Abläufe und Prozesse an Oberflächen kann man oft erst verstehen, wenn man genau hinsieht. Am DFI steht dabei zum Beispiel die Bestimmung der Bildung von Biofilmen im Fokus der Forschungen von verschiedenen Arbeitsgruppen. Biofilme sind Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen (meist Bakterien), die von einer ausgedehnten, überwiegend hydrierten Matrix aus extrazellulärem polymerem Material umgeben sind. Die Biofilme siedeln auf Oberflächen und sind sowohl in der Natur als auch in technischen Systemen weit verbreitet.
Am DFI wird in Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen Elektrochemie und Industrielle Biotechnologie die industrielle Nutzung von katalytischen Biofilmen validiert. Darüber hinaus werden in der Arbeitsgruppe Korrosion Konzepte zur Vermeidung von unerwünschten Biofilmen untersucht. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes »Mikrobielle Elektrosynthesen 2.0« (Förderkennzeichen 031B0523) konnte nun ein konfokales Laser-Scanning Mikroskop (CLSM) am DFI installiert werden. Mit einem CLSM kann die dreidimensionale Struktur der Biofilme abgebildet werden. So kann beispielsweise die wichtige Biofilmbildung in bioelektrochemischen Prozessen gemessen werden. Fluoreszierende Proben werden dabei durch einen Laser mit einer bestimmten Wellenlänge angeregt und emittieren Licht einer größeren Wellenlänge, welches dann als Signal detektiert wird.
Kernstücke des konfokalen Arbeitsprinzips sind ein fokussierter Laserstrahl, das sogenannte »pinhole« und ein automatisierter höhenverstellbarer Probentisch. Mit Hilfe des automatisierten Probentisches wird die Probe im Fokuspunkt sowohl flächig als auch in der Tiefe bewegt, woraus sich ein dreidimensionales Bild berechnen lässt. In Abhängigkeit von der Dichte der biologischen Probe und der Eindringtiefe des Lasers können Biofilmdicken von über 50 µm abgebildet werden.
Die schnelle Aufnahmetechnik erlaubt das dreidimensionale Abbilden von Oberflächen im mm2 Maßstab im Sekundenbereich. Mit entsprechenden CLSM-Aufnahmen kann das Verständnis für die Biofilmbildung verbessert werden und so eine gezielte Optimierung erreicht werden. Zusätzlich zur standardisierten Ausstattung verfügt das CLSM über eine emperierbare Inkubationseinheit für den Probentisch. Mit einer bereits entwickelten Messzelle (»Strom aus Abwasser«) können beispielsweise Oberflächenwechselwirkungen von elektroaktiven Bakterien mikroskopisch und elektrochemisch simultan detektiert werden.
Neben der Bildgebung fluoreszierender biologischer Proben bietet das konfokale Laser-Scanning-Mikroskop darüber hinaus die Möglichkeit, praktisch alle Materialien unabhängig von Glanz, Transparenz oder Farbe zerstörungs- und kontaminationsfrei zu untersuchen. Mit einer Höhenauflösung von ca. 10 nm sowie einer lateralen Auflösung von ca. 150 nm können im Vergleich zu einem herkömmlichen Lichtmikroskop erheblich höhere Auflösungen erreicht werden. Mit der Anschaffung des CLSM konnte die Geräteausstattung in dem Bereich Oberflächen-Charakterisierung ausgebaut werden. Weitere Anwendungsbeispiele am DFI reichen von tribologischen Verschleißproben bis zu Kohlenstoff-basierten Katalysatoren auf Elektrodenoberflächen.
Bildquelle(n): Leica Microsystems CMS GmbH
zum InhaltsverzeichnisHier können Sie das DFI-Magazin 01/19 herunterladen:
