Die Forschung der Belder-Gruppe konzentriert sich auf die „Lab-on-a-Chip“-Technologie als grundlegende Wissenschaft in der Chemie. In den Belder-Laboratorien an der Universität Leipzig wird ein breites Feld der Forschung und Anwendung der Lab-on-a-Chip-Technologie durchgeführt. Die Belder-Gruppe ist bekannt für miniaturisierte Trenntechniken wie die Chip-Elektrophorese und die Chip-HPLC.

Vergrößerte Aufnahme eines Mikrofluidik Chips
Mikrofluidik Chip, Foto: Universität Leipzig, AK Konzentrationsanalytik

Die Belder-Gruppe ist bekannt für miniaturisierte Trenntechniken wie die Chip-Elektrophorese und die Chip-HPLC. Das Belder-Labor arbeitet auch an Detektionstechniken wie der Kopplung von Mikrofluidik-Chips mit der Massenspektrometrie oder der Ionenmobilitätsspektrometrie sowie an optischen Techniken wie der Fluoreszenz- und Raman-Mikroskopie. Ein besonderer Schwerpunkt lag in den letzten Jahren auf integrierten Chiplaboratorien, die chemische Reaktoren und Analyseeinheiten auf einem Chip vereinen.

Unsere Forschungsthemen

Mittels SLE-Technologie erzeugtes modulares mikrofluidisches System, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
Mittels SLE-Technologie erzeugtes modulares mikrofluidisches System, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

Betreuende(r) Doktorand(in)

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M.Sc. Matthias Polack

Ph.D. Student

Linnéstraße 3, Raum 216
04103 Leipzig

Telefon: 49 341 97 - 36106

HPLC-Chip mit Scintillations-Detektor zur Detektion von Tritium-Verbindungen, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
HPLC-Chip mit Scintillations-Detektor zur Detektion von Tritium-Verbindungen, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

Betreuende(r) Doktorand(in)

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M.Sc. Jantje Pauline Bäcker

Ph.D. Student

Linnéstraße 3, Raum 220
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36103

Kopplung von miniaturisierten chip-Systemen mit der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) zur schnellen 2D-Trennung, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
Kopplung von miniaturisierten chip-Systemen mit der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) zur schnellen 2D-Trennung, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

Betreuende(r) Doktorand(in)

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M.Sc. Nora Hartner

Ph.D. Student

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M.Sc. Klaus Welters

Ph.D. Student

Linnéstraße 3, Raum 223
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36068

Doppelemulsionströpfchen als kleine Reaktionsgefäße zur Untersuchung von Reaktionen an Phasengrenzflächen, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
Doppelemulsionströpfchen als kleine Reaktionsgefäße zur Untersuchung von Reaktionen an Phasengrenzflächen, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

Betreuende(r) Doktorand(in)

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M.Sc. Nora Hartner

Ph.D. Student

Regeneration von Oberflächen zur zerstörungsfreien, empfindlichen SERS-Detektion, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
Regeneration von Oberflächen zur zerstörungsfreien, empfindlichen SERS-Detektion, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

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M.Sc. Maximilian Blaha

Ph.D. Student

Linnéstraße 3, Raum 222
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36088

Chip-HPLC-MS-Kopplung zur Untersuchung heterogenkatalysierter Syntheseprozesse, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
Chip-HPLC-MS-Kopplung zur Untersuchung heterogenkatalysierter Syntheseprozesse, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

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M.Sc. Hannes Westphal

Ph.D. Student

Linnéstraße 3, Raum 217
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36110

Mikrofluidisches System zur Erzeugung kleiner Reaktionskompartimente im p/n-Maßstab und Detektion der Reaktionsprodukte durch spektroskopische/massenspektrometische Detektion, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
Mikrofluidisches System zur Erzeugung kleiner Reaktionskompartimente im p/n-Maßstab und Detektion der Reaktionsprodukte durch spektroskopische/massenspektrometische Detektion, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

Betreuende(r) Doktorand(in)

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M.Sc. Marie van der Loh

Ph.D. Student

Linnéstraße 3, Raum 222
04103 Leipzig

Telefon: 49 341 97-36088

Kopplung von Hochtemperatur-chipHPLC und -chipSFC mit massenspektrometrischen Detektor, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
Kopplung von Hochtemperatur-chipHPLC und -chipSFC mit massenspektrometrischen Detektor, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

Betreuende(r) Doktorand(in)

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M.Sc. Chris Weise

Ph.D. Student

Linnéstraße 3, Raum 220
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36103

Kopplung eines digitalen Mikrofluidik-Chips mit der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie zur automatisierten Durchführung chemischer Synthesen / Überwachung des Reaktionsverlaufs, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder
Kopplung eines digitalen Mikrofluidik-Chips mit der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie zur automatisierten Durchführung chemischer Synthesen / Überwachung des Reaktionsverlaufs, Abbildung: Uni Leipzig, AG Belder

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.

Betreuende(r) Doktorand(in)

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M.Eng. Anish Das

Ph.D. Student

Linnéstraße 3, Raum 223
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36068

Drittmittelgeförderte Großgeräte seit 2018

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.

Quantenkaskadenlaser-IR-Mikroskop, Foto: Universität Leipzig, AK Konzentrationsanalytik

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.

Hochsensitives High-Speed Massenspektrometer, Foto: Agilent
Hochsensitives High-Speed Massenspektrometer, Foto: Agilent

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.

Fotocollage eines Laserstrukturierungssystems zur Erzeugung von Mikro- und Nanostrukturen in Glas und Polymeren (LasMino).
Laserstrukturierungssystem zur Erzeugung von Mikro- und Nanostrukturen in Glas und Polymeren (LasMino). Fotocollage: Universität Leipzig, AK Konzentrationsanalytik

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.

Aufnahme eines Fluoreszenz- / Ramanmikroskop zur Entwicklung von miniaturisierten Analyse- und Syntheseplattformen
Fluoreszenz- / Ramanmikroskop zur Entwicklung von miniaturisierten Analyse- und Syntheseplattformen. Foto: Universität Leipzig, AK Konzentrationsanalytik

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.

Grossgeräte vor 2018

Von den vor 2018 angeschafften Grossgeräten, werden folgende in aktuellen Forschungsprojekten eingesetzt:

  • Diverse Massenspektrometer
  • Ein Ionenmobilitätsspektrometer
  • Ein zeitaufgelöstes Fluoreszenzmikroskop
  • Ein Raman-Mikroskop

Stellenangebote

Am Institut für Analytische Chemie der Universität Leipzig in der Professur Konzentrationsanalytik bieten wir im Rahmen von Drittmittelprojekten befristete Stellen an.
Neben der Betreung von Promotionsarbeiten werden in unserer Arbeitsgruppe Bachelor-, Vertiefungs- oder Masterarbeiten zu diversen Themen angeboten.

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