Bioanalysis & Biosensors
Unsere Forschung umfasst moderne bioanalytische Methoden zur Untersuchung und dem Nachweis analytisch relevanter Moleküle und Prozessen in komplexen realen Proben. Im Mittelpunkt stehen die Entwicklung innovativer Materialien, Trenn- und Anreicherungsverfahren, sensorischer Plattformen sowie neuer instrumenteller Konzepte für sensitive und zuverlässige Konzentrations- und Wirkungs-Analysen. Die Arbeiten adressieren Fragestellungen der medizinischen Diagnostik, personalisierten Gesundheitsversorgung, Lebensmittel- und Umweltanalytik, pharmazeutischen Forschung sowie Biotechnologie. Dabei verbinden wir chemische, physikalische und materialwissenschaftliche Ansätze, um analytische Systeme für das 21. Jahrhundert zu entwickeln.
Neue Materialien, Sensorik und Point-of-Care-Testing
Neue funktionale Materialien bilden die Grundlage leistungsfähiger analytischer Systeme. Unsere Forschung nutzt unter anderem Liposomen, aufkonvertierende Nanopartikel, elektrogesponnene Nanofasern, sowie fluoreszierende und elektroaktive Sonden, um Signale gezielt zu verstärken, Nachweisgrenzen zu verbessern und den Reagenzienverbrauch im Sinne nachhaltiger Analytik zu reduzieren.
Durch Markierungs-, Anreicherungs- und Funktionalisierungsstrategien, beispielsweise mit elektrogesponnenen Nanofasern, Mikro- und Nanopartikeln oder reaktiven Oberflächen, werden selbst niedrig konzentrierte Analyten für eine sensitive Bestimmung zugänglich gemacht.
Diese Ansätze werden in moderne bioanalytische Plattformen wie Lateral-Flow-Assays, mikrofluidische Chips, sensorische Mikrotiterplatten oder Lab-on-a-chip-Systeme integriert. Ziel ist die Entwicklung kompakter, automatisierbarer und anwenderfreundlicher Analysesysteme für den Einsatz direkt am Patienten, in der Arztpraxis (Point-of-Care-Testing) oder im Feld.
Für die Detektion biologischer und chemischer Zielmoleküle nutzen wir ein breites Spektrum optischer, spektroskopischer und elektrochemischer Verfahren. Daraus entstehen innovative Sensorsysteme und Wearables für schnelle, portable und hochsensitive Analysen in Medizin, Umwelt und Life Sciences.
Label-freie Wirkungsanalytik mit lebenden Zellen als Sensoren
Die bioanalytische Chemie ist häufig auf die Bestimmung der Konzentration einer chemischen Spezies in einer komplexen biologischen Probe fokussiert. Dabei sind dann Selektivität und Spezifität des analytischen Bestimmungsverfahrens gefragt. Steht die biologische Wirkung (z.B. Toxizität) einer Real-Probe im Vordergrund, dann ist zunächst nicht entscheidend, welche der darin enthaltenen Komponenten die Wirkung auslöst sondern lediglich, ob die Probe toxisch, krebserregend oder vielleicht auch für einen bestimmten Phänotyp vorteilhaft oder heilsam ist. Diese Sichtweise trägt der Tatsache Rechnung, dass es häufig
unmöglich oder mindestens sehr aufwändig ist, eine komplexe Probe in allen Bestandteilen zu analysieren und zu bewerten. Wirkungsanalytik basiert daher zwingend auf lebenden Organismen, die in ihrer funktionellen Gesamtheit zur Detektion eingesetzt werden. Für wirkungsanalytische Studien nutzen wir daher lebende Zellen und Gewebe aus verschiedensten Spezies (Mensch, Maus, Ratte, Insekten), die je nach Fragestellung ausgewählt werden und verbinden sie mit einem physikalischen Signalwandler (Elektrode, Optrode, Piezoresonator), um die Reaktion der Organismen auf einen äußeren Reiz auslesen und quantifizieren zu können. Der Einsatz dieser Verfahren benötigt eine genaue Kenntnis der Kopplung zwischen lebenden Sensoren und Signalwandler.
Wir verwenden hauptsächlich label-freie und damit zerstörungsfreie, zeitaufgelöste Signalwandler, um die Reaktion der Probe nicht durch Farbstoffe oder andere analytische Indikatoren zu beeinflussen und die Organismen auch über lange Zeiträume bis hin zu Wochen ununterbrochen zu beobachten und zu analysieren. Um der Komplexität dieser lebenden Sensoren gerecht zu werden, setzen wir häufig mehrere Signalwandler ein, um die Zellen und Gewebe multi-parametrisch und damit informationstiefer zu beobachten. Fast immer im Einsatz ist dabei die elektrochemische Impedanzspektroskopie, deren signalgebender Wechselstrom biologische Organismen vollständig durchdringt und dadurch über die ganze Zellen oder das Gewebe integriert.
Elektroanalytik, Massenspektrometrie und Kopplungsverfahren
Auf dem Gebiet der Elektroanalytik befassen wir uns mit miniaturisierten Analysensystemen unter Verwendung von Ultramikroelektroden. Diese Elektroden mit µm- und Sub-µm-Dimensionen eignen sich insbesondere als Sonden für die Elektrochemische Rastermikroskopie (SECM), bei der eine ortsaufgelöste Charakterisierung der elektrochemischen Aktivität von Oberflächen ermöglicht wird. Daneben spielt die direkte Kopplung von elektrochemischen Fließzellen mit der Massenspektrometrie eine wichtige Rolle. Damit lassen sich in Echtzeit sogenannte Massen-Voltammogramme generieren, die neben der konventionellen Strom-Spannungs-Charakteristik die massenaufgelöste Information von Edukt- und Produktspezies elektrochemischer Reaktionen darstellen. Bei komplizierten Reaktionsabläufen lässt sich zwischen die elektrochemische Zelle und das Massenspektrometer eine kapillarelektrophoretische Trennung einkoppeln. Derartige Kopplungssysteme sind nur auf Basis von instrumentellen Geräteentwicklungen möglich, die eine Schlüsselstellung unserer analytischen Entwicklungen einnehmen. Instrumentelle Innovationen werden in der Regel zunächst unter Verwendung von Modellsystemen realisiert und optimiert; die entwickelten instrumentellen Systeme lassen sich in verschiedenen Anwendungsgebieten wie der Bioanalytik, der Umweltanalytik sowie im Bereich der Untersuchung von Lithiumionen-Batterien einsetzen.
Typische Forschungsfragen
Wie können neue Viren oder pathogene Keime hochsensitiv und selektiv in komplexen biologischen Proben wie Blut, Speichel oder Urin bestimmt werden?
Wie kann man auf Teststreifen mehrere Analyten mit mehreren unterschiedlichen Nachweissystemen quantitativ erfassen?
Wie lassen sich Nachweisgrenzen bioanalytischer Verfahren durch neue Oberflächenchemien, Nanostrukturen oder intelligente Assaykonzepte verbessern?
Wie können bioanalytische Systeme miniaturisiert und automatisiert werden, um portable Point-of-Care- oder Lab-on-a-chip-Plattformen zu realisieren?
Welche Strategien ermöglichen die Anreicherung von Spurenanalyten aus biologischen oder umweltrelevanten Proben?
Wie können optische Methoden wie Fluoreszenz, Raman-Spektroskopie oder plasmonische Sensorik mit mikrofluidischen Plattformen kombiniert werden?
Welche Rolle spielen Oberflächen- und Grenzflächeneffekte bei der Wechselwirkung von Nanomaterialien mit biologischen Systemen?
Wie können instrumentelle Entwicklungen den analytischen Informationsgehalt steigern?
Wo liegen die Grenzen der Miniaturisierung analytischer Systeme?
Welche Vor- und Nachteile haben verschiedene chromatographische und elektrophoretische Trennverfahren?
Wie kann man die Leistungsfähigkeit analytischer Trennverfahren durch neue Detektionskonzepte steigern?
Wie wirkt ein Unkrautvernichtungsmittel auf Insekten? Gibt es eine ungewollte insektizide Wirkung? (Ökotoxikologie)
Sind natürliche oder synthetische Nanomaterialien toxisch und wenn ja in welchen Konzentrationen und nach welchen Zeiten? (Nanotoxikologie)
Kann ein Chemotherapeutikum die Zellen eines Tumors wirklich abtöten oder an der Zellteilung hindern? (Chemosensitivitätsanalyse, Biomedizin)
Infizieren Viren eine potentielle Wirtszelle, welche Reaktion wird dadurch in der Wirtszelle ausgelöst und können Virostatika das verhindern? (Wirkungsanalyse, virologische Assays)
Ist eine neuer Impfstoff in der Lage, die Bildung ausreichender Mengen geeigneter Antikörper zu induzieren, um eine Virusinfektion sicher zu verhindern? (Neutralisationsassays, virologische Assays)
