Kernkompetenzen

Multivariate Chemometrie, Entwicklung von Algorithmen und forschungsorientiertes Prototyping für Proof-of-Concept-Studien

Der Arbeitsbereich “Bioinformatik und Data Science” verfügt über ein umfassendes Know-how im Bereich maschinelles Lernen und Data science und bietet Dienstleistungen in multivariater Statistik zur Erkennung von Subtypen und latenten Mustern in hyperspektralen Datensätzen mit Schwerpunkt auf schnellem agilem Prototyping und algorithmischer Forschung für Proof-of-Concept-Studien.

Rechenunterstützung für molekulare Bildgebungsanwendungen

Der Arbeitsbereich “Bioinformatik und Data Science” bietet skalierbare und verteilte Rechenleistung für die Beantwortung häufiger Fragen in molekularen Bildgebungsanwendungen wie Wirkstoffscreening und -quantifizierung in Gewebeproben, Entdeckung von Biomarkern, gezieltes Screening auf Analyten, räumliche Korrelationen und multivariate Analysen

Multimodale Integration hyperspektraler Bilddatensätze

Der Arbeitsbereich “Bioinformatik und Data Science” bietet Methoden zur Fusion multimodaler Datensätze wie MALDI-MSI, MIR- und Raman-Spektroskopie, NIR-Bildanalyse, VIS-Bilder und Falschfarbenbilder mit hoher Auflösung, um datengetriebene Forschung zu ermöglichen.

API-Lösungen und Plug-Ins für Imaging-Softwareplattformen

Der Arbeitsbereich “Bioinformatik und Data Science” befasst sich mit vorhandenen Imaging-Softwarelösungen, um die Lücke zwischen proprietären Plattformen und Open-Source-Community-gesteuerten programmatischen Lösungen zu schließen

Einsatz aktuellster Technologien in Hard- und Software

Um Rechen- und Speicherkapazitätsgrenzen einzelner Rechensysteme zu überwinden, stellt CeMOS skalierbare Lösungen auf Basis leicht gewichtiger Container Technologien zur Verfügung, welche eine flexible Verteilung in einer Rechencluster Umgebung erlauben in Kombination mit leistungsfähigen Edge-Computing Geräten, um Messdaten direkt an der Quelle ihrer Entstehung zu prozessieren.

Entwicklung von Strategien zum Aufbau von forschungsorientierten, aber branchenüblichen Computerclustern und einer skalierbaren Datenverwaltungs- und Speicherinfrastruktur

Der Arbeitsbereich “Bioinformatik und Data Science” bietet eine systematische Analyse der Datenlast und der Rechenanforderungen und bieten kundenspezifische Lösungen für Analyseanforderungen und Dateninfrastruktur.

Die Arbeitsgruppe "messtechnik-basierte Materialentwicklung" (MM) beschäftigt sich mit der gezielten Entwicklung neuer Materialien durch Einsatz der in CeMOS verfügbaren Messtechniken.

Ziel ist es, zukunftsgerechte Lösungen im Bereich Energiespeicherung, Energieeffizienz und Ökologie, Medizintechnik u.a.  zu erarbeiten. Schwerpunkt bildet augenblicklich der Bereich der thermischen Energienutzung, Speicherung und Wärmedämmung. Ebenso werden Fragestellungen zu neuen Materialien, Prozessführung und Wärme- und Stoffübertragung eingeschlossen der zugehörigeren Messtechnik der anderen Arbeitsgruppen gemeinsam erarbeitet.

Ein großer Pool von Test-, Mess- Funkfernüberwachungs- und Simulationstechniken ermöglicht uns mikroskalige , aber auch großtechnische Entwicklungen. Es stehen 600 m² Technikum und 300 m² Freifläche für Aufbau und Langzeittests zur Verfügung. Somit ist es möglich unsere Forschung und Produktentwicklung von einfachen numerischen Modellierungen eines Systems bis zum Realmaßstab ganzheitlich und Industrie- und Endanwendernah durchzuführen.

Veröffentlichungen zu diesem Thema

Zur zerstörungsfreien Detektion von Wasserschäden in Mauerwerken dient ein optisches Messsystem, welches über eine Mittel- und eine Nahinfrarotkamera verfügt. Im Mittelinfraroten und im Nainfraroten lassen sich einerseits die Temperaturverteilung und andererseits die Feuchteverteilung einer zu vermessenden Wandoberfläche ermitteln. Anhand dieser Informationen ist die Herkunft der Feuchte eindeutig bestimmbar. Das System mit kombinierter Kameratechnologie erlaubt somit eine schnelle und vor allem einfache Ermittlung der Schadensursache ohne langjähriges Expertenwissen.

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Meerwasserentsalzungsanlage (schematisch)

Die Aufreinigung von Meerwasser oder verunreinigtem Quellwasser zu Trink- bzw. Prozesswasser kann, als energiesparende Alternative zur Verdampfung, mittels der Gefrierkristallisation in Kombination mit der Verpressung von Eis als Nachbehandlungsmethodik realisiert werden. Die gelösten Stoffe reichern sich hierbei in einer Lösung auf welche separat abgeführt wird. Anhand der wärmetechnischen Auslegung und Kräfteberechnungen sowie der Konstruktion und Fertigung einer Laboranlage, konnte der Erfolg dieses Verfahrens nachgewiesen werden und ermöglicht zukünftig die Herstellung von großen Meerwasserentsalzungsanlagen die einerseits leicht mit erneuerbaren Energien zu betreiben sind und andererseits keine chemische Belastung der Umwelt darstellen, da auf chemische Vor- und Nachbehandlungen verzichtet werden kann.

Schwimmende PV-Anlage

Die Aufreinigung von Meerwasser oder verunreinigtem Quellwasser zu Trink- bzw. Prozesswasser kann, als energiesparende Alternative zur Verdampfung, mittels der Gefrierkristallisation in Kombination mit der Verpressung von Eis als Nachbehandlungsmethodik realisiert werden. Die gelösten Stoffe reichern sich hierbei in einer Lösung auf welche separat abgeführt wird. Anhand der wärmetechnischen Auslegung und Kräfteberechnungen sowie der Konstruktion und Fertigung einer Laboranlage, konnte der Erfolg dieses Verfahrens nachgewiesen werden und ermöglicht zukünftig die Herstellung von großen Meerwasserentsalzungsanlagen die einerseits leicht mit erneuerbaren Energien zu betreiben sind und andererseits keine chemische Belastung der Umwelt darstellen, da auf chemische Vor- und Nachbehandlungen verzichtet werden kann.

Die Reduktion von Heizwärmemengen insbesondere im Bereich privater Haushalte ist ein wichtiges Ziel um zukünftig den Einsatz von Verbrennungsstoffen zu reduzieren und damit das Klima zu schonen. Die Entwicklung geeigneter Wärmespeicher, u. a. basierend auf Salzhydratmischungen und deren Eutektika deren chemische Zusammensetzung dem Schmelzpunkt und dem Einsatzbereich angepasst ist, und die damit einhergehenden physikalischen Untersuchungen (Wärmekapazität, Schmelzenthalpie, Dauerstabilität, …) ermöglichen deren erfolgreichen Einsatz. Die wärmetechnische Auslegung, die Konstruktion und der erfolgreiche Einbau von diffusionsdichten PCM-Verkapselungen in Holzfertighäusern und Betonelementen zeigt das Wärmespeicherpotenzial und die Stabilisierung der Raumtemperatur sowohl in Kühl- als auch in Heizphasen. Phasenwechselmaterialien werden speziell auch entwickelt um in der Zukunft Lebensmittel- und Arzneimitteltransporte mit reiner Elektromobilität realisieren zu können. Dafür werden thermisch stabilisierte Gebinde von der „Kühlbox“ bis zum LKW-Format am Institut entwickelt.

PCM-Wärmespeicher im Wandformat

Der Arbeitsbereich „Optische Gerätetechnik“ umfasst die vollständige Bandbreite der Entwicklung optischer Messgeräte, in den Wellenlängenbereichen UV/VIS, NIR und MIR, inklusive der Spezialdisziplinen Fluoreszenz und Wärmebildtechnik. Es werden sowohl Linsensysteme als auch faseroptische Systeme für diese Wellenlängenbereiche entwickelt, inklusive der Konzeption und Konstruktion sowie dem feinmechanischen Bau von aufgabenspezifischen Sondenköpfen. Neben dem Bereich der Optomechanik werden auch die zugehörigen elektronischen Komponenten zur Ansteuerung und Aufnahme der Signale der entsprechenden Optosensoren entwickelt und produziert.
In enger Zusammenarbeit mit den IT-Spezialisten entstehen so komplette Geräteeinheiten, vom Sondenkopf, bis zur Auswertesoftware.

Veröffentlichungen zu diesem Thema

19" 1HE Detektoreinheit im Vollausbau

Zum breiten Einsatz des Nachweises jeglicher lichtoptischer Signale wird die Entwicklung eigener Detektionselektronik stetig vorangetrieben. Hiermit kann über ein modulares Ankoppelsystem faseroptische Sensoren jeder Art für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke angeschlossen werden. Mit diesen Faser-Sensoren wird dann die eigentliche Prozesskopplung erreicht.
Neben der Detektion von aktuell bis 4 Kanälen parallel / 16 Kanäle seriell stellt die Einheit auch LED-Lichtquellen der Wellenlängen zwischen 250 nm und 1700 nm zur Verfügung.
Es werden Abtastfrequenzen bis 1 kHz realisiert. Sowohl Abtastfrequenz, Verstärkung, als auch Signalreihenfolge sind vom PC aus steuerbar. Ein Stand-Alone-Betrieb ist ebenfalls möglich. Die Standardausgabe wird über USB-Schnittstellen bereitgestellt. Es können aber auch 4-20mA, 0-10V, Ethernet oder jegliche andere BUS-Normen realisiert werden. Eine Funk-Fernüberwachung ist ebenfalls verfügbar.
Der Gesamtaufbau des Gerätes ist modular gestaltet. Auf unterschiedliche Anforderungen kann so bedarfs- und fristgerecht reagiert werden. Je nach Zielsetzung können die erfassten Messwerte auf etc.) und/oder an einen PC oder Prozessleitsystem (PLS) zur weiteren Datenauswertung/-Anzeige übergeben werden.
Die Entwicklung wird stetig vorangetrieben. Die technischen Einzelheiten werden sich demgemäß ständig ändern.

Scanergebnis eines Fingerabdrucks. a) Scanergebnis für Wellenlänge 3417 nm. b) Scanergebnis für die Wellenlänge 3584 nm c) Berechnung der Absorption.

Die Automatisierung von Prozessabläufen spielt in der Industrie sowie im wissenschaftlichen Bereich eine immer größer werdende Rolle. Nicht zu unterschätzen ist hierbei die automatisierte und digitalisierte Überwachung der Prozesse. Speziell in der Qualitätskontrolle sind höchst leistungsfähige Überwachungssysteme erforderlich. Die Entwicklung des Mittelinfrarot (MIR)-Scanners setzt genau an diesem Punkt an. Der Scanner soll in Industrieanwendungen mit einer Scanning-Rate von bis zu 1 Mio. Samples pro Sekunde Oberflächen im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich abtasten. Das Scanfeld kann bis zu 50 cm² betragen und wird mit einer (Scan-) Auflösung von 20 µm erfasst. Die Messergebnisse des Scanners sind innerhalb weniger Sekunden verfügbar, wodurch sich dieses System deutlich von herkömmlichen Scanning-Systemen abhebt.  Ziel des Scansystems ist die Detektion von lipidhaltigen Strukturen auf diversen Substraten. Ideales Anwendungsgebiet für den Scanner bietet daher die Kriminaltechnik, genauer die Daktyloskopie.
In diesem Zusammenhang konnte mit dem Scansystem gezeigt werden, dass die Erfassung von Fingerabdrücken grundsätzlich möglich ist und diese mit geringem Rechenaufwand vom Substrat herausgerechnet werden können. In diesem Fall stützt sich der Scanvorgang auf die Verwendung von zwei unterschiedlichen Laserwellenlängen (3417 nm und 3584 nm), über die eine Unterscheidung von Fingerfett möglich ist.
Mit dem MIR-Scanner konnte ebenfalls das Durchleuchten von 200 µm-PVC-Schichten nachgewiesen werden. Eine Qualitätskontrolle von verdeckten Strukturen wie beispielsweise verdeckte Leiterbahnen auf Platinen (Multilayer) lassen sich somit mühelos detektieren und auf ihre Qualität überprüfen).

Im Winkel angeschliffener Sondenkopf der Multispektralnadel mit geschärften Flanken für effizientes Gewebeeindringverhalten. Die in dichtester Kreispackung angeordneten Fasern innerhalb der Kanüle sind frei wählbar. Die Abmessungen der Nadel und der optischen Fasern sind in der Abbildung unten links dargestellt.

Im Bereich der medizinischen Krebsdiagnostik fokussiert sich der Einsatz von optischen Messtechniken häufig auf die laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie. Eine neuartige, multispektrale Stichsonde zur in-vivo Gewebeanalytik wurde im Centrum für Massenspektrometrie und Optische Spektroskopie (CeMOS)) in Kooperation mit der Universität Heidelberg, Medizinische Fakultät Mannheim, Zentrum für Medizinische Forschung (ZMF) entwickelt, patentiert und erprobt. Das Messsystem stellt eine Kombination aus UV/VIS-, NIR- und Fluoreszenzspektroskopie dar. Charakteristisch für die auf dem Rückstreuprinzip basierten Sonde ist die blümchenartige Anordnung der insgesamt sieben Glasfasern.
Die Verwendung spezieller Materialien ermöglicht den Einsatz der autoklavierbaren Sonde unter simultan angewandter Ultraschall-Bildgebung oder Magnetresonanztomographie. Die Evaluation der Sonde erfolgte in-vitro in einem wässrigen Gewebemodell bei unterschiedlichsten Konzentrationen. Aus diesem Teil der Untersuchungen resultierend, entstanden mathematische Korrekturmechanismen mit denen es möglich ist, Streu- sowie Absorptionseffekte bei der Bestimmung quantitativer Fluorophor-Konzentration zu eliminieren. Die in-vivo Anwendbarkeit erfolgt in einem Tiermodell. Dabei werden Spektren von benignem, konsekutivem und malignem Gewebe mit den unterschiedlichen Modalitäten aufgenommen. Eine Kombination aller Messwerte ermöglicht eine markierungsfreie Klassifikation des jeweiligen Gewebes mithilfe einer virtuellen, photometrischen Hauptkomponentenanalyse (PCA). Basierend auf Veränderungen biochemischer, physikalisch-morphologischer und kolorimetrischer Werte ((Oxy-/Deoxy-)Hämoglobin, Fett und Gewebestreuung) ist es möglich, zwischen malignem und benignem Gewebe zu unterscheiden.

Die Arbeitsgruppe "Analytik von NCE, NBE und Formulierungen" (NCE/NBE) beschäftigt sich mit der gerichteten v.a. massenspektrometrischen Analyse neuer chemischer und biologischer Substanzen – als Reinsubstanzen und in biologischen Matrices. Zu diesem Zweck werden analytische Methoden speziell für pharmazeutische Wirkstoffe oder deren Darreichungsform entwickelt und validiert. Diese Untersuchungen ermöglichen es z.B., Entscheidungen über die Stabilität und Qualität von pharmazeutischen Wirkstoffen zu treffen, um eine sichere Verwendung für den Menschen zu gewährleisten.
Zu den wissenschaftlichen Interessen der Gruppe gehört u.a. die Weiterentwicklung ortsaufgelöster Methoden wie ultrahochauflösendes MALDI Magnetresonanz-MS Imaging oder Flüssigextraktions-Oberflächenanalyse mittels ESI-MS zur Charakterisierung kleiner chemischer Substanzen (pharmazeutischer Wirkstoffe oder deren Formulierungen). Mit Hilfe dieser Techniken soll sichergestellt werden, dass neue Wirkstoffe an die richtige Stelle im Körper gelangen und so wirken können („drug metabolism and pharmacokinetics“; DMPK).
Weiteres Hauptaugenmerk der Gruppe ist die Charakterisierung therapeutischer Proteine und Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten (ADCs). Um dieses Ziel zu verfolgen, kombiniert die Gruppe fortgeschrittene Massenspektrometrie-Methoden zur Proteincharakterisierung (LC-MS/MS und LC-MALDI für top-down, middle-down, middle-up Proteinanalytik) und de-novo-Peptidsequenzierungen.
Die Technologieführung von CeMOS in den Bereichen Massenspektrometrie, der Raman-, Mittelinfrarot-, UV-, VIS-, und Fluoreszenzmesstechnik sowie der Möglichkeiten der bildhaften Darstellung und Verrechnung der Ergebnisse ermöglicht es, Aufgabenstellungen der Partner maßgeschneidert auf die jeweilige Herausforderung anzupassen.