Sandra Heckel forschte an richtungsweisenden kurzwelligen Infrarot-Emittern

Von der physikalischen Chemie in die Biomedizin, von der TU Dresden ans MIT: Sandra Heckel arbeitete im Rahmen ihrer Masterthesis in Boston an Emittern für die medizinische Bildgebung im kurzwelligen Infrarot-Bereich (SWIR). Für ihre Arbeit wurde sie mit dem Professor-Schwabe-Preis für herausragende Masterarbeiten und Dissertationen zu physikalisch-chemischen oder elektrochemischen Themen geehrt.

In der medizinischen Bildgebung ist die Fluoreszenztomographie eine vielversprechende Technologie. Sie nutzt die geringe Lichtabsorption von Körpergewebe im Nahinfrarotbereich für eine hochsensitive Bildgebung – weit sensibler noch als MRT, preisgünstig und strahlungsfrei. Doch die autofluoreszierenden Eigenschaften von Gewebezellen wie auch die Streuung des Lichts darin setzen der Fluoreszenztomographie Grenzen, wenn es um die Tiefe der Durchdringung geht – mit zunehmender Gewebetiefe nimmt die Auflösung ab, menschliche Organe kann die Technologie noch nicht ausreichend abbilden.

Kurzwelliges Infrarotlicht auf einer Wellenlänge von 1000 bis 2000 Nanometern bietet für diese Herausforderungen eine Lösung. In diesem elektromagnetischen Spektralbereich weisen Blut und Gewebe minimale Autofluoreszenz auf und die reduzierte Lichtabsorption und -streuung erlaubt eine hohe Auflösung und Tiefe. Zudem ist Infrarotlicht – im Gegensatz zu sichtbarem oder gar UV-Licht – unschädlich für den Organismus. Die SWIR-Technologie hat sich in den vergangenen Jahren schnell entwickelt, doch eine Herausforderung bleibt die Suche nach hellen, hochqualitativen kurzwelligen Infrarot-Emittern, die hochaufgelöste Videos ermöglichen.

Hier setzte Sandra Heckel in ihrer Masterarbeit an. Alexander Eychmüller, Professor für Physikalische Chemie an der TU Dresden, vermittelte die Studentin an die Gruppe von Prof. Moungi Bawendi am Massachusetts Institute of Technology (MIT). „Seine Gruppe hatte gerade ein Paper über Infrarotimaging zur Diagnose von Ohrenentzündungen herausgebracht“, blickt Sandra Heckel zurück. Im 5. Semester hatte sie sich, damals studentische Hilfskraft, der physikalischen Chemie angeschlossen. „Die Chemie der Nanopartikel fand ich schon damals faszinierend. In der Masterarbeit wollte ich dann gern etwas in die biomedizinsiche Richtung machen. Ich wusste gleich, dass ich in Professor Bawendis Gruppe arbeiten will.“ Der Chemiker forscht daran, Quantenpunkte anwendbar zu machen: Diese Quantenmaterialien verhalten sich wie Atome – statt kontinuierlich verändern sie sich diskret, also in (Quanten-)Sprüngen bzw. Übergängen zwischen klar abgrenzbaren Zuständen –, jedoch sind sie in Form, Größe und Elektronenanzahl manipulierbar. Um ihre Leuchtkraft zu steigern, kombinierte das Team um Prof. Bawendi Quantenpunkte mit organischen Farbstoffen. Das Ergebnis: eine Steigerung der Emissionsintensität um rund 100 Prozent. „Das hört sich erstmal nach viel an, und wir waren auch sehr begeistert, dass das System so funktioniert. Für die Anwendung hatten wir uns aber eine noch größere Steigerung erhofft.“

Mittlerweile arbeitet Sandra Heckel als Doktorandin in der Nachwuchsforscher-Gruppe von Dr. Juliane Simmchen an der Physikalischen Chemie der TU Dresden. In ihrer Doktorarbeit erforscht sie photokatalytische Mikroschwimmer – mikrometerkleine Partikel, die durch Licht in Bewegung gesetzt werden und so in Sensorik, Wasseraufbereitung oder Medizintransport Einsatz finden können – und deren Kommunikation für Sensoranwendungen. „Die biologische Motivation ist also geblieben“, so Heckel, „nur das Material hat sich etwas verändert.“

Seit 1996 vergibt die Professor-Schwabe-Stiftung des Kurt-Schwabe-Instituts Meinsberg den Professor-Schwabe-Preis an der Technischen Universität Dresden. Sandra Heckel erhielt ihn am 17.07. im Rahmen eines Festkolloquiums. „Für mich ist es eine große Ehrung, den Preis für meine Masterarbeit zu erhalten. Für meinen Aufenthalt in Boston musste ich sehr viel selbst organisieren und zusammensuchen, auch die Finanzierung. Die Wertschätzung, die das alles jetzt durch diesen Preis erhält, motiviert mich, auch in Zukunft solche großen Herausforderungen anzugehen und dafür zu arbeiten.“ Neben Sandra Heckel geht der Professor-Schwabe-Preis an Dr. Albrecht Benad von der Professur für Physikalische Chemie für seine Doktorarbeit und an Peter Franze, jetzt Doktorand bei Infineon Technologies, für seine Masterarbeit.