DE102013022052B4 - Magnetisch-nachleuchtende Nanopartikel und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Nanopartikel, umfassend: (i) einen magnetischen Kern, (ii) eine vor Quenching-Effekten schützende Schicht auf dem magnetischen Kern und (iii) eine nachleuchtende, kristalline Schicht auf der schützenden Schicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische nachleuchtende (phosphoreszierende) Nanopartikel und Verfahren zu deren Herstellung. In bevorzugten Ausführungsformen sind die erfindungsgemäßen Nanopartikel wasserfest und biokompatibel.
  • Magnetische Nanopartikel finden seit längerem eine breite Anwendung in Biologie und Medizin. Mögliche Anwendungsgebiete liegen sowohl in der Praxis als auch in der Grundlagenforschung und umfassen beispielsweise die Aufreinigung von Zellen, therapeutische Anwendungen, wie die Bekämpfung von Tumorzellen, diagnostische oder bioanalytische Anwendungen, und den Nachweis von bestimmten Biomolekülen. Dabei sind insbesondere fluoreszierende magnetische Nanopartikel von Nutzen, da diese nicht nur mit Hilfe von Magnetfeldern manipuliert, sondern auch, beispielsweise durch Fluoreszenzmikroskopie, sichtbar gemacht werden können.
  • Im Stand der Technik bekannte fluoreszierend-magnetische Nanopartikel setzen sich aus einem magnetischen Kern zusammen, der mit einer Leuchtstoff-Beschichtung kombiniert wird. Der magnetische Kern kann beispielsweise aus Magnetit (Fe3O4) bestehen. Die Beschichtung besteht in der Regel aus einer CdSe-CdS-Schicht oder aus einer Schicht von in SiO2 eingebetteten [Ru(bipy)3]2+-Verbindungen (bipy = 2',2'-Bipyridin). Ein großer Nachteil dieser Materialien ist, dass derartige Partikel nur während der Bestrahlung des anregenden Lichtes lumineszieren. Dabei verursachen selbstfluoreszierende Biomoleküle, welche ebenfalls durch das anregende Licht zur Fluoreszenz angeregt werden, extreme Störungen bei der Fluoreszenzmikroskopie, die eine oftmals unbefriedigende Empfindlichkeit und Selektivität bei der Charakterisierung von zu untersuchenden Zielstrukturen bedingen. Darüber hinaus weisen Cadmium-basierte Materialien eine hohe Toxizität auf und sind aus diesem Grund für biologische Anwendungen eher ungeeignet, wobei auch [Ru(bipy)3]2+-enthaltende Materialien für solche Applikationen nicht unbedenklich sind.
  • Bu et al. (Study on core-shell-shell structured nanoparticles with magnetic and luminescent features: Construction, characterization and oxygen-sensing behaviour. In: Journal of Luminescence, Vol. 141, 2013, S. 80–86) offenbart einen Ru-MCM-41@SiO2@Fe3O4 Komplex (siehe Seite 82, Punkt 2.4). Dieser Ruthenium-Komplex, wie auch alle anderen Ruthenium-Komplexe, zeigt eine sehr kurze Phosphoreszenz. Lu et al. (Synthesis and characteristic of Fe3O4@SiO2@Eu(DBM)3·2H2O/SiO2 luminomagnetic microspheres with core-shell structure. In: Talanta, Vol. 82, 2010, S. 450–457) offenbart Core-Shell Partikel, die mit fluoreszierenden Molekülen dotiert sind (siehe Zusammenfassung). Der Fe3O4@SiO2@Eu3+-Komplex zeigt keine Phosphoreszenz und kein Nachleuchten. Maldiney et al. (Persistent Luminescence Nanoparticles for Diagnostics and Imaging. In: Functional Nanoparticles for Bioanalysis, Nanomedicine, and Bioelectronic Devices Volume 2. Hegel, M. et al.; ACS Symposium Series 2012, Kapitel 1, S. 1–25) offenbart nachleuchtende Nanopartikel für das Bioimaging, jedoch keine Core-Shell Nanopartikel. Die WO 2005/040 756 A2 offenbart fluoreszierende Partikel (siehe beispielsweise Seite 4, [0015]), aber keine nachleuchtenden Partikel. Tartaj et al. (The preparation of magnetic nanaoparticles for applications in biomedicine. In: Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 36, 2003, R182–R197) offenbart magnetische Nanopartikel ohne emittierende Schale, diese weisen daher keine optische Aktivität auf. Suh et al. und Karimi et al. (Nano-magnetic particles used in biomedicine: Core and coating materials. In: Materials Science and Engineering C, Vol. 33, 2013, S. 2465–1475) offenbaren Nanopartikel, aber keine Core-Shell Nanopartikel. Luitel (Preparation and Properties of Long Persistent Sr4Al14O25 Phosphors Activated by Rare Earth Metal Ions. Dissertation, Department of Energy and Materials Science, Graduate School of Science and Engineering, Saga University, 2010) offenbart verschiedene Leuchtstoffe, aber keine (magnetischen) Nanopartikel.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, magnetische nachleuchtende Nanopartikel und Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die zwar über die Emission von Licht sichtbar gemacht werden können, dabei aber nicht die genannten Nachteile der bekannten fluoreszierend-magnetischen Nanopartikel aufweisen. Zudem sollten diese Nanopartikel wasserfest und biokompatibel und so für biologische und/oder medizinische Anwendungen geeignet sein.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst. Insbesondere werden erfindungsgemäß magnetische nachleuchtende (phosphoreszierende) Nanopartikel und Verfahren zu deren Herstellung bereitgestellt.
  • Dementsprechend betrifft ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung Nanopartikel, umfassend:
    • (i) einen magnetischen Kern,
    • (ii) eine vor Quenching-Effekten schützende Schicht auf dem magnetischen Kern, und
    • (iii) eine nachleuchtende, kristalline Schicht auf der schützenden Schicht.
  • Der Begriff ”Nanopartikel” bezeichnet gemäß der vorliegenden Anmeldung synthetisch hergestellte Partikel mit einer Teilchengröße von 5 bis 500 nm. Bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Nanopartikel eine Teilchengröße von 5 bis 100 nm auf, besonders bevorzugt 30 nm, und eine Größenverteilung zwischen 20 und 100 nm.
  • Der magnetische Kern der erfindungsgemäßen Nanopartikel kann ein oder mehrere Material(ien) umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Magnetit (Fe3O4), Maghemit (γ-Fe2O3), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Palladium (Pd), Ferriten (MnaZn(1-a)Fe2O4, NiaZn(1-a)Fe2O4), FeNi3, XFe2O4 (wobei X ein zweiwertiges Kation, beispielsweise Mn2+, Zn2+, Cu2+, Co2+, ist), SmCo5, und Kombinationen aus diesen, oder aus diesen bestehen. Dabei ist Magnetit besonders bevorzugt. Der magnetische Kern der erfindungsgemäßen Nanopartikel kann eine Größe von etwa 0,5 bis 100 nm aufweisen, besonders bevorzugt sind 15 nm.
  • Um eine Wechselwirkung zwischen den Übergangsmetallatomen des magnetischen Kerns mit der nachleuchtenden Schicht, was ein Quenching der Phosphoreszenz dieser Schicht zur Folge hätte, zu verhindern, ist der magnetische Kern mit einer vor Quenching-Effekten schützenden Schicht überzogen. Diese Schicht kann ein oder mehrere Material(ien) umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus inerten anorganischen Oxiden, beispielsweise SiO2, ZrO2, TiO2, oder Polymere, oder aus diesen bestehen. Dabei ist SiO2 besonders bevorzugt. Um einerseits Quenching-Effekte zuverlässig zu verhindern und andererseits die Effizienz des Magnetismus des magnetischen Kerns nicht zu sehr zu mindern, ist die schützende Schicht bevorzugt 1 bis 30 nm dick, besonders bevorzugt sind 2 nm. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff ”Quenching” (dt. auch ”Quenchen”) alle Vorgänge, die entweder den angeregten Zustand der Atome der nachleuchtenden Schicht strahlungslos in den Grundzustand oder in andere nicht-emittierende Zustände überführen oder aber verhindern, dass die Atome der nachleuchtenden Schicht in den angeregten Zustand übergehen können.
  • Die nachleuchtende (phosphoreszierende) Schicht der erfindungsgemäßen Nanopartikel umfasst bevorzugt mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und gleichzeitig mit dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+; Ln = Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) dotierte Aluminat- (beispielsweise MAl2O4:Eu2+, Ln3+; M4Al14O:Eu2+, Ln3+; M3Al2O6:Eu2+, Ln3+), Phosphat- oder Silikat-Verbindungen (beispielsweise M2MgSi2O7:Eu2+, Ln3+; M2ZnSi2O7:Eu2+, Ln3+), oder Zinksulfid-Verbindungen (beispielsweise ZnS:Cu2+, Co2+), oder besteht aus diesen Verbindungen. M bezeichnet in allen genannten Verbindungen ein Erdalkalimetall bzw. ein entsprechendes zweiwertiges Ion, bevorzugt Mg, Ca, Sr oder Ba. Besonders bevorzugt ist dabei MAl2O4:Eu2+, Ln3+ (wobei Ln wie vorstehend definiert ist). In einer speziellen Ausführungsform umfasst die nachleuchtende (phosphoreszierende) Schicht der erfindungsgemäßen Nanopartikel SrAl2O4:Eu2+, Dy3+, oder besteht aus diesem Material. Die nachleuchtende Schicht kann eine Dicke von 2,5 bis 340 nm aufweisen, wobei 10 nm besonders bevorzugt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die erfindungsgemäßen Nanopartikel weiter eine wasserfeste, biokompatible Schicht auf der nachleuchtenden Schicht. Der Begriff ”biokompatibel” bezeichnet in diesem Zusammenhang die Eigenschaft dieser Schicht, keinerlei negative Effekte auf in ihrer Umgebung befindliche Lebewesen, Gewebe und/oder Zellen zu haben. Dementsprechend kommt es bei biokompatiblen Materialien zu keinerlei oder nur äußerst geringfügigen chemischen und/oder biologischen Wechselwirkungen mit Lebewesen, Geweben und Zellen. Darüber hinaus werden keinerlei toxische Substanzen freigesetzt. Entsprechende biokompatible Materialien sind im Stand der Technik bekannt. Bevorzugt besteht die wasserfeste, biokompatible Schicht der erfindungsgemäßen Nanopartikel aus einem oder mehreren Aminosilan(en), beispielsweise 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES), aus mit Hydroxy- bzw. Methoxy-Gruppen verbundenem Polyethylenglycol, oder aus Biomolekülen wie poly-L-Lysin oder anderen Aminosäuren. Die wasserfeste, biokompatible Schicht kann eine Dicke von 1 bis 30 nm, bevorzugt 2 nm aufweisen.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von magnetischen nachleuchtenden Nanopartikeln, umfassend die Schritte:
    • (a) Bereitstellen von magnetischen Nanopartikeln,
    • (b) Erzeugen einer vor Quenching-Effekten schützenden Schicht auf den magnetischen Nanopartikeln,
    • (c) Erzeugen einer nachleuchtenden, kristallinen Schicht auf der schützenden Schicht.
  • Die im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Nanopartikeln genannten Definitionen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden magnetische Nanopartikel bereitgestellt. Diese entsprechen bevorzugt in Material und Dimensionen den magnetischen Kernen der erfindungsgemäßen Nanopartikel. Verfahren zur Herstellung solcher Nanopartikel sind im Stand der Technik bekannt. So kann beispielsweise zur Herstellung eines Magnetit-Kerns eine wässrige Lösung von FeCl3 mit einer schwach sauren, wässrigen Lösung von FeCl2 vermischt werden. Danach wird diese Lösung zu einer verdünnten Ammoniaklösung unter N2-Atmosphäre tropfenweise zugegeben, wodurch die Fällung der Fe3O4-Nanopartikel unmittelbar stattfindet. Schließlich werden die entstehenden Partikel mit Wasser gewaschen und getrocknet.
  • In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf den magnetischen Nanopartikeln eine vor Quenching-Effekten schützende Schicht erzeugt. Diese Schicht entspricht bevorzugt in Material und Dimensionen der schützenden Schicht der erfindungsgemäßen Nanopartikel. Verfahren zum Erzeugen einer solchen Schicht sind im Stand der Technik bekannt. Zur Herstellung einer SiO2-Schicht können beispielsweise Fe3O4-Partikel in einer Lösung von NH4OH in Wasser und Ethanol suspendiert werden. Zu dieser Suspension wird eine Lösung von Tetraethylorthosilicat (TEOS), bevorzugt eine ethanolische Lösung, gegeben und gerührt. Nach etwa zwei Stunden werden die Partikeln mit dem Lösungsmittel gewaschen und getrocknet. Dementsprechend umfasst Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt die Schritte:
    • (b1) Suspendieren der in Schritt (a) bereitgestellten magnetischen Nanopartikel in einer Lösung von Ammoniumhydroxid (NH4OH) in Wasser und Ethanol,
    • (b2) Zugeben einer Lösung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) in Ethanol, zu der Suspension aus Schritt (b1),
    • (b3) Rühren der Suspension aus Schritt (b2) für mindestens zwei Stunden, und
    • (b4) Waschen und Trocknen der erhaltenen Nanopartikel, wobei die schützende Schicht aus SiO2 besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Suspendieren in Schritt (b1) mit Hilfe einer Ultraschall-Behandlung.
  • Neben der Hydrolyse von Silan-Gruppen kann die schützende Schicht auch mittels Injekt-Verfahren, chemischer Gasabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD), Sputtern, Verdampfung, Oberflächenpolymerisation, oder Aufbau einer selbst-organisierenden Monoschicht (Self-Assembled Monolayer, SAM) hergestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden anstelle der Schritte (a) und (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schritt (a) magnetische Nanopartikel, die bereits mit einer entsprechenden schützenden Schicht überzogen sind, bereitgestellt.
  • In Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine nachleuchtende, kristalline Schicht auf der schützenden Schicht erzeugt. Dieser Schritt stellt die größte Innovation und Herausforderung der vorliegenden Erfindung dar. Insbesondere kann nicht einfach eine leuchtende Schicht aus der Lösung abgeschieden werden, sondern es muss eine dotierte, kristalline Struktur auf die Partikeloberfläche aufgebracht werden, um den Nachleucht-Effekt zu erzielen. Dementsprechend entspricht die nachleuchtende Schicht bevorzugt in Material und Dimensionen der nachleuchtenden Schicht der erfindungsgemäßen Nanopartikel, und besteht besonders bevorzugt aus mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+) dotiertem Aluminat (MAl2O4:Eu2+, Ln3+), wobei Schritt (c) die Schritte umfasst:
    • (c1) Suspendieren der in Schritt (b) erhaltenen Nanopartikel in Wasser,
    • (c2) Zugeben von M-Nitrat, -Carbonat, -Acetat, -Hydroxid, -Oxalat, -Perchlorat oder -Peroxid, bevorzugt M-Nitrat (M(NO3)2); Al-Nitrat, -Carbonat, -Acetat, -Hydroxid, -Oxalat, -Perchlorat oder -Peroxid, bevorzugt Al-Nitrat (Al(NO3)3); Eu-Nitrat, -Carbonat, -Acetat, -Hydroxid, -Oxalat, -Perchlorat oder -Peroxid, bevorzugt Eu-Nitrat (Eu(NO3)3); bevorzugt in einer Konzentration von jeweils 1 mol%; In-Nitrat, -Carbonat, -Acetat, -Hydroxid, -Oxalat, -Perchlorat oder -Peroxid, bevorzugt Ln-Nitrat (Ln(NO3)3); bevorzugt in einer Konzentration von 2 mol%; und Harnstoff (CO(NH2)2) zu der Suspension aus Schritt (c1), wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Sr, Ba, und Ca, und In ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu,
    • (c3) Erhitzen der Suspension aus Schritt (c2) auf eine Temperatur von 500 bis 700°C für eine Dauer von 5 bis 10 Minuten, bevorzugt auf eine Temperatur von 600°C für eine Dauer von 5 Minuten, und
    • (c4) Sintern der in Schritt (c3) erhaltenen Nanopartikel unter einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C, bevorzugt 1100°C, für eine Dauer von bevorzugt einer Stunde.
  • Dieses Verfahren kombiniert ein Core-Shell-Verfahren mit der Verbrennungssynthese von MAl2O4:Eu2+,Ln3+. Die Zugabe von M(NO3)2, Al(NO3)2, Eu(NO3)2 und Ln(NO3)2 in Schritt (c2) erfolgt bevorzugt in stöchiometrischen Mengen. Weiterhin erfolgt die Zugabe von Harnstoff in diesem Schritt bevorzugt in einem 20-fachen molaren Überschuss. Das Erhitzen der Suspension aus Schritt (c2) erfolgt in Schritt (c3) bevorzugt in einem vorgeheizten Ofen. Weiter ist die reduzierende Atmosphäre in Schritt (c4) bevorzugt eine Argon-Wasserstoff-Atmosphäre.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiter den Schritt:
    • (d) Erzeugen einer wasserfesten, biokompatiblen Schicht auf der nachleuchtenden Schicht.
    Dabei entspricht diese Schicht in Material und Dimensionen, bevorzugt der wasserfesten, biokompatiblen Schicht der erfindungsgemäßen Nanopartikel. Verfahren zum Erzeugen einer solchen Schicht sind im Stand der Technik bekannt.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung betrifft Nanopartikel, die durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhältlich sind.
  • Weiter betrifft ein nicht beanspruchter Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Nanopartikel zum Nachweis von Biomolekülen, die Verwendung der erfindungsgemäßen Nanopartikel zum Nachweis von Membrandefekten und/oder die Verwendung der erfindungsgemäßen Nanopartikel in der Fluoreszenzmikroskopie.
  • Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung war es, nanoskalige Materialien zu erzeugen, die gleichzeitig magnetisch, nachleuchtend und biokompatibel sind. Die Kombination dieser Eigenschaften ist wichtig für die Entwicklung neuer Detektionsmethoden von Biomolekülen, wie z. B. diagnostisch relevanten Proteinen als Biomarker. Im Unterschied zu den bisherigen existierenden Methoden können die Biomoleküle mit Hilfe der magnetisch-nachleuchtenden Partikeln konzentriert und ihr Leuchtsignal verstärkt werden, ohne eine Störung durch eventuell anwesende selbstfluoreszierende Biomoleküle. Diese Vorgehensweise führt zu einer extremen Erhöhung der Messempfindlichkeit und -selektivität des Quantifizierungsverfahrens. Darüber hinaus ist die Biokompatibilität der erfindungsgemäßen Nanopartikel deutlich größer als die der bisher bekannten.
  • Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Kombination von mehreren Funktionalitäten in einem nanoskaligen Material, nämlich die Funktionalitäten Magnetismus, Nachleuchten (Phosphoreszenz) und Biokompatibilität. Als nachleuchtende Materialien werden Stoffe bezeichnet, die nicht nur während der Bestrahlung mit Anregungsenergie leuchten, sondern auch nachdem die anregende Energiequelle gelöscht worden ist. Dafür sind nachleuchtende Materialien in der Lage, die Anregungsenergie zu speichern und für die weitere Emission von Strahlung zu nutzen, nachdem die Energiezufuhr unterbrochen wurde. Die für den Prozess des Nachtleuchtens notwendige Speicherung von Anregungsenergie erfolgt in der Regel durch Defekte des Wirtsgitters, die durch die Co-Dotierung von Kationen einer anderen Oxidationsstufe als die der Wirtsverbindung verursacht werden. Die Kombination von mehreren Eigenschaften wie Magnetismus und Nachleuchten in einem einzigen Material ist äußerst schwierig zu realisieren und wurde noch nie zuvor erreicht.
  • Die hier beschriebene Erfindung kann besonders im Bereich der Bioanalytik eingesetzt werden, zum Beispiel als Marker zur Identifizierung von Krebszellen oder zur Detektion von diagnostisch relevanten Biomolekülen. Ein bekanntes Problem bei der Mikroskopie von Zellen ist die Störung, die von selbstfluoreszierenden Biomolekülen verursacht wird. Um dieses Problem zu lösen, sollte der ideale Marker nicht nur unter Bestrahlung des anregenden UV-Lichtes leuchten, sondern auch nachdem die Anregungsquelle ausgeschaltet wurde, um die zu untersuchenden Moleküle von parallel-fluoreszierenden Biomolekülen zu unterscheiden. Zudem erlauben die magnetischen Eigenschaften eine einfache Abtrennung ungebundener Marker, d. h. frei suspendierter nachleuchtender Partikel.
  • Ein weiteres Anwendungsfeld für nachleuchtende Detektionspartikel ist der Einsatz in bioanalytischen Assays zum Nachweis diagnostisch relevanter Biomoleküle, wobei diese meistens nur in sehr geringen Konzentrationen und in komplexen Matrices vorliegen. Durch eine Kombination nachleuchtender und magnetischer Eigenschaften in einem Material ist es möglich, die über selektive Wechselwirkungen an die Partikel gebundenen Biomoleküle mit Hilfe eines magnetischen Feldes zu konzentrieren. Durch die Erhöhung der Konzentration wird die Emissionsintensität beträchtlich verstärkt und die Empfindlichkeit der Messung deutlich verbessert. Darüber hinaus können mit Hilfe magnetischer Trennung die gebundenen Biomoleküle direkt vom Rohmaterial, beispielsweise Blut oder Kulturmedium, selektiv isoliert werden.
  • Als Beispiele für bereits bestehende Anwendungen können Fluoreszenz-Immunoassays und fluoreszierende magnetische Nanopartikel genannt werden. Allerdings sind diese Fluoreszenz-Immunoassays nicht magnetisch und können somit nicht aufkonzentriert werden. Die existierenden magnetischen, fluoreszierenden Partikel sind nicht nachleuchtend. Ohne diese Nachleucht-Eigenschaft ist die Selektivität der Charakterisierung durch Fluoreszenzmikroskopie oftmals nicht befriedigend.
  • Eine weitere hervorragende Eigenschaft der erfindungsgemäßen Nanopartikel, welche gerade im medizinischen Bereich äußerst relevant ist, ist deren extrem geringe Toxizität. Zudem sind die geringe Größe im nanoskaligen Bereich und die schmale Größenverteilung besonders vorteilhaft für solche Anwendungen.
  • Schließlich besitzen magnetische, nachleuchtende Nanopartikel auch ein hohes Anwendungspotential in anderen Bereichen. Durch den Einsatz von Photomultipliern lassen sich die beim Leuchten emittierten Photonen extrem sensitiv nachweisen. Zudem gibt es praktisch keine natürlichen nachleuchtenden Stoffe, so dass in komplett abgedunkelten Bereichen auch eine sehr hohe Schwelle gegenüber Störsignalen gegeben ist. Nachleuchtende Nanopartikel sind damit ein idealer Marker um z. B. geringste Defekte in Ultrafiltrationsmembranen nachzuweisen. Die magnetischen Eigenschaften ermöglichen dabei eine einfache Separation und Aufkonzentrierung selbst sehr stark verdünnter Partikelsuspensionen auf einem einfachen Target, wodurch die Sensitivität und Selektivität nochmals gesteigert wird. Magnetische, nachleuchtende Partikel eignen sich somit ideal zur Materialkontrolle in der Herstellung von Membranmodulen aber auch zur Onlinekontrolle der Systemintegrität beim Einsatz von Ultra- bzw. Nanofiltrationsmodulen, z. B. in der Trinkwasseraufarbeitung.
  • Abbildungsunterschriften:
  • 1: Schritte zur Synthese von biokompatiblen, magnetischen, nachleuchtenden Multifunktions-Nanopartikeln.
  • 2: Trennung der Fe3O4 Nanopartikel aus einer wässrigen Lösung mittels eines Magneten.
  • 3: Von einem Magneten angezogene magnetisch-nachleuchtende SrAl2O4:Eu, Dy@SiO2@Fe3O4 Nanopartikel.
  • 4: Röntgenpulverdiffraktogramm von hergestellten Fe3O4 Nanopartikeln (oben) mit Vergleich zum theoretischen Diffraktogramm (unten).
  • 5: Röntgenpulverdiffraktogramm der Fe3O4 Nanopartikel beschichtet mit amorphem SiO2 (oben) im Vergleich zum theoretischen Diffraktogramm von Fe3O4 (unten).
  • 6: Röntgenpulverdiffraktogramm von Fe3O4 Nanopartikeln, beschichtet mit amorphem SiO2 und SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ (oben) im Vergleich zum theoretischen Diffraktogramm von SrAl2O4 (unten).
  • 7: Energiedispersive-röntgenspektroskopische Analyse von hergestellten Fe3O4 Nanopartikeln.
  • 8: Energiedispersive-röntgenspektroskopische Analyse von mit SiO2 beschichteten Fe3O4 Nanopartikeln.
  • 9: Energiedispersive-röntgenspektroskopische Analyse von SrAl2O4:Eu, Dy@SiO2@Fe3O4 Nanopartikeln.
  • 10: Größenbestimmung der Fe3O4 Nanopartikel durch Rasterkraftmikroskopie.
  • 11: Größenbestimmung der SiO2@Fe3O4 Nanopartikel mittels Rasterkraftmikroskopie.
  • 12: REM-Abbildung von Fe3O4 Nanopartikeln bei 12800-facher Vergrößerung.
  • 13: REM-Abbildung von SiO2@Fe3O4 Nanopartikeln bei 18300-facher Vergrößerung.
  • 14: REM-Abbildung von SrAl2O4:Eu, Dy@SiO2@Fe3O4 Nanopartikeln bei 36500-facher Vergrößerung.
  • 15: Anregungs- und Emissionsspektrum von SrAl2O4:Eu, Dy@SiO2@Fe3O4 Nanopartikeln nach der Verbrennungssynthese.
  • 16: Anregungs- und Emissionsspektrum von SrAl2O4:Eu, Dy@SiO2@Fe3O4 Nanopartikeln nach der Reduzierung von Eu3+ zu Eu2+.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand des folgenden, nicht-einschränkenden Beispiels näher erläutert.
  • Beispiel:
  • Ein konkretes Beispiel zur Herstellung einer nachleuchtenden Schicht aus SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden erläutert. Das grundsätzliche Vorgehen ist dabei in 1 schematisch dargestellt. Zunächst werden die magnetischen Kerne aus Fe3O4 (2) innerhalb des ersten Schritts hergestellt und im zweiten Schritt mit SiO2 beschichtet. Anschließend werden die mit SiO2 beschichteten Fe3O4-Partikel (SiO2@Fe3O4) in destilliertem Wasser durch eine Ultraschall-Behandlung suspendiert. Dann werden stöchiometrische Mengen von Sr(NO3)2, Al(NO3)3, Eu(NO3)3 und Dy(NO3)3 sowie ein 20-facher molarer Überschuss von Harnstoff zu der SiO2@Fe3O4-Suspension gegeben. Anschließend wird die Mischung in einen vorgeheizten Ofen bei ca. 600°C gebracht. Bei dieser Temperatur verdampft zunächst das Wasser. Anschließend zersetzen sich die Nitrate, und durch den Harnstoffgehalt erfolgt eine spontane Zündung, wobei sich der Harnstoff durch eine stark-exothermische Reaktion explosionsartig zersetzt und dabei die erforderliche Energie zur Bildung von SrAl2O4:Eu3+, Dy3+ liefert. So entsteht ein voluminöses Produkt von SrAl2O4:Eu3+, Dy3+, das die mit SiO2 beschichteten Fe3O4-Kerne beinhaltet. Für den nächsten Schritt werden die Partikel bei 1100°C unter einer Argon-Wasserstoff-Atmosphäre gesintert, um Eu3+ zu Eu2+ zu reduzieren, während die Dy-Ionen in der dreiwertigen Oxidationsstufe verbleiben. Durch diesen Prozess erfolgt die Umwandlung der roten Lumineszenz des dreiwertigen Europiums in die grüne Lumineszenz des zweiwertigen Europiums, und die Probe ist in der Lage nachzuleuchten (3). Die hergestellten multifunktionellen Nanopartikel wurden mittels Röntgenpulverdiffraktometrie (4 bis 6), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (7 bis 9), Rasterkraftmikroskopie (10, 11), Rasterelektronenmikroskopie (12 bis 14) sowie optischer Spektroskopie (15, 16) charakterisiert.

Claims (15)

  1. Nanopartikel, umfassend: (i) einen magnetischen Kern, (ii) eine vor Quenching-Effekten schützende Schicht auf dem magnetischen Kern und (iii) eine nachleuchtende, kristalline Schicht auf der schützenden Schicht.
  2. Nanopartikel nach Anspruch 1, weiter umfassend: (iv) eine wasserfeste, biokompatible Schicht auf der nachleuchtenden Schicht.
  3. Nanopartikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der magnetische Kern aus einem Material besteht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Magnetit (Fe3O4), Maghemit (γ-Fe2O3), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Palladium (Pd), Ferriten (MnaZn(1-a)Fe2O4, NiaZn(1-a)Fe2O4), FeNi3, XFe2O4, wobei X ein zweiwertiges Kation ist, SmCo5, und Kombinationen aus diesen.
  4. Nanopartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die vor Quenching-Effekten schützende Schicht aus einem Material besteht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Siliziumdioxid (SiO2), Zirconiumdioxid (ZrO2) und Titandioxid (TiO2).
  5. Nanopartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die nachleuchtende Schicht aus einem Material besteht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus (a) mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+) dotiertem MAl2O4 (MAl2O4:Eu2+, Ln3+), (b) mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+) dotiertem M4Al14O (M4Al14O:Eu2+, Ln3+), (c) mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+) dotiertem M3Al2O6 (M3Al2O6:Eu2+, Ln3+), (d) mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+) dotiertem M2MgSi2O7 (M2MgSi2O7:Eu2+, Ln3+), (e) mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+) dotiertem M2ZnSi2O7 (M2ZnSi2O7:Eu2+, Ln3+), (f) mit Cu2+ und Co2+ dotiertem ZnS (ZnS:Cu2+, Co2+), und (g) mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+) dotierten Eralkalimetallphosphaten; wobei Ln ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, und M ein Erdalkalimetall ist.
  6. Nanopartikel nach Anspruch 5, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Mg, Ca, Sr und Ba.
  7. Nanopartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, wobei die nachleuchtende Schicht aus mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Dysprosiumionen (Dy3+) dotiertem Strontiumaluminat (SrAl2O4) besteht (SrAl2O4:Eu2+, Dy3+)
  8. Nanopartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die wasserfeste, biokompatible Schicht aus einem Material besteht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem oder mehreren Aminosilan(en), mit Hydroxy- oder Methoxy-Gruppen verbundenem Polyethylenglycol, und Biomolekülen.
  9. Verfahren zur Herstellung von magnetischen, nachleuchtenden Nanopartikeln, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen von magnetischen Nanopartikeln, (b) Erzeugen einer vor Quenching-Effekten schützenden Schicht auf den magnetischen Nanopartikeln, (c) Erzeugen einer nachleuchtenden, kristallinen Schicht auf der schützenden Schicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassen den Schritt: (d) Erzeugen einer wasserfesten, biokompatiblen Schicht auf der nachleuchtenden Schicht.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die vor Quenching-Effekten schützende Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) besteht, und Schritt (b) die Schritte umfasst: (b1) Suspendieren der in Schritt (a) bereitgestellten magnetischen Nanopartikel in einer Lösung von Ammoniumhydroxid (NH4OH) in Wasser und einem anderen Lösungsmittel, bevorzugt Ethanol, (b2) Zugeben einer Lösung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) zu der Suspension aus Schritt (b1), (b3) Rühren der Suspension aus Schritt (b2) für mindestens zwei Stunden, und (b4) Waschen und Trocknen der erhaltenen Nanopartikel.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die nachleuchtende Schicht aus mit zweiwertigen Europiumionen (Eu2+) und dreiwertigen Lanthanidionen (Ln3+) dotiertem Aluminat (MAl2O4) besteht (MAl2O4:Eu2+, Dy3+) und Schritt (c) die Schritte umfasst: (c1) Suspendieren der in Schritt (b) erhaltenen Nanopartikel in Wasser, (c2) Zugeben von M-Nitrat, M-Carbonat, M-Acetat, M-Hydroxid, M-Oxalat, M-Perchlorat; oder M-Peroxid; und Al-Nitrat, Al-Carbonat, Al-Acetat, Al-Hydroxid, Al-Oxalat, Al-Perchlorat oder Al-Peroxid; und Eu-Nitrat, Eu-Carbonat, Eu-Acetat, Eu-Hydroxid, Eu-Oxalat, Eu-Perchlorat oder Eu-Peroxid; und Ln-Nitrat, Ln-Carbonat, Ln-Acetat, Ln-Hydroxid, Ln-Oxalat, Ln-Perchlorat oder Ln-Peroxid; und Harnstoff (CO(NH2)2) zu der Suspension aus Schritt (c1), (c3) Erhitzen der Suspension aus Schritt (c2) auf eine Temperatur von 500 bis 700°C für eine Dauer von 5 bis 10 Minuten, und (c4) Sintern der in Schritt (c3) erhaltenen Nanopartikel unter einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C, wobei Ln ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, und M ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Sr, Ba, Ca und Mg.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Harnstoff in Schritt (c2) in einem 20-fachen molaren Überschuss zugegeben wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei Schritt (c3) in einem vorgeheizten Ofen durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die reduzierende Atmosphäre aus Schritt (c4) eine Argon-Wasserstoff-Atmosphäre ist.
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