Innovative Raman and micro Raman spectroscopy fort he characterization of the quality of herbal product lines within the scope of the Paketantrag %u201CFollowing the course from the plant to the final product %u2013 innovative quality control by means of vibrational spectroscopic methods

• Applicant: Professor Dr. Jürgen Popp
• Subject Area: Analytical Chemistry
• Term: from 2003 to 2007
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5401613

• Final Report Year: 2008

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes „Innovative Raman- und Mikro-Raman-Spektroskopie zur Charakterisierung der Qualität von pflanzlichen Produktlinien“ des DFG-Paketprojekts „Von der Pflanze zum Produkt – Innovative Qualitätsbestimmung unter Anwendung schwingungsspektroskopischer Methoden“ wurden an den Lehrstühlen von Prof. Dr. J. Popp (FSU Jena) und Prof. Dr. W. Kiefer (Universität Würzburg) in Kooperation mit Prof. Dr. Hartwig Schulz von der Bundesanstalt für Züchtungsforschung an Kulturpflanzen, Institut für Pflanzenanalytik in Quedlinburg neue Wege gesucht, das vorhandene schwingungsspektroskopische Potenzial zu erweitern, um die Evaluierung pflanzlicher Produkte entlang der kompletten Wertschöpfungskette zu ermöglichen. Schwingungsspektroskopische Methoden haben vor allem den Vorteil der geringen Probenvorbereitung und eines sehr kleinen Probenvolumens. Dadurch ist es möglich zerstörungsfrei - ohne Exktraktionsschritte - direkt im pflanzlichen Gewebe zu messen. Exemplarisch konnte im Laufe des Projekts gezeigt werden, dass (1) die qualitative und quantitative Zusammensetzung von ätherischen Ölen wie z. B. Fenchel oder Eukalyptus ohne Extraktion mittels der Raman-Spektroskopie bestimmt werden kann. (2) Des Weiteren konnte die räumliche Verteilung der ätherischen Öle und ihrer Begleitstoffe analysiert werden. (3) Am Beispiel von Rapsölen konnte zusätzlich zur Qualitätskontrolle der Ramanspektroskopisch bestimmten Jodzahl auch (4) die Verwandtschaftsbeziehung von neuen Züchtungen anhand der zerstörungsfreien Analyse von Keimlingen vorgenommen werden. (5) Weiterhin ist es möglich den Einfluss von Rapspresskuchen als Futtermittel auf die Qualität von Milcherzeugnissen zu demonstrieren. (6) Diese Untersuchungen können nicht nur an Laboraufbauten sondern ebenfalls mit einem realisierten mobilen Mikro-Raman- Aufbau untersucht werden. Dadurch werden eventuelle Veränderungen der Proben durch den Transport verhindert. (7) Ein weiterer Punkt war die Entwicklung einer SERS-Sonde mit der schonendere und genauere Messungen durchgeführt werden können. Hierbei wird durch die Ausnutzung des sogenannten SERS-Effekts (surface enhanced Raman spectroscopy) sowohl eine Fluoreszenz-Quenchung erreicht als auch die Intensität des Signals um mehrere Größenordnungen verstärkt. (8) Kombiniert man die SERS-Technik mit einem Mikrofluidik- Aufbau, so können extrem reproduzierbare quantitative Analysen von geringsten Probenmengen erhalten werden. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigen, dass die Raman-Spektroskopie eine geeignete Methode zur Qualitätssicherung pflanzlicher Produkte darstellt. Das Projekt hat das Potenzial die Qualitätsbestimmung und –überwachung von pflanzlichen Produktlinien entscheidend verändern. Für viele Bereiche ist durch die Raman-Spektroskopie eine Möglichkeit geschaffen worden, eine schnelle und nicht-invasive bzw. minimal-invasie Untersuchung ohne großen Probenverbrauch zu etablieren. Zukünftig kann diese Methode in Kombination mit chemometrischen Auswerteverfahren dazu eingesetzt werden, Qualitätsstandards bzw. unerlaubte Beimischungen bei Pflanzen zu evaluieren.

Publications

• "Chemotaxonomic Characterization of Essential Oil Plants by Vibrational Spectroscopy Measurements", Vib. Spectrosc. 2004, 35, 81-86
  H. Schulz, M. Baranska, H.-H. Belz, P. Rösch, M. A. Strehle and J. Popp
  
• "Identification of secondary metabolites in medicinal and spice plants by NIR-FT-Raman microspectroscopic mapping", Analyst 2004, 129, 926-930
  M. Baranska, H. Schulz, P. Rösch, M. A. Strehle and J. Popp
  
• "In-situ Raman investigation of single lipid droplets in the water-conducting xylem of four woody plant species", Biopolymers 2004, 74, 151-156
  P. Rösch, H. Schneider, U. Zimmermann, W. Kiefer and J. Popp
  
• "The application of a SERS-fiber probe for the investigation of sensitive biological samples", Analyst 2004, 129, 1193-1199
  R. Geßner, P. Rösch, R. Petry, M. Schmitt, M. A. Strehle, W. Kiefer and J. Popp
  
• “Raman Mapping of Fennel Seed”. International Bunsen Discussion Meeting „Raman and IR Spectroscopy in Biology and Medicine” (RISBM), Jena, Germany, 2004
  M. A. Strehle, P. Rösch, M. Baranska, H. Schulz, J. Popp
  
• „Mapping of Essential Oil Plants by NIR FT Raman Microspectroscopy”. International Symposium on Essential Oils, Messina, Italy, 2004
  M. Baranska, H. Schulz, P .Rösch, M. A. Strehle, J. Popp
  
• „Mapping of Medicinal and Spice Plants by NIR FT Raman Microspectroscopy”. International Bunsen Discussion Meeting „Raman and IR Spectroscopy in Biology and Medicine” (RISBM), Jena, Germany, 2004
  M. Baranska, H. Schulz, P .Rösch, M. A. Strehle, J. Popp
  
• "On the Way to a Quality Control of the Essential Oil of Fennel by means of Raman Spectroscopy", Biopolymers 2005, 77, 44-52
  M. A. Strehle, P. Rösch, M. Baranska, H. Schulz and J. Popp
  
• "Quality Control of Harpagophytum Procumbens and Related Phytopharmaceutical Products by means of NIR-FT-Raman spectroscopy", Biopolymers 2005, 77, 1-8
  M. Baranska, H. Schulz, R. Siuda, M. A. Strehle, P. Rösch, J. Popp, E. Joubert and M. Manley
  
• "Vibrational spectroscopic studies to acquire a quality control method of Eucalyptus essential oils", Biopolymers 2005, 78, 237-248
  M. Baranska, H. Schulz, S. Reitzenstein, U. Uhlemann, M. A. Strehle, H. Krueger, R., Quilitzsch, W. Foley and J. Popp
  
• “Controlling the quality of different vegetable and fish oils by means of Raman spectroscopy”. XIXth International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS) Gold Cost, Australia, 2005
  M. A. Strehle, P. Rösch, M. Baranska, H. Schulz and J. Popp
  
• “Raman spectroscopic investigation of fennel seed using Raman mapping”. XIXth International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS) Gold Cost, Australia, 2005
  M. A. Strehle, U. Neugebauer, P. Rösch, M. Baranska, H. Schulz and J. Popp
  
• „Studies on Devil’s Claw Roots and Retated Phytopharmaceutical Products using NIR-FT-Raman spectroscopy”. XIXth International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS) Gold Cost, Australia, 2005
  M. Baranska, H.Schulz, R. Siuda, M. A. Strehle, P. Rösch, J. Popp, E. Joubert, M. Manley
  
• "Investigation of eucalyptus essential oil by using vibrational spectroscopy methods", Vib. Spectrosc. 2006, 42, 341-345
  M. Baranska, H. Schulz, A. Walter, P. Rösch, R. Quilitzsch, G. Lösing and J. Popp
  
• "Localization and chemical composition of secondary metabolietes in plants". XXth International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS), Yokohama, Japan, 2006
  K. Strehle, P. Rösch, D. Berg, H. Schulz and J. Popp
  
• "Quality control of commercially available essential oils by means of Raman spectroscopy", J. Agr. Food Chem. 2006, 54, 7020-7026
  K. R. Strehle, P. Rösch, D. Berg, H. Schulz and J. Popp
  
• "Raman Spectroscopy - A Prospective Tool in Life Sciences". 3rd Central European Conference - Chemistry towards Biology, Krakau, Polen, 2006
  P. Rösch, M. Harz, M. Krause, T. Frosch, U. Neugebauer, M. Schmitt and J. Popp
  
• "A Reproducible Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Approach. Online SERS Measurements in a Segmented Microfluidic System", Anal. Chem. 2007, 79, 1542-1547
  . R. Strehle, D. Cialla, P. Rösch, M. Köhler, T. Henkel and J. Popp
  
• "Nondestructive analysis of single rape seeds by means of Raman spectroscopy", J. Raman Spectrosc. 2007, 38, 301-308
  S. Reitzenstein, P. Rösch, M. A. Strehle, D. Berg, M. Baranska, H. Schulz, E. Rudloff and J. Popp
  
• "Quantitative online detection of lowconcentrated drugs via a SERS microfluidic system", ChemPhysChem 2007, 8, 2665- 2670
  K. R. Ackermann, T. Henkel and J. Popp
  
• "Raman spectroscopic characterization of secondary metabolites in plants". Biophotonics 2007 – Optics in Life Science, München, 2007
  K. R. Strehle, P. Rösch, H. Schulz and J. Popp
  
• "Raman spectroscopy as an analytic tool for non-destructive investigation of single rape seeds". Biophotonics 2007 – Optics in Life Science, München, 2007
  S. Reitzenstein, P. Rösch, M. A. Strehle, D. Berg, M. Baranska, H. Schulz, E. Rudloff and J. Popp
  
• "Online Monitoring of concentration fluctuations of various drugs in a Segmented Microfluidic System via Surface Enhanced Raman Spectroscopy". Biomed Optics (Photonics West), San Jose, USA, 2008
  P. Rösch, K. Strehle, A. März, T. Henkel and J. Pop