Nahfeldmikroskopsystem

• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung in 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167439738

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Forschungskonzept Die Komplexität moderner Fragestellungen erfordert die Erfassung multidimensionaler Informationen, um kausale Struktur-Eigenschaftsbeziehungen begründen zu können. Um aus einer Vielzahl der erfassten überlagerten Information auch die relevanten und vor allem kausalen Parameter zu extrahieren, werden die komplexen Daten („big data“) mit Hilfe der multivariaten Datenanalyse (MVA) ausgewertet. Die multimodale optische Spektroskopie erfasst komplexe Informationen. Unter multimodaler optischer Spektroskopie versteht man die Kombination der Information aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen oder auch die Kombination der Information bei gleichen Wellenlängen, aber mit unterschiedlicher Messgeometrie, z.B. wenn man gleichzeitig in Transmission und in Reflexion oder im Hellfeld und Dunkelfeld misst. Dies hat den Vorteil einer gleichzeitigen Erfassung der chemischen und morphologischen Eigenschaften des Systems. Reutlingen hat in den letzten Jahren sowohl im Bereich der makroskopischen prozessanalytischen in-situ Analyse alle spektroskopischen Methoden im UV-,Vis-, NIR- und MIR-Bereich eingesetzt, sowie auch die Raman- und 2D-Fluoreszenz Spektroskopie in komplexen Fragestellungen zusammen mit der MVA angewendet. Zusätzlich stehen hochwertige bildgebende Spektrometer mit mikroskopischer Auflösung zur Verfügung, zum Teil auch im Nahfeld mit Auflösungsgrenzen jenseits des Beugungslimits (UV-Vis, Raman). Ziel des DFG Großgeräteprojektes war ein spektroskopisches System aufzubauen, das sowohl Raman spektroskopische als auch streulichtspektroskopische Untersuchungen am gleichen Objekt ermöglicht, möglichst mit hoher mikroskopischer und nanoskopischer lateraler Auflösung. Aufbau eines neuen Multimodal Spectral Imaging Systems (MSIS) Im Rahmen des Projektes wurde ein Gerät auf Basis eines kommerziellen Systems für die markierungsfreie Charakterisierung insbesondere biologischer Materialien entwickelt. Neben der konfokalen Raman Spektroskopie mit mikroskopischer Ortsauflösung, eines integrierten Rasterkraftmikroskops (SPM) mit SNOM (aperturbgrenzte Sonde, nicht Raman Spektroskopie tauglich) wurden folgenden Elemente integriert bzw. neu gestaltet: a) Integration eines Dunkelfeldsystems für die ortsaufgelöste Messung des spektralen Streulichts im Vis- und NIR-Bereich zur Bestimmung der Morphologie biologischer Proben komplementär zur chemischen Analyse mit Raman Streulicht. b) Realisierung der sogenannten „Spatially Offset Raman Spektroskopie“, um auch verborgene Strukturen in streuenden (opaquen) Medien analysieren zu können. c) Setup eines neuen „Enhanced Backscattered Raman Spektrometers“ zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Raman Spektroskopie um den Faktor 5 ohne Modifikation der Probe d) Integration einer Festkörperimmersionslinse für Super Resolution Raman- und Streulicht- Spektroskopie mit einer Ortsauflösung von mindestens 180 nm Auflösung bis hin zu 30 nm. Anwendungen und wissenschaftliche Arbeiten Schwerpunkte der methodischen Arbeiten der HS Reutlingen waren in den vergangenen Jahren die Entwicklung von multimodalen Konzepten von mikrospektralen bildgebenden Verfahren zur markierungsfreien Charakterisierung von Chromosomen (Patent erteilt) und z.B. Glioblastomzellen (kooperative Promotion mit der Universität Tübingen und Patentantragsphase), bis hin zu apoptotischen Zellen und biologischen Netzwerkstrukturen. Im Bereich der Analyse von pharmazeutischen Tabletten oder in der Biotechnologie bei der Untersuchung von CHO-Zellen diente das Gerät als Referenz für die Entwicklung prozessanalytischer Methoden. Einbettung in das Umfeld der Hochschule und Partner Die vielen erfolgreichen Arbeiten und die hohe Drittmittelkompetenz der Abteilung führte in 2013 zur Gründung des Lehr- und Forschungszentrums (LFZ) „Process Analysis & Technology“ (PA&T), verbunden mit einem internationalen Master of Science in PA&T. Der Master und das LFZ kooperieren mit zahlreichen Universitäten im europäischen Ausland und werden von der Industrie unterstützt. Im Zuge der Etablierung des Masters und des LFZ wurde die Professur Kessler vorzeitig besetzt, eine Brückenprofessur mit der Universität Tübingen im Bereich Imaging eingerichtet und ausgeschrieben und zwei weitere Professuren sollen demnächst (Verfahrenstechnik, Multivariate Datenanalyse) ausgeschrieben werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Hyperspectral imaging for process analytical technology. Chemistry Today, 29, 46 – 49, 2011
  E. Ostertag und R.W. Kessler
  
• Hyperspectral imaging: a review of best practice, performance and pitfalls for inline and online applications. Journal of Near Infrared Spectroscopy 2012, 20, 438– 508
  B. Boldrini, W. Kessler, K. Rebner and R. W. Kessler
  
• Hyperspectral Stray Light Imaging of Chromosomes: A Novel Concept for Label-Free Karyotyping, Proc. of SPIE BIOS Photonics West 2012, Volume 8230: Biomedical Applications of Light Scattering VI, edited by Adam P. Wax, Vadim Backman, 82300G, pages G1 - 12
  S. Luckow, K. Rebner, D. Oelkrug, R. W. Kessler
  
• Label-free multimodal micro-spectroscopic differentiation of glioblastoma tumor model cell lines combined with multivariate data analysis Biophotonics: Proc. of SPIE Photonics Europe 2012 Vol. 8427 84271U-1 – 10, Photonic Solutions for Better Health Care III, edited by Jürgen Popp et al.
  E. Ostertag, B. Boldrini, S. Luckow and R. W. Kessler
  
• Multimodal Spatially Resolved Near-Field Scattering and Absorption Spectroscopy, Proc. of SPIE Vol. 8231, 82310A , A1 –A10 SPIE Photonics West 2012, Nanoscale Imaging, Sensing, and Actuation for Biomedical Applications VIII, edited by Alexander N. Cartwright, Dan V. Nicolau
  E. Ostertag, T. Merz, R. W. Kessler
  
• Penetration of Light into Multiple Scattering Media: Model Calculations and Reflectance Experiments. Part I: The Axial Transfer. Appl. Spectrosc. 2012. 66(8): 934-943
  D. Oelkrug, M. Brun, K. Rebner, B. Boldrini, R. Kessler
  
• Quantitative Raman spectroscopy in turbid matter: reflection or transmission mode? Anal. Bioanal. Chem., 2013, 405:3367–3379
  D. Oelkrug, E. Ostertag, R. W. Kessler
  
• Reflection and transmission Raman spectroscopy for the chemical characterization of solid materials. Proceedings of OCM 2013, 65-75
  Ostertag, E.; Oelkrug, D.; Kessler, R. W.
  
• Extension of solid immersion lens technology to super-resolution Raman microscopy Nanospectroscopy 2014; 1: 1– 11
  E. Ostertag, A. Lorenz, K. Rebner, R. W. Kessler, A. J. Meixner
  
• Method for marker free demarcation of tissues Application No.: 13199357.8 – 1554, filing: 23.12.13, date: 14.02.2014, Offenlegung ca. Juni 2015
  R.W. Kessler, E. Ostertag, R. Ritz, J.-W. Bartsch
  
• Multimodal spatially resolved optical spectroscopy for marker-free characterization of biological materials Promotion Universität Tübingen 2015
  Edwin Ostertag
  
• Comparative Raman study of transparent and turbid materials: models and experiments in the remote sensing mode. Analytical and Bioanalytical Chemistry, January 2017, Volume 409, Issue 3, pp 673–681
  B. Boldrini, K. Rebner, D. Oelkrug