Hochkonvertierende Nanopartikel - Upconverting nanoparticles
Upconverting Nanoparticles (UCNPs) sind nanoskalige Partikel (Durchmesser 1–100 nm), die eine Photonen-Hochkonversion aufweisen . Bei der Photonen-Hochkonversion werden zwei oder mehr einfallende Photonen relativ niedriger Energie absorbiert und in ein emittiertes Photon mit höherer Energie umgewandelt. Im Allgemeinen erfolgt die Absorption im Infraroten, während die Emission im sichtbaren oder ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums auftritt. UCNPs bestehen normalerweise aus Lanthanoid- oder Actiniden-dotierten Übergangsmetallen auf Seltenerdbasis und sind aufgrund ihrer hocheffizienten zellulären Aufnahme und ihrer hohen optischen Durchdringung von besonderem Interesse für ihre Anwendungen in der In-vivo- Bio-Bildgebung, Biosensorik und Nanomedizin mit wenig Hintergrundrauschen in der tiefen Gewebeebene. Sie haben auch potenzielle Anwendungen in der Photovoltaik und im Sicherheitsbereich, wie zum Beispiel bei der Infrarot-Erkennung von Gefahrstoffen.
Vor 1959 wurde angenommen , dass die Anti-Stokes-Verschiebung alle Situationen beschreibt, in denen emittierte Photonen höhere Energien haben als die entsprechenden einfallenden Photonen. Eine Anti-Stokes-Verschiebung tritt auf, wenn ein thermisch angeregter Grundzustand elektronisch angeregt wird, was zu einer Verschiebung von nur wenigen k B T führt , wobei k B die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist. Bei Raumtemperatur beträgt k B T 25,7 meV. 1959 schlug Nicolaas Bloembergen ein Energiediagramm für Kristalle vor, die ionische Verunreinigungen enthalten. Bloembergen beschrieb das System als Emissionen angeregter Zustände mit Energieunterschieden viel größer als k B T , im Gegensatz zur Anti-Stokes-Verschiebung.
Fortschritte in der Lasertechnologie in den 1960er Jahren ermöglichten die Beobachtung nichtlinearer optischer Effekte wie Aufwärtskonvertierung. Dies führte 1966 zur experimentellen Entdeckung der Photonen-Hochkonversion durch François Auzel. Auzel zeigte , dass ein Photon von Infrarotlicht in ein Photon des sichtbaren Lichts in hochkonvertiert werden konnte Ytterbium - Erbium und ytterbium- Thulium - Systeme. In einem mit Seltenerdmetallen dotierten Übergangsmetallgitter existiert ein Ladungstransfer im angeregten Zustand zwischen zwei angeregten Ionen. Auzel beobachtete, dass dieser Ladungstransfer eine Emission von Photonen mit viel höherer Energie ermöglicht als das entsprechende absorbierte Photon. Somit kann die Aufwärtskonversion durch einen stabilen und realen angeregten Zustand erfolgen, was Bloembergens frühere Arbeiten unterstützt. Dieses Ergebnis katapultierte die Hochkonversionsforschung in mit Seltenerdmetallen dotierten Gittern. Eines der ersten Beispiele für eine effiziente Lanthanoid-Dotierung, das Yb/Er-dotierte Fluoridgitter, wurde 1972 von Menyuk et al.
Physik
Photonen-Hochkonversion gehört zu einer größeren Klasse von Prozessen, bei denen auf ein Material einfallendes Licht eine Anti-Stokes-Emission induziert. Mehrere Energiequanten wie Photonen oder Phononen werden absorbiert und ein einzelnes Photon mit der summierten Energie wird emittiert. Es ist wichtig, zwischen Photonen-Upkonversion, bei der reale metastabile angeregte Zustände eine sequentielle Absorption ermöglichen, und anderen nichtlinearen Prozessen wie der Erzeugung der zweiten Harmonischen oder der angeregten Zwei-Photonen-Fluoreszenz zu unterscheiden, die virtuelle Zwischenzustände wie die "gleichzeitige" Absorption von zwei oder mehr Photonen. Es unterscheidet sich auch von schwächeren Anti-Stokes-Prozessen wie Thermolumineszenz oder Anti-Stokes-Raman-Emission, die auf eine anfängliche thermische Besetzung tiefliegender angeregter Zustände zurückzuführen sind und folglich Emissionsenergien nur wenige k B T über der Anregung aufweisen. Die Photonen-Hochkonversion ist deutlich gekennzeichnet durch Emissions-Anregungs-Unterschiede von 10–100 k B T und eine beobachtbare Fluoreszenzlebensdauer nach Abschalten der Anregungsquelle.
Die Photonen-Hochkonversion beruht auf metastabilen Zuständen, um die sequentielle Energieabsorption zu erleichtern. Daher ist die Existenz optisch aktiver, langlebiger angeregter Zustände eine notwendige Bedingung für hochkonvertierende Systeme. Diese Rolle wird traditionell von Lanthanoid -Metallionen ausgefüllt, die in ein isolierendes Wirtsgitter eingebettet sind. Im Allgemeinen haben diese Ionen im Oxidationszustand +3 elektronische 4fn-Konfigurationen und zeigen typischerweise ff-Übergänge. Diese 4f-Orbitale ermöglichen komplexe elektronische Strukturen und eine große Zahl möglicher elektronischer angeregter Zustände mit ähnlichen Energien. Beim Einbetten in Volumenkristalle oder Nanostrukturen werden die Energien dieser angeregten Zustände unter dem Kristallfeld weiter aufgespalten , wodurch eine Reihe von Zuständen mit vielen eng beieinander liegenden Energien erzeugt wird. Die 4f-Schale befindet sich in der Nähe des Kerns des Ions und ist daher nicht bindend, während die 5s- und 5p-Schale eine weitere Abschirmung vor dem äußeren Kristallfeld bieten. Somit ist die Kopplung elektronischer angeregter Zustände an das umgebende Gitter schwach, was zu langen Lebensdauern angeregter Zustände und scharfen optischen Linienformen führt.
Die physikalischen Prozesse, die für die Hochkonversion in Nanopartikeln verantwortlich sind, sind die gleichen wie in Volumenkristallen auf mikroskopischer Ebene, obwohl die Gesamteffizienz und andere Ensembleeffekte im Fall der Nanopartikel besondere Überlegungen anstellen. Die zur Hochkonversion beitragenden Prozesse können nach der Anzahl der beteiligten Ionen gruppiert werden. Die beiden häufigsten Prozesse, durch die eine Hochkonversion in Lanthanoid-dotierten nanoskaligen Materialien erfolgen kann, sind die Absorption im angeregten Zustand (ESA) und die Energietransfer-Hochkonversion (ETU).
Ein einzelnes Ion im Gitter absorbiert nacheinander zwei Photonen und emittiert ein Photon mit höherer Energie, wenn es in den Grundzustand zurückkehrt . ESA tritt am häufigsten auf, wenn die Dotierstoffkonzentrationen niedrig sind und eine Energieübertragung nicht wahrscheinlich ist. Da ESA ein Prozess ist, bei dem zwei Photonen an einem einzigen Gitterplatz absorbiert werden müssen, sind kohärentes Pumpen und hohe Intensität viel wichtiger (aber nicht unbedingt erforderlich) als bei ETU. Aufgrund seiner Einzelionennatur ist ESA nicht von der Lanthanoid-Ionenkonzentration abhängig.
Zwei-Ionen-Prozesse werden normalerweise von der Energietransfer-Upconversion (ETU) dominiert. Dies ist gekennzeichnet durch den sukzessiven Energietransfer von einfach angeregten Ionen (Sensibilisatoren/Donoren) auf das Ion, das schließlich emittiert (Aktivatoren/Akzeptoren). Dieser Vorgang wird allgemein als optische Anregung des Aktivators dargestellt, gefolgt von einer weiteren Anregung zum endgültigen fluoreszierenden Zustand aufgrund der Energieübertragung von einem Sensibilisator. Während diese Darstellung gültig ist, ist der stärker beteiligte Prozess die sequentielle Anregung des Aktivators durch zwei oder mehr verschiedene Sensibilisatorionen.
Der Aufwärtskonversionsprozess wird als kooperativ bezeichnet, wenn es einen oder mehrere elementare Schritte (Sensibilisierung oder Lumineszenz) im Prozess gibt, an denen mehrere Lanthanoid-Ionen beteiligt sind. Beim kooperativen Sensibilisierungsprozess zerfallen zwei Ionen in ihrem angeregten Zustand gleichzeitig in ihren Grundzustand, wodurch ein Photon höherer Energie erzeugt wird. In ähnlicher Weise übertragen bei kooperativer Lumineszenz zwei Ionen im angeregten Zustand ihre Energie in einem elementaren Schritt auf ein benachbartes Ion.
Die Energiemigrations-vermittelte Aufwärtskonversion (EMU) umfasst vier Arten von lumineszierenden Ionenzentren mit unterschiedlichen Rollen. Sie befinden sich in getrennten Schichten einer Kern-Schale-Struktur des Nanomaterials, um Relaxationsprozesse zwischen Ionen zu hemmen. In diesem Fall werden niederenergetische Photonen in einem ETU-Prozess angeregt, der einen angeregten Zustand eines anderen Ions besetzt. Energie aus diesem Zustand kann durch eine Kern-Schale-Grenzfläche auf ein benachbartes Ion übertragen werden und wird dann emittiert.
In jüngster Zeit haben wichtige Fortschritte bei der Synthese hochwertiger nanostrukturierter Kristalle bei der Entwicklung von Partikeln mit einstellbaren Emissionen neue Wege für die Photonen-Hochkonversion ermöglicht. Dies beinhaltet die Möglichkeit, Partikel mit Kern/Schale-Strukturen zu erzeugen, die eine Hochkonversion durch Grenzflächenenergietransfer (IET) ermöglichen, worauf die Wechselwirkungen zwischen typischen Lanthanoid-Donor-Akzeptor-Paaren einschließlich Yb-Er, Yb-Tm, Yb-Ho, Gd-Tb , Gd-Eu und Nd-Yb lassen sich auf der Nanoskala präzise steuern.
Der Mechanismus der Photonenlawine (PA) verwendet Schwellenwerte der Photonenpumpintensität, um die Lumineszenzintensität zu steuern, und kann daher die höchste Aufwärtskonversionseffizienz mit starken Emissionen aufweisen. Dieses Phänomen nutzt die Kreuzrelaxation aus, um die Population der angeregten Zustände zu erhöhen. Kreuzrelaxation ist ein Prozess, bei dem ein Ion im angeregten Zustand Energie auf ein Ion des gleichen Typs im Grundzustand überträgt, wodurch zwei angeregte Ionen mittlerer Energie erzeugt werden. Obwohl PA in einigen Systemen beobachtet wird, ist es der am wenigsten beobachtete Mechanismus für die Aufwärtskonversion.
Der Mechanismus der Photonen-Hochkonversion in Lanthanoid-dotierten Nanopartikeln ist im Wesentlichen der gleiche wie in Bulk-Material, aber einige oberflächen- und größenbezogene Effekte haben nachweislich wichtige Konsequenzen. Während nicht erwartet wird, dass Quanteneinschluss einen Einfluss auf die Energieniveaus in Lanthanoid-Ionen hat, da die 4f-Elektronen ausreichend lokalisiert sind, wurden andere Effekte gezeigt, die wichtige Auswirkungen auf die Emissionsspektren und die Effizienz von UCNPs haben. Strahlungsrelaxation steht in Konkurrenz zu nichtstrahlender Relaxation, so dass die Phononenzustandsdichte ein wichtiger Faktor wird. Darüber hinaus sind phononenunterstützte Prozesse wichtig, um die Energiezustände der f-Orbitale in Reichweite zu bringen, damit eine Energieübertragung stattfinden kann. In Nanokristallen treten niederfrequente Phononen nicht im Spektrum auf, sodass das Phononenband zu einem diskreten Satz von Zuständen wird. Da die strahlungsfreie Relaxation die Lebensdauer angeregter Zustände verringert und die Phononenunterstützung die Wahrscheinlichkeit des Energietransfers erhöht, sind die Größeneffekte kompliziert, da diese Effekte miteinander konkurrieren. Auch oberflächenbezogene Effekte können einen großen Einfluss auf die Lumineszenzfarbe und -effizienz haben. Oberflächenliganden auf Nanokristallen können große Schwingungsenergieniveaus aufweisen, die erheblich zu phononunterstützten Effekten beitragen können.
Chemie
Die chemische Zusammensetzung von aufkonvertierenden Nanopartikeln, UCNPs, beeinflusst direkt ihre Umwandlungseffizienz und spektralen Eigenschaften. In erster Linie beeinflussen drei Zusammensetzungsparameter die Leistung der Partikel: das Wirtsgitter, Aktivatorionen und Sensibilisatorionen.
Das Wirtsgitter bietet sowohl den Aktivator- als auch den Sensibilisatorionen eine Struktur und wirkt als ein Medium, das den Energietransfer durchführt. Dieses Wirtsgitter muss drei Anforderungen erfüllen: niedrige Phononenenergien des Gitters, hohe chemische Stabilität und geringe Symmetrie des Gitters. Der Hauptmechanismus, der für die reduzierte Aufkonversion verantwortlich ist, ist die strahlungslose Phononenrelaxation. Wenn eine große Anzahl von Phononen benötigt wird, um Anregungsenergie in Phononenenergie umzuwandeln, wird im Allgemeinen die Effizienz des strahlungslosen Prozesses verringert. Niedrige Phononenenergien im Wirtsgitter verhindern diesen Verlust und verbessern die Umwandlungseffizienz der eingebauten Aktivatorionen. Das Gitter muss auch unter chemischen und photochemischen Bedingungen stabil sein, da in diesen Umgebungen die Umwandlung stattfindet. Schließlich sollte dieses Wirtsgitter eine niedrige Symmetrie aufweisen, was eine leichte Lockerung der Laporte-Auswahlregeln ermöglicht . Die normalerweise verbotenen Übergänge führen zu einer Erhöhung der ff-Vermischung und damit zu einer Erhöhung der Aufwärtskonversionseffizienz.
Andere Überlegungen zum Wirtsgitter umfassen die Wahl von Kationen und Anionen. Wichtig ist, dass Kationen ähnliche Radien wie die vorgesehenen Dotierstoffionen haben sollten: Zum Beispiel bei der Verwendung von Lanthanoid-Dotierstoffionen bestimmte Erdalkali- (Ca 2+ ), Seltenerd- (Y + ) und Übergangsmetallionen (Zr 4+ ) alle erfüllen diese Anforderung, ebenso wie Na + . Ebenso ist die Wahl des Anions wichtig, da es die Phononenenergien und die chemische Stabilität signifikant beeinflusst. Schwere Halogenide wie Cl − und Br − haben die niedrigsten Phononenenergien und fördern daher am wenigsten strahlungslose Zerfallswege. Diese Verbindungen sind jedoch im Allgemeinen hygroskopisch und daher nicht ausreichend stabil. Andererseits können Oxide recht stabil sein, haben aber hohe Phononenenergien. Fluoride sorgen für ein Gleichgewicht zwischen den beiden, da sie sowohl Stabilität als auch geeignet niedrige Phononenenergien aufweisen. Daher ist es offensichtlich, warum einige der beliebtesten und effizientesten UCNP-Zusammensetzungen NaYF 4 :Yb/Er und NaYF 4 :Yb/Tm sind.
Die Wahl der Dotierstoffionen des Aktivators wird durch den Vergleich relativer Energieniveaus beeinflusst: Die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und dem Zwischenzustand sollte ähnlich der Differenz zwischen dem Zwischenzustand und dem angeregten Emissionszustand sein. Dies minimiert den nichtstrahlenden Energieverlust und erleichtert sowohl die Absorption als auch die Energieübertragung. Im Allgemeinen enthalten UCNPs eine Kombination von Seltenerdelementen (Y, Sc und die Lanthanoide), wie Er 3+ , Tm 3+ und Ho 3+ Ionen, da sie mehrere Ebenen haben, die insbesondere diesem "Leiter"-Muster folgen Gut.
Lanthanoid-Dotierstoffe werden als Aktivatorionen verwendet, da sie mehrere 4f-Anregungsniveaus und vollständig gefüllte 5s- und 5p-Schalen aufweisen, die ihre charakteristischen 4f-Elektronen abschirmen und so scharfe ff-Übergangsbänder erzeugen. Diese Übergänge liefern wesentlich länger anhaltende angeregte Zustände, da sie Laporte-verboten sind, was eine längere Zeit ermöglicht, die für die für die Aufwärtskonversion erforderlichen Mehrfachanregungen erforderlich ist.
Auch die Konzentration der Aktivator-Ionen in UCNPs ist von entscheidender Bedeutung, da diese den durchschnittlichen Abstand zwischen den Aktivator-Ionen bestimmt und damit beeinflusst, wie leicht Energie ausgetauscht wird. Wenn die Konzentration der Aktivatoren zu hoch und die Energieübertragung zu leicht ist, kann eine Kreuzrelaxation auftreten, die die Emissionseffizienz verringert.
Die Effizienz von UCNPs, die nur mit Aktivatoren dotiert sind, ist aufgrund ihres geringen Absorptionsquerschnitts und notwendigerweise niedriger Konzentration normalerweise gering. Sensibilisator-Ionen werden zusammen mit den Aktivator-Ionen in UCNPs in das Wirtsgitter dotiert, um die Elektronentransfer-Aufwärtskonversion zu erleichtern. Das am häufigsten verwendete Sensibilisator-Ion ist das dreiwertige Yb 3+ . Dieses Ion bietet einen viel größeren Absorptionsquerschnitt für einfallende Strahlung im nahen IR, während es nur einen einzelnen angeregten 4f-Zustand zeigt. Und da die Energielücke zwischen dem Masseniveau und diesem angeregten Zustand gut mit den "Leiter"-Lücken in den gemeinsamen Aktivatorionen übereinstimmt, werden Resonanzenergieübertragungen zwischen den beiden Dotierstofftypen durchgeführt.
Typische UCNPs sind mit ungefähr 20 Mol-% Sensibilisator-Ionen und weniger als 2 Mol-% Aktivator-Ionen dotiert. Diese Konzentrationen ermöglichen einen ausreichenden Abstand zwischen den Aktivatoren, vermeiden eine Kreuzrelaxation und absorbieren dennoch genügend Anregungsstrahlung durch die Sensibilisatoren, um wirksam zu sein. Gegenwärtig werden andere Arten von Sensibilisatoren entwickelt, um den für die Aufwärtskonversion verfügbaren Spektralbereich zu erhöhen, wie etwa Halbleiter-Nanokristall-organische Liganden-Hybride.
Synthese
Die UCNP-Synthese konzentriert sich auf die Kontrolle mehrerer Aspekte der Nanopartikel – Größe, Form und Phase. Die Kontrolle über jeden dieser Aspekte kann durch verschiedene Synthesewege erreicht werden, von denen Co-Präzipitation, Hydro(solvo)thermal und Thermolyse die gebräuchlichsten sind. Unterschiedliche Syntheseverfahren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, und die Wahl der Synthese muss Einfachheit/Leichtheit des Verfahrens, Kosten und Fähigkeit zum Erreichen gewünschter Morphologien in Einklang bringen. Im Allgemeinen sind Festkörpersynthesetechniken am einfachsten, um die Zusammensetzung der Nanopartikel zu kontrollieren, jedoch nicht die Größe oder Oberflächenchemie. Flüssigkeitsbasierte Synthesen sind effizient und in der Regel besser für die Umwelt.
Die einfachste und wirtschaftlichste Methode, bei der Komponenten des Nanokristalls in Lösung zusammengemischt und ausfallen gelassen werden. Diese Methode liefert Nanopartikel mit einer engen Größenverteilung (ca. 100 nm), denen jedoch die Präzision komplexerer Methoden fehlt, wodurch mehr Nacharbeit nach der Synthese erforderlich ist. NPs können mit einem Temperschritt bei hohen Temperaturen verbessert werden, dies führt jedoch oft zu Aggregation, was die Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Gängige durch Copräzipitation synthetisierte NP umfassen Seltenerd-dotierte NaYF 4 -Nanopartikel, die in Gegenwart von Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) hergestellt wurden, und LaYbEr, hergestellt in NaF und organischen Phosphaten (Capping-Liganden).
Hydro(solvo)thermal, auch hydrothermal/solvothermal genannt, werden in geschlossenen Behältern bei höheren Temperaturen und Drücken in einem Autoklaven durchgeführt. Diese Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle über Form und Größe (monodispers), jedoch auf Kosten langer Synthesezeiten und der Unfähigkeit, Wachstum in Echtzeit zu beobachten. Spezialisiertere Techniken umfassen die Sol-Gel-Verarbeitung (Hydrolyse und Polykondensation von Metallalkoxiden) und die Verbrennungs-(Flammen-)Synthese, bei denen es sich um schnelle Wege ohne Lösungsphase handelt. Bemühungen zur Entwicklung wasserlöslicher und „grüner“ Totalsynthesen werden ebenfalls untersucht, wobei die erste dieser Methoden Polyethylenimin (PEI)-beschichtete Nanopartikel verwendet.
Bei der thermischen Zersetzung werden Hochtemperaturlösungsmittel verwendet, um molekulare Vorstufen in Kerne zu zerlegen, die ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit wachsen und hochwertige monodisperse NPs ergeben. Das Wachstum wird durch die Kinetik der Vorläuferzersetzung und die Oswald-Reifung gesteuert, was eine feine Kontrolle über Partikelgröße, -form und -struktur durch Temperatur und Reaktantenzugabe und -identität ermöglicht.
Molekulare Masse
Für viele chemische und biologische Anwendungen ist es nützlich, die Konzentration von Upconversion-Nanopartikeln in Bezug auf die Molekülmasse zu quantifizieren . Zu diesem Zweck kann jedes Nanopartikel als Makromolekül betrachtet werden . Um die Molekülmasse eines Nanopartikels zu berechnen, müssen die Größe des Nanopartikels, die Größe und Form der Elementarzellenstruktur und die elementare Zusammensetzung der Elementarzelle bekannt sein. Diese Parameter können durch Transmissionselektronenmikroskopie bzw. Röntgenbeugung erhalten werden. Daraus lässt sich die Anzahl der Elementarzellen in einem Nanopartikel und damit die Gesamtmasse des Nanopartikels abschätzen.
Postsynthetische Modifikation
Wenn die Größe des Kristalls abnimmt, nimmt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen dramatisch zu, wodurch Dotierionen aufgrund von Oberflächenverunreinigungen, Liganden und Lösungsmitteln gelöscht werden. Daher sind Partikel in Nanogröße ihren Massengegenstücken in der Aufkonversionseffizienz unterlegen. Experimentelle Untersuchungen zeigen die dominante Rolle des Liganden im strahlungsfreien Relaxationsprozess. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Effizienz von hochkonvertierenden Nanopartikeln zu erhöhen. Dazu gehören Schalenwachstum, Ligandenaustausch und Doppelschichtbildung.
Es wurde gezeigt, dass die Einführung einer inerten Hülle aus einem kristallinen Material um jedes dotierte NP eine effektive Möglichkeit darstellt, den Kern von den umgebenden und Oberflächendeaktivatoren zu isolieren, wodurch die Aufkonvertierungseffizienz erhöht wird. Zum Beispiel zeigen 8 nm NaYF 4 Yb 3+ /Tm 3+ UCNPs, die mit einer 1,5 nm dicken NaYF 4 -Schale beschichtet sind , eine 30-fache Verstärkung der aufkonvertierenden Lumineszenz. Die Hülle kann unter Verwendung von zwei allgemeinen Ansätzen epitaktisch gezüchtet werden: i) unter Verwendung von molekularen Vorläufern; ii) Verwendung von Opferpartikeln (siehe Ostwald-Reifung ). Darüber hinaus kann eine kritische Dicke der Hülle für die Emissionsverbesserung existieren, die als Konstruktionsfaktor dient.
Der molekulare Vorläufer des Schalenmaterials wird mit den Kernpartikeln in hochsiedenden Lösungsmitteln wie Ölsäure und Octadecen gemischt und die resultierende Mischung wird auf 300 °C erhitzt, um den Schalenvorläufer zu zersetzen. Die Hülle neigt dazu, epitaktisch auf den Kernpartikeln zu wachsen. Da die Wirtsmatrix des Kerns und der Hülle eine ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisen (um ein gleichmäßiges epitaktisches Wachstum zu erzielen), gibt es keinen Kontrastunterschied zwischen den entsprechenden TEM-Bildern vor und nach dem Hüllenwachstum. Folglich kann die Möglichkeit der Legierung anstelle der Kern-Schale-Bildung nicht ohne weiteres ausgeschlossen werden. Mit der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ist es jedoch möglich, zwischen den beiden Szenarien zu unterscheiden .
Ligandenaustausch
UCNPs im synthetisierten Zustand sind normalerweise mit organischen Liganden versehen, die die Größen- und Formkontrolle während der Herstellung unterstützen. Diese Liganden machen ihre Oberfläche hydrophob und sind daher in wässriger Lösung nicht dispergierbar, was ihre biologische Anwendung verhindert. Eine einfache Methode zur Erhöhung der Löslichkeit in wässrigen Lösungsmitteln ist der direkte Ligandenaustausch. Dies erfordert einen bevorzugteren Liganden, um die ursprünglichen zu ersetzen. Die hydrophoben nativen Liganden den NP während der Synthese ( in der Regel ein langes Kettenmolekül , wie Ölsäure) Capping direkt mit einem stärker polaren hydrophilen substituierten durch einen, die in der Regel multi- chelatbildenden (zB Polyethylenglykol (PEG) -phosphat, Polyacrylsäure ) , und somit bietet eine bessere Stabilisierung und Bindung, was zu ihrem Austausch führt. Ein Nachteil dieser Methode ist die langsame Kinetik, die mit dem Austausch verbunden ist. Im Allgemeinen ist der neue Ligand auch mit einer Gruppe wie Thiol funktionalisiert, die eine leichte Bindung an die NP-Oberfläche ermöglicht. Das Protokoll für den direkten Austausch ist einfach und beinhaltet im Allgemeinen ein Mischen über einen längeren Zeitraum, aber die Aufarbeitung kann langwierig sein, die Bedingungen müssen für jedes System optimiert werden und es kann zu einer Aggregation kommen. Der zweistufige Prozess des Ligandenaustauschs beinhaltet jedoch die Entfernung der ursprünglichen Liganden, gefolgt von der Beschichtung hydrophiler Liganden, was eine bessere Methode ist. Der Ligandenentfernungsschritt wurde hier auf verschiedene Weise beschrieben. Ein einfacher Weg war das Waschen der Partikel mit Ethanol unter Ultraschallbehandlung. Reagenzien wie Nitrosoniumtetrafluoroborat oder Säuren werden verwendet, um die nativen Liganden von der NP-Oberfläche zu entfernen, um später günstige zu binden. Diese Methode zeigt eine geringere Tendenz zur NP-Aggregation als der direkte Austausch und kann auf andere Arten von Nanopartikeln verallgemeinert werden.
Bildung von Doppelschichten
Ein anderes Verfahren beinhaltet das Beschichten des UCNP mit langen amphiphilen Alkylketten, um eine Pseudodoppelschicht zu erzeugen. Die hydrophoben Schwänze der Amphiphile werden zwischen die Oleatliganden auf der Oberfläche des NP eingefügt, sodass die hydrophilen Köpfe nach außen zeigen. Phospholipide wurden für diesen Zweck mit großem Erfolg verwendet, da sie leicht von biologischen Zellen verschlungen werden. Bei dieser Strategie wird die Oberflächenladung leicht durch die Wahl der zweiten Schicht kontrolliert und einige funktionalisierte Moleküle können auf die äußere Schicht geladen werden. Sowohl die Oberflächenladung als auch funktionelle Oberflächengruppen sind für die Bioaktivität von Nanopartikeln wichtig. Eine billigere Strategie zur Herstellung einer Lipiddoppelschichtbeschichtung besteht darin, amphiphile Polymere anstelle von amphiphilen Molekülen zu verwenden.
Anwendungen
Bioimaging
Bei der Biobildgebung mit UCNPs wird ein Laser verwendet, um die UCNPs in einer Probe anzuregen und dann das emittierte, frequenzverdoppelte Licht zu detektieren. UCNPs sind aufgrund ihrer engen Emissionsspektren, ihrer hohen chemischen Stabilität, ihrer geringen Toxizität, ihres schwachen Autofluoreszenzhintergrunds, ihrer langen Lumineszenzlebensdauer und ihrer hohen Beständigkeit gegenüber Photoquenching und Photobleaching von Vorteil für die Bildgebung. Im Vergleich zu herkömmlichen Biolabels, die Stokes-Shift-Prozesse verwenden und hohe Photonenenergien erfordern, verwenden UCNPs einen Anti-Stokes-Mechanismus, der die Verwendung von energieärmerem, weniger schädlichem und tiefer eindringendem Licht ermöglicht. Multimodale Bildgebungsmittel kombinieren mehrere Modi der Signalberichterstattung. UCNPs mit Gd 3+ oder Fe 2 O 3 können als Lumineszenzsonden und MRT-Kontrastmittel dienen. UCNPs werden auch bei der Konfiguration von Photolumineszenz und Röntgen-Computertomographie (CT) verwendet, und trimodale UCNPs, die Photolumineszenz, Röntgen-CT und MRT kombinieren, wurden ebenfalls hergestellt. Durch die Nutzung der attraktiven Wechselwirkung zwischen Fluorid- und Lanthanoid-Ionen können UCNPs als bildgebende Mittel auf der Grundlage der Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) verwendet werden, um Lymphknoten abzubilden und das Staging für Krebsoperationen zu unterstützen. UCNPs als zielgerichtete Fluorophore und konjugiert mit Liganden bilden überexprimierte Rezeptoren auf malignen Zellen, die als Photolumineszenz-Markierung dienen, um Zellen selektiv abzubilden. UCNPs wurden auch in der funktionellen Bildgebung verwendet, wie zum Beispiel beim Targeting von Lymphknoten und dem Gefäßsystem, um bei Krebsoperationen zu helfen. UCNPs ermöglichen eine Multiplex-Bildgebung durch Dotierstoffmodulation, wodurch Emissionspeaks zu Wellenlängen verschoben werden, die aufgelöst werden können. An Antikörper konjugierte Einzelbanden-UCNPs werden zum Nachweis von Brustkrebszellen verwendet und übertreffen die herkömmliche Fluorophor-Markierung von Antikörpern, die für eine Multiplex-Analyse nicht geeignet ist.
Biosensoren und Temperatursensoren
Es nutzt einen photoinduzierten Elektronentransfermechanismus. UCNPs wurden als Nanothermometer verwendet, um intrazelluläre Temperaturunterschiede zu erkennen. (NaYF 4 : 20% Yb 3+ , 2% Er 3+ ) @NaYF 4 Kern-Schale-strukturierte hexagonale Nanopartikel können Temperaturen im physiologischen Bereich (25 °C bis 45 °C) mit einer Genauigkeit von weniger als 0,5 °C in HeLa messen Zellen. UNCPs können zu viel vielseitigeren Biosensoren gemacht werden, indem sie mit Erkennungselementen wie Enzymen oder Antikörpern kombiniert werden. Intrazelluläres Glutathion wurde mit UCNPs nachgewiesen, die mit MnO 2 -Nanoblättern modifiziert wurden. MnO 2 -Nanoblätter löschen die UCNP-Lumineszenz, und es wurde beobachtet, dass Glutathion diese Lumineszenz durch Reduktion von MnO 2 zu Mn 2+ selektiv wiederherstellt . NaYF 4 : Yb 3+ /Tm 3+ -Nanopartikel mit SYBR Green I- Farbstoff können Hg 2+ in vitro mit einer Nachweisgrenze von 0,06 n M untersuchen. Hg 2+ und andere Schwermetalle wurden in lebenden Zellen gemessen. Die abstimmbaren und gemultiplexten Emissionen ermöglichen den gleichzeitigen Nachweis verschiedener Spezies.
Arzneimittelfreigabe und -abgabe
Es gibt drei Möglichkeiten, UCNP-basierte Arzneimittelabgabesysteme zu konstruieren. Erstens können UCNPs hydrophobe Wirkstoffe wie Doxorubicin transportieren, indem sie sie auf der Partikeloberfläche, der hydrophoben Tasche, einkapseln. Das Medikament kann durch eine pH-Änderung freigesetzt werden. Zweitens können mesoporöse silikabeschichtete UCNPs verwendet werden, bei denen Medikamente gespeichert und von der porösen Oberfläche freigesetzt werden können. Drittens kann das Medikament verkapselt und in eine hohle UCNP-Hülle transferiert werden.
Lichtaktivierte Prozesse, die Medikamente abgeben oder aktivieren, werden als photodynamische Therapeutika (PDT) bezeichnet. Viele photoaktive Verbindungen werden durch UV-Licht ausgelöst, das eine geringere Eindringtiefe hat und im Vergleich zu IR-Licht mehr Gewebeschäden verursacht. UCNPs können verwendet werden, um UV-aktivierte Verbindungen lokal auszulösen, wenn sie mit gutartiger IR-Strahlung bestrahlt werden. UCNPs können beispielsweise IR-Licht absorbieren und sichtbares Licht emittieren, um einen Photosensibilisator auszulösen, der hochreaktiven Singulett-Sauerstoff produzieren kann, um Tumorzellen zu zerstören. Dieser nicht-toxische und wirksame Ansatz wurde sowohl in vitro als auch in vivo nachgewiesen. In ähnlicher Weise können UCNPs in der photothermischen Therapie verwendet werden, die Ziele durch Hitze zerstört. In UCNP-plasmonischen Nanopartikel-Kompositen (zB NaYF 4 :Yb Er@Fe 3 O 4 @Au 17 ) zielen die UCNPs auf Tumorzellen und die plasmonischen Nanopartikel erzeugen Hitze, um Krebszellen abzutöten. [Feld] Nanopartikel erzeugen Hitze, um Krebszellen abzutöten.
UCNPs wurden in Sonnenkollektoren integriert, um das Spektrum des Sonnenlichts zu erweitern, das eingefangen und in Strom umgewandelt werden kann. Die maximale Leistung einer Solarzelle wird teilweise durch den Anteil der einfallenden Photonen bestimmt, die eingefangen werden, um Elektronen zu fördern. Solarzellen können nur Photonen mit einer Energie gleich oder größer als die Bandlücke absorbieren und umwandeln. Jedes einfallende Photon mit einer Energie kleiner als die Bandlücke geht verloren. UCNPs können dieses verschwendete Sonnenlicht einfangen, indem sie mehrere niederenergetische IR-Photonen zu einem einzigen hochenergetischen Photon kombinieren. Das emittierte Photon hat genügend Energie, um Ladungsträger über die Bandlücke zu fördern . UCNPs können in Solarzellensysteme verschiedener Klassen und in vielfacher Form integriert werden. Beispielsweise können UCNPs als Film auf die Rückseiten von Halbleitern laminiert werden, um niederenergetisches Licht zu sammeln und hochzuwandeln. Eine solche Behandlung erzeugte einen Wirkungsgrad von 37% für aufwärtskonvertiertes Licht. Eine andere Strategie besteht darin, die Nanopartikel in einem hochporösen Material zu verteilen. In einer Gerätearchitektur werden UCNPs in ein Titandioxid - Mikrogerüst infiltriert . Es wird mehr Titandioxid hinzugefügt, um die UCNPs einzubetten, UCNPs wurden auch in farbstoffsensibilisierten Zellen verwendet.
Fotoschaltung
Photoswitching ist die durch Licht ausgelöste Umwandlung von einem chemischen Isomer in ein anderes. Photoswitching findet Anwendung in der optischen Datenverarbeitung und -speicherung und in der Photofreigabe. Photorelease ist die Verwendung von Licht, um die Ablösung einer an der Nanopartikeloberfläche befestigten Einheit zu bewirken. UCNPs von Lanthanoid-dotiertem NaYF 4 wurden als ferngesteuerte Photoschalter verwendet. UCNPs sind nützliche Photoschalter, weil sie mit kostengünstiger NIR-Strahlung bestrahlt werden können und diese extrem lokal in UV-Strahlung umwandeln. Photokatalytische Systeme können mit UCNPs nach dem gleichen Prinzip wie Solarzellen verbessert werden. In mit YF 3 :Yb/Tm UCNPs beschichtetem Titanoxid wurde ein Abbau von Schadstoffen unter NIR-Strahlung beobachtet. Normalerweise kann niederenergetische NIR-Strahlung in Titandioxid, das eine Bandlücke im UV-Bereich aufweist, keine Photokatalyse induzieren. Die Anregung in Titanoxid führt zu einer Oberflächen-Redoxreaktion, die oberflächennahe Verbindungen zersetzt. UCNPs ermöglichen, dass billige niederenergetische NIR-Photonen teure UV-Photonen ersetzen. Im biologischen Kontext wird UV-Licht stark absorbiert und verursacht Gewebeschäden. NIR wird jedoch schwach absorbiert und induziert in vivo UCNP-Verhalten . Kern-Schale-UCNPs wurden verwendet, um die Photospaltung eines Rutheniumkomplexes mit einer Intensität von NIR-Licht zu initiieren, die in der biomedizinischen Anwendung völlig unbedenklich ist.
UCNP-basierte Systeme können sowohl lichtbasierte Techniken als auch strombasierte Techniken koppeln. Diese optische Stimulation von Halbleitern wird dann mit einer spannungsbasierten Stimulation gekoppelt, um Informationen zu speichern. Weitere Vorteile der Verwendung von UCNPs für Flash-Laufwerke sind, dass alle verwendeten Materialien photo- und thermisch stabil sind. Darüber hinaus wirken sich Unvollkommenheiten in der UCNP-Folie nicht auf die Datenspeicherung aus. Diese Vorteile führten zu einer beeindruckend erreichten Speichergrenze, was UCNP-Filme zu einem vielversprechenden Material für die optische Speicherung macht. UCNPs können in Nischenanwendungen für Displays und Druck verwendet werden. Fälschungssichere Codes oder Drucke können unter Verwendung von UCNPs in bestehenden kolloidalen Tintenpräparaten hergestellt werden. Flexible, transparente Displays wurden auch unter Verwendung von UCNPs hergestellt. Neue Sicherheitstinten, die mit Lanthanoid dotierte hochkonvertierende Nanopartikel enthalten, haben viele Vorteile. Außerdem sind diese Tinten unsichtbar, bis sie NIR-Licht ausgesetzt werden. Rote, grüne und blaue Aufwärtskonvertierungstinten wurden erreicht. Die Farbe, die von etwas überlappender Tinte erzeugt wird, hängt von der Leistungsdichte der NIR-Anregung ab, was die Einbindung zusätzlicher Sicherheitsmerkmale ermöglicht.
Der Einsatz hochkonvertierender Nanopartikel beim Fingerprinting ist hochselektiv. Die hochkonvertierenden Nanopartikel können sich an Lysozym im Schweiß binden, der abgelagert wird, wenn eine Fingerspitze eine Oberfläche berührt. Auch ein Kokain ist -spezifische Aptamer entwickelt , um Kokain-geschnürt Fingerabdrücke nach der gleichen Methode zu identifizieren. Aufwärtskonvertierende Nanopartikel können auch für die Strichcodierung verwendet werden . Diese Mikro-Barcodes können auf verschiedene Objekte eingebettet werden. Die Barcodes werden unter NIR-Beleuchtung gesehen und können mit einer iPhone- Kamera und einem Mikroskopobjektiv abgebildet werden .