01.06.2019
Grafik: TOP-Nanosensor, bestehend aus NIR-emissivem Chrom-(III)-Komplex, pH-Indikator und Referenzfarbstoff  in einem 100 nm Partikel

TOP-Nanosensor, bestehend aus NIR-emissivem Chrom-(III)-Komplex (blau), pH-Indikator (grün) und Referenzfarbstoff (orange) in einem 100 nm Partikel

Quelle: BAM, Fachbereich Biophotonik

Zu den wichtigsten Analyten im Umweltbereich, der Biotechnologie sowie den Lebens- und Materialwissenschaften gehören Temperatur (T), Sauerstoff (O) und pH (P), die u.a. Korrosionsprozesse und Gesundheitsprobleme anzeigen können. Der Bedarf an Materialien und Methoden, um diese Parameter gleichzeitig einfach, schnell und zuverlässig messen und überwachen zu können, führte zu einer DFG-finanzierten Entwicklung neuer ratiometrischer Nanosensoren zur optischen TOP-Detektion.
Die Schüsselkomponente dieser TOP-Nanosensoren ist ein lumineszenter Chrom-(III)-Komplex, ein "molekulares Rubin-Analogon". Diese unikale Verbindung zeigt eine starke Lumineszenz im nahinfraroten (NIR) Spektralbereich bei ca. 780 nm nach Anregung bei 435 nm, die sensitiv auf Sauerstoff (Änderung der Intensität und Lebensdauer) und Temperatur (Änderung der Intensitätsverhältnisse) reagiert. Die extrem große Energiedifferenz zwischen Absorptions- und Emissionsbande des Chrom-(III)-Komplexes bildet die Basis für die Konstruktion von Multisensor-Systemen, da dies die Kombination mit anderen spektral unterscheidbaren Fluorophoren erlaubt, die in dieser „Energielücke“ emittieren. Für die Herstellung der TOP-Nanosensoren wurden der hydrophobe Chrom-(III)-Komplex und ein Analyt-inerter Referenzfarbstoff mit einer spektral unterscheidbaren Emission in 100 nm großen Polystyrol-Nanopartikeln mit einer einfachen Einquellprozedur verkapselt. Zur Immobilisierung der Luminophore wurden die Nanopartikel mit einer dünnen aminierten Silika-Schale „versiegelt“. Dann wurde ein pH-sensitives Fluorescein-Derivat kovalent an die Partikeloberfläche gebunden, das pH-Messungen im biologisch relevanten Bereich von pH 4.1 bis 8.9 (pKa von 6.5) ermöglicht. Die resultierenden TOP Nanosensoren sind sehr stabil in Wasser, Puffern und in Zellkulturmedien und zeigen die TOP Parameter schnell und reversibel an. Die TOP-Nanosensoren können zudem in verschiedenen Formaten von unterschiedlich großen Partikeln bis zu Sensorfilmen hergestellt werden. Die TOP-Nanosensoren werden derzeit für verschiedene Anwendungen wie Zellstudien und das Verfolgen von biotechnologisch relevanten und mikrobiell-induzierten Korrosionsprozessen eingesetzt.

Luminescent TOP nanosensors for simultaneously measuring temperature, oxygen, and pH at a single excitation wavelength
Cui Wang, S. Otto, M. Dorn, K. Heinze, Ute Resch-Genger
Analytical Chemistry, 2019, Volume 91, pages 2337-2344
BAM, Abteilung Analytische Chemie; Referenzmaterialien, Fachbereich Biophotonik