Forschung

Arbeitsgruppe Mizaikoff

Infrarot Sensortechnologie und Spektroskopie

Optische Chemo- und Biosensoren im Spektralbereich des mittleren Infrarot (MIR; 3-20 µm) gewinnen in der Prozesskontrolle, im Umweltmonitoring und in der biomedizinischen Anwendung zunehmend an Bedeutung, insbesondere durch den wachsenden Bedarf an inhärent molekülspezifischen, flexiblen und robusten Sensortechnologie. Durch Neu- und Weiterentwicklungen im Bereich der Lichtwellenleitertechnologie (z.B. MIR transparente optische Fasern, planare Halbleiterlichtwellenleiter und -resonatoren, etc.) zeichnet sich insbesondere die kontinuierliche Interaktion zwischen dem optischen Transduktionselement und der Messumgebung durch hohe Effizienz aus. In Kombination mit innovativen Beschichtungen der Lichtwellenleiteroberfläche, zu denen unter anderem funktionalisierte Polymere und diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) zählen, und durch die Verfügbarkeit effizienter Infrarotlichtquellen (z.B. bei Raumtemperatur betriebene, durchstimmbare Quantenkaskadenlaser) wurde diese Sensortechnologie in den letzten Jahren neben der Kopplung mit konventionellen FT-IR Spektrometern wesentlich weiterentwickelt.

Der Fokus der Forschung auf diesem Gebiet liegt demnach in die Entwicklung neuartiger innovativer IR Sensorkonzepte mit einem Schwerpunkt in der Entwicklung miniaturisierter und (chip-)integrierter Sensorsysteme mit deutlich verbesserter Sensitivität zur Anwendung in der Flüssig- und der Gasphase, sowie in der medizinischen Diagnostik. Neuere Entwicklungen erweitern integrierte Sensortechnologien in den Spektralbereich des fernen Infrarot bzw. Terahertzbereich (THz, 20-300 µm) mit einem Schwerpunkt in der Entwicklung neuartiger Nahfeldabbildungsverfahren und integrierter Sensorplattformen zur Detektion von biomolekularen Interaktionen (z.B. markierungsfreie Detektion von DNA-DNA Wechselwirkungen).

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich mit der Entwicklung von IR Sensortechnologien zur Anwendung unter extremen Bedingungen wie beispielsweise der Tiefsee (z.B. Spektroskopie von Gashydraten, Diamantoiden, marinen Sedimenten, etc.) Diese Forschungsrichtungen werden durch neue Ansätze in der multivariaten Datenauswertung für autonomen Sensorbetrieb und Datenauswertung ergänzt.

Aktuelle Projekte

  • Evaneszentfeldsensorik mit Quantenkaskadenlasern
  • Spurengasanalytik mit hohlen Lichtwellenleitern
  • Planare MIR Halbleiterlichtwellenleiter und -resonatoren
  • MIR Sensortechnologie und Spektroskopie in der Tiefsee
  • MIR Sensorik und Spektroelektrochemie mit DLC-beschichteten Lichtwellenleitern
  • Integrierte Nahfeld THz Technologie
  • Virtuelle MIR Sensoren – Modellierung und Simulation
  • Neue Konzepte in der multivariaten Datenanalyse

Sensoranwendungen

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Molekulare Erkennung

Biomimetische Erkennung auf Basis molekular geprägter Polymere (MIPs) findet vielseitige Anwendungen in der Flüssigchromatographie, Festphasenextraktion, in biomimetischen Assays und auch in der Sensortechnologie. Der inhärente Vorteil von synthetischen Rezeptoren und funktionalisierten Membranen im Vergleich zu biochemischen/biologischen Rezeptoren liegt in ihrer Stabilität, in der synthetischen Vielfältigkeit und den vergleichsweise geringen Kosten. Daher stellen MIPs eine attraktive Alternative zu konventionellen molekularen Bindungsmatrices dar, deren Eigenschaften individuell zur selektiven Erkennung eines Zielmoleküls in komplexen Medien angepasst werden kann.

Im Rahmen dieser Forschung wurden geprägte Polymere für eine Vielzahl an relevanten Zielmolekülen wie zum Beispiel, Flavone, Mykotoxine, Herbizide/Pestizide, Nitrophenole und Estradiolderviate (“endokrine Disruptoren”) hergestellt. Derzeit erweitert sich dieser Forschungsbereich auf biomedizinische und biotechnologische Anwendungen von MIPs, mit dem Ziel geprägte Polymere zur selektiven Bindung von Kontrastmitteln und Proteinen zu entwickeln. Die gezielte Synthese und das Anpassen der synthetischen Erkennung an die gewünschten Analyten setzt jedoch ein grundlegendes theoretisches Verständnis der molekularen Wechselwirkungen während des Prägungsprozesses voraus. Daher ist die Entwicklung rationaler Synthesestrategien ein wesentliches Ziel unserer Forschungen, um die Erkennung des Analytmoleküls und dessen molekulare Bindung durch Materialien mit optimierten physikalischen Eigenschaften und maximierter molekularer Selektivität zu erreichen. Daher konzentriert sich unsere Forschung auf grundlegende analytische Untersuchungen des Prägevorgangs und der Bildung der Präpolymerisationsmatrix mittels NMR, IR, UV/VIS, MS, ITC und XRD. Mit Hilfe dieser analytischen Verfahren kann die Natur der grundlegenden Interaktionen untersucht werden und somit eine solide Basis für die dynamische Simulation der molekularen Zusammenhänge geschaffen werden.

Neben MIPs werden vor allem für die chemische Sensorik aliphatische Polymermembrane und funktionalisierte Sold-Gel Matrices zur Anreicherung von flüchtigen organischen Molekülen (VOCs) wie z.B. Benzol, chlorierte Kohlenwasserstoffe, etc. untersucht und hinsichtlich ihrer Anreicherungseigenschaften klassifiziert.

Aktuelle Projekte

  • Rationales Design und molekulares Modellieren von MIPs
  • MIPs für Mykotoxine
  • MIPs für endokrine Disruptoren
  • MIPs für Lebensmittelanalytik
  • MIPs für klinische und biotechnologische Anwendungen
  • MIPs zum Einsatz in der Umweltanalytik
  • Membranbibliotheken für chemische Sensorik
  • Funktionalisierte Sol-Gele

Multifunktionelle analytische Plattformen

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