Multimodales Mehrphotonen-Mikrospektrometer
Final Report Abstract
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.
Publications
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