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 Forschungsprojekte

Die Chromatographie bietet eine breite Palette an verschiedenen Trennmodi. Der Einsatz kommerziell erhältlicher partikulärer Phasen verspricht durch deren Anwendungsbreite und stete Weiterentwicklung in Industrie und Wissenschaft größtmögliches Potential als stationäre Phase.

Die technische Herausforderung  liegt dabei in der Immobilisierung der Partikel innerhalb des microfluidischen Trennkanals. Hierfür bringen wir Fritten in einer Größenordung von wenigen Micrometern ortsaufgelöst ein. Mithilfe einer hochdruckdichten Verbindungstechnik („World-to-chip-interface“) und einer eigens entwickelten Injektionstechnik erhalten wir höchste Trenneffizienz gepaart mit sehr schnellen Trennungen.

Ausgewählte Publikationen

Die Mikrochipelektrophorese (MCE) ist eine Weiterentwicklung der Kapillarelektrophorese (CE). Herzstück der MCE ist ein wenige cm großer Mikrochip aus Glas, Quarz oder Polymer, mit integrierten mikrofluidischen Kanälen von wenigen Mikrometer Durchmesser. Durch Generierung elektrischer Felder können in diesen Kanälen Migrationsströme erzeugt werden, welche zur Injektion und Trennung einer wenigen nL umfassenden Probenzone genutzt werden können (s. Abbildung). Zur Trennung kommen hierbei unterschiedliche Trennprinzipien der CE zur Anwendung.

Eines der faszinierendsten Eigenschaften der Mikrochipelektrophorese ist die unübertroffene Trenngeschwindigkeit. So können chemische Analysen in Sekunden oder sogar ms durchgeführt werden, mit der Perspektive schnelle, tragbare analytische Instrumente für die Feldanalyse oder Point-of-Care-Diagnostik zu entwickeln.

In zahlreichen Projekten konnten wir diese neue Technik auf reale analytische Probleme aus der chemischen Synthese, Bioanalytik sowie Diagnostik anwenden. So gelangen u.a. anspruchsvolle chirale Trennungen in ms.

Ausgewählte Publikationen

Der Einsatz der Massenspektrometrie (MS) in der Mikrochipelektrophorese (MCE) stellt eine interessante Alternative zur herkömmlichen Fluoreszenzdetektion dar. Damit kann nicht nur auf die problematische Fluoreszenzderivatisierung verzichtet werden, darüber hinaus ermöglicht die MS auch Identifizierung der Analyten anhand ihres Massenspektrums. Um eine effiziente Kopplung der MCE mit der MS zu gewährleisten, wurde von uns ein Verfahren zur Herstellung eines Glaschips mit integriertem Nanospray-Emitter vorgestellt und patentiert. Mit Hilfe dieses Chips konnte so zum ersten Mal die totvolumenfreie MCE-MS-Kopplung realisiert werden.

Ausgewählte Publikationen

Die Freifluss- oder Free-Flow-Elektrophorese (FFE) ist ein kontinuierliches Trennverfahren, welches sich besonders zur Vorfraktionierung und Aufreinigung komplexer chemischer und biologischer Proben eignet.

In ihrer miniaturisierten Form ermöglicht sie neben deutlich schnelleren Trennungen und stark vermindertem Chemikalienverbrauch auch die Reinigung und Untersuchung sehr kleiner Probenvolumina. Aufgrund der Möglichkeit, die miniaturisierte FFE für kontinuierliche Trennungen einzusetzen, eignet sie sich außerdem für Überwachungszwecke in Form eines „Online Monitoring“.

Unsere Forschung auf dem Gebiet der µFFE beinhaltet u.a. die Design- und Chipentwicklung mit Fokus auf effiziente Herstellungsprozesse und Anpassungen an unterschiedliche Einsatzzwecke, die Implementierung alternativer Analyterfassungsstrategien sowie Kopplungen mit weiteren Detektionsmöglichkeiten.

Ausgewählte Publikationen

Ein Ziel der Miniaturisierung chemischer Reaktions- und Analysensysteme ist die Zusammenführung sämtlicher Arbeitsschritte eines chemischen Prozesses zu einem Lab-On-a-Chip (LOC) oder auch Mikrototalanalyse-System (µ-TAS). Hinzu kommt die Integration von Reaktion und Detektion auf einem sogenannten Mikrochip.

Zuerst gelang die Integration eines mikrofluidischen Reaktors zur enantioselektiven Synthese organischer Verbindungen auf einem Elektrophorese-Chip, später auch auf anderen Analysechips, wie auf Chips mit integriertem Nanospray-Emitter zur MS-Detektion. Neben herkömmlichen Metallkatalysatoren können ebenso Enzyme und ganze Zellen eingesetzt werden. Hierzu zeigt beispielsweise eine Publikation die Ermittlung der Enantioselektivität von Enzymmutanten in Zellen. Solche Reaktor-Analyse-Einheiten ermöglichen neben der Ermittlung optimaler Reaktionsbedingungen, unter anderem auch Hochdurchsatz-Screenings enantioselektiver Katalysatoren.

Ausgewählte Publikationen

Die Fluoreszenzlebenszeit stellt einen attraktiven Messparameter dar. Sie ist molekülspezifisch, sensitiv hinsichtlich der Umgebung und unempfindlich gegenüber vielen Störquellen von üblichen Fluoreszenzmessungen. So ist die Lebenszeit beispielsweise unabhängig von Schwankungen der Anregungslichtintensität und der Detektoreffizienz, Streulicht und anderem optischen Hintergrund.

Wir verfolgen Fluoreszenzlebenszeitmessungen in verschiedenen mikrofluidischen Analyseplattformen sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzdomäne. Die beiden Methoden erlauben einen breiten Messbereich der Lumineszenzdauer von Nano- bis Mikrosekunden. Die Untersuchung der Lebenszeit wird zum einen für die Bestimmung von Änderungen der molekularen Umgebung (z.B. pH-Wert, O2-Konzentration, Temperatur) und Entwicklung empfindlicher Sensoren genutzt. Zum anderen zeigt sich das Potential der Fluoreszenzlebenszeitmessung bei der Peakidentifizierung in mikrofluidischen Trennungen.

Ausgewählte Publikationen

Eine kontinuierliche online Überwachung von Prozessparametern sowie Detektion von chemischen und biologischen Anlayten in mikrofluidischen Analysensystemen erfordert die Integration von Sensoren. 

Dies wird unter Verwendung optischer chemischer Sensoren verwirklicht. Die Kombination miniaturisierter Analysensysteme und fluoreszenter Sonden unterbindet zusätzliche aufwendige sowie zeitintensive nachträgliche Analysenmethoden.
Dazu werden sensitive Indikatormoleküle in mikrometer dicken Schichten oder auch in Form von Sensorarrays in mikrofluidischen Systemen immobilisiert.
Die Visualisierung der Präsenz von Analyten oder Veränderungen von Umgebungsparametern, wie pH-Wert oder Temperatur kann somit realisiert werden. Weitere Forschungen zielen auf die Kopplung von mikrofluidischer chemischer Sensorik mit anderen chip-integrierten Verfahren wie chemischen Synthesen, analytischen Trennungen und biologischen Anwendungen.

Ausgewählte Publikationen

Die chemische Modifizierung der Kanaloberflächen in Mikrochips ist insbesondere bei komplexen Proteintrennungen, wie sie in der Proteomics Forschung durchgeführt werden, unumgänglich.

Hierzu werden in unserer Arbeitsgruppe Methoden zur Oberflächenbeschichtung eingesetzt und validiert. So gelang mittels eines von uns entwickelten Verfahrens zur Beschichtung von Glassubstraten mit Polyvinylalkohol (PVA), die hocheffiziente elektrophoretische Trennung von Eiweißproteinen in weniger als 2 min.

Ausgewählte Publikationen

 

Die laserinduzierte Fluoreszenzdetektion ist auf Grund ihrer herausragenden Sensitivität, ihrer Selektivität und Vielseitigkeit eine der wichtigsten Detektionsmethode in der Mikroanalytik. Mit Hilfe von Fluoreszenzmessungen können selbst geringste Spuren von Analyten in den nur wenigen Mikrometer großen Mikrochipkanälen detektiert werden.

Durch Ausnutzung der im tiefen UV-Spektralbereich häufig vorhandenen nativen Molekülfluoreszenz kann vor der Messung auf die umständliche Derivatisierung der Analyten verzichtet werden. Unter Verwendung eines von uns entwickelten Quarzmikrochip-Elektrophorese-Systems, gelang so die labelfreie Detektion von Proteinen und kleinen Molekülen. Um die Verwendung von teuren Quarzmaterialen vermeiden zu können, wurde eine Zweiphotonenanregung implementiert.

Ausgewählte Publikationen

 

Mikrofluidische Tröpfchen (Droplets) stellen in Mikrochip-Laboratorien ein äußerst vielseitig einsetzbares Werkzeug in Synthese und Hochdurchsatz-Analytik dar. Droplets sind abgeschlossene Mikroreaktionsgefäße, umgeben von einem nicht-mischbaren Medium, mit Volumina bis in den Nano- und Picoliterbereich. 

Wir nutzen die Kombination aus zeitaufgelöster Fluoreszenzdetektion mit der Mikrotröpfchen-Technologie zur Klärung bioanalytischer Fragestellungen, beispielsweise der Bestimmung von Proteinkonzentrationen in wässrigen Matrizes via Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET).

Ausgewählte Publikationen

Die oberflächenverstärkte Raman Spektroskopie (SERS) ist ein hervorragendes Verfahren um Analyten auch in Spuren labelfrei nachweisen zu können. Damit stellt sie eine gute Alternative zur etablierten Fluoreszenz-Spektroskopie dar, insbesondere für Substanzen, die keine eigene Fluoreszenz zeigen.
Darüber hinaus liefert die Raman Spektroskopie ähnlich der Infrarot Spektroskopie Strukturinformationen der untersuchten Substanzen. So stellt sie, gerade in der Mikrofluidik, ein vorteilhaftes Werkzeug  für das Substanzscreening oder als Detektionsmethode für unterschiedlichste Trennverfahren dar.

Ausgewählte Publikationen

Drittmittelgeförderte Projekte

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.

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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