DE102013222931B4

DE102013222931B4 - Verfahren zur Herstellung eines Fluoreszenzfarbstoffes

Info

Publication number: DE102013222931B4
Application number: DE102013222931.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Nebel; Jan Jakob Hees; Marco Wolfer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: DE102013222931A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Fluoreszenzfarbstoffes (1), aufweisend die folgenden Schritte: Aufbringen (52) von Nanopartikeln (10) auf ein Substrat (20), wobei die Nanopartikel (10) Diamant enthalten oder daraus bestehen, Abscheiden (53) einer Diamantschicht (11) auf den Nanopartikeln (10) mittels Niederdrucksynthese aus einem Prozessgas, wobei die Temperatur des Substrates (20) geringer als 500°C ist und dem Prozessgas Silicium zugefügt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fluoreszenzfarbstoffes, welcher Nanopartikel enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung einen nach dem Erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fluoreszenzfarbstoff. Fluoreszenzfarbstoffe der eingangs genannten Art können als Biomarker in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt werden.
Aus E. Neu, D. Steinmetz, J. Riedrich-Möller, S. Gsell, M. Fischer, M. Schreck und C. Becher: Single photon emission from silicon-vacancy colour centres in chemical vapour depostition nano-diamonds on iridium, New Journal of Physics 13 (2011) 025012 ist bekannt, Nano-Diamanten beabstandet auf einem Iridiumsubstrat anzuordnen. Nachfolgend sollen die Nano-Diamanten in einem Mikrowellenplasma mit einer Diamantschicht überwachsen werden, wobei Silicium aus der Gasphase in die Diamantschicht eingebaut wird. Zumindest ein Teil der Siliciumatome befindet sich auf einem Gitterplatz des Diamantgitters, wobei zwei Leerstellen in unmittelbarer Nachbarschaft verbleiben. Dieses SiV-Zentrum zeigt eine Lumineszenz bei 738 nm.
Da die so hergestellten Nano-Diamanten nicht toxisch und damit biokompatibel sind, eignen sich diese prinzipiell als Fluoreszenzfarbstoff. Der Fluoreszenzfarbstoff enthält Fluoreszenzzentren bzw. Farbzentren, welche Licht einer vorgebbaren Wellenlänge absorbieren und Licht einer anderen Wellenlänge emittieren. Das bekannte Verfahren zur Herstellung weist jedoch den Nachteil auf, dass die Siliciumvakanz nur mit geringer Effizienz gebildet wird, so dass nicht jeder so hergestellte Diamantpartikel leuchtet bzw. Fluoreszenz zeigt. Weiterhin müssen die Nano-Diamanten gemäß dem bekannten Verfahren beabstandet auf dem Substrat angeordnet werden, um ein Zusammenwachsen der Nano-Diamanten und damit die Abscheidung einer geschlossenen Diamantschicht auf dem Substrat zu vermeiden.
Aus der US 2010/0084634 A1 ist eine Diamantschicht mit nanokristalliner Struktur bekannt. Diese kann mittels eines CVD-Verfahrens aus einem Plasma abgeschieden werden, welches Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff enthält.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung damit die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Fluoreszenzfarbstoffe auf Basis von Diamant-Nanopartikeln anzugeben, welches mit geringem Aufwand eine große Menge des Fluoreszenzfarbstoffes bereitstellen kann.
Die Aufgabe wird Erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Herstellung eines Fluoreszenzfarbstoffes Nanopartikel als Basismaterial zu verwenden, welche Diamant enthalten oder daraus bestehen. Nanopartikel aus Diamant können beispielsweise bei der Umsetzung von Trinitrotoluol entstehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann Schleifstaub verwendet werden, welcher beim Schleifen natürlicher Diamanten entsteht oder in an sich bekannter Weise hergestellte natürliche Diamanten können auf die gewünschte Größe zerkleinert werden. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung spezieller Nanopartikel aus Diamant als Lösungsprinzip.
Neben Diamant können die Nanopartikel Verunreinigungen oder Dotierstoffe enthalten, beispielsweise Stickstoff, Schwefel oder Bor. Die freien Bindungen der Oberfläche der Nanopartikel können mit Sauerstoff oder Wasserstoff terminiert sein.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Nanopartikel auf ein Substrat aufzubringen. Das Substrat kann beispielsweise Iridium, Aluminiumnitrid, Quartz oder Silicium oder ein Refraktärmetall enthalten oder daraus bestehen. Sofern ein Refraktärmetall als Substrat verwendet wird, kann dieses Wolfram, Molybdän oder Tantal enthalten.
Nachfolgend wird eine Diamantschicht auf den Nanopartikeln abgeschieden. Die Abscheidung der Diamantschicht erfolgt mittels Niederdrucksynthese aus einem Prozessgas. Hierzu wird das Substrat mit den Diamantpartikeln in eine Vakuumkammer eingebracht und nach Erreichen des gewünschten Hintergrunddruckes das Prozessgas eingeleitet. Die erforderliche Aktivierung des Prozessgases kann beispielsweise durch Einkoppeln von Mikrowellenstrahlung erfolgen, so dass das Prozessgas zumindest teilweise ionisiert wird und ein Plasma bildet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Aktivierung des Prozessgases durch ein Hot-Filament-Verfahren erfolgen, d.h. in der Nachbarschaft des Substrates befindet sich ein Draht, beispielsweise aus Wolfram. Aus dem aktivierten Prozessgas wird eine Diamantschicht auf den Nanopartikeln abgeschieden. Hierzu enthält das Prozessgas zumindest Kohlenstoff, beispielsweise in Form von Methan, Ethan, Acetylen oder einem anderen Kohlenwasserstoff und in der Regel ein Trägergas, beispielsweise Wasserstoff. Um in der auf den Nanopartikeln abgeschiedenen Diamantschicht SiV-Zentren zu erzeugen, enthält das Prozessgas weiterhin zumindest zeitweilig Silicium.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung des Fluoreszenzfarbstoffes ist ähnlich zur an sich bekannten Niederdrucksynthese von Diamantschichten. Auch bei der Herstellung von Diamantschichten können Nanopartikel aus Diamant zur Bekeimung des Substrates verwendet werden, um das Diamantwachstum auch auf Oberflächen zu ermöglichen, welche selbst nicht aus Diamant bestehen. Erfindungsgemäß wurde nun jedoch erkannt, dass die Nanopartikel nicht zu einer Diamantschicht zusammenwachsen, wenn die Temperatur des Substrates geringer ist als etwa 500° C. In diesem Fall bilden sich keine oder nur in geringem Umfang Karbide des Substratmaterials, so dass eine feste Haftung der Nanopartikel auf dem Substrat vermieden wird. Überraschend wurde weiterhin erkannt, dass die Partikel zwar jeweils mit einer Diamantschicht überwachsen, benachbarte Partikel bleiben dabei jedoch separiert, so dass nach Durchführung des Verfahrens der Fluoreszenzfarbstoff als Pulver bzw. in Form einzelner Nanopartikel auf dem Substrat vorliegt. Völlig überraschend kommt es nicht zum Zusammenwachsen der einzelnen Partikel zu einem geschlossenen Diamantfilm bzw. einer Diamantscheibe, wenn die Temperatur des Substrates entsprechend gewählt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperatur des Substrates geringer sein als etwa 400° C oder die Temperatur des Substrates kann geringer sein als etwa 350° C.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperatur des Substrates höher sein als etwa 300° C oder die Temperatur kann höher sein als etwa 350° C. Diese Temperaturbereiche sind einerseits dazu geeignet, Diamantschichten hinreichend hoher Qualität auf den Nanopartikeln abzuscheiden und andererseits wird ein Zusammenwachsen oder Versintern der Nanopartikel zu einer geschlossenen Schicht zuverlässig vermieden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Prozessgas bzw. das Plasma einen Druck von etwa 10 mbar bis etwa 20 mbar aufweisen. Dieser Druckbereich, welcher etwas geringer ist, als der üblicherweise zur Herstellung von Diamantschichten verwendete Druckbereich trägt weiter dazu bei, einen Fluoreszenzfarbstoff zu erzeugen, welcher aus einer Mehrzahl voneinander separierter Nanopartikel besteht und nicht als makroskopischer Film bzw. makroskopischer Diamantsplitter vorliegt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Methanzumischung in das Trägergas bzw. die Methanzumischung in das Wasserstoff-Methan-Plasma etwa 0,3 Vol.-% bis etwa 2 Vol.-% betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Methanzumischung im Prozessgas etwa 0,3 Vol.-% bis etwa 1,0 Vol.-% betragen. Auch diese Werte sind geringer als die bekannten Werte, welche typischerweise zum Wachstum von Diamantfilmen verwendet werden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass dadurch die Geschwindigkeit der Abscheidung der Diamantschicht reduziert wird und diese reduzierte Geschwindigkeit zusammen mit der verringerten Temperatur dazu beiträgt, dass die Nanopartikel beim Wachstum der Diamantschichten voneinander getrennt bleiben.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weisen die Nanopartikel einen Durchmesser von etwa 2 nm bis etwa 5 nm auf. In einigen Ausführungsformen der Erfindung weisen die Nanopartikel einen Durchmesser von etwa 5 nm bis etwa 30 nm auf. In einigen Ausführungsformen der Erfindung weisen die Nanopartikel einen Durchmesser von etwa 2 nm bis etwa 10 nm auf Nanopartikel dieser Größe sind klein genug, um in einzelne Zellbestandteile eingebaut zu werden. Durch Fluoreszenzlicht, welches durch Laserstrahlung angeregt wird, können einzelne Nanopartikel verfolgt werden, so dass deren Weg durch eine Zelle verfolgt werden kann. Weiterhin weisen Nanopartikel aus Diamant gegenüber den typischerweise verwendeten cadmiumhaltigen Fluoreszenzfarbstoffen den Vorteil auf, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nanopartikel nicht gentoxisch und damit biologisch unbedenklich oder zumindest weniger schädlich sind.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Nanopartikel in einer Schichtdicke von etwa einer Monolage bis etwa zehn Monolagen auf das Substrat aufgebracht werden. Anders als bei den bekannten Verfahren, bei welchen die Flächendichte der Nanopartikel lediglich 2,5 µm^–2 beträgt, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Mehrzahl von Nanopartikeln auch übereinander liegend mit Diamant überwachsen und dabei mit Silicium dotiert werden. Dies ermöglicht die einfache Bereitstellung auch großer Mengen des Fluoreszenzfarbstoffes in kurzer Zeit, was für die kommerzielle Verwendung des Fluoreszenzfarbstoffes unerlässlich ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Nanopartikel mittels elektrophoretischer Deposition aus einem Kolloid auf das Substrat aufgebracht werden. Ein solches Verfahren ermöglicht eine besonders rasche Vorbereitung des Substrates für die Diamantbeschichtung. Weiterhin wird die Schichtdicke bzw. die Flächenbelegung besonders gleichmäßig, so dass der Fluoreszenzfarbstoff mit gleichbleibender Qualität hergestellt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Nanopartikel aus einem Kolloid durch Kollaps des Kolloids aufgebracht werden. Der Kollaps des Kolloids kann beispielsweise durch Änderung des ph-Wertes oder durch Salzzugabe erfolgen, so dass zunächst in einer Flüssigkeit gelöste Nanopartikel aus Diamant aus der Flüssigkeit ausfallen und auf dem Substrat niedergeschlagen werden. Dieses nasschemische Verfahren erlaubt es, Substrate mit gleichbleibender Schichtdicke und dennoch in rascher Folge mit Nanopartikeln zu versehen, so dass die Herstellung des Fluoreszenzfarbstoffes weiter beschleunigt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Kolloid durch Auflösen der Nano-Partikel in Wasser oder Alkohol unter Einwirkung von Ultraschall hergestellt werden. Die als Ausgangsmaterial verwendeten Nanopartikel aus Diamant bilden leicht Agglomerate, so dass die Partikel des Fluoreszenzfarbstoffes in einigen Anwendungsfällen zu groß werden, wenn diese mehrere Partikel enthalten. Dies kann zuverlässig vermieden werden, wenn die Agglomerate vor Abscheidung der Partikel auf dem Substrat aufgelöst werden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass dies in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch Einwirkung von Ultraschall erfolgen kann. Die hierdurch eingebrachte Energie kann zum Aufbrechen bzw. Auflösen der Agglomerate eingesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Diamantschicht auf den Nanopartikeln eine Dicke von etwa 50 nm bis etwa 100 nm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Diamantschicht auf den Nanopartikeln eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 10 nm aufweisen. Je größer die Schichtdicke der Nanopartikel ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit des Einbaus eines Siliciumatoms und damit die Bildung eines SiV-Zentrums. Gleichwohl kann die Schichtdicke bei etwas geringerer Ausbeute des Herstellungsverfahrens reduziert werden, um auf diese Weise besonders kleine Fluoreszenzfarbstoffpartikel herzustellen. Diese können beispielsweise zur Markierung einer DNA eingesetzt oder an ein Zuckermolekül gebunden werden, um den Stoffwechsel einer Zelle zu beobachten.
Zur Bildung der SiV-Zentren kann Silicium in einigen Ausführungsformen der Erfindung aus einer Feststoffquelle zugefügt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann dem Prozessgas Silan zugefügt werden. Als Feststoffquelle kann beispielsweise ein Siliciumsubstrat verwendet werden, auf dessen Oberfläche die Nanopartikel zur Abscheidung der Diamantschicht deponiert werden. Das aktivierte Prozessgas kann dabei gleichzeitig als trockenchemisches Ätzmittel für das Siliciumsubstrat verwendet werden, so dass aus dem Substrat Silicium in die Fluoreszenzfarbstoffpartikel eingebaut wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Feststoffquelle auch unabhängig vom Substrat ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Silicium-Wafers welcher mittels einer Linearführung in die Plasmawolke eingeführt werden kann.
Sofern dem Prozessgas Silan beigefügt wird, um den Dotierstoff bereit zu stellen, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine höhere Dichte und/oder eine bessere Dosierbarkeit des Dotierstoffes ermöglicht werden, so dass die Effizienz oder die Kontrolle des Einbaus des SiV-Zentrums verbessert ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Diamantschicht auf den Nanopartikeln mit einer Wachstumsrate von etwa 20 nm/h bis etwa 30 nm/h abgeschieden werden. Diese Wachstumsrate verhindert zuverlässig das Zusammenwachsen einzelner Partikel zu einem geschlossenen Film oder zu größeren Partikeln.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann nach der Abscheidung der Diamantschicht auf den Nanopartikeln als weiterer Verfahrensschritt vorgesehen sein, die Nanopartikel unter Anwesenheit von Sauerstoff zu tempern. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Tempern bei einer Temperatur von mehr als 400° C, mehr als 500° C oder mehr als 600° C erfolgen. Hierdurch wird die Oberfläche der Nanopartikel mit Sauerstoff terminiert. Ein solchermaßen oberflächenbehandelter Fluoreszenzfarbstoff ist hydrophil, so dass die Partikel in Wasser ausfallen oder in Alkohol eine Suspension bilden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Tempern unter Sauerstoff erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Tempern an Luft erfolgen, welche ebenfalls einen hinreichend großen Sauerstoffanteil enthält, um die Sauerstoffterminierung der Partikel sicherzustellen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Tempern der Nanopartikel unter Anwesenheit von Sauerstoff entfallen. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung sind die Oberflächen der Nanopartikel mit Wasserstoff aus dem Prozessgas terminiert und dadurch hydrophob. Solchermaßen ausgebildete Fluoreszenzfarbstoffpartikel bilden eine Suspension in Wasser, so dass die Partikel vom Endabnehmer leicht mit einer Pipette dosiert werden können, um diese mit zu untersuchenden Zellen in wässrigem Medium zusammen zu bringen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Nanopartikel nach der Abscheidung der Diamantschicht in einer Flüssigkeit dispergiert und nachfolgend zentrifugiert werden. Je nachdem ob die Oberfläche der Partikel hydrophob oder hydrophil ist, kann als Flüssigkeit ein Alkohol oder Wasser verwendet werden. Durch das Zentrifugieren können die Partikel nach ihrer Größe sortiert werden, so dass sich eine enge Größenverteilung der fertigen Fluoreszenzfarbstoffpartikel ergibt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 einen Schnitt durch einen einzelnen Partikel eines erfindungsgemäßen Fluoreszenzfarbstoffes.
2 zeigt einen Verfahrensschritt zur Herstellung des Fluoreszenzfarbstoffes.
3 zeigt einen weiteren Verfahrensschritt zur Herstellung eines Fluoreszenzfarbstoffes.
4 zeigt wiederum einen Verfahrensschritt zur Herstellung eines Fluoreszenzfarbstoffes.
5 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens.
1 zeigt den Schnitt durch einen einzelnen Partikel 1 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fluoreszenzfarbstoffes.
Der Fluoreszenzfarbstoffpartikel 1 enthält einen Kern 10, welcher aus einem Nanopartikel gebildet ist und Diamant besteht oder Diamant enthält. Der Kern 10 kann beispielsweise aus der Umsetzung von Trinitrotoluol entstehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kern 10 durch Zerkleinern an sich bekannter natürlicher oder künstlich hergestellter Diamanten erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist der Nanopartikel 10 einen Durchmesser von etwa 2 nm bis etwa 5 nm auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Durchmesser etwa 5 nm bis etwa 10 nm betragen. Der mittlere Durchmesser der Nanopartikel 10 und/oder deren Größenverteilung kann beispielsweise durch dynamic light scattering bestimmt werden.
Die Nanopartikel 10 können neben Diamant auch weitere Kohlenstoffmodifikationen enthalten, beispielsweise Graphit oder diamantartigen Kohlenstoff. Daneben können die Nanopartikel Verunreinigungen bzw. Dotierstoffe enthalten, insbesondere Stickstoff, Bor oder Schwefel.
Auf dem Nanopartikel 10 wird erfindungsgemäß mittels Niederdrucksynthese aus einem Prozessgas eine Diamantschicht 11 abgeschieden. Die Diamantschicht 11 enthält Silicium, so dass sich in der Diamantschicht ein SiV-Zentrum bildet. Das SiV-Zentrum zeigt eine Fluoreszenz mit einer Lebensdauer des angeregten Zustands von etwa 1,2 ns und einer Linienbreite von etwa 0,7 nm bis etwa 2,5 nm FWHM. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Breite bei Raumtemperatur bis 6 nm betragen.
Zur Herstellung der Fluoreszenzfarbstoffpartikel 1 wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Substrat 20 bereit zu stellen. Das Substrat 20 kann beispielsweise Silicium, Iridium, Aluminiumnitrid, Quartz oder ein Refraktärmetall enthalten.
Auf das Substrat 20 werden Nanopartikel 10 aufgebracht. Die Nanopartikel 10 können beispielsweise in Alkohol oder Wasser gelöst werden. Das Auftreten von Agglomeraten, welche ihrerseits wieder eine Mehrzahl von Nanopartikeln enthalten, kann beispielsweise durch Einkoppeln von Ultraschallwellen in die Flüssigkeit vermieden werden. Durch die auf diese Weise eingekoppelte Energie können Agglomerate aufgebrochen werden. Das Kolloid, welches die Nanopartikel enthält, kann entweder dazu verwendet werden, die Nanopartikel in einem elektrophoretischen Verfahren auf dem Substrat 20 abzuscheiden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Nanopartikel durch Änderung des pH-Wertes oder durch Zugabe von Salzen gefällt werden, so dass diese sich auf dem Substrat 20 ablagern.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auf dem Substrat 20 etwa eine Monolage bis etwa 10 Monolagen der Nanopartikel abgeschieden werden. Hierin unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren vom Stand der Technik, bei welchem lediglich weniger als eine Monolage auf dem Substrat abgeschieden wird. Hierdurch ist die Ausbeute des Fluoreszenzfarbstoffes wesentlich verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt hingegen eine effiziente Herstellung auch großer Mengen des Fluoreszenzfarbstoffes.
Das Substrat 20 kann beispielsweise einen Durchmesser von etwa 2,5 cm bis etwa 10 cm aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen können auch noch größere Substrate bis etwa 30 cm Durchmesser verwendet werden. Durch große Substrate und eine Vielzahl übereinander liegender Nanopartikel 10 kann eine große Anzahl Nanopartikel gleichzeitig prozessiert werden, so dass große Mengen des Fluoreszenzfarbstoffes effizient hergestellt werden können.
3 zeigt das Herstellen der Diamantschicht 11 auf den Nanopartikeln 10 mittels einer Niederdrucksynthese aus einem Prozessgas. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Prozessgas Sauerstoff verwendet, welchem etwa 1% Methan beigefügt ist. Durch Einkoppeln von Mikrowellenstrahlung mit einer Leistung von etwa 1 kW bis etwa 1,5 kW formt sich ein Plasma 40. Die Temperatur des Substrates 20 wird währenddessen auf etwa 400° C eingestellt.
Völlig überraschend wurde erkannt, dass bei diesen Bedingungen eine Diamantschicht auf den Nanopartikeln abgeschieden werden kann, ohne dass die Zwischenräume zwischen benachbarten Nanopartikeln vollständig mit Diamant aufgefüllt werden, so dass sich kein geschlossener Diamantfilm auf dem Substrat 20 bildet. Vielmehr überwachsen die Nanopartikel 10 mit einer dünnen Diamantschicht 11, wie anhand von 1 erläutert wurde, bleiben aber separiert voneinander.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird eine Diamantschicht von etwa 50 nm bis etwa 100 nm Dicke auf die Nanopartikel 10 aufgewachsen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dicke auch geringer sein und beispielsweise etwa 5 nm bis etwa 10 nm betragen. Völlig überraschend findet das Wachstum der Diamantschicht nicht nur an der Oberfläche bzw. an den oben liegenden Partikeln 10 statt. Vielmehr werden auch tiefer, näher am Substrat liegende Partikel 10 mit einer Diamantschicht 11 überwachsen.
Dem Plasma 40 wird Silicium zugeführt, um in der Diamantschicht 11 ein SiV-Zentrum zu bilden. Das Silicium kann in einigen Ausführungsformen durch Zugabe von Silan in das Plasma 40 gelangen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat 20 Silicium enthalten oder aus Silicium bestehen, so dass dieses durch das Plasma 40 geätzt wird. In Abhängigkeit der gewünschten Schichtdicke wird das Wachstum etwa 30 Minuten bis etwa 2 Stunden durchgeführt, um die Diamantschicht 11 auf den Nanopartikeln 10 zu erzeugen.
3 zeigt das Ablösen der Fluoreszenzfarbstoffpartikel 1 vom Substrat 20 durch Aufbringen einer Flüssigkeit 30. Die Flüssigkeit 30 kann beispielsweise ein Alkohol oder Wasser sein. Das Auflösen kann wiederum durch Einkoppeln von Ultraschall unterstützt werden, so dass sich Agglomerate auflösen. Aufgrund der niedrigen Wachstumstemperatur wird die Bildung von Carbiden an der Oberfläche des Substrates 20 unterdrückt, so dass auch die unterste Schicht der Partikel 1 nicht am Substrat anwächst bzw. dort haftet. Auf diese Weise können durch fortlaufendes Aufbringen, Überwachsen und Entfernen der Partikel 10 in einfacher Weise große Mengen des Fluoreszenzfarbstoffes hergestellt werden.
Der erhaltene Fluoreszenzfarbstoff besteht im Wesentlichen aus Diamant und ist daher nicht gentoxisch und biokompatibel. Anders als bekannte organische Farbstoffe oder Cadmiumselenide zeigen die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fluoreszenzfarbstoffe auf der Basis von Diamant-Nanopartikeln in einigen Ausführungsformen der Erfindung kein Bleaching, sie blinken nicht und sie sind nicht toxisch. Damit können biologische Proben zuverlässig auch über längere Zeiträume untersucht werden und Materialproben können aufgrund der fehlenden Toxizität nach Abschluss der Untersuchungen einfach entsorgt oder aber auch weiter verwendet werden, beispielsweise als medikamentöser Wirkstoff, wenn der Fluoreszenzfarbstoff zur Qualitätssicherung in der Pharmaproduktion eingesetzt wird.
5 erläutert nochmals das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Flussdiagramms. Im ersten Verfahrensschritt 51 werden Nanopartikel, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 2 nm bis etwa 10 nm oder mit einem Durchmesser von etwa 2 nm bis etwa 5 nm unter Einwirkung von Ultraschall in Wasser oder Alkohol aufgelöst, um ein Kolloid herzustellen. Optional kann durch Zentrifugieren eine gewünschte Größenverteilung erhalten werden
Im zweiten Verfahrensschritt 52 werden die Nanopartikel auf ein Substrat aufgebracht. Dies kann durch elektrophoretische Deposition aus dem im vorhergehenden Verfahrensschritt hergestellten Kolloid erfolgen. Alternativ können die Nanopartikel durch Kollaps des Kolloids auf dem Substrat gefällt werden.
Im dritten Verfahrensschritt 53 wird mittels Niederdrucksynthese aus einem Prozessgas die Diamantschicht auf den Nanopartikeln abgeschieden. Die Temperatur des Substrates ist dabei geringer als 500° C oder geringer als 400° C. Dem Prozessgas wird Silicium zugefügt, um SiV-Zentren in der Diamantschicht zu erzeugen. Das Prozessgas kann durch ein beheiztes Filament oder Mikrowellen aktiviert werden, um die CVD-Abscheidung der Diamantschicht zu ermöglichen.
Nach der Abscheidung der Diamantschicht ist die Oberfläche der Nanopartikel mit Wasserstoff gesättigt. Dadurch ist die Oberfläche der Partikel hydrophob. In einem optionalen vierten Verfahrensschritt 54 können die Partikel in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise an Luft, getempert werden. Dies kann bei etwa 500° C bis etwa 600° C erfolgen. Die Dauer kann etwa eine Stunde bis etwa drei Stunden betragen. Dadurch wird die Oberfläche der Partikel sauerstoffterminiert, so dass die Partikel hydrophil werden. Hydrophobe Partikel bilden eine Suspension in Wasser, wohingegen hydrophile Partikel eine Suspension in Alkohol bilden. Die Durchführung des optionalen vierten Verfahrensschritts 54 hängt somit davon ab, wie die Partikel weiter verarbeitet werden sollen.
Im letzten Verfahrensschritt 55 werden die Partikel durch eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Alkohol, von der Oberfläche des Substrates entfernt. Zum Auflösen von Agglomeraten kann hierzu optional wieder Ultraschall eingesetzt werden, um die Verteilung des Fluoreszenzfarbstoffes in der Flüssigkeit zu verbessern.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Beschreibung oder die Ansprüche ‚erste’ und ‚zweite’ Merkmale definieren, so dient dies der Unterscheidung gleichartiger Merkmale ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Fluoreszenzfarbstoffes (1), aufweisend die folgenden Schritte: Aufbringen (52) von Nanopartikeln (10) auf ein Substrat (20), wobei die Nanopartikel (10) Diamant enthalten oder daraus bestehen, Abscheiden (53) einer Diamantschicht (11) auf den Nanopartikeln (10) mittels Niederdrucksynthese aus einem Prozessgas, wobei die Temperatur des Substrates (20) geringer als 500°C ist und dem Prozessgas Silicium zugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrates (20) geringer als 400°C insbesondere geringer als 350°C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Prozessgas bei der Niederdrucksynthese (53) durch Mikrowellenstrahlung ein Wasserstoff-Methan-Plasma gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Wasserstoff-Methan-Plasmas 10 mbar bis 20 mbar beträgt
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanzumischung in das Wasserstoff-Methan-Plasma (40) 0,3 Vol.-% bis 2 Vol.-% insbesondere 0,3 Vol.-% bis 1 Vol.-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (10) einen Durchmesser von 2 nm bis 5 nm aufweisen oder dass die Nanopartikel (10) einen Durchmesser von 5 nm bis 30 nm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (10) in einer Schichtdicke von 1 Monolage bis 10 Monolagen auf das Substrat (20) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (10) mittels elektrophoretischer Deposition aus einem Kolloid auf das Substrat aufgebracht werden oder dass die Nanopartikel (10) aus einem Kolloid durch Kollaps des Kolloids aufgebracht werden.
Verfahren Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolloid durch Auflösen (51) der Nanopartikel (10) in Wasser oder Alkohol unter Einwirkung von Ultraschall hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht (11) auf den Nanopartikeln (10) eine Dicke von 50 nm bis 100 nm aufweist oder dass die Diamantschicht (11) auf den Nanopartikeln (10) eine Dicke von 5 nm bis 10 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessgas Silicium aus einer Feststoffquelle zugefügt wird oder dass dem Prozessgas Silan zugefügt wird.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht (11) auf den Nanopartikeln (10) mit einer Wachstumsrate von 20 nm·h^–1 bis 30 nm·h^–1 abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Abscheidung der Diamantschicht (11) auf den Nanopartikeln (10) als weiterer Verfahrensschritt die Nanopartikel (1) unter Anwesenheit von Sauerstoff getempert (54) werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Abscheidung der Diamantschicht (11) auf den Nanopartikeln (10) als weiterer Verfahrensschritt die Nanopartikel (1) in Flüssigkeit dispergiert (55) und zentrifugiert werden.