Vorhandene Laser-Infrastruktur stärken und mit der Biophotonik die Zukunft der Laserforschung an der Hochschule Mittweida gestalten – BIOphotonik und LAsertechnologien Sachsen (BIOLASAX)

• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Strukturbiologie ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498128362

Das Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) hat das Ziel, die Digitalisierung und Energieeffizienzsteigerung von Lasertechnologien und deren Anwendung voranzutreiben. Dabei soll mit diesem Antrag das bereits bestehende Forschungsportfolio gestärkt und ein am LHM neues Forschungsfeld, die Biophotonik, eingeführt werden.Im Bereich der Biophotonik wollen wir dabei Laserlicht im sichtbaren Bereich nutzen, um fluoreszenzmarkierte Ribonukleinsäuren (RNA) zu untersuchen. Die Struktur und Funktion der RNA ergibt sich aus der Kompaktierung, sprich Faltung seiner Primärsequenz. Für die biophotonische Charakterisierung des Faltungsprozesses nutzen wir den Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET). In unserer Forschung wollen wir 1. zur Strukturaufklärung von Ribonukleinsäuren mittels FRET-eingeschränkter de novo Modelle beitragen (smFRET), 2. die Dynamikinformationen (nsFCS) in diese Strukturmodelle einbauen und damit naturgetreue Bewegungsmuster bei der RNA Faltung, Metabolitbindung und Katalyse erstellen und in Zukunft 3. die Anwendung fluoreszenzmarkierter RNA als FRET Sensor in der point-of-care Diagnostik und bedside Anwendungen vorantreiben. Dafür wollen wir sowohl die konfokale Fluoreszenzmikroskopie mit zeitaufgelöster Einzelphotonendetektion auf der Einzelmolekülebene als auch die Ensemblespektroskopie (UV Absorption, Fluoreszenzemission) für die photophysikalische Charakterisierung der fluoreszenzmarkierten RNA am LHM etablieren und beantragen die dafür notwendige Ausstattung. Die am LHM bereits etablierte Forschung der laserbasierten Oberflächenbearbeitung beinhaltet die Untersuchung der komplexen physikalischen Vorgänge, die bei der Bestrahlung eines Materials mit ultrakurzen Laserpulsen in extrem schneller Abfolge auftreten. Dabei kommt es zum Aufheizen des Werkstoffs innerhalb von Pikosekunden, der anschließenden Materialablation und der Plasmaausbildung. Mit dem beantragten orts- und zeitaufgelösten Spektrographen sollen die Geometrie, die Expansionsgeschwindigkeit und die optischen Eigenschaften des Dampfes und Plasmas untersucht werden. Diese Messgrößen ermöglichen die Validierung und Weiterentwicklung bereits vorhandener theoretischer Modelle und erlauben nicht nur die umfassende Beschreibung, sondern vor allem die anschließende Optimierung des gesamten Ablationsprozesses. Aufbauend auf den Ergebnissen zur Mikrostrukturierung von Festkörperoberflächen mittels Piko- und Femtosekundenlaser-Pulsfolgen (bursts), mittels Leihgeräten soll mit dem beantragten Laser die Forschung am LHM in diesem Bereich vertieft und die Optimierung von Laserprozessen im Burst-Modus ermöglicht werden. Darüber hinaus soll der Einsatz von Pulsfolgen für neue laserbasierte Technologien erprobt und validiert werden. Anwendungsorientiertes Ziel ist es, die Vorteile des Burst-Modus mit den bekannten Vorteilen ultrakurzer Laserpulse zu vereinen und hochqualitative Mikrostrukturen und Oberflächenmodifikationen effektiv in unterschiedlichsten Materialien zu erzeugen.

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: Femtosekunden-Burstmode-Laser ; Geräteausstattung RNA Biochemie Labor ; Konfokales Fluoreszenzmikroskop ; emlCCD-Kamerasystem und abbildendes Spektrometer
• Gerätegruppe: 1860 Spezielle Spektrographen und Spektrometer ; 5090 Spezialmikroskope ; 5700 Festkörper-Laser ; 9490 Sonstige Werkstatt- und Laborausrüstung, Werkzeuge
• Antragstellende Institution: Hochschule Mittweida, University of Applied Sciences
• Leiter: Professor Dr. Richard Börner
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Alexander Horn; Professor Dr. Steffen Weißmantel