Das Ziel der Forschergruppe ist es, die Möglichkeiten und Grenzen integrierter, miniaturisierter Synthese- und Analyselabore zu untersuchen. Dazu sollen in einem interdisziplinär zusammengesetzten Forschungsverbund grundlegende Arbeiten auf den Gebieten der chemischen Mikrosynthese und der Integration analytischer Konzepte zur inline Überwachung der chemischen Prozesse in Echtzeit durchgeführt werden.

Integrierte chemische Mikrolaboratorien (InCheM)

Die lab-on-a-chip Technologie stellt eine exzellente Plattform dar, um diese interdisziplinären Forschungsbereiche effizient miteinander zu verknüpfen. Darüber hinaus sollen aber auch klassische, mikrostrukturierte Durchflussreaktionssysteme vergleichend mit einbezogen werden. Mit diesem Ansatz können neue Einblicke in die Welt der Mikrosynthese ermöglicht werden, die neben einer besseren Bewertung dieser Technologie auch neue Wege in der integrierten Mikroreaktionstechnik und in der chipbasierte Analytik aufzeigen sollen.

HighDense Mikroelektroden-Array für die bioelektronische Echtzeitanalyse von neuronalen Netzwerken.
HighDense Mikroelektroden-Array für die bioelektronische Echtzeitanalyse von neuronalen Netzwerken. Foto: Universität Leipzig, BBZ, Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik

Schwerpunkte der DFG-Forschergruppe 2177

Die im Rahmen des Forschungsverbunds geplanten Forschungsvorhaben können formal zwei thematischen Schwerpunkten zugeordnet werden:

  1. Neue Strategien zur organischen Synthese und Katalyse in Mikrosystemen
  2. Inline Analytik und Überwachung chemischer Prozesse in Mikrosystemen  

Während im Schwerpunkt I Strategien erarbeitet werden, um neue, innovative, chemische Synthesen in speziellen mikrofluidischen Systemen mit analytischer Funktion zu realisieren, steht im Schwerpunkt II die analytische Chemie und die Entwicklung entsprechender Technologien im Fokus, um die im Schwerpunkt I entwickelten Synthesen in Mikrosystemen in Echtzeit charakterisieren, kontrollieren und überwachen zu können. In diesem Zusammenhang werden auch die Parameter und Effekte bei der Skalierung dieser Reaktionen vom Makro- in den Mikromaßstab untersucht, einschließlich des Vergleichs mit klassischen Durchflusssystemen. Im Unterschied zu den allermeisten Arbeiten in der Literatur steht jedoch nicht das „Herunterskalieren“ bereits etablierter, einfacher Modellreaktionen im Fokus, sondern die Forschung an sehr aktuellen synthetischen Konzepten mit dem Schwerpunkt der Katalyse in mikrofluidischen Systemen. Mit einer integrierten Analytik und der Möglichkeit einer Echtzeitüberwachung, beispielsweise zur zeitlichen und räumlichen Verfolgung kurzlebiger Intermediate, werden auch völlig neue Einblicke zum Verständnis chemischer Reaktionen möglich. Wie unsere Vorarbeiten zeigen, können solche Daten, die in Mikrosystemen unter geringstem Chemikalien- und Zeitaufwand erhalten werden, auch sehr wertvoll für die Entwicklung und Optimierung von Synthesen im klassischen Makromaßstab sein.

Unsere Forschungsprojekte

Von der diskreten Partikel- zur Einzelzellkatalyse

Das zentrale Ziel von Projekt 1 ist die Entwicklung von Technologien zur Erforschung von stereoselektiven Transformationen mit einzelnen katalytischen Spezies in Lösung. Der bevorzugte Ansatz ist die Anwendung der Lab-on-a-Chip-Technologie, um begrenzte Reaktionsgefäße und geeignete Analytik auf einem einzigen Gerät zu integrieren. Solche integrierten chemischen Mikrolabore sollen die Untersuchung chemischer Reaktionen in konkurrenzlos kleinen Dimensionen in Bezug auf Raum, Zeit und Chemikalienverbrauch ermöglichen. Projekt 1 baut auf den bisherigen Errungenschaften der Onchip-Integration der heterogenisierten Organokatalyse auf und erweitert das Konzept auf die Ganzzellkatalyse. Dies soll neue Wege eröffnen, um die Vielfalt katalytischer Spezies entweder mit künstlichen Mikropartikeln oder mit Zellen zu untersuchen. Ein besonderer Schwerpunkt ist in diesem Zusammenhang die Untersuchung von
stereoselektive Prozesse in begrenzten Reaktoren im Nano- bis Pikoliter-Maßstab.

Projektleitung

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Prof. Dr. Detlev Belder

Universitätsprofessor

Konzentrationsanalytik
Hauptgebäude Chemie
Johannisallee 29, Raum 1-265
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36091
Telefax: +49 341 97-36115

Neue chemische Werkzeuge zur Aufklärung der Kohlenhydratchemie

Dieser Vorschlag wird schnelle, datenreiche Methoden für die kontrollierte Abfrage der glykosidischen Bindungsbildung und der Natur der resultierenden Polysaccharide nutzen. Diese Studien sind nur durch die vorherige Arbeit der Forscher möglich, bei der fortschrittliche synthetische und analytische Werkzeuge entwickelt wurden, die ein allgemeines und dennoch quantifizierbares Verständnis der zugrunde liegenden Chemie ermöglichen. Dieses Verständnis wird durch die Entwicklung robuster Hochdurchsatz-Workflows für die Online- und Offline-Analyse von Glykanen und Glykan-Zwischenprodukten erheblich verbessert, um Aspekte der zugrundeliegenden mechanistischen Wege der Bildung glykosidischer Bindungen aufzuklären. Durch die Kombination der kontrollierten Syntheseplattform mit massenspektrometrischen Techniken wie Flüssigstrahl-MS und IMS/IM-MS, zusammen mit DFT-Berechnungen, werden wir die Identität und den Anteil der Zwischenprodukte in Bezug auf die experimentellen Bedingungen untersuchen. Indem wir die HPLC durch IMS ersetzen oder ergänzen, erhalten wir für jeden Lauf mehr Informationen über die Produkte/Nebenprodukte, wie z. B. ihre Masse und Form. Parallel dazu werden wir unser Wissen über die CCS von Glykanen und Glykan-Zwischenprodukten erweitern, indem wir standardisierte Verfahren für deren Untersuchung schaffen und die strukturellen Einflüsse auf die dreidimensionale Form von Glykanen untersuchen. Um die Aussagekraft und die Menge der für jede Probe gewonnenen Daten zu erhöhen, werden wir eine Methode zur Kombination von IM-MS mit Fluoreszenzdetektion entwickeln. Dies wird ein erhöhtes Maß an Sicherheit in Bezug auf die Produktidentifizierung bieten und eine Hochdurchsatzanalyse ermöglichen.

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Prof. Dr. Peter Seeberger

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung Potsdam und Freie Universität Berlin, Institut für Chemie

Telefon: +49 - 30 - 83859301

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Prof. Dr. Kevin Pagel

Freie Universität Berlin
Institut für Chemie und Biochemie

Telefon: +49 - 30 - 83872703

Multikatalytische Synthese mit 1,3-Dipolen in mikrofluidischen Systemen

Das Thema des Forschungsprojekts ist die Kombination von photokatalytisch erzeugten 1,3-Dipolen (als Modell für weniger stabile Zwischenprodukte) mit sequentiellen weiteren katalytischen (enantioselektiven) Transformationen (einschließlich Lewis-Säure, Organokatalyse sowie Photokatalyse) in einem multikatalytischen Setting. Wir wollen Mikroflussreaktionen nicht nur als Aufbau nutzen, um potentielle Batch-Typ-Reaktionen in Bezug auf verschiedene Aspekte, wie z.B. erhöhte Produktivität etc., zu verbessern, sondern wir zielen auf multikatalytische, sequentielle Reaktionen, die sowohl Diastereoselektivität als auch Enantioselektivität aufweisen und daher die Überwachung dieser zusätzlichen Parameter zur Optimierung der entsprechenden Reaktionsbedingungen erfordern. Da das stereochemische Ergebnis solcher Reaktionen nicht mit der etablierten Chip-MS als Endpunktanalyse zur Unterscheidung der isobaren Stereoisomere bestimmt werden kann, werden wir mit unseren Testreaktionen die Werkzeuge des "Chip-Labors" weiter ausbauen, indem wir eine Inline-Trenntechnik vor der MS-Detektion etablieren. Diese herausfordernde Verschmelzung von stereoselektiven Reaktionen mit einem Hochgeschwindigkeits-Inline-(chiralen) Chip-Chromatographie/MS-System soll neue Einblicke in die Reaktions- und mechanistische Analyse und Methodenoptimierung bieten.
Basierend auf dem großen Versprechen der Photokatalyse für multikatalytische Prozesse und auf dem in der 1. Förderperiode erfolgreich entwickelten robusten, photokatalytisch hochausbeuterischen Zugang zu vielseitigen Nitron-Zwischenprodukten aus Nitroalkanen und tertiären Aminen unter milden Bedingungen wollen wir nun deren Reaktivität zur (asymmetrischen) Synthese wertvoller, multifunktionalisierter Heterozyklen und azyklischer Bausteine in sequenziellen Eintopf- bzw. Flusskombinationen mit katalytischen Transformationen nutzen. Neben photokatalytischen Transformationen von in situ generierten Nitronen und Nitriloxiden werden wir uns auf multikatalytische Kombinationen mit stereoselektiven Cycloadditionen von Nitronen konzentrieren. Hierfür wurden zwei Reaktionen (metall- und organokatalysiert) ausgewählt: die Cu-katalysierte Kinugasa-Reaktion mit terminalen Alkinen, die Zugang zu polyfunktionalisierten, sehr wertvollen β-Lactamen bietet, sowie eine organokatalytische NHC-vermittelte formale [3+3]-Cycloaddition mit ungesättigten Aldehyden zur Bereitstellung funktionalisierter γ-Aminosäurederivate, die aus einer Ringöffnung eines zunächst generierten, aber instabilen Oxazinon-Cycloaddukts stammen.

Projektleitung

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Prof. Dr. Kirsten Zeitler

Universitätsprofessorin

Organische Chemie/Katalyse
Hauptgebäude Chemie
Johannisallee 29, Raum 154
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36538

Kontinuierliche Flusssynthese von Schwefelheterocyclen über Cycloadditionsreaktionen von photochemisch erzeugten transienten Thioaldehyden

Ziel dieses Antrags ist die Entwicklung eines kontinuierlichen Durchflussverfahrens für die photochemische Erzeugung und anschließende synthetische Umwandlung von Thioaldehyden. Wir beabsichtigen, diese hochlabilen Reagenzien aus Phenacylsulfiden unter UV-Licht-Bestrahlung in einem Durchflussreaktor zu erzeugen. Anschließend wollen wir diese reaktiven synthetischen Zwischenprodukte in thia-Diels-Alder-Reaktionen mit elektronenreichen Dienen, in ene-Reaktionen mit Alkenen und in [2+2]-Cycloadditionsreaktionen mit Allenoaten zu wertvollen Schwefelheterocyclen als Produkte umsetzen. Aufgrund ihres meist flüchtigen Charakters wurden Thioaldehyde in der organischen Chemie bisher nur unzureichend genutzt und mögliche synthetische Anwendungen entsprechend unterentwickelt. Mit der erfolgreichen Implementierung eines leistungsfähigen kontinuierlichen Flussverfahrens streben wir an, ihr synthetisches Potenzial als vielseitige Reagenzien voll auszuschöpfen.

Projektleitung

Prof. Dr. Christoph Schneider

Prof. Dr. Christoph Schneider

Universitätsprofessor

Organische Chemie/ Heterocyclenchemie
Hauptgebäude Chemie
Johannisallee 29, Raum 157
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36559
Telefax: +49 341 97-36599

Mechanismen von organischen Reaktionen in komplexen Umgebungen und begrenzten Volumina, aufgeklärt durch Laser-Desorptions-Massen- und Ionenmobilitätsspektrometrie

  1. Reaktionsratenbeschleunigung in begrenzten Volumina:
    Eine ganze Reihe von Reaktionen, die in Tröpfchen und dünnen Filmen ablaufen, zeigen erstaunlich große Ratenbeschleunigungen. Während der Faktor der Beschleunigung einer Reihe von chemischen Reaktionen in kleinen Mikrotropfen und dünnen Filmen, d.h. in begrenzten Volumina, im Bereich zwischen 5 und 106 beobachtet wurde, sind die Mechanismen der Beschleunigung in den meisten Fällen nur unzureichend verstanden. Eines der Hauptziele des Projekts ist es, organische Modellreaktionen in Mikrotröpfchen und dünnen Filmen hinsichtlich der Reaktionsbeschleunigung in eingeschlossenen Volumina zu untersuchen, wobei IR-Desorptionsmassenspektrometrie und ESI in Kombination mit Flugzeitmassenspektrometrie und IM-Spektrometrie eingesetzt werden. Die Theorie (DFT-Berechnungen) wird helfen, die experimentellen Daten zu verstehen und zu interpretieren.
  2. IR-MALDI-MS und IR-MALDI-IM-Spektrometer gekoppelt an Mikrochips:
    In der ersten Förderperiode war eine der wichtigsten wissenschaftlichen Errungenschaften im zentralen Projekt in Zusammenarbeit mit der AG Belder die erfolgreiche Kopplung von Mikrofluidik-Chips und Massenspektrometrie über freie Flüssigkeitsstrahlen und IR-Matrix-unterstützte Laserdispersion/Ionisation (IR-MALDI). Basierend auf diesen ermutigenden Ergebnissen beabsichtigen wir, die IR-MALDI-Chip-MS-Technologie stark zu nutzen und diesen Ansatz weiter auszubauen und LOC-Systeme auch mit Driftröhren-IM-Spektrometrie zu koppeln. IR-MALDI in Kombination mit der Mikrostrahltechnik kann als komplementäre Technik zur Elektrospray-Ionisation betrachtet werden. Beide werden in dem Projekt eingesetzt. Insbesondere die Möglichkeit, chemische Prozesse bei hohen Flussraten zu überwachen, macht diesen Ansatz sehr attraktiv für die Detektion von kurzlebigen Zwischenprodukten, die in kontinuierlichen Flussreaktionen entstehen. In diesem Zusammenhang ist die hohe Abtastfrequenz von Driftröhren-IM-Spektrometrie-Instrumenten im Vergleich zu eher langsamen Atmosphärendruck-Interface-MS-Systemen eine weitere attraktive Eigenschaft der IM-Spektrometrie. Im Hinblick auf IR-MALDI und Flüssigkeitsstrahltechniken, die an die IM-Spektrometrie gekoppelt sind, ergeben sich durch die Zusammenarbeit zwischen der AG Abel und der AG Löhmannsröben starke Synergien. Diese Technologien werden im Rahmen der Überwachung von transienten Zwischenprodukten und Produktverteilungen schneller organischer Reaktionen mittels Massenspektrometrie eingesetzt.
  3. Anwendung der Technologien auf Projekte von Kooperationspartnern innerhalb der Forschergruppe:
    Nach der Entwicklung von Enabling Technologies für die Untersuchung komplexer organischer und organokatalytischer chemischer Transformationen wird dieser Werkzeugkasten zusammen mit der Theorie in der zweiten Förderperiode gemeinsam mit Kooperationspartnern (AG Belder, AG Schneider, AG Seeberger und AG Pagel) in der Forschergruppe zur Untersuchung anderer komplexer Systeme angewendet und erweitert.

Projektleitung

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Prof. Dr. Bernd Abel

Universitätsprofessor

Institut für Technische Chemie
Hauptgebäude Chemie
Johannisallee 29
04103 Leipzig

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Prof. Dr. Hans-Gerd Löhmannsröben

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Institut für Chemie

Telefon: +49 - 331 - 9775222

Mikrofluidisches Trapping von 3D-Kugeln in mikrofluidischen Reaktionssystemen zur Echtzeit-Biosensierung von aus der Fließchemie stammenden Verbindungen


Thema des Forschungsvorhabens in der 2. Förderperiode ist die Kombination eines 3D-Organoid-basierten multiparametrischen Echtzeit-Bioaktivitätsmonitorings mit der Adaption des mikrofluidischen Lab-on-chip-Designs (1. Förderperiode). Die Herausforderung besteht in der Kopplung einer Inline-Echtzeit-Bioanalytik unter hoher Umgebungskontrolle (Temperatur, Flussrate / Scherstress etc.) zum Auslesen der Physiologie komplexer 3D-Zellaggregate unter Fluss. In der 1. Förderperiode ist es uns gelungen, ein schnelles, sensitives Echtzeit-Analysewerkzeug auf Basis eines lebensfähigen 2D-Zellmonolayers zur impedimetrischen Überwachung der biologischen Aktivität von chemischen Syntheseprodukten zu etablieren. Nun wird das mikrofluidische On-Chip-Trapping von 3D-Organoiden, d.h. organotypischen Herzkugeln, die die in vivo Situation rekapitulieren, das Hauptforschungsthema sein. Die Wirkstoffentwicklung soll auf einem mikrofluidischen Chip realisiert werden, um die Vorteile von 3D-Kulturen mit der ultraschnellen Reaktionszeit und Wirkstoffverteilung zu kombinieren. Der mikrofluidische Chip besteht daher aus zwei Ebenen (i) für den Mikrosynthesebereich, das μFFE-Feld und die Mikrokanäle, die die 3D-Mikrokavitäten-Elektrode als Multi-Well-Format verbinden, auf der (ii) zweiten Ebene mit Positionierungskanälen für die 3D-Kulturen. Dazu werden die neuartigen Mikrokavitäten-Array-Strukturen mit mindestens vier Elektroden pro Mikrokavität (200 - 500 μm Länge, 130-330 μm Tiefe) in Quarzglassubstraten mit der innovativen Technologie des selektiven Laserätzens hergestellt. Diese integrierten Mikrokavitätenstrukturen auf dem Multilevel-Mikrofluidik-Chip werden von einer Hybrid-Multiplexer-Elektronikplatine kontaktiert, die auf der in der 1.
Förderperiode entwickelt wurde. Für die synchrone multimodale Messung der biologischen Targets wird die Elektronikplatine um ein Elektronikmodul für die Feldpotentialerfassung erweitert. Das erweiterte multimodale System besteht aus einer Umschaltung zwischen Impedanzspektroskopie, Feldpotentialaufzeichnung und photonischem Monitoring von 3D-Herzclustern unter fluidischen Bedingungen, wodurch physiologische biomechanische und elektrophysiologische Eigenschaften in Echtzeit analysiert werden können. So wird der mikrofluidische Chip für lebensfähige Zellmonolayer aus der 1. Förderperiode um ein neuartiges Modul zum 3D-Organoid-Trapping und Echtzeit-Hybrid-Live-Sensing von 3D-Kugeln in Mikrokavitäten-Arrays erweitert, das auf den in der Vergangenheit gezeigten Erfahrungen basiert.

Projektleitung

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Dr. Heinz-Georg Jahnke

Wiss. Mitarbeiter

Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik
Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum
Deutscher Platz 5, Raum 1.404
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-31246
Telefax: +49 341 97-31249

FluxProbe – Nutzung der Biokatalyse zur Untersuchung des Funktionsraums einzelner mikrobieller Katalysatoren

Projekt 7 konzentriert sich auf die quantitative Analyse der Funktion und Reaktivität von Biokatalysatoren mit Einzelzellauflösung (siehe Abbildung 2). Einzelzellreaktionsprodukte werden erstmals mittels massenspektrometrischer Analytik analysiert und quantifiziert, um den Funktionsraum einzelner Biokatalysatoren abzubilden und Zugang zu einzellspezifischen Ausbeuten und Raten zu erhalten. Unter Ausnutzung der analytischen Möglichkeiten der Massenspektrometrie werden 13C-Isotopen-markierte Substrate detaillierte Informationen über den Betrieb des metabolischen Netzwerks des Biokatalysators liefern und die abgeleiteten quantitativen Daten über Raten, Ausbeuten und Selektivität massiv anreichern. In Kombination mit globalen physiologischen Daten wie spezifischen Wachstumsraten der Katalysatoren wird es möglich sein, ein ganzheitliches Bild des zustandsabhängigen Funktionszustandes eines Biokatalysators zu erstellen und die Populationsreaktivität mit seiner funktionellen Struktur zu verbinden. Die Erforschung bisher unbekannter Zusammenhänge zwischen Reaktivität, Stoffwechselzustand und extrazellulären Parametern wird durch die stringente Kontrolle der Reaktionsbedingungen über die physikalischen Eigenschaften im mikrofluidischen Maßstab ermöglicht. Das integrative analytische Konzept von Projekt 7 geht weit über die derzeitigen Ansätze in der Einzelzellforschung für die Biokatalyse hinaus, die durch die begrenzten technologischen Möglichkeiten der optischen Zellanalyse eingeschränkt sind. Um diese Ziele zu erreichen, müssen einzelne Biokatalysatoren über mikrofluidische Bioreaktoren von Populationen entkoppelt werden, um echte Einzelzellkatalyse durchzuführen. Integrierte LOC-basierte Konzepte sind notwendig, um die kleinen Mengen an Reaktionsprodukten zu verarbeiten und verlustfrei in die hochempfindliche MS-Analytik zu überführen. Das Projekt profitiert von früheren Errungenschaften der AG Schmid in Bezug auf integriertes Mikrobioreaktordesign, -herstellung und -anwendung (Envirostat), analytische Konzepte für mikrobielle Einzelzellen, Biokatalysatorentwicklung und analytische Biochemie basierend auf 13C-markierten Substraten. All diese Entwicklungen stellen Meilensteine in der Einzelzell-Biokatalyse-Forschung dar und zielten darauf ab, die Analyse einzelner mikrobieller Biokatalysatoren mittels MS-Analytik zu ermöglichen, die im Rahmen dieses Projektes durchgeführt werden soll. Integrierte analytische Konzepte, die leistungsfähig genug sind, um einzelne Zellreaktionsprodukte mittels Massenspektrometrie zu analysieren, sind jedoch noch nicht verfügbar. Dies ändert sich durch die massiven Fortschritte in der Chip-MS-Kopplung während der ersten Förderperiode der Forschergruppe In-Chem. Durch die Realisierung der Durchführung von Organokatalysen in on-chip generierten wässrigen Mikrotröpfchen und die verlustfreie Anbindung des Chips an die massenspektrometrische Analytik ergeben sich neue analytische Möglichkeiten für die Einzelzellanalyse. In Bezug auf die Zellanalyse hat die WG Belder kürzlich die Analyse der Enantioselektivität von nur wenigen hundert Zellen demonstriert. Durch die Integration von mikrofluidischen Systemen, die eine strenge Kontrolle der Reaktionsbedingungen ermöglichen, und mit den entwickelten miniaturisierten analytischen Ansätzen ist die bedingungsabhängige katalytische Leistung von Einzelzellen nun in analytischer Reichweite. Die Anwendung dieser Entwicklungen auf Einzelzellkatalysatoren wird die Biokatalyseforschung auf die nächste Stufe heben. Wir werden die Envirostat-Plattform nutzen, um katalytische Transformationen mit wenigen bis einer isolierten Einzelzelle durchzuführen und diese mit hochempfindlicher MS-Analytik zu koppeln. Auch Mikrotröpfchen als begrenzte Batch-Bioreaktoren werden als vielversprechende statische Alternative zur flussbasierten Einzelzellkatalyse evaluiert.

Projektleitung

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Prof. Dr. Andreas Schmid

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
Department Solare Materialien (SOMA)

Fortschrittliche Technologien für integrierte Mikrosysteme

In Fortsetzung der sehr erfolgreichen Mission in der ersten Förderperiode wird das Projekt 8 Forschung zur Entwicklung von Enabling Technologies im Fokus der Forschungseinheit durchführen. Darüber hinaus bietet es technologische Unterstützung und Zugang für alle Partner der Forschergruppe. Dementsprechend fungiert das Projekt 8 als technologischer Klebstoff für die gesamte Forschergruppe und dient als synergetisches Bindeglied zwischen den synthetischen und analytischen Chemikern. In der zweiten Förderperiode liegt der Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten und -ziele auf:

  • Analyse von Stereoisomeren und Enantiomeren in der segmentierten Mikrofluss-Synthese
  • Schnelles Inline-Monitoring von komplexen Reaktionsgemischen
  • Entwicklung und Prototyping von maßgeschneiderten mikrofluidischen Chip-Systemen

Diese Forschungsthemen adressieren die in der ersten Förderperiode identifizierten technologischen Anforderungen der gesamten Forschungseinheit. Das Auslesen der chemischen Inhalte von Nano- bis Pikoliter-großen Reaktionskammern ist eine Herausforderung, insbesondere im Hinblick auf die Unterscheidung von Stereoisomeren oder sogar Enantiomeren. Aufbauend auf den sehr erfolgreichen Errungenschaften in der Chip-Chromatographie soll diese Technologie weiterentwickelt werden, um den chemischen Inhalt einzelner Tröpfchen on-chip zu lesen. Auch die Herausforderung des schnellen Inline-Monitorings komplexer Reaktionsgemische wird durch die Zusammenführung von Chip-basierter HPLC und Driftröhren-IMS angegangen. Im Bereich der Mikrochipentwicklung und des Prototypings war in der ersten Förderperiode die Integration neuartiger Mikroelektrodenkonfigurationen in mikrofluidische Chips insbesondere auf Basis von 2D-Designs ein wichtiges Thema. Die zweite Förderperiode wird sich mit der Erforschung und Technologieentwicklung von 3D-Mikrostrukturen und geeigneten Mikroelektrodenanordnungen auf diesen in mikrofluidische Chips integrierten 3D-Strukturen für die Teilprojekte Umgang mit Tröpfchen, Einzelzellen, (Bio-)Katalyse und 3D-Gewebe beschäftigen. Die Herausforderung dieses Ansatzes wird es sein, die erreichbare Oberflächentopologie der laserstrukturierten Quarzglassubstrate bezüglich der Mikrokanäle und Kavitäten für optimale physikalisch-chemische Eigenschaften im Hinblick auf die mikrofluidischen Bedingungen (Flussrate, Wand- und Oberflächenschubspannung etc.) zu finden und zu untersuchen. Die Forschung in diesem Technologiefeld wird allen Teilprojekten und den darin beschriebenen Aufgabenstellungen einen starken Nutzen bringen.

Projektleitung

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Prof. Dr. Detlev Belder

Universitätsprofessor

Konzentrationsanalytik
Hauptgebäude Chemie
Johannisallee 29, Raum 1-265
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36091
Telefax: +49 341 97-36115

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Dr. Heinz-Georg Jahnke

Wiss. Mitarbeiter

Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik
Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum
Deutscher Platz 5, Raum 1.404
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-31246
Telefax: +49 341 97-31249

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