwerpunkte waren hierbei vor allem der Nachweis geringster Substanzmengen in sehr kleinen Probenvolumina und die Verfolgung mikrofluidischer Prozesse und –parameter bei chemischen Mikroreaktionen oder analytischen Stoffttrennungen im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte. Das beschaffte flexible System diente dabei nicht nur zur Aufnahme spontaner Ramanspektren bei verschiedenen Wellenlängen, sondern bildete auch die Grundlage für die die Entwicklung und Nutzung fortgeschrittener leistungsstarker, ramanspektroskopischer Techniken. Hier ist vor allem die Verstärkung der Ramansignale mit Hilfe des SERS-Effektes (oberflächenverstärkte Ramanstreuung) zu nennen, der in unterschiedlichsten Applikationen, z. B. zum selektiven Nachweis chemischer Verbindungen, sehr erfolgreich genutzt werden konnte. Überdies wurde auch ein Aufbau zur Ausnutzung nichtlinearer Effekte für die Detektion in makroskopischen sowie mikrofluidischen Systemen durch die sog. kohärente Anti-Stokes-Ramanspektroskopie (CARS) etabliert. Die entwickelten Methoden und instrumentellen Aufbauten wurden für unterschiedliche Themen der aktuellen Forschung eingesetzt. Dies beinhaltet beispielsweise materialtechnische Fragestellungen, mikropräparative Trenntechniken auf Basis der chipbasierten Freiflusselektrophorese (µFFE) sowie integrierte Mikrosysteme, bei denen mehrere chemische Prozesse wie chemische Reaktionen und die anschließende analytische Charakterisierung der Reaktionsprodukte in einem einzigen Chipsystem nahtlos gekoppelt werden. Beispiele für solche multifunktionellen Systeme sind die Entwicklung eines chipbasierten Pestizidschnelltests oder eines mikrofluidischen Systems zur on-chip Polymerasekettenreaktion (PCR) im Rahmen aktueller Drittmittelprojekte. Ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet, in dem das beschaffte konfokale Ramanmikroskop eine essentielle instrumentelle Grundlage bildet, ist die Entwicklung neuer mikrofluidischer Tröpfchenplattformen. Dabei werden Mikrotröpfchen im Nano- bis Pikoliterbereich als distinkte Fluidkompartimente genutzt, um chemische Prozesse im Hochdurchsatz zu untersuchen. Hier gelang es im Rahmen einer gerade eigereichten Arbeit erstmals, organisch-chemische Reaktionen in einem solchen Chipsystem in-line zu verfolgen. Die einzelnen Reaktionsteilnehmer und -produkte sowie der zeitliche Verlauf der Umsetzungen in einzelnen Mikrotröpfchen konnte durch den Einsatz der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie (SERS) nachvollzogen werden. Als plasmonisch aktive Substrate für den SERS-Prozess wurden kolloidale Silbernanopartikel definiert on-chip zu den Tröpfchen zudosiert. Darüber hinaus wird in aktuellen Forschungsvorhaben auch die Entwicklung und Nutzung neuer stationärer SERS-Targets in mikrofluidischen Systemen forciert, wobei in Zusammenarbeit mit verschiedenen universitätsinternen und externen Kooperationspartnern inkjet gedruckte Silberpads, plasmonische mix-andmatch Oberflächen, ZnO nanowires sowie beschichtete nanoporöse Glasmembranen genutzt und in mikrofluidische Chipsysteme integriert werden. Über die genannten Punkte hinaus wurde das Mikroskopsystem auch fachübergreifend für unterschiedlichste Applikationen und Forschungsvorhaben innerhalb der Fakultät für Chemie und Mineralogie an der Universität Leipzig und in Kooperationen mit externen Unternehmen und Forschungseinrichtungen genutzt. In diesem Zusammenhang sind insbesondere Arbeiten in den Bereichen der heterogenen Feststoffkatalyse, der Charakterisierung von Gesteinsproben, Mineralien und polykristalliner Systeme, der Untersuchung von Materialproben mit hoher Ortsauflösung oder der Entwicklung neuer Materialien und Funktionselemente, z. B auf Basis nanoporöser Glasmembranen, zu nennen. Schließlich ist anzumerken, dass das beschaffte Ramansystem auch in fortgeschrittenen Lehrveranstaltungen im Fachbereich Chemie und im Rahmen mehrerer Praktika, Vertiefungs-, Bachelor und Masterarbeiten sowie in Promotionsvorhaben genutzt wurde und wird, wodurch es einen wichtigen Beitrag zu einem modernen Studienangebot an der Universität Leipzig leistet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Micro flow reactor chips with integrated luminescent chemosensors for spatially resolved on-line chemical reaction monitoring” Lab Chip 2013, 13, 4134-4141
L. Gitlin, C. Hoera, R. J. Meier, S. Nagl, D. Belder
- “Towards an integrated device that utilizes adherent cells in a microfree-flow electrophoresis chip to achieve separation and biosensing” Anal. Bioanal. Chem. 2013, 5381-5386
S. Jezierski, A. S. Klein, C. Benz, M. Schaefer, S. Nagl, D. Belder
- „Integrating continuous microflow reactions with subsequent micropreparative separations on a single microfluidic chip” Chem. Commun. 2013, 49, 11644-11646
S. Jezierski, V. Tehsmer, S. Nagl, D. Belder
- „Microfluidic free-flow electrophoresis chips with an integrated fluorescent sensor layer for real time pH imaging in isoelectric focusing” Chem. Commun. 2013, 49, 904-906
S. Jezierski, D. Belder, S. Nagl
- “Rapid isoelectric point determination in a miniaturized preparative separation using jetdispensed optical pH sensors and micro free-flow electrophoresis” Anal. Chem. 2014, 86, 9533- 9539
C. Herzog, E. Beckert, S. Nagl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ac501783r) - „An integrated microfluidic chip enabling control and spatially resolved monitoring of temperature in micro flow reactors” Anal. Bioanal. Chem. 2014
C. Hoera, S. Ohla, Z. Shu, E. Beckert, S. Nagl, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00216-014-8297-3) - „Gas removal in free-flow electrophoresis using an integrated nanoporous membrane” Microchim. Acta 2014
C. Herzog, G. F. W. Jochem, P. Glaeser, S. Nagl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00604-014-1398-z) - „Surface modification of PDMS microfluidic devices by controlled sulfuric acid treatment and the application in chip electrophoresis” Electrophoresis 2014
L. Gitlin, P. Schulze, S. Ohla, H. J. Bongard, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/elps.201400269)
