Biophotonik

Verfügbare Fluoreszenzmethoden (Großbild)

Im Fokus des Fachbereichs Biophotonik stehen die Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung von funktionellen Farbstoff-Systemen, die Entwicklung und Validierung innovativer spektroskopischer Methoden für diese Applikationen sowie die Entwicklung und die Bereitstellung von zertifizierten Standards und Kalibrierwerkzeugen und von Validierungsstrategien für verschiedene Fluoreszenzmesstechniken.

Bei den untersuchten funktionellen Farbstoff-Systemen handelt es sich schwer-punktmäßig um organische und anorganische Fluorophore, nanokristalline Mate-rialien (z.B. Quantum Dots), partikelbasierte Systeme, Marker für Oberflächen-funktionalitäten und Farbstoff-Biomolekül-Konjugate (z. B. Sonden für die optische Bildgebung). Innerhalb dieser Themengebiete erfolgen Untersuchungen zur spek-troskopischen Charakterisierung und zur Applikation dieser Systeme inklusive der Erarbeitung von Multiplexing- und Signalverstärkungs-Strategien. Einen weiteren Schwerpunkt bilden methodische Arbeiten zur absoluten Fluorometrie und zur Charakterisierung der optischen Eigenschaften streuender und fluoreszierender Systeme wie Partikel-Suspensionen.

Im Schwerpunkt Standardisierung von Fluoreszenzmesstechniken erfolgt die Ent-wicklung, Validierung und Zertifizierung von formatadaptierbaren Fluoreszenz-standards für verschiedene fluorometrische Kenngrößen (z.B. relative und absolute Fluoreszenzquantenausbeute, Fluoreszenzlebensdauer) und Fluoreszenzverfahren (z. B. Standards für die spektrale Empfindlichkeit, die day-to-day Performance und die Fluoreszenzquantenausbeute) inklusive der Validierung von geeigneten Fluoreszenzmethoden. Im Fokus liegen hier u.a die klassische Fluoreszenzspektroskopie, Methoden zum Messen von streuenden und fluoreszierenden Systemen (z.B. Ulbrichtkugelmessplätze) sowie Methoden zum Auslesen von Fluoreszenzassays (z.B. Fluoreszenzmikroskopie und Mikroarraytechnologie).

Mit diesen Zielstellungen erfolgen rückführbare temperatur- und polarisations-abhängige absorptions- und fluoreszenzspektroskopische (statisch; zeitaufgelöst: ps- bis ms-Zeitbereich) Untersuchungen sowie fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen (spektral aufgelöste konfokale Laser Scanning Mikroskopie (CLSM)) an flüssigen und festen, transparenten und streuenden Proben im ultravioletten (UV), sichtbaren (VIS) und nahinfraroten (NIR) Spektralbereich (250 nm bis 1700 nm).

Die internationale Vergleichbarkeit der Messfähigkeit wurde durch einen Ringversuch mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST, USA), dem National Research Council (NRC, Canada) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) abgesichert. Die eingesetzten spektroskopischen Methoden sind durch die Akkreditierung (DAkkS) der Abteilung 1 abgedeckt.

Anwendungsorientierte Problemlösungen ergeben sich dabei u.a. in der Optimierung der Markierungsdichte von Farbstoff-Biomolekül-Konjugaten und der Farbstoffbeladung von Partikeln sowie der Quantifizierung von funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von streuenden Nano- und Mikropartikeln und von 2D-Substraten.

Arbeitsschwerpunkte

Funktionelle Farbstoffsysteme (Großbild)

• Spektroskopische Charakterisierung von Farbstoff-Systemen in verschiedenen Matrices und auf Oberflächen
• Methoden zur Optimierung von Fluoreszenzsignalen inklusive Verstärkungsstrategien (Rolling Circle Amplifikation (RCA); Förster- bzw. Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET))
• Multiplexing-Strategien (spektral; Lebensdauer)
• Design und Charakterisierung von funktionellen Farbstoff-Biomolekül-Konjugaten
• Design und Charakterisierung von lumineszenten Nano- und Mikropartikeln variierter Oberflächenchemie
• Untersuchungen zu Wechselwirkungen von Farbstoff-Systemen und Nanopartikeln mit biologischen Systemen (z.B. Proteine, Zellen)

• Standardisierung von Fluoreszenzmessungen: Design, Entwicklung, Validierung und Bereitstellung von formatadaptierbaren Fluoreszenzstandards für Intensitäts-, spektrale und zeitliche Kenngrößen
• Methoden zur Bestimmung der relativen und absoluten Fluoreszenz-quantenausbeute von flüssigen und festen, transparenten und streuenden Systemen im UV/VIS/NIR-Spektralbereich
• Methoden zur Bestimmung der optischen Eigenschaften (Absorption, Streuung, reflektion) von flüssigen und festen streuenden Systemen wie z.B. Partikelsuspensionen
• Methoden zur Quantifizierung und Charakterisierung von funktionellen Gruppen auf Partikeloberflächen und 2D-Substraten

Kooperationen

Formatadaptierbare Fluoreszenzstandards (Großbild)

• J. Kneipp (BAM 1.0 und Institut für Chemie, Humboldt-Universität zu Berlin) und H.-J. Kunte (BAM Fachbereich 4.1): Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit biologischen Systemen
• I. Hilger (Universitätsklinikum Jena), F. Alves (MPI Experimentelle Medizin Göttingen), F. Kiessling (RWTH, Aachen) und K. Licha (Mivenion GmbH): Hochfluoreszente Farbstoff-Biomolekül-Konjugate für die in vivo-Nahinfrarot-Fluoreszenzbildgebung
• A. Eychmüller (Universität Dresden), H. Weller (Universität Hamburg) und T. Nann (University of South Australia): Nanokristalline Marker für (bio)analytische Anwendungen

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