Versuchsaufbaus in einem Laserlabor

Bachelorarbeit

Themen des IPC für die Bachelorarbeit
Versuchsaufbaus in einem Laserlabor
Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

AG Popp

Vergleich verschiedener Verfahren zur Bestimmung der Wiederfindungsraten von Bakterien mit Bezug auf die Raman-Mikrospektroskopie

Eine schnelle und kultivierungsfreie Bakterien-Identifikation wird für das Gesundheitswesen als auch in der Umweltforschung benötigt. Raman-Mikrospektroskopie ist eine zukunftsträchtige Technologie zur schnellen kultivierungsfreien Identifizierung von Bakterien. Die Voraussetzung für die Raman-mikroskopische Identifizierung von Bakterien ist eine Isolierung der Bakterien aus der jeweiligen Matrix. Ein entscheidendes Merkmal einer jeder Isolierung ist die Wiederfindungsrate. In dieser Arbeit sollen verschiedenen Verfahren zur Ermittlung der Wiederfindungsraten von Bakterien mit besonderem Augenmerk auf ihre Aussagekraft für die Raman-Mikrospektroskopie verglichen werden.

Investigation of the effect of agar-concentration and media on the micro-colony formation and Raman spectra

Raman spectroscopy is a versatile tool for the molecular fingerprinting of bacteria. However, for differentiation between highly similar strains, it is critical to be able to replicate results and have a consistent methodology for measurements. For this purpose, we intend to optimize the growth conditions for the Raman measurement of micro-colonies of bacteria.

Charakterisierung von isotopenmarkierten Bakterienzellen mittels Raman-Mikrospektroskopie

Die Kombination von Raman-Spektroskopie und stabile Isotopenmarkierung ist ein vielseitiger und effizienter Ansatz zur molekularen Charakterisierung von Bakterien, um einen Einblick in die Funktion von Mikroorganismen in biologischen Prozessen zu erhalten. Im Rahmen der Bachelorarbeit werden unterschiedliche Bakterien mit stabilen Isotopen markiert und Raman-mikroskopisch untersucht.

Raman-Spektroskopie zur Biofilm-Analyse

Biofilme sind in der Natur fast überall anzutreffen. Durch die Einbettung der Bakterien in einen Biofilm sind sie besser vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt. Zusätzlich ändert sich der Phänotyp der Bakterien durch die Anpassung an die neue Umgebung. Mittels Raman-Spektroskopie sollen unterschiedliche Biofilme hinsichtlich auf ihre Variationen in der extrazellulären Matrix (EPS) untersucht werden.

Spektroskopische Charakterisierung der Aufnahme von Organometallkomplexen

(CO-freisetzende Moleküle) in biologische Zellen Im Rahmen der DFG-Forschergruppe "Häm und Hämabbauprodukte" erforschen wir neue Wege, das kleine Hämabbauprodukt und Signalmolekül CO gezielt in Zellen einzubringen. Die Aufnahme neuer CO-freisetzender Moleküle (engl. CO releasing molecules, CORM) in biologische Zellen soll mit Hilfe der Raman-spektroskopie (über ein Alkin-Tag) und mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie (von fluoreszierenden CORMs) untersucht werden.

Untersuchung von ungesättigten Fettsäuren in Gewebeproben mit Raman- und FTIR-Imaging

Die Kombination von Raman- und Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie mit örtlicher Auflösung ist ein vielseitig einsetzbares Verfahren der molekularen Bildgebung. Spezifische Raman- und IR-Banden können ungesättigten Fettsäuren in Gewebedünnschnitten zugeordnet werden. Im Rahmen der Arbeit soll die Oxidation der Doppelbindung in Abhängigkeit von Protokollen für die Probenpräparation und Probenlagerung mittels Raman- und FTIR-Imaging untersucht werden.

Erforschung neuartiger optischer Fasersensoren für die Chemo-/Bioanalytik

Neuartige mikrostrukturierte optische Hohlfasern stellen miniaturisierte chemische Reaktionsräume dar und kombinieren diesen Vorteil mit einer optimalen Licht-Analyt-Wechselwirkung (optimierte neuartige Küvetten). In der Bachelorarbeit sollen Eigenschaften von Fasersensoren für eine hochempfindliche Raman-spektroskopische Chemoanalytik erforscht werden.

Raman-spektroskopische Erforschung von pharmazeutischen Wirkstoffen

Die Raman-Spektroskopie hat ein einzigartiges Potenzial für eine chemische Identifizierung von pharmazeutischen Wirkstoffen sowie deren Interaktionen mit Targetmolekülen in biologischen Zellen. In der Bachelorarbeit sollen neuartige Wirkstoffe Raman-spektroskopisch erforscht werden.

Charakterisierung von biogenen Vorgängen mittels Gasanalyse

Komplexe Ökosysteme können mittels der Analyse von biogenen Gase und deren Umwandlungsprozessen charakterisiert werden. Neuartige Raman-Gassensoren sind sehr kompakt und erlauben eine in-situ-Charakterisierung verschiedener Gase und flüchtiger Verbindungen. Im Rahmen der Bachelorarbeit sollen biogene Vorgänge mittels Raman-Gasanalyse (und ggf. GC-MS) untersucht werden.

Bestimmung der Orientierung von Molekülen auf nanostrukturierten Metalloberflächen mittels oberflächenverstärkter Raman Spektroskopie (SERS)

Der Einfluss des zeta-Potentials auf die Orientierung von kleinen Analytmolekülen soll mit Hilfe der oberflächenverstärkten Raman Spektroskopie untersucht werden. Anzuwendende Methoden: UV/Vis-Absorptions- und Raman-Spektroskopie, Kolloidsynthese

Erforschung eines vereinfachten Assays für den Vor-Ort-Nachweis von Pathogenen

Der Nachweis von Pathogenen soll mit einem vereinfachten Assay basierend auf DNA-Wechselwirkungen realisiert werden. In Hinblick auf ein vor Ort einsetzbares Analysesystem steht die Optimierung der einzelnen Reaktionsschritte und chemischen Komponenten im Fokus der Arbeiten. Darüber hinaus wird der Assay in eine mikrofluidische Plattform integriert und entsprechend validiert.

Partikelbasierte Probenvorbereitungsstrategien zur Anreicherung von Bakterien aus komplexen Matrices

Im Rahmen dieses Projektes werden Bakterien aus komplexen Matrices (z.B. Wasser, Boden, Urin,) unter Verwendung partikelbasierter Verfahren angereichert. Dazu werden verschiedene Partikeloberflächen und Anbindungsbedingungen wie Pufferzusammensetzung und pH-Wert getestet, um eine erfolgreiche Isolation der Bakterien zu gewährleisten. Die angereicherten Bakterien werden schließlich mit Hilfe chipbasierter bzw. optischer Methoden nachgewiesen.

Nichtlineare Raman-Mikrospektroskopie an Geweben

Nichtlineare Raman-Mikrospektroskopie bietet interessante neue Ansätze zur Untersuchung von Diagnosestrategien in der klinischen Diagnostik. Die Arbeit zielt auf die grundlegende Untersuchung einzelner Krankheitsbilder mittels nichtlinearer Raman-basierter Bildgebung ab.

Vergleich zwischen spektralem und örtlichem Filtern

Im Rahmen dieses Projektes sollen Unterschiede zwischen spektralem und örtlichem Filtern auf die Analyse von Raman-Bildern erforscht werden. Dazu sollen bekannte Filter wie z. B. Savitzky-Golay und Box-Filter zum Einsatz kommen. Das Thema ist rein theoretischer Natur.

Bestimmung von Antibiotikaresistenzprofilen anhand morphologischer Analysen von Pathogenen

Die Behandlung mit Antibiotika kann – je nach Antibiotikaklasse - in Bakterien morphologische Veränderungen hervorrufen. Diese Eigenschaft soll zur Entwicklung eines Schnelltests zur Resistenzbestimmung ausgenutzt werden, da morphologische Veränderungen nur dann auftreten, wenn die Bakterien keine Resistenz gegenüber dem gewählten Antibiotikum aufweisen. Mittels mikroskopischer Verfolgung von Bakterien unter Antibiotikabehandlung in Echtzeit auf einem am Leibniz-Institut für Photonische Technologien entwickelten Mikrolochchip sollen Resistenzprofile für verschiedene klinische Isolate uropathogener Stämme gegen klassische Antibiotika ermittelt werden. Die Arbeiten werden in Laboren der biologischen Sicherheitsstufe 2 am Center for Sepsis Control and Care am Universitätsklinikum, Standort Lobeda durchgeführt.

Charakterisierung intrazelullärer Bakterien mittels Fluoreszenzmikroskopie und Raman-Mikrospektroskopie

Einige Pathogene sind in der Lage, in Wirtszellen einzuwandern. Solche intrazellulären Infektionen sind besonders schwierig zu therapieren, da sich die Bakterien in den Zellen vor dem Zugriff des Immunsystems „verstecken“ und dort auch schwieriger mit Antibiotika zu erreichen sind. Infizierte Zellen werden zunächst mittels Fluoreszenzmikroskopie identifiziert. Verschiedene metabolische Veränderungen/Varianten verschiedener Pathogene sollen dann mittels Raman-Mikrospektroskopie weiter charakterisiert werden. Die Arbeiten werden in Laboren der biologischen Sicherheitsstufe 2 am Center for Sepsis Control and Care am Universitätsklinikum, Standort Lobeda durchgeführt.

In-vitro-Aktivierung von humanen Immunzellen

Leukozyten sind ein wichtiger Teil des Immunsystems und bekämpfen eindringende Fremdkörper, wie z. B. Bakterien, Viren oder Allergene. Dabei kommt es zu einer spezifischen oder unspezifischen Aktivierung der Leukozyten, z.B. durch Interaktion mit Pathogen-assoziierten molekularen Mustern (PAMP). Im Rahmen dieses Projektes soll das Aktivierungsmuster von verschiedenen Leukozyten aus dem peripheren Blut nach gezielter in-vitro Stimulation mit Hilfe der Raman-Spektroskopie erfasst und charakterisiert werden. Zur Gewinnung der humanen Leukozyten wird eine kleine (1-3 ml) Blutspende nötig sein. Die Arbeiten werden in Laboren der biologischen Sicherheitsstufe 2 am Center for Sepsis Control and Care am Universitätsklinikum, Standort Lobeda durchgeführt.

Raman spectroscopic investigation of volatile organic compounds in condensed tracheal exhalate from ventilator-associated pneumonia patients.

Patients having acute life-threatening conditions often require invasive ventilation where patients are mechanically ventilated. However, long term ventilation is a major risk factor for bacterial infection which can lead to pneumonia. Ventilator associated pneumonia is commonly diagnosed based on detection of bacteria in the respiratory secretions and chest X-ray, but these methods usually cause delayed diagnosis. Bacterial and the inflammatory cells release volatile organic compounds during their metabolic process which are exhaled and condense in the tracheal tube. This project aims at improving diagnostics by monitoring exhaled breath condensate (EBC) using Raman spectroscopy. To achieve this goal, a library of Raman spectra of the EBC of characterized, ventilated patients with and without VAP needs to be established to identify typical patterns in these spectra. The experiments will be performed in S2 biosafety laboratories within the Center for Sepsis Control and Care (CSCC), Jena University Hospital in Lobeda. The patients’ samples have already been collected and available.

Vibrational spectroscopic investigation of protein glycosylation for long term monitoring of blood glucose.

Protein glycosylation plays an important role in many physiological processes. The level of protein glycosylation has been found to correlate with chronically increased blood sugar levels as can occur in diabetes. The level of glycated hemoglobin (HbA1c) is currently the used in clinical routine for long-term monitoring of diabetes mellitus. However, in clinical situations where patients have impaired metabolism of hemoglobin, this method is not recommended. Alternatively, determining glycated albumin in peripheral blood has been proposed as potential biomarker for long-term blood glucose monitoring. Within this project Raman and IR spectroscopy shall be used to quantify glycated albumin and develop a method to apply these techniques to human serum samples. The experiments will be carried out in S2 biosafety laboratories within the Center for Sepsis Control and Care (CSCC), Jena University Hospital in Lobeda and at the Leibniz Institute of Photonic Technology.

Ansprechpartner für Themen der AG Popp

Michael Schmitt, apl. Prof. Dr.
apl. Prof. Dr. Michael Schmitt

AG Dietzek

  • Synthese und Charakterisierung von molekular funktionalisierten nanostrukturierten NiOx-Schichten
  • Synthese und spektroskopische Charakterisierung artifizieller, metallnanopartikelbasierter Reaktionszentren
  • Spektroskopische Untersuchung der chemischen Reduktion von einzelnen metallischen Nanopartikeln - Mechanistische Studien an artifiziellen Reaktionszentren
  • Fluoreszenzspektroskopische Charaktersierung von terpyridinbasierten Koordinationspolymeren
  • Spektroskopische Charakterisierung von DNA-interkalierten Ru-Polypyridin-Farbstoffen

Ansprechpartner für Themen der AG Dietzek

Benjamin Dietzek, Univ.-Prof. Dr.
Benjamin Dietzek

AG Gräfe

Quantenchemische Untersuchung photophysikalische Prozesse in Lichtsammelkomplexen

Übergangsmetallkomplexe sind aus einer Vielzahl von Anwendungen in der modernen Synthesechemie bis hin zur küstlichen Photosynthese nicht mehr zu entbehren. Am Beispiel eines Ruthenium(II)-Komplexes, der als Lichtsammelkomplex wirkt, sollen Aussagen über den Charakter der Banden im UV-Vis Spektrum getroffen werden, desweiteren soll das Verhalten nach Photoanregung untersucht werden. Dabei sollen Relaxationspfade vom spektroskopischen Zustand hin zum elektronischen Grundzustand ermittelt werden.

  1. Dies ist für zwei Protonierungsstufen des Ruthenium-Komplexes zu untersuchen.
  2. Die Betrachtung soll für verschiedene Triazol-basierte Liganden vorgenommen werden.

 

Berechnung der elektronischen Struktur, der Absorptions- und Resonanz-Raman-Spektren der reduzierten Spezies von Ru(II)-Lichtsammeleinheiten

Diese Ru(II)-Komplexe zeigen starke Redox- und katalytische Aktivität und haben sehr gute photophysikalische Eigenschaften. Diese Eigenschaften variieren, je nachdem, ob und wie die Liganden substituiert sind, in welchem Lösungsmittel sie aufgelöst sind, und welchen pH-Wert die Lösung hat. Um diese Eigenschaften besser zu verstehen, werden wir quantenchemische Rechnungen sowohl für den elektronischen Grund- als auch den angeregten Zustand durchführen. Aus den Orbitalen, der energetischen Position und der Geometrie (bzw. Geometrieänderung) lassen sich dann für das Experiment beobachtbare Größen herausarbeiten; typischerweise werden Absorptionsspektren und - da diese spezifischer sind - Resonanz-Raman Spektren berechnet.

Berechnung der elektronischen Struktur von Aggregaten (exzitonische Systeme)

Für uns sind Systeme von Interesse, die Energie bzw. Anregungszustände übertragen. Eine Klasse dieser Systeme sind Aggregate, bestehend aus Monomermolekülen, die sich zu Ketten zusammenlagern (nicht polymerisieren, keine chemische Bindung) und gemeinsame angeregte Zustände bilden. Während der Aggregation ändern sich deren Eigenschaften sehr deutlich, die Absoptionsbanden verschieben sich sehr stark. Auch hier spielt besonders der erste angeregte Zustand eine wichtige Rolle; dies kann man sehr gut mit Hilfe von quantenchemischen Methoden untersuchen: Man berechnet zunächst die elektronische Struktur (+ angeregte Zustände des Monomers) und untersucht dann, wie sich Struktur und elektronische Zustände ändern, wenn ein zweites Monomer in die räumliche Nähe gebracht wird, und sich ein Dimer zu formen beginnt.

Ansprechpartner für Themen der AG Gräfe

Stefanie Gräfe, Univ.-Prof. Dr.
Prof. Dr. Stefanie Gräfe
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