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Neues Analyseverfahren Kombination von Raman-Spektrokospie mit Mikrofluidik

| Autor/ Redakteur: Lars Steffen / Marion Wiesmann

Die sorgfältige Überwachung einer Krebstherapie oder die schnellere Überführung von Dopingsündern sind nur zwei mögliche Anwendungen einer neuen Analyseverfahrens-Technologie, die Wissenschaftler des Institutes für Photonische Technologien (IPHT) in Jena mit der Kombination von Raman-Spektrokospie mit der Mikrofluidik entwickelt haben.

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Das Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena
Das Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena
( Bild: IPHT )

Jena - Für die Entwicklung eines hochsensiblen Analyseverfahrens setzten die Forscher des IPHT in Jena auf die Kombination zweier leistungsstarker Analysemethoden, der Raman-Spektrokospie und der Mikrofluidik. „Zusammen ermöglichen diese erstmals von uns kombinierten Verfahren die gezielte spektroskopische Untersuchung kleinster Flüssigkeitsmengen“, so Dr. Thomas Henkel, Leiter der Abteilung Mikrofluidik am IPHT, über die Vorteile des neuen Verfahres.

Das Projekt führt nicht nur zwei Methoden zusammen, sondern stellt darüber hinaus eine gelungene wissenschaftliche Kooperation zwischen dem IPHT und der Friedrich-Schiller-Universität dar. „Nur wenn wir in Jena in Projekten wie diesen unsere Kompetenzen bündeln, gelingen uns solche Erfolge, die international große Beachtung finden und auch wirtschaftlich von großem Interesse sind“, so Prof. Dr. Jürgen Popp, der beide beteiligten Institute als Direktor leitet, über die Bedeutung der Zusammenarbeit.

Die Funktionsweise des neuen Analyseverfahrens

Das Prinzip beruht auf optischen Wechselwirkungen zwischen den zu analysierenden Molekülen und winzigen Silberteilchen im Nanomaßstab. Die durch diese Wechselwirkung auftretenden plasmonischen Effekte verstärken das Messsignal um bis zu neun Größenordnungen. „So können wir noch in einer Flüssigkeitsmenge von weniger als 100 Nanolitern die Konzentration pharmazeutisch wirksamer Moleküle exakt bestimmen“, erläutert Popp. Das Probenvolumen entspreche dabei etwa einem Zehntel einer Stecknadelspitze.

Das Herzstück des Verfahrens ist ein nur 25x16 mm großer am IPHT entwickelter Analysechip, der alle für Vorbereitung und Untersuchung einer Probe notwendigen Schritte vereint. In ihm finde das Einspritzen der zu untersuchenden Lösung, die Dosierung der Nanopartikel und die Anlagerung an die Probentröpfchen statt. Da er vollständig aus Glas und damit optisch transparent ist, kann er direkt in ein kommerziell erhältliches Raman-Mikrospektrometer integriert werden, in dem dann die eigentlichen Messungen stattfinden.

Untersucht wird die Probe mit Hilfe der SERS-Spektroskopie, die das Phänomen der oberflächenverstärkten Raman-Streuung ausnutzt. Diese tritt auf, wenn sich Moleküle in der Nähe bestimmter metallischer Oberflächen befinden. „Normalerweise benötigt man für den Nachweis mittels Raman-Spektroskopie eine relativ hohe Konzentration an Molekülen oder eine hohe Laserintensität“, erläutert Physikochemikerin Ackermann. Raman-Spektren einzelner Moleküle sind so nicht möglich. „Durch das Ausnutzen des SERS-Effektes kann man aber eine erhebliche Verstärkung der Raman-Signale erreichen.“

Mögliche Einsatzgebiete

In ihren ersten Untersuchungen haben die Wissenschaftler um Jürgen Popp zwei verbreitete Wirkstoffe untersucht: Promethazin wird zur Behandlung von Allergien oder als Beruhigungsmittel eingesetzt. Mitoxantron findet in der Krebstherapie und Behandlung von Multipler Sklerose Verwendung. Fernziel ist die Nutzung des entwickelten Verfahrens für eine kontinuierliche Überwachung der Wirkstoffkonzentration am Patienten, um stets die korrekte Dosierung einzuhalten.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz äußerst vielversprechend für solche Anwendungen in der Medizin ist“, betont IPHT-Abteilungsleiter Henkel. „Doch nicht nur zur Therapiekontrolle eignet sich die Methode, sondern auch, wenn es um die schnelle und hochempfindliche Analyse von Urin-, Blut- oder Plasmaproben zur Doping- oder Drogenkontrolle geht.“ Eine weitere Einsatzmöglichkeit sieht der Chemiker in der Lebensmittelkontrolle beim Nachweis von Verunreinigungen und Schadstoffen.

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