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Neue Hybrid-Leuchtstoff-Nanopartikel mit hoher Lichtintensität: die vielseitigen Fluoreszenzmarker

Kurzfassung

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurden neue, preiswerte Fluoreszenzleuchtstoffe mit besonders hoher Lichtstärke entwickelt. Diese anorganisch-organischen Hybridleuchtstoffe lassen sich einfach synthetisieren und in gängigen Lösungsmitteln (Ethanol/Wasser) isolieren, lagern und agglomeratfrei redispergieren. Sie können mit blauem Licht (UV- oder Blaulicht-LED) angeregt werden und emittieren je nach Zusammensetzung im blauen, grünen, roten oder infraroten Spektralbereich. Bevorzugte Anwendungsbereiche liegen in der diagnostischen und therapeutischen Medizin sowie in der Werbeindustrie oder Sicherheitstechnik (Fluoreszenzmarker).
Im Bereich der Biologie und Medizin haben die Fluoreszenzleuchtstoffe den Vorteil, dass sie über eine gute Biokompatibilität verfügen und hochspezifische Signale liefern, die nicht mit der Autofluoreszenz von Organen, Zellen oder Organellen überlappen. Daher stellen sie eine attraktive Alternative zu den weit verbreiteten Halbleiter-Quantenpunkten und Seltenerd-dotierten Oxiden und Fluoriden dar.

Hintergrund

Nanoskalige Leuchtstoffe sind von besonderem Interesse als Marker in der diagnostischen und therapeutischen Medizin oder auch als Sicherheitsmerkmal in bzw. auf Papier oder Kunststoff. Für medizinische Anwendungen sind insbesondere bioverträgliche Substanzen mit hoher Emissionsintensität interessant, die in Zellen bzw. in Gewebe nach kurzer Zeit vollständig und ohne toxische oder allergische Reaktionen abgebaut werden. Zudem müssen Leuchtstoff-Nanopartikel einen Durchmesser kleiner 50 nm aufweisen und weitgehend agglomeratfrei vorliegen, um beispielsweise in Zellen eingeschleust werden zu können.
Aufgrund ihrer geringen Größe sind die Leuchtstoff-Nanopartikel für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar. Sie können nur nach Anregung mit einer spezifischen Wellenlänge anhand ihrer Emission detektiert werden. Diese Eigenschaft macht sie auch für die Anwendung als Sicherheitsmerkmal z. B. in oder auf Banknoten, Wertpapieren oder Ausweisdokumenten oder auch für Werbezwecke interessant.

Problemstellung

Der Sprung von der Innovation zum marktfähigen Produkt wird u. a. durch die begrenzte Verfügbarkeit geeigneter Leuchtstoff-Nanopartikel limitiert. Es fehlen biokompatible Leuchtstoffe mit hoher Leuchtkraft (d. h. hoher Zahl an Lumineszenz-Zentren und hoher Quantenausbeute), guter Dispergierbarkeit und Verfahren, diese effizient und einfach in technisch relevanten Mengen herzustellen.

Lösung

Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, preiswerte und bioverträgliche anorganisch-organische Hybridnanomaterialen mit besonders hoher Lichtstärke zu entwickeln. Diese Hybridleuchtstoffe können mit blauem Licht (UV- oder Blaulicht-LED) angeregt werden und emittieren je nach Zusammensetzung im blauen, grünen, roten oder infraroten Spektralbereich.
Die anorganisch-organischen Hybridleuchtstoffe der allgemeinen Zusammensetzung [ZrO][Farbstoffphosphat] bestehen aus anorganischen [ZrO]2+-Metallkationen und organischen Fluoreszenzfarbstoffanionen, die jeweils eine Phosphatgruppe [Farbstoffphosphat]2- als funktionelle Gruppe tragen.
Abbildung 1 zeigt repräsentative Beispiele und deren Emission. Die Herstellung anorganisch-organischer Hybridleuchtstoffe erfolgt prinzipiell durch einfache Fällung in wässriger Lösung unter Berücksichtigung von Keimbildung und Keimwachstum. Die Nanopartikel weisen mittlere Durchmesser von 30-50 nm auf. Sie sind in Wasser bzw. physiologischen Medien (z. B. Phosphatpuffer) kolloidal stabil und können z. B. mit Dextran in einfacher Weise modifiziert und zellgängig gemacht werden.
Durch die Wahl des Farbstoffanions kann die Emissionswellenlänge von blau und grün über gelb, rot bis infrarot verändert werden.
Die Anregung erfolgt vorzugsweise mit blauem Licht (350-500 nm) mittels LED. Die erhaltenen Hybridleuchtstoffe sind amorph und benötigen keine Kern-Schale-Struktur. Sie sind einfach und effizient durch Fällung in wässriger Lösung darstellbar und enthalten keine toxischen Elemente (z. B. Cd, Pb, Se, Te). Erste Tests belegen eine hohe Bioverträglichkeit und einen vollständigen Abbau innerhalb von 3-4 Tagen.

Suspensionen nanoskaliger anorganischorganischer Hybrid-Leuchtstoffe der Zusammensetzung [ZrO]2+ [Farbstoffphosphat]2-.
Suspensionen nanoskaliger anorganischorganischer Hybrid-Leuchtstoffe der Zusammensetzung [ZrO]2+ [Farbstoffphosphat]2-.
Nanoskalige anorganisch-organische Hybridleuchtstoffe der zusammensetzung [ZrO]2+[FMN]2- (FMN: Flavinmononukleotid) auf Papier bzw. in Polymeren bei Anregung mit Blaulicht-LED.Nanoskalige anorganisch-organische Hybridleuchtstoffe der Zusammensetzung [ZrO]2+[Farbstoffphosphat]2- in Zellen.

Vorteile

  • Einfache wasserbasierte Synthese nanoskaliger HLS (30 bis 50 nm) mit enger Partikelgrößenverteilung größer oder gleich 20 %
  • Variable Einstellung der Anregungs- und Emissionswellenlängen durch die Wahl des Farbstoffanions
  • Variable Konzentration des eingebauten Farbstoffanions (< 1 mol % bis zu mol. Mengen, d. h. 100 %)
  • Hohe Emissionsintensität trotz amorpher Struktur
  • Anregung des HLS im sichtbaren (blaue LED) bis ultravioletten Wellenlängenbereich möglich
  • Emission im blauen, grünen, gelben, roten oder infraroten Spektralbereich möglich
  • HLS aus Wasser und ohne Zusatz von Stabilisatoren agglomeratfrei isolier- und redispergierbar
  • Biokompatible HLS im Vergleich zu toxischen CdSe- oder CdTe-Quantenpunkten
  • HLS in unterschiedlichen Mengen herstellbar (Scale-up)

Anwendungsbereiche

  • Bioverträglicher Fluoreszenzmarker in der diagnostischen und therapeutischen Medizin
  • Sicherheitsmerkmal in/auf Papier oder Kunststoff
  • Werbezwecke nach Einbettung in Papier oder Kunststoffe

Publikationen und Verweise

M. Roming, H. Lünsdorf, K. E. D. Dittmar, C. Feldmann,
"ZrO(HPO4)1−x(FMN)x: schnelle und einfache Synthese eines nanoskaligen Lumineszenzbiomarkers",
Angew. Chem. 2010, 122, 642 –647;
https://doi.org/10.1002/ange.200902893

J. Heck, J. Napp, F. Alves, C. Feldmann, Veröffentlichung in Vorbereitung.

Exposé
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Entwicklungsstand
Konzept / TRL2
Patentsituation
US 8,480,928 B2 erteilt
DE 102008009541 A1 anhängig
EP 2179006 A1 anhängig
Referenznummer
08/022TLB
Service
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