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Die Emission der
UCNPs ist nur von der
Dotierung abhängig.
Für die Beobachtung biologischer
Strukturen und biochemischer
Prozesse oder für bioanalytische
Anwendungen werden häufig optische
Markierungen eingesetzt.
Auf Fluoreszenz bzw. Lumineszenz
basierende Methoden haben
den Vorteil, dass sie sowohl eine
relativ geringe Nachweisgrenze
besitzen als auch eine Bildgebung
durch Fluoreszenzmikroskopie
ermöglichen. Voraussetzung
für eine effiziente optische
Markierung ist die Verfügbarkeit
von geeigneten Luminophoren.
Momentan werden hierfür vor
allem organische Moleküle oder
Quantenpunkte verwendet, die
sichtbares Licht emittieren, wenn
sie mit ultraviolettem oder sichtbarem
Licht angeregt werden.
Während bei Quantenpunkten
die Emissionswellenlänge von
der Größe abhängt und sich somit
Markierungen mit verschiedenen
Emissionsfarben herstellen
lassen, ist die Emissionswellenlänge
organischer Fluorophore
in einem gegebenen Lösungsmittel
weitgehend konstant.
Gemeinsames Merkmal dieser
beiden Markierungstypen ist die
Stokes-Verschiebung, d. h. das
Emissionslicht ist längerwellig
und somit energieärmer als das
Anregungslicht. Die Anregung
mit kurzwelligem Licht führt allerdings
zu Eigenfluoreszenz und
Lichtstreuung in biologischen
Proben. Hierdurch wird insbesondere
bei empfindlichen Messungen
der Signalhintergrund so
stark erhöht, dass es schwierig
ist, das Lumineszenzsignal des
Analyten vom Hintergrund zu
unterscheiden. Zudem verursacht
das energiereichere kurzwellige
Licht stärkere Photoschäden, die
sowohl die Struktur als auch die
Funktion verschiedener biologischer
Komponenten beeinträchtigen
können.
Vorteile der UCNPs
Die Einschränkungen konventioneller
optischer Markierungen
lassen sich elegant durch
die Verwendung von UCNPs
vermeiden, die zwei oder mehr
Photonen energieärmeren NIR-
Lichts ( λ = 980 nm) absorbieren
und daraufhin sichtbares
Licht emittieren (Anti-Stokes-
Verschiebung). Bei diesen Nanopartikeln
handelt es sich um
anorganische Nanokristalle
mit einem Durchmesser von
10 – 100 nm. Im Gegensatz zu
Quantenpunkten ist die Emission
der UCNPs aber nicht abhängig
von ihrer Größe, sondern
von der Dotierung. Sie
bestehen aus einem Wirtsgitter,
z. B. Oxiden oder Halogeniden,
das mit genau definierten
Mengen an Lanthanoid-Ionen
dotiert ist. Die höchste bisher
bekannte Aufkonvertierungseffizienz
wird durch die Verwendung
von NaYF 4 mit einer
hexagonalen Kristallstruktur
als Wirtsgitter erreicht (Abb.
1A). Zur Dotierung werden unter
anderem Ytterbium (Yb 3+ ),
Erbium (Er 3+ ), Holmium (Ho 3+ )
und Thulium (Tm 3+ ) verwendet.
Ytterbium, das als sogenanntes
Sensibilisator-Ion dient, absorbiert
IR-Strahlung (ca. 980 nm),
wodurch dieses Ion in einen
langlebigen Übergangszustand
angeregt wird. Diese Anregungsenergie
wird anschließend
sequentiell auf die sogenannten
Aktivator-Ionen übertragen,
oder die Aktivator-Ionen werden
direkt angeregt. Abhängig
von der Wahl des Aktivator-Ions
(z. B. Erbium, Holmium oder
Thulium) emittieren die UCNPs
sichtbares Licht unterschiedlicher
Wellenlängen. Durch eine
Dotierung mit Erbium wird die
Emission von grünem und rotem
Licht erzielt (Abb. 1B). Holmium-dotierte
UCNPs weisen
ähnliche Emissionsbanden auf,
wohingegen Thulium-dotierte
Partikel im blauen und rotem
Wellenlängenbereich emittieren
[1].
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