Forschung

Beim Forschungsschwerpunkt der modularen mikrofluidischen Systemen werden mithilfe von selective laser-induced etching (SLE) monolithische Bauteile aus fused-silica Glas hergestellt. Dabei ermöglicht die SLE-Technologie den Zugang zu einzigartigen dreidimensionale Strukturen, welche mit konventionellen photolithographischen Methoden nicht möglich sind. Die einzelnen monolithischen Chip-Bauteile werden individuell zu anwendungsbezogen mikrofluidischen Systemen kombiniert und in hochaktuellen Forschungsprojekten wie dem Reaktionsmonitoring im segmentierten Fluss sowie der miniaturisierten HPLC-Trenntechnik eingesetzt.

Tritium bezeichnet das natürlich vorkommende radioaktive Isotop des Wasserstoffs. Aufgrund der geringen Energie des beim β-Zerfall erzeugten Elektrons und der vergleichsweise kurzen Halbwertszeit, wird Tritium als bevorzugte Labeling-Substanz eingesetzt.

Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Graduiertenkollegs GRK 2721 „Hydrogen Isotopes 123H“ (Projekt-ID 443871192) wird die Miniaturisierung der Szintillationsmessung zur Detektion von Tritiumverbindungen untersucht. Ziele sind vor allem die Verringerung des Einsatzes von radioaktiven Substanzen und toxischen Szintillationsflüssigkeiten, eine sichere Handhabung dieser sowie die Kopplung an Mikroreaktoren und Chip-HPLC-Systemen.

In diesem Projekt wird die Kopplung von miniaturisierten chip- Systemen mit der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) entwickelt. Der geringe apparative Aufwand solcher IMS Geräte führt zu einer kompakte, robusten und schnellen Detektion, die sogar eine Unterscheidung zwischen Isobaren ermöglicht. Dabei liegt der aktuelle Fokus auf der Kombination mit vorgeschalteten on-chip Trenntechniken, um zweidimensionale Trennungen der Proben im Sekunden- bis Minutenbereich zu ermöglichen. Zusätzlich wird das IMS zur Detektion von ultra-schneller Tropfenmikrofluidik untersucht.

Dieses Projekt befasst sich mit der mikrofluidischen Erzeugung von Doppelemulsionströpfchen ("Emulsion einer Emulsion" oder "ein Tröpfchen im Tröpfchen"). Doppelemulsionströpfchen sind Emulsionssysteme aus drei nicht mischbaren flüssigen Phasen (in der Regel Öle und Wasser), deren Grenzflächen durch Tenside stabilisiert sind. Wir wollen Doppelemulsionströpfchen als kleine Reaktionskompartimente nutzen, um Reaktionen an der Öl-Wasser-Grenzfläche zu untersuchen (z.B. Komplexierungsreaktionen oder enzymkatalysierte Reaktionen). Darüber hinaus wollen wir die Doppelemulsionströpfchen mit ESI-Massenspektrometrie als Detektionstechnik der Wahl koppeln, um das Reaktionsergebnis zu überwachen.

Im Vergleich zu klassischer Ramanspektroskopie ermöglicht die Oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (SERS) Signalintensitäten die bis zu einem Faktor von 10⁹ erhöht sind, was die zerstörungsfreie Detektion einzelner Moleküle ermöglicht. Mit hohem Aufwand nanostrukturierte Oberflächen können oft nur einmalig verwendet werden, da auf Grund von Adsorptionseffekten die Detektion nachfolgender Analyten gestört wird. Uns ist es gelungen die üblicherweise verwendeten Silber- und Goldoberflächen durch elektrische Kontaktierung wieder nutzbar zu machen, was die Integration der Oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie in on-line Techniken wie HPLC ermöglichen soll.

In diesem Projekt werden Mikroreaktoren verwendet, um heterogen katalysierte Syntheseprozesse im Durchfluss zu untersuchen. Zur Charakterisierung werden die dafür verwendeten partikulär gepackten Reaktoren direkt mit (chip)-HPLC-MS gekoppelt und über fluidische Schaltungen angesteuert. Solche integrierten Systeme bieten vielfältige Möglichkeiten zur Automatisierung, Durchsatzerhöhung sowie Reaktorsteuerung und können somit zu einem ressourcensparenden Screening von optimalen Katalysator- und Reaktionsbedingungen verwendet werden.

In diesem Themenfeld werden nicht-mischbare Phasen in einem mikrofluidischen Kanal zusammengeführt, so dass Tropfen im Piko- bis Nanolitermaßstab entstehen. Diese können als kleinste Reaktionsgefäße für chemische und biochemische Transformationen genutzt und frei manipuliert werden. Mit dem Einsatz der Ramanspektroskopie, Fluoreszensspektroskopie sowie der Massenspektrometrie als analytische Werkzeuge lassen sich dabei einzelne katalytische Spezies beobachten und charakterisieren.

Neben der im Arbeitskreis vorangetriebenen Miniaturisierung konventioneller HPLC Systeme stellt die Verwendung von stark erhitzten und überkritischen Fluiden einen vielversprechenden Ansatz dar, um die Leistungsfähigkeit der chip-basierten Chromatographie zu verbessern.

Die derzeitigen technischen Herausforderungen liegen dabei unteranderem bei der kontrollierten Abkühlung der erhitzten Fluide oder der kontrollierten Dekompression überkritischer Fluide im Nachsäulenbereich. Die Lösung dieser Herausforderungen kann dazu beitragen Hochtemperatur-chipHPLC und chipSFC an einen leistungsstarken massenspektrometrischen Detektor zu koppeln.

Der Schwerpunkt dieser Forschung liegt auf der Entwicklung und Automatisierung von Lab-on-a-Chip-Technologien für Anwendungen in der Analytischen Chemie. Erreicht wird dies durch ein relativ neues Paradigma der Mikrofluidik, die digitale Mikrofluidik (DMF). Ein DMF-Chip enthält Anordnungen von strukturierten Metallelektroden, welche durch PVD, Fotolithografie und nasschemisches Ätzen hergestellt werden. Damit können diskrete Tröpfchen in der Größe von Nano- bis Mikrolitern durch selektives Anlegen elektrischer Potentiale an den einzelnen Elektroden bewegt, z. B. verteilt, transportiert, geteilt und zusammengeführt werden. Dies ermöglicht eine automatisierte Durchführung chemischer Synthesen und eine Überwachung des Reaktionsverlaufs durch Kopplung mit verschiedenen Nachweisverfahren wie oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie oder Massenspektroskopie überwachen.

Dank einer durch den Freistaat Sachsen geförderte Infrastrukturmaßnahme wird 2021 ein neuartiges, tune-bares Quantenkaskaden-laser-IR-Mikroskop dem Arbeitskreis Belder zur Verfügung gestellt. Der Einsatz dieses QCL-IR-Mikroskops soll erstmals ein IR-basiertes Label-freies, chemisches Echtzeit-Imaging dynamischer Prozesse in mikrofluidischen IR-transparenten Mikrofluidik-Chips ermöglichen.

Ziele des Projektes

Derzeit wissenschaftliche Aktivitäten umfassen neben dem Mikrofluidik-Chip / QCL-IR-Mikroskopaufbau auch mikrosynthetische Forschungsarbeiten zur erstmaligen Label-freien, IR-Echtzeitverfolgung chemischer Prozesse in chipbasierten Mikrosystemen. Hierfür werden, unterstützt durch unsere Koorperationspartner:innen der synthetisch-chemischen Arbeitsgruppen, zunächst organokatalytische Modellreaktionen aus der Forschungsgruppe FOR 2177 untersucht. Zu den wichtigsten Aspekten dieser Forschung zählen die Entwicklung von Chipdesigns wie Mikrodurchflussreaktoren und die 3D-Mikrofabrikation der entsprechenden Chips in IR-transparenten Materialien mittels SLE-Technologie. Dieses synergistische Zusammenspiel der beiden hochaktuellen Technologien SLE und Quantenkaskadenlaser-IR-Mikroskopie ist derzeit einzigartig, wodurch sich völlig neue Möglichkeiten und langfristig ein signifikanter Innovationsschub für die Grundlagenforschung in der Mikro-Chemie ergeben.

Im Rahmen einer EFRE-Infrastrukturmaßnahme wird die instrumentelle Infrastruktur der Universität gestärkt und dem AK Belder den Einsatz eines high-speed Triple-Quadrupol Massenspektrometers ermöglicht. Mit diesem Gerät können mehrere Zielanalyten über einen großen Massen- und Konzentrationsbereich mit unübertroffen hoher Geschwindigkeit und Empfindlichkeit detektiert werden. Die Triple-Quadrupol Massenspektrometrie ist deshalb in Applikationsfeldern, in denen eine hohe Geschwindigkeit und exzellente Nachweisgrenzen gleichermaßen entscheidende Kriterien darstellen, heute die unangefochtene Methode der Wahl.

Ziele des Projektes

Mit der finanzierten instrumentellen Aufstockung ist eine ideale technische Grundvoraussetzung geschaffen, massenspektrometrische Analysen in Mikrosystemen mit bisher unerreichter Sensitivität und Geschwindigkeit durchzuführen. So sollen nun gleichzeitig mehrere Zielanalyten mit unübertroffener Geschwindigkeit und Empfindlichkeit detektiert und analysiert werden. Der Einsatz des geförderten Instruments in Kombination mit den bisher entwickelten Mikrolaboratorien bietet nun die Möglichkeit eines echten Durchbruchs für die Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Einzelzell- und Einzelpartikelkatalyse sowie für die ultraschnelle Chipchromatographie.

Im Rahmen dieser EFRE-Infrastrukturmaßnahme wird ein neuartiges 3D-Laserstrukturierungssystem basierend auf dem Verfahren des selektiven Laserätzens (SLE) etabliert. Dabei handelt es sich um eine Hybridtechnik bestehend aus einer Vorstrukturierung durch einen Ultrakurzpuls-Laser, bei der das in CAD designte Layout auf das Glassubstrat übertragen wird. Das laserbehandelte Material verfügt über eine deutlich erhöhte Ätzrate, so dass das Ätzen (z.B. mit KOH) an diesen Stellen favorisiert ist. Dadurch ist es möglich, komplexe 3D Strukturen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, in Glas zu fertigen.

Ziele des Projektes

Das 3D-Laserstrukturierungssystem soll die technisch-instrumentelle Infrastruktur am akademischen Standort Leipzig im Bereich der Chip-Reinraumprozesstechnik für mikrofluidische Lab-on-chip Systeme erweitern. Das neuartige Verfahren zur Mikro-Nano-Laserstrukturierung von Glas und Polymeren soll hierbei in allen aktuellen Forschungsbereichen rund um den Themenschwerpunkt komplexer, integrierter Mikrolaboratorien genutzt werden, um derzeitige technische Limitierungen zu überwinden und neue Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten, z.B. für koordinierte Programme wie die DFG-Forscher- gruppe „InChem“, zu eröffnen. Dies beinhaltet Forschungsthemen wie die Entwicklung optisch volltransparenter Mikrokavitäten-Elektrodenarrays für die gewebebasierte Wirkstofftestung oder die Miniaturisierung und nahtlose Integration von chemischer Durchflusssynthese, analytischen Trenntechniken und leistungsstarken Detektionsverfahren in komplexen Mikrolaboratorien.

Im Rahmen einer Infrastrukturmaßnahme, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Freistaat Sachsen, wurde 2019 ein Laserspektroskopie-Mikroskop zum Studium chemischer Prozesse in chipbasierten Mikrolaboratorien beschafft und in den Laborarealen der Arbeitsgruppe Belder an der Universität Leipzig installiert. Dieses System verfügt über einen spezialangefertigten dualmikroskopischen Aufbau, mehrere Laseranregungsquellen inklusive eines tunebaren TiSa Lasers sowie verschiedenste Möglichkeiten für die sensitive Detektion. Durch die Vielseitigkeit des nun vorhandenen apparativen Aufbaus wird eine simultane Erfassung chemischer Spezies an unterschiedlichen Orten eines Chips durch fluoreszenz- und ramanspektroskopische Methoden ermöglicht, wodurch deutliche Fortschritte in der Forschung und Entwicklung von miniaturisierten Analyse- und Syntheseplattformen realisiert werden können.

Ziele des Projektes

Neben der sensitiven und selektiven Analyse diverser Spezies sollen auch Prozesse und Materialien im Mikrometermaßstab genauer studiert und visualisiert werden. Das System eröffnet bisher nicht vorhandene Möglichkeiten für die Forschung und Entwicklung miniaturisierter Analysesysteme von hoher Komplexität und Funktionalität. Des Weiteren wird das Dual-Mikroskop fakultätsübergreifend für die Forschung an verschiedensten Themenfeldern der Mikrospektroskopie eingesetzt werden. Neben der intensiven Forschungstätigkeit soll das System auch in der fortgeschrittenen Lehre im Masterstudiengang Chemie zum Einsatz kommen und dem Wissenschaftspersonal sowie den Studierenden neuartige Möglichkeiten der spektroskopischen Analytik bieten.