01.01.2018
Links: European Upconversion Network; Rechts: Schematische Darstellung der Aufkonvertierung von zwei niedrig energetischen, d.h., nahinfraroten (NIR) einfallenden (absorbierten) Photonen in ein höher energetisches (emittiertes) Photon.

Links: European Upconversion Network; Rechts: Schematische Darstellung der Aufkonvertierung von zwei niedrig energetischen, d.h., nahinfraroten (NIR) einfallenden (absorbierten) Photonen in ein höher energetisches (emittiertes) Photon. Die NIR Photonen werden vom Sensibilisator sequentiell absorbiert und über Energietransfer-Prozesses auf den Aktivator transferiert, welche dann Licht unterschiedlicher Farbe, typischerweise blau, grün und rot, emittieren.

Quelle: Links: European Upconversion Network; Rechts: BAM, Fachbereich Biophotonik

Aufkonvertierungsmaterialien – Anwendungen, zukünftige Perspektiven und Herausforderungen für europäische Forschungsaktivitäten

Aufgrund ihres Potenzials, Licht zwischen verschiedenen Spektralbereichen zu konvertieren, und ihren einzigartigen photophysikalischen Eigenschaften stehen Lanthanid-dotierte Photonen-Aufkonvertierungs-Nanopartikel (UCNPs) im Fokus vieler Forschungsaktivitäten in den Material- und Lebenswissenschaften. Aufkonvertierung ist ein Prozess, bei dem aus Licht niedrigerer Energie, z. B. Licht im nahinfraroten (NIR) Spektralbereich, Licht mit höherer Energie, z. B. im sichtbaren Spektralbereich, erzeugt wird. Im Falle von UCNPs, die typischerweise zwei verschiedene optisch aktive Lanthanid-Ionen enthalten wie Ytterbium (Yb3+) und Erbium (Er3+) oder Thulium (Tm3+) Ionen, absorbieren Ytterbium-Ionen, die als Sensibilisatoren fungieren, das Licht und übertragen die aufgenommene Energie an benachbarte Erbium- oder Thulium Aktivator-Ionen. Dort wird die Energie kurzzeitig gespeichert bis der nächste Energietransfer erfolgt. So können höhere Energiezustände der lumineszenten Aktivator-Ionen erreicht werden, aus denen dann die Emission von Photonen erfolgt, die eine größere Energie besitzen als die zuvor absorbierten Photonen.

Für die effiziente Ausnutzung des Anwendungspotenzials dieser faszinierenden Nanomaterialien als optische Reporter für Assays, hochauflösende optische Mikroskopie und Bioimaging, Echtheitskodierungen, neue optische Bauteile und Solarzellen müssen noch einige Herausforderungen überwunden werden. Kritisch sind die geringe Brillanz bzw. Helligkeit insbesondere von sehr kleinen Nanopartikeln mit Größen < 20 nm, ihre gezielte Oberflächenfunktionalisierung und die zuverlässige Quantifizierung ihrer multiphotonischen Aufkonvertierungs-Lumineszenz. Mit dem Fokus auf Bioanalytik und Lebenswissenschaften werden in zwei kritischen Übersichtsartikeln neue Entwicklungen, zukünftige Trends und Anwendungsbeispiele dieser Materialien vorgestellt. Teil I dieser Serie beschreibt die Synthese und verschiedene Designkonzepte zur Erhöhung der Lumineszenzeffizienz und Helligkeit, inklusive optisch-spektroskopischer Charakterisierungswerkzeuge, die für eine Quantifizierung der Leistungsfähigkeit verschiedener Materialien und die Identifizierung von Lumineszenzlöschprozessen benötigt werden. Im zweiten Teil werden Oberflächenfunktionalisierungsstrategien und bioanalytische Applikationen inklusive ausgewählte Beispiele zum Einsatz von UCNPs als Reporter in verschiedenen Assay-Formaten und als Nanosensoren vorgestellt.

Zur Unterstützung und Bündelung dieser Forschungsaktivitäten wurde in 2014 das Europäische Netzwerk COST Action CM1403 „The European Upconversion Network: From the Design of Photon-upconverting Nanomaterials to (Biomedical) Applications” unter Mitwirkung der BAM gegründet. Ziel von CM1403 ist es, die in diesen beiden Übersichtsartikeln adressierten Herausforderungen der Photonen-Aufkonvertierungs-Technologie zu meistern. Die BAM, vertreten durch den Fachbereich Biophotonik, ist eng eingebunden in dieses europäische Netzwerk. Dr. Ute Resch-Genger ist Mitglied des Management-Komitees von CM1403 und leitet die Arbeitsgruppe „Synthese und spektroskopische Charakterisierung von Aufkonvertierungs-Nanomaterialien“. Im Rahmen von CM1403 wurden an der BAM mehrere Gastaufenthalte von Doktoranden aus anderen europäischen Forschungsgruppen betreut, die eine im Fachbereich Biophotonik entwickelte unikale optische Messtechnik erfolgreich zur Charakterisierung ihrer Materialien einsetzen konnten. Weitere Gastwissenschaftler werden für 2018 erwartet. Der Fachbereich Biophotonik hat in CM1403 im April 2017 auch mit mehreren Fachvorträgen zur Charakterisierung von Lumineszenzmesssystemen und lumineszenten Nanomaterialien an einer COST Ausbildungsmaßnahme zum Thema „Aufkonvertierungs-Nanomaterialien in Bioassays“ mitgewirkt, die in von Professor T. Soukka an der Universität Turku in Finnland veranstaltet wurde.

Perspectives and challenges of photon-upconversion nanoparticles - Part I: routes to brighter particles and quantitative spectroscopic studies
Ute Resch-Genger, H.H. Gorris
Analytical and Bioanalytical Chemistry, October 2017, Volume 409, Issue 25, pp 5855–5874
BAM Abteilung Analytische Chemie; Referenzmaterialien, Fachbereich Biophotonik

Perspectives and challenges of photon-upconversion nanoparticles - Part II: Bioanalytical applications
Ute Resch-Genger, H.H. Gorris
Analytical and Bioanalytical Chemistry, October 2017, Volume 409, Issue 25, pp 5875–5890
BAM Abteilung Analytische Chemie; Referenzmaterialien, Fachbereich Biophotonik