Magnetische Upconversion Lumineszenz Nanosensoren

Das Forschungsprojekt untersucht multifunktionelle Nanopartikel für optische chemo- und biochemische Sensoranwendungen. The Funktionalitäten Magnetismus, Lumineszenz Upconversion, Sensor und Lichtsammlung werden in einem Partikel vereint. Die Nanosensoren werden mit nah-infrarot (NIR) Licht angeregt. Die generierte Upconversion-Phosphoreszenz wird dazu benutzt Indikator oder Markierungsfarbstoffe zum Leuchten zu bringen, um chemische Parameter zu detektieren und um Bioassays durchzuführen. Die NIR Anregung und der Upconversion-Effect erzeugen keine Hintergrundlumineszenz des biologischen Materials. Die Sensorpartikel können mit Hilfe von magnetischen Feldern leicht von der Probe getrennt und an bestimmten Positionen gesammelt werden. Der in-situ hergestellte Sensorspot führt zu einer Empfindlichkeitssteigerung durch die punktuell hohe Konzentration an gesammelten Markierungsfarbstoffen. Die Nanosensoren werden mit Lumineszenz- Lebenszeitmessungen ausgemessen. Das ist vorteilhaft, da die Lebenszeit en unabhängig von Intensitäschwankungen sind. Die benötigte Instrumente sind durch die langen Lebenszeiten der Upconversion Nanokristalle einfach und kostengünstig. Die multifunktionellen Nanopartikel werden durch Einschluss von magnetischen und upconversion Nanokristallen in ein Polymermatrix hergestellt. Abhängig von der Anwendung werden uniforme Partikel oder Partikel, die aus einem Kern und einer Hülle bestehen, untersucht. Die Oberfläche der Patikel besteht aus Carboxyl-Gruppen um stabile Suspensionen in wässrigem Mileu zur erhalten und um Rezeptoren, Liganden, Enzyme oder fluoreszente Indikatoren anzukoppeln. Der hoch-innovative Click-Chemie- Ansatz wird angewandt um die funktionellen Moleküle an die Oberfläche zu konjugieren. Alternativ werden in den Kern oder in die Hülle Indikatormoleküle eingebettet um eine Sensitivität für chemische Parameter zu erhalten. Die Nanosensoren werden verwendet um die Schlüsselparameter Sauerstoff und pH von Biofilmen und Zellkulturen zu überwachen und Model-Bioassays durchzuführen. Die nötigen komplementären Expertisen um dieses Projekt durchzuführen werden durch die Partner vollständig erbracht.

In einem gemeinsamen Projekt untersuchten das Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie der Technischen Universität Graz und das Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensoren der Universität Regensburg multi-funktionelle Nano- und Mikropartikel für die optische Bestimmung von chemischen und biochemischen Parametern. Die Partikel tragen die verschiedenen Funktionalitäten eines Sensors zur Bestimmung eines bestimmten Analyten, verwenden Fluoreszenz-Upconversion und sind magnetisch. Die Sensorpartikel werden mit Nah-Infrarot Licht (NIR) bei 980 nm angeregt und emittieren blaues, grünes und rotes Licht mit einer kürzeren Wellenlänge, welches benutzt wird um einen Indikatorfarbstoff anzuregen. Dieser ermöglicht die Bestimmung von analytischen Parametern. Die Anregung im NIR und der Upconversion Effekt erzeugen ein vernachlässigbares Hintergrundsignal bei biologischen Proben. Die Sensorpartikel können an bestimmten Positionen mit magnetischen Kräften gesammelt werden. Speziell synthetisierte Upconversion Nanokristalle, bestehend aus NaYF4 dotiert mit den seltenen Erden Yb and Er, wurden von den Partnern in Regensburg zur Verfügung gestellt. Diese Nanopartikel, andere magnetische Nanopartikel und analyt-sensitive Farbstoffe wurden in ein Polymer eingebettet. Aus diesem Polymer wurden Mikropartikel, hergestellt und mit Fluoreszenz-Spektroskopie charakterisiert. Mit den hergestellten Partikeln konnte Sauerstoff im Konzentrationsbereich von 0 bis 20% detektiert werden. Die gesammelten magnetischen Partikel zeigen ein besseres Signal und Signal zu Rausch Verhältnis verglichen mit nicht magnetischen Partikeln. Des Weiteren wurden Upconversion-Nanopartikel für pH-Messungen untersucht. Ein pH-sensitiver Farbstoff wurde auf der Oberfläche der Upconversion-Nanopartikel immobilisiert um die Emission durch Energie Transfer zu minimieren. Die Effekte waren zu klein um sie für eine analytische Anwendung nutzbar zu machen.