Projektübersicht

Projekt 1

Einzelpartikelkatalyse in mikrofluidischen Systemen
Projekt 1 beschäftigt sich mit der Kombination von chemischer Reaktion und Analyse in Mikrosystemen zum Studium organisch-chemischer Synthesen in geringsten Dimensionen. Der wissenschaftliche Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung von Methoden, welche die Untersuchungen katalytischer Reaktionen auf Einzelpartikelniveau ermöglichen. Der bevorzugte Lösungsansatz zur Untersuchung von Reaktionsprodukten aus Umsetzungen mit einzelnen Katalysatorpartikeln ist die Realisierung eines Chipsystems basierend auf der Tröpfchen-Mikrofluidik, welches mit leistungsstarken Detektionsmethoden gekoppelt werden soll. Zentraler Aspekt der Arbeiten ist die effiziente Verknüpfung mikrofluidischer Prozesse mit hochsensitiven Analysesystemen, wobei die Herausforderung zum einen in der mikrofluidischen Reaktionsführung mit einzelnen Partikeln als kleinste Katalyseeinheiten und zum anderen im Erreichen der benötigen Nachweisgrenzen zur analytischen Erfassung geringster Produktmengen bestehen. Mit den geplanten Arbeiten sollen neue Werkzeuge auf Basis der lab-on-a-chip Technologie entwickelt werden, die eine schnelle Entwicklung und Optimierung chemischer Prozesse in bisher unerreichten Dimensionen, bezüglich Raum, Zeit und Substanzmenge ermöglichen.

Projekt 2

Empirisches Verständnis von Glykosylierungsreaktionen
Oligosaccharide sind in biologischen Systemen allgegenwärtig. Der Schlüsselschritt bei der Synthese dieser komplexen Strukturen durch Glykosylierungsreaktionen ist die gezielte Kopplung zweier einzelner Zuckereinheiten. Die Reaktionsbedingungen sind hierbei nahezu immer substratabhängig, was eine inviduelle Optimierung für jeden Monosaccharidbaustein erforderlich macht. Die Reaktionen laufen zweistufig ab, wobei sich zunächst ein Acyl-Oxonium-Ion als reaktives Intermediat bildet, das durch einen zweiten Zucker abgefangen wird. Bisher erfolgt die Optimierung dieser Prozesse manuell durch Analyse der erhaltenen Produkte. In diesem Projekt soll nun erstmals ein automatisierter Reaktionsoptimierer für Glykosylierungsreaktionen entwickelt werden. Das System nutzt einen mikrofluidischen Durchflussreaktor und überwacht die Bildung des reaktiven Zwischenproduktes bei der Aktivierung von Monosacchariden in situ mittels Ramanspektroskopie. Für die orts- und zeitabhängige Charakterisierung des Reaktionsgemisches wird eine multivariate Analyse der Ramandaten angewendet. Neben einer relativen Quantifizierung ist es somit möglich, Basisspektren von Intermediaten zu erhalten und diese strukturell zu charakterisieren. Durch die Steuerung der Reaktionsbedingungen und die genaue Kontrolle der Zugabe von Reaktanden, kann die Konzentration des reaktiven Zwischenprodukts genau dort im Chip maximiert werden, wo das Fangmittel (zweiter Zucker) zugegeben wird. Die inline erhaltenen Ramandaten werden über eine Software (LabVIEW) für die automatische Ansteuerung von Pumpen und Thermostaten genutzt. Auf diese Weise werden die Reaktionsbedingungen kontinuierlich optimiert. Neben der Entwicklung eines neuen inline Charakterisierungsansatzes wird das System neue Einblicke in die Mechanismen von Glykosylierungsreaktionen liefern. Eine wesentliche Frage ist dabei, wie die Reaktionsbedingungen und Substituenten die Bildung der wichtigsten reaktiven Zwischenprodukte, besonders der Acyl-Oxonium-Ionen, beeinflussen. Der hier vorgeschlagene Ansatz wird die Möglichkeiten, in Zukunft Glykosylierungsreaktionen durchzuführen, grundlegend verändern und das Verständnis der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen erweitern.

Projekt 3

Inline SERS-Charakterisierung in mikrofluidischen Reaktionssystemen
Die Verwendung von SERS in mikrofluidischen Strukturen bedeutet eine Empfindlichkeitssteigerung beim Nachweis von Molekülen, die an chemischen Reaktionen und Prozessen beteiligt sind. Damit wird eine Verfolgung von Reaktionsverläufen möglich. Neben der Identifizierung und Quantifizierung von Reaktanten lässt sich mit SERS-Sensoren eine genaue Charakterisierung der Reaktionsbedingungen in Mikroumgebungen (z. B. pH, Temperatur) erreichen. Im vorgeschlagenen Projekt soll die oberflächenverstärkte Ramanstreuung (surface-enhanced Raman scattering, SERS) weiterentwickelt werden, um in mikrofluidischen Strukturen Reaktionsverläufe inline zu beobachten und zu kontrollieren. Um dies zu erreichen, sollen Multifunktionalitäten von SERS-aktiven Nanostrukturen gezielt erzeugt und ausgenutzt werden. Neben der Funktion als SERS-Substrat werden plasmonische Nanopartikel aus Gold und Silber eingesetzt, um den Einfluss der plasmonischen Anregung auf photokatalyische Reaktionen zu untersuchen und um lokal Temperaturerhöhungen hervorzurufen. Die neu entwickelten methodischen Konzepte sollen anhand von zwei Anwendungsbeispielen geprüft werden. Dies sind (i) die Charakterisierung einer bekannten plasmonengestützten katalytischen Reaktion und (ii) die Beobachtung des Abbaus von Artesunat, einem Derivat des Antimalaria-Wirkstoffes Artemisinin. Die Möglichkeiten der Variation von Zusammensetzungen auf der Mikroskala und die Beobachtung der ausgewählten Reaktionen im Zeitverlauf mit SERS werden erst durch die Durchführung und Kontrolle dieser Experimente im mikrofluidischen System möglich. Darüber hinaus führt die Verwendung von SERS neben der empfindlichen Detektion zu einer inline schwingungsspektroskopischen Strukturaufklärung. Damit besitzt das Projekt neben einem hohen methodischen Innovationsgehalt das Potenzial, neue inhaltliche Erkenntnisse zu den untersuchten plasmonen- bzw. nanostrukturgestützten Prozessen zu liefern.

Projekt 4

Integrierte mikrofluidische Systeme zur Reaktionsaufklärung, Steuerung und Weiterentwicklung selektiver, sequentieller Heterocyclensynthesen mit einem neuen 1,2-Dinucleophil
Im hier beantragten Projekt beabsichtigen wir, integrierte mikrofluidische Systeme im Kontext einer neuen von uns kürzlich entdeckten und bisher noch erheblichen Limitierungen unterliegenden Heterocyclensynthese zu studieren und damit das Potential mikrofluidischer Verfahren für mechanistische Analyse, Optimierung sowie systematische Weiterentwicklung neuer organischer Reaktionen in voller Breite zu nutzen. Durch direkte Kopplung einer Domino-Mehrkomponenten-Reaktion mit inline Nanoelektrospray-Massenspektrometrie auf einem Mikrochip wollen wir die Intermediate der Reaktion erstmalig eindeutig nachweisen und die mehrstufige Transformation damit mechanistisch verstehen lernen. Mit Hilfe eines Hochleistungsmischers sowie eines effektiven Durchflusssystems, das inline durch IR-Spektroskopie überwacht wird, soll die Selektivität der Reaktion besser kontrolliert und die Produktbreite des Verfahrens erheblich erhöht werden. Weiterhin wollen wir durch Einsatz chiraler Katalysatoren auch enantiomerangereicherte Produkte sowie durch nachgeschaltete Folgetransformationen auch komplexere Heterocyclen zugänglich machen.

Projekt 5

Transiente Intermediate und Produktverteilungen organischer Reaktionen in freien mikrofluidischen Reaktionssystemen
Im Rahmen des Projekts soll die Entwicklung und Validierung von schnellen mikrofluidischen Mischern sowie Freistrahl-Mischer-Reaktoren und Frei-Tröpfchen-Mischer-Reaktoren in Kombination mit online Analytik durch FT-IR- und Fluoreszenzspektroskopie sowie zeitaufgelöste Flüssigphasen-Desorptions-Massenspektrometrie, unter anderem dazu eingesetzt werden, um i) einen organischen Katalysator mit Licht durch Komplexbildung mit einem molekularen Schalter zu kontrollieren und ii) den Mechanismus und die transienten Zwischenstufen einer Mehrkomponentenreaktion aufzuklären, die in eleganter Weise einen schnellen Aufbau von molekularer Komplexität bei der Synthese von Natur- und Wirkstoffen ermöglicht. Durch diese Arbeiten sollen neue Möglichkeiten für die herausfordernde Optimierung dieser und anderer Klassen von Reaktionen eröffnet werden.

Projekt 6

Impedimetrisches Monitoring in mikrofluidischen Reaktionssystemen zum Nachweis niedermolekularer Verbindungen im Durchfluss
Das Projekt 6 beschäftigt sich mit der Entwicklung und Integration zellsensorischer Analysemodule in chipbasierte Mikroreaktionssysteme zur markierungsfreien online Analytik niedermolekularer Verbindungen im Durchfluss. Hierfür sollen Multizonenmikroelektrodenarrays entwickelt und in einen mikrofluidischen Chip integriert werden, auf dem Mikroreaktoren, Mikrofreiflusselektrophorese (µFFE) und zellbasierte Analytik integriert sind. Das mikroelektrodenarraybasierte Analytikmodul ermöglicht (a) eine markierungsfreie, impedanzspektroskopische Überwachung chemischer Mikrosynthesen im kontinuierlichen Fluss und (b) eine serielle Zellfunktionskontrolle in Echtzeit. Die im Gesamtsystem kontinuierlich und mikropräparativ aufgetrennten, niedermolekularen Reaktionsprodukte werden neben dem bioelektronischen Monitoring außerdem auch mittels optischer Analytik in vitalen Zellmodellen detektiert und charakterisiert. Hierbei werden also erstmals chemische Synthese, Aufreinigung und biologische Funktionsdetektion auf kleinstem Raum integriert. Dieses neuartige Gesamtsystem verfolgt das Ziel, die Wirkstofffindung sowie die Selektion bioaktiver Leitsubstanzen schneller, sicherer und effizienter zu gestalten.

Projekt 7

Mehrstufige Chipreaktoren mit integrierter kontinuierlicher Separation
Im Projekt 7 sollen mehrstufige chipbasierte Durchflussreaktoren entwickelt werden, die eine kontinuierliche Synthese in zwei Stufen mit einer zwischengeschalteten Mikrofreiflusselektrophorese (FFE) ermöglichen. Es sollen die Fabrikation, Anpassung und Anwendung von kombinierten Mikroreaktor-Mikro-FFE-Plattformen für die organische Synthese verfolgt werden. Zur Methodenentwicklung wird hierbei die Synthese chinolinsubstituierter Cyclopentene untersucht. Das Hauptprodukt der Synthese soll von einem Nebenprodukt in der Mikro-FFE abgetrennt werden. Nachfolgend wird die Integration einer, der präparativen Trennung nachgeschalteten, zweiten Reaktorstufe erfolgen, die für erhöhte Temperaturen geeignet ist und die es erlaubt, die Temperatur im Mikromaßstab zu regeln und überwachen. In dieser Flussreaktorstufe soll eine Diels-Alder-Reaktion zum Aufbau eines multicyclischen Systems in der Chinolinseitenkette durchgeführt werden. Die optische Fluoreszenzdetektion im UV-Bereich zur Inline-Überwachung der chemischen Umsetzungen und Trennungen soll entwickelt werden, und die Kopplung der mehrstufigen Reaktoren mit der (Bio-)impedanzspektroskopie zur integrierten Biosensorik demonstriert werden. Durch die Integration dieser Funktionen wird erstmals eine kontinuierliche mehrstufige organische Synthese, die einen Trennschritt benötigt, auf einem einzelnen mikrofluidischen Chip sowie deren Inline-Überwachung und Substanztestung ermöglicht.

Projekt 8

Synergistische Photokatalyse mit kurzlebigen Intermediaten in mikrofluidischen Systemen
Im Mittelpunkt des Projekts stehen photochemische bzw. -katalytische Durchflusssynthesen in klassischen und chipbasierten Reaktionssystemen. In diesem Zusammenhang sollen Photoredoxkatalysen mit parallel erzeugten instabilen Intermediaten kombiniert werden, um so einen einfachen Zugang zu hochfunktionalisierten Heterocyclen zu ermöglichen. Neben verbesserter Bestrahlung und Reaktionsbeschleunigung sowie Durchmischung sollen gleichzeitig auch die analytischen Vorteile der lab-on-a-chip Technologie ausgenutzt werden, z.B. für die herausfordernde Optimierung dualer bzw. synergistischer Katalysen.

Projekt 9

Zentralprojekt
Im Zentralprojekt werden wissenschaftlich-technische Aspekte, welche die gesamte Forschergruppe betreffen, bearbeitet, koordiniert und für alle Partner bereitgestellt. Neben der Unterstützung aller Projektpartner in den Bereichen Mikrosystemtechnik und instrumenteller Analysemethoden werden Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Kopplung mikrofluidischer Chips mit der Nanoelektrospray- sowie der Flüssigstrahl-Massenspektrometrie durchgeführt. Ein besonderer Fokus liegt auf der Entwicklung von Methoden zur ultraschnellen Enantiomerenanalytik in mikrofluidischen Chipsystemen unter Einbeziehung der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS). Damit soll ein neuer Zugang zur Echtzeitverfolgung enantioselektiver Prozesse wie z. B. der Katalyse in chemischen Mikrosystemen ermöglicht werden.

letzte Änderung: 29.03.2016