Charakterisierung natürlicher Bioaerosole: Untersuchungen der Allergenfreisetzung aus Pollen mittels Schwingungsspektroskopie

Final Report Abstract

In unseren Arbeiten zum geförderten Projekt nutzten wir Raman‐Mikrospektroskopie und oberflächenverstärkte Raman‐Streuung (SERS) für die Charakterisierung und Klassifizierung von Pollen als wichtigen Bestandteilen natürlicher Aerosole. Aufgrund neuer Erkenntnisse im Zusammenhang mit methodischen Weiterentwicklungen von SERS sowie Ergebnissen in Raman‐Experimenten zur biochemischen Zusammensetzung von Pollen ergaben sich mehrere neue Aspekte, die zu einer leicht geänderten Schwerpunktsetzung in einigen Teilen des ursprünglich vorgeschlagenen Arbeitsprogramms führten. Insbesondere die Untersuchung begaster Pollenproteine wurde aufgrund neuer Erkenntnisse durch systematische Untersuchungen zur Pollenkeimung und Optimierung der Bedingungen von SERS‐Experimente ersetzt. Mit unseren Ergebnissen konnten wir zeigen, dass es möglich ist, mittels Raman‐Spektroskopie kombiniert mit multivariater Datenauswertung automatisierte Pollendetektionssysteme zu realisieren. Neben biochemischen Kartierungsexperimenten, bei denen Bildgebungsalgorithmen auf Raman‐mikrospektroskopische Daten angewendet wurden, konnten wir durch Kopplung von Dünnschichtchromatographie (HPTLC) mit resonanter Raman‐Streuung zusätzliche Informationen über die Struktur von Carotinoiden in situ in den Proben erhalten. Unsere neuesten Ergebnisse zeigen, 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. Mit Raman‐Mikroskopie lassen sich dynamische Prozesse in den Pollenkörnern, beispielsweise während der Auskeimung des Pollenschlauches, verfolgen und die sich verändernde molekulare Zusammensetzung abbilden. Die im Rahmen des hier abgeschlossenen Projekts generierten Ergebnisse und methodischen Entwicklungen haben zur Entstehung mehrerer neuer Projekte, z.T. bereits erfolgreich gefördert, geführt. Hold that tissue: Allergy help may be on the way, ACS Chemistry for Life, 12.02.2009 More Raman fertility: pollen forecasts, Spectroscopy Europe, 01.02.2009 Nothing To Sneeze At: Real‐Time Pollen Forecasts, science daily, 02.01.2009 New Analysis May Allow More Specific Reports on Tormenting Pollens, New York Times, 29.12.2008 Allergy Relief: real‐time pollen updates may be on the way, Scientific American, News Blogs, 22.12.2008 Rätselhafter Blütenstaub, Handelsblatt, 15.05.2008

Publications

• „Raman Spectroscopic Characterization and Identification of Pollen“, ECSBM in Paris, 2007
  F. Schulte, J. Kneipp, U. Panne
  
• Chemical Characterization and Classification of Pollen. Analytical Chemistry 2008, 80 (24), 9551–9556 dazugehöriger Kommentar Willis, R. C., Classifying pollen with Raman. Analytical Chemistry 2008
  Schulte, F.; Lingott, J.; Panne, U.; Kneipp, J.
  
• „Characterization of Pollen and their Constituents by Raman Spectroscopy“, ICORS in London, 2008
  F. Schulte, J. Kneipp, U. Panne
  
• 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.
  
• “Raman‐Spektroskopie als Werkzeug für die Charakterisierung und Klassifizierung von Pollen“. Dissertation, Humboldt‐Universität zu Berlin, 2009
  Franziska Schulte
  
• „Understanding In‐situ Generated Resonance Raman Spectra Reflecting the Overall Carotenoid Composition in Pollen with the Help of High Performance Thin Layer Chromatography“, Euroanalysis in Innsbruck, 2009
  F. Schulte, J. Mäder, L. W. Kroh, U. Panne, J. Kneipp
  
• Molecular changes during pollen germination can be monitored by Raman microspectroscopy. Journal of Biophotonics 2010, 3, 542‐547
  Schulte, F.; Panne, U.; Kneipp, J.
  
• 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.
  
• Matrix‐assisted laser desorption/ionization mass spectrometric investigation of pollen and their classification by multivariate statistics. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2012, 26 (9), 1032–1038
  Krause, B.; Seifert, S.; Panne, U.; Kneipp, J.; Weidner, S. M.
  
• 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.