DE102019122840B4

DE102019122840B4 - Anwendung Cadmium-freier Quantenpunkte als Fluoreszenzstandards und zur Signalreferenzierung sowie als interne Lichtquelle für Sensormaterialien

Info

Publication number: DE102019122840B4
Application number: DE102019122840.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Würth; Ute Resch-Genger; Katrin Hoffmann; Lorena Dhamo
Original assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2039-08-27
Also published as: DE102019122840A1

Abstract

Optische Sensoranordnung zum fluoreszenzbasierten Nachweis eines Analyten, umfassend:- einen I-III-VI Quantenpunkt, der nach Anregung mit Hilfe einer externen Energiequelle ein Fluoreszenzlicht emittiert, wobei- I ausgewählt ist unter: Ag, Cu und Hg;- III ausgewählt ist unter Al, Ga, In und Tl; und- VI ausgewählt ist unter S, Se und Te;- ein potentiell fluoreszierendes Indikatormolekül, das eine Sensitivität gegenüber dem Analyten aufweist; und- eine externe Energiequelle, wobei die externe Energiequelle ausgewählt ist unter einer elektrisch betreibbaren Lichtquelle und einer mittels elektrochemischer Anregung zur Lumineszenz anregbaren Lichtquelle; wobei das von dem I-III-VI Quantenpunkt emittierte Fluoreszenzlicht zumindest teilweise von dem potentiell fluoreszierenden Indikatormolekül absorbiert wird, und ein von dem potentiell fluoreszierenden Indikatormolekül abgegebenes Fluoreszenzlicht erfassbar ist, sodass der Analyt qualitativ, quantitiv oder zumindest semiquantitativ bestimmbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Kalibrierung von Messanordnungen zur Bestimmung der Fluoreszenz einer Probe, die Markierung von Molekülen mit einem fluoreszierenden Marker, die Referenzierung eines Messsignals sowie die Verwendung eines cadmium-freien Quantenpunkts als interne Lichtquelle, beispielsweise in einem Sensormaterial, in Verbindung mit molekularen Sonden, oder in partikelbasierten Messanordnungen (Assays).
Vorbekannter Stand der Technik
Die Überprüfung und Kalibration von optischen Messsystemen wird bisher mit physikalischen Tranfernormalen (Lampen) oder chemischen (Farbstoff-basierten) Transfernormalen durchgeführt. Als chemische Transfernormale werden bisher organische Farbstoffe verwendet, meist in Lösung oder auch eingebaut in Polymermatrices, mit Bandbreiten der Emission von typischerweise maximal 85 nm. So reicht die Halbwertsbreite des spektralen Standards Chininsulfat, der für einen organischen Farbstoff eine extrem breite Emission aufweist, bei einem Emissionsmaximum bei 450 nm, von 415 nm bis 500 nm (FWHM) im sichtbaren Spektralbereich in einem wässrigen Lösemittel und erreicht im langwelligen Spektralbereich >700 nm maximal 80 nm. Das Emissionsmaximum des bekannten langwellig emittierenden NIR-Farbstoffes F1402 ist 764 nm; seine Emission reicht von 730 nm bis 810 nm (FWHM), siehe 2. Deshalb müssen typischerweise mehrere dieser Farbstoffe miteinander kombiniert werden zu einem Kit wie dem Kit Spektrale Fluoreszenzstandards der BAM (BAM-F001-F005), um einen breiten Spektralbereich mit ihren Emissionsbanden abzudecken. Jeder Farbstoff wird dabei bei einer spezifischen Wellenlänge angeregt und das detektierte Spektrum mit einem geräteunabhängigen Referenzspektrum verglichen. Aus diesem Vergleich wird eine Kalibrierfunktion erstellt. In WO 02/ 20 696 A1 wird die Synthese von anorganischen Nanopartikeln XY:D und deren Verwendung als Fluorophor offenbart. Dabei kann beispielsweise X unter einem Element der Hauptgruppen 1a, 3a; Y unter einem Element der Hauptgruppen 3a, 6a; und eine Dotierung D ausgewählt sein unter den Elementen Ag, Cu, Al, Ga, In und Tl.
Im Falle von Sensoren (Zwei-Banden-Systemen) werden für ratiometrische Messungen der Fluoreszenzintensität i.a. ein analyt-inerter Referenzfarbstoff und ein analytsensitiver Farbstoff miteinander kombiniert, die bei ein und derselben Wellenlänge angeregt werden können und spektral unterscheidbare Emissionsbanden zeigen.
Bei der Signalreferenzierung wird eine gemessene relative Fluoreszenzintensität einer Probe auf das Signal eines Standards bezogen, bzw. darauf normiert. Dazu wird i.a. das Signal der Probe durch das der Referenz dividiert, wobei beide Signale i.a. bei derselben Anregungswellenlänge und derselben Anregungsleistung gemessen werden. Ziel dieses Referenzierungsprinzips oder ratiometischen Messens ist es, Signalschwankungen (der Probe), die durch Schwankungen in der Anregungslichtintensität hervorgerufen werden, weitestgehend zu eliminieren.
Solch eine Standard zur Signalreferenzierung kann in ein Messgerät eingebaut werden und es werden dann nacheinander Probe und eben diese interne Referenz ausgelesen.
Prinzipiell kann ein Standard zur Signalreferenzierung auch für die Überprüfung anderer Messparameter und die Funktionsprüfung eines Messgerätes oder die Ermittlung (und den Ausgleich) der Gerätealterung (z.B. Abnahme der Anregungsintensität der Lichtquelle) herangezogen werden. Ein in ein Gerät eingebauter Standard zur Signalreferenzierung wird auch oft als interner Standard bezeichnet.
Dabei handelt es sich auch um einen Fluoreszenzstandard, der eine hohe Langzeitstabilität seiner Fluoreszenzeigenschaften aufweisen muss und in seiner Intensität oft auf die Intensität der Probe angepasst wird, damit Probe und Referenzierungs-Standard unter identischen Einstellungen des Detektionskanals ausgelesen werden können, ohne dass der Detektor im nicht-linearen Bereich (onset of saturation) betrieben wird..
Mit einem Fluoreszenzstandard zur Gerätecharakterisierung und -kalibrierung werden bestimmte Geräteeigenschaften ermittelt wie z.B. die relative spektrale Empfindlichkeit des Detektionskanals oder die Wellenlängenrichtigkeit. Dabei bestimmt die zu ermittelnde Geräteeigenschaft die Anforderungen an die Lumineszenzeigenschaften des Standards. Für die Ermittlung der Wellenlängenrichtigkeit wird ein Standard benötigt, der mehrere, möglichst schmale, Banden im relevanten Wellenlängenbereich emittiert, deren spektrale Position genau bekannt ist.
Nachteile des Standes der Technik
Die vorbekannten Lösungen sind jedoch auf Grund des erforderlichen hohen technischen Aufwands nur wenig zufriedenstellend. Insbesondere erfolgt die Kalibrierung von optischen Lumineszenz-Messsysteme mit physikalischen Transfernormalen bei Intensitäten, die typischerweise nicht an die Emissionsintensitäten jeweils verwendeter lumineszenter Proben angepasst sind. Außerdem sind mit der Verwendung von physikalischen Transfernormalen aufwendige Vorrichtungen und Prozeduren verbunden, um z.B. die Geometrie an den Messaufbau anzupassen. Zusätzlich erfordert der Umweltschutz und ggf. in Frage kommende Anwendungen im Kontakt mit lebenden Zellen oder biologischem Material den Verzicht auf toxische Cadmium oder Blei umfassende Quantenpunkte.
Bei der Verwendung chemischer Transfernormale, wie Lösungen organischer Farbstoffe oder Farbstoffen in einer festen Matrix wie einem Polymer, müssen üblicherweise verschiedene Anregungswellenlängen verwendet werden und verschiedenen Farbstoffe miteinander kombiniert werden, um einen breiten Spektralbereich abzudecken. Organische Farbstoffe sind zudem nicht immer sehr photostabil, insbesondere nicht NIR-Farbstoffe mit Emissionen > 700 nm, und können bei hohen Anregungsleistungen, z.B. bei Verwendung von Lasern, Laserdioden oder LEDs, ausbleichen. Die für das Erreichen von breiten Emissionsspektren typischerweise erforderlichen organischen Lösemittel wie polares Ethanol sind oft hygroskopisch oder im Falle von Acetonitril, das z.B. auch für als Standards empfohlene Laserfarbstoffe wie DCM (4-Dicyanomethylen-2- methyl-6-p-dimethyhminostyryl-4H-pyran) empfohlen wird, toxisch. Der Wassergehalt dieser Lösemittel kann die Bandenlage und ggf. auch die Bandenform beeinflussen, sodass Messergebnisse von der Messumgebung (Luftfeuchte, Temperatur) und Zeitdauer abhängen. NIR-emissive Farbstoffe mit Fluoreszenzen > 700 nm zeichnen sich zudem, selbst in einem fluiden organischen Lösemittel, i.a. durch eine relativ niedrige Fluoreszenzquantenausbeute (maximal ca. 20% für Emissionen um ca. 750 -800 nm, bei längeren Emissionswellenlängen i.a. deutlich geringere Quantenausbeuten) und eine Emissionsanisotropie aus. So erfordert ihr Einsatz die Verwendung von Polarisatoren für die hochpräzise Gerätekalibrierung, was ihre Anwendbarkeit einschränkt. In Polymermatrices eingebaute organische Farbstoffe zeichnen sich generell durch eine stark anisotrope Emission aus.
Aus zwei Farbstoffen aufgebaute ratiometrische Sensorsysteme erfordern Farbstoffe, die deutliche unterschiedliche Energieabstände zwischen Absorptions- und Emissionsbande (Stokes shift) aufweisen. Das ist oft nicht einfach zu realisieren, insbesondere nicht im langwelligen Spektralbereich. Zudem gibt es sehr viele nur absorbierende, jedoch nicht-emissive Indikator-Farbstoffe und Farbreaktionen zum Nachweis ionischer und neutraler Spezies. Solche Systeme sind deutlich häufiger als fluoreszente Indikator-Farbstoffe. Zudem sind Messungen der Fluoreszenz generell störanfälliger als Absorptionsmessungen. Bisherige Sensorsysteme, die auf Reabsorption basieren, nutzen z.B. Emitter mit verschiedenen Emissionsbanden wie Partikel, die mit mit mehreren Lanthanid-Ionen dotiert sind, die charakteristische schmale Emissionsbanden aufweisen. Alternativ werden mehrere organische Farbstoffe verwendet, bei denen mindestens einer mit einem reabsorbierenden Indikatorfarbstoff kombiniert wird, der zweite dient als Referenz. Solche Systeme bieten jedoch nur eine unzureichende Flexibilität in der Anregungswellenlänge und zeigen typischerweise eine geringe Photostabilität.
Problemstellung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fluoreszenz-Standard bereitzustellen, der eine breitbandige unstrukturierte Emission für den sichtbaren (vis) und insbesondere den langwelligen roten und nahinfraroten (NIR) Spektralbereich von mindestens 400 nm bis 1000 nm aufweist.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Einsatz von ternären Kern- oder Kern/Schale-Quantenpunkten wie Ag-In-S/ZnS, die hier auch als AIS-Quantenpunkte oder AIS-QDs bezeichnet werden. Im hier verwendeten Zusammenhang wird unter einem Kern-Nanopartikel ein nicht von einer Schale oder Oberflächenpassivierung umgebenes Nanopartikel verstanden. Ein Kern/Schale-Nanopartikel hingegen besitzt eine Schale oder Oberflächenpassivierung. Die nachfolgend verwendete Abkürzung AIS, also Ag-In-S in Ag-In-S/Zn steht sowohl für quarternäre Quantenpunkte umfassend AgInS₂, als auch für quarternäre Quantenpunkte umfassend AgIn₅S₈, wobei Zn und S im Wesentlichen die Schale ausbilden (in äußeren Bereichen der quarternären QDs angeordnet sind). Bei der Ausbildung einer den QD-Kern umgebenden anorganischen Oberflächenpassivierung (Schale) aus ZnS können bei der Synthese der vorstehend beschriebenen Kern/Schale-Nanopartikel auch Zn(II)-Ionen in das I-III-VI-Gitter, also beispielsweise in ein Ag-In-S-Gitter eingebaut werden und dabei quaternäre legierte/dotierte Nanokristalle (NCs) ergeben, die auch als ZAIS bezeichnet werden. Diese ZAIS Systeme können auch wiederum von einer oberflächenpassivierenden Schale aus ZnS umgeben sein. Im Falle der später genannten II/VI Halbleiter ZnSe oder ZnTe ist ebenso ein partieller Einbau der Anionen in das Gitter des QD-Kernes möglich. Dieses gilt auch für die im Folgenden beschriebenen t-QDs. Die beschriebene Vermischung von Kern und Schale bzw. der Einbau von Atomen des Schalenmaterials in das Gitter des QD-Kernes ist durch deren Synthese bedingt und wird im Folgenden nicht extra behandelt, sondern als bekannt vorausgesetzt. Genauso können die ternären Kerne durch Cu-In-S QDs gebildet sein, die eine Zn umfassende Schale aufweisen, und also als quarternäre Quantenpunkte Cu-In-S/ZnS aufgefasst werden können. Analog steht hier die Abkürzung Cu-In-S sowohl für CuInS₂ als auch für Culn₅S₈. Schließlich wird diese Aufgabe auch gelöst durch Hg-In-S/ZnS. Alle diese QDs werden vorgeschlagen als Breitband-emissive spektrale Fluoreszenzstandards zur Ermittlung der spektralen Empfindlichkeit von Fluoreszenzmesssystemen und zu deren regelmäßiger Überprüfung. Ebenso können sie erfindungsgemäß als in verschiedene Systeme integrierbare interne Standards zur Signalreferenzierung verwendet werden. Die bezeichneten ternären Kern- oder quaternären Kern/Schale Quantenpunkte kommen ebenso als breitbandige Emitter für den Aufbau von Inner-Filter-basierten Sensorsystemen in verschiedenen Formaten, also als interne Lichtquelle, in Betracht. Die optischen Eigenschaften dieser QDs werden durch die Größe und Materialzusammensetzung bestimmt, die - wie nachfolgend noch dargelegt - durch die bei ihrer Synthese gewählten molaren Verhältnisse der Reaktanden und durch eine an die Synthese anschließende Größenselektion an die jeweiligen Anwendungsbedingungen anpassbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Verwendung eines Nanopartikels umfassend einen ternären I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) als spektraler Fluoreszenzstandard vorgeschlagen, wobei „I“ ausgewählt ist unter den Elementen der ersten Nebengruppe Ag, Cu und Hg; „III“ ausgewählt ist unter den Elementen der dritten Hauptgruppe Al, Ga, In und Tl; und „VI“ ausgewählt ist unter den Elementen der 6. Hauptgruppe S, Se und Te.
Die benannten ternären Quantenpunkte (Nanopartikel) weisen ausgeprägte Lumineszenz-Eigenschaften auf, insbesondere eine hohe Quantenausbeute, die für die hier in's Auge gefassten Anwendungen äußerst attraktiv ist. Außerdem können ihre optischen Eigenschaften, insbesondere die Wellenlänge spektraler Maxima, durch die bei ihrer Synthese eingestellten Molverhältnisse der Ausgangsverbindungen zielgerichtet variiert und so an jeweilige Anwendungen angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Verwendung eines Kern oder eines Kern/Schale-Nanopartikels, umfassend den vorstehend genannten ternären I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) als Kern, und eine, diesen umgebende „Schale“ als spektraler Fluoreszenzstandard vorgeschlagen, wobei die Schale, die auch als Oberflächenpassivierung aufgefasst werden kann, zumindest eines von ZnS, ZnSe und ZnTe umfasst.
Vorliegend ist also bei den beschriebenen Nanopartikeln ein ternärer Quantenpunkt (I-III-VI-QD) von einer ZnS, ZnSe oder ZnTe umfassenden äußeren Hülle umgeben. Das Kern- bzw. Kern/Schale Nanopartikel umfasst somit Elemente ausgewählt unter den genannten Vertretern der I. Nebengruppe, der III. und der VI. Hauptgruppen des Periodensystems der Elemente. Die resultierenden Quantenpunkt-Strukturen (Nanopartikel) weisen, ob nun allein (individuell) oder in einem Ensemble vorliegend, ausgeprägte Lumineszenz-Eigenschaften auf, insbesondere: eine typischerweise breitbandige unstrukturierte, isotrope Emission im sichtbaren (vis) und insbesondere im langwelligen roten und nahinfraroten (NIR) Spektralbereich von mindestens 400 nm bis 1000 nm; eine lange Fluoreszenzlebensdauer von einigen hundert Nanosekunden; und eine sehr geringe Emissionsanisotropie auch in festen Matrices wie Polymeren, beispielsweise Polystyrol, sodass ihre Fluoreszenzintensitäten bzw. die detektierten Emissionsspektren unabhängig von den Polarisationseigenschaften des Detektionssystems sind. Unter sehr gering wird in diesem Zusammenhang eine Emissionsanisotropie (auch Fluoreszenzanisotropie genannt) von < 0,1; insbesondere von < 0,05. Die Bestimmung der Fluoreszenzanisotropie ist dem Fachmann bekannt (vgl., beispielsweise, Joseph R. Lakowicz (Ed.) Principles of Fluorescence Spectroscopy. 3rd edition, Springer-Verlag US 2006, ISBN 978-0-387-31278-1; doi.org/10.1007/978-0-387-46312-4; Chapter Fluorescence Anisotropy (Seiten 353-382)).
Als Kerne in Frage kommende Verbindungen (QDs) sind, beispielsweise: Cu-Zn-In-S; Zn-In-S:Cu/ZnS; Ag,Mn co-gedopte Zn-In-S/ZnS; Cu-Zn-In-S/ZnS - Quantenpunkte mit einer SiO₂-Hülle, Ag-gedopte Zn-In-S, Ag-Zn-In-S, mit Cu oder Mn gedopte Zn-In-S - wobei dann die Dotandenkonzentration so gewählt wird, dass eine wie gewünscht breite Emissionsbande resultiert. Dabei ergibt sich mit steigendem Ag-Anteil (z.B. von einem Ag:In-Verhältnis von 0,15:1 zu 0,3:1) eine Rotverschiebung der Emissionsspektren der QDs, während eine Erhöhung des In-Anteils zu einer hypsochrom verschobenen Emissionsbande führt. Die Größe der erhaltenen QDs liegt unabhängig von den eingesetzten Konzentrationen typischerweise bei 2 nm - 4 nm.
Gemäß einer Ausführungsform ist I ausgewählt unter Ag, Cu und Hg; III ist ausgewählt unter In; VI ist ausgewählt unter S und die den Kern umgebende Schale umfasst ZnS.
Vorteilhaft sind derartige Nanopartikel, also Ag-In-S/ZnS, Cu-In-S/ZnS und Hg-In-S/ZnS vergleichsweise problemlos mittels mikrowellengestützter Synthese zugänglich, bei der Verwendung geeigneter Capping-Reagenzien leicht in Wasser dispergierbar und problemlos mittels Fällung größenklassierbar.
Gemäß einer Ausführungsform ist das entsprechend den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gewählte Element der ersten Nebengruppe des Periodensystems ausgewählt unter Ag und Cu.
Während Quecksilber als Schwermetall toxisch für verschiedene biologisch aktive Moleküle ist, sind die benannten Cu und Ag deutlich geringer toxisch und teilweise selbst in natürlich vorkommenden metallorganischen Verbindungen anzutreffen. Die Verwendung cadmiumfreier und quecksilberfreier Quantenpunkte erweitert mithin die Anwendbarkeit der beschriebenen fluoreszierenden Nanopartikel als Fluoreszenzstandards, spektrale Fluoreszenzstandards, interne Referenz und interne Lichtquelle in einer Sensoranordnung auf Anwendungen in unmittelbarem Kontakt mit biologisch aktiven Verbindungen, Körperflüssigkeiten, lebende Zellen und Zellkulturen, sowie lebende Gewebe.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Oberfläche der beschriebenen Kern bzw. Kern/Schale-Nanopartikel einen Liganden, typischerweise eine Vielzahl gleichartiger Liganden auf, wobei der Ligand ausgewählt ist unter: Glutathion, Thioglucolsäure, Cystein-Glycin, Acetylcystein, Ethylthiol, Dihydroliponsäure (DHLA), 1-Dodecanthiol, Trioctylphosphinoxid (TOPO), Trioctylphosphin (TOP), und/oder einem langkettigen Amin (z.B: Dimethylamin, Diethylamin, Triethylamin, N,N-Dimethylethylamin), insbesondere Oleylamin; und/oder einer langkettigen Säure, insbesondere Ölsäure.
Wie erkennbar, kann die Hydrophobizität, Benetzbarkeit, Zugänglichkeit für ein umgebendes Fluid oder einen darin gelöst vorliegenden Analyten, und damit die Dispergierbarkeit der Nanopartikel in einer gewählten Flüssigkeit (beispielsweise eine Monomer-Mischung vor deren Polymerisation) exakt eingestellt werden. Die so erreichbaren Vorteile sind von unmittelbar praktischer Bedeutung. Es kann verhindert werden, dass die Nanopartikel verklumpen oder sich an einer Grenzfläche anreichern. Ebenso kann genau das Gegenteil erreicht werden: Nanopartikel können so funktionalisiert werden, dass sie sich an einer Grenzfläche, beispielsweise an einer geladenen Festkörperoberfläche oder beispielsweise an einer Zellmembran gezielt anreichern. Typischerweise werden die Liganden so ausgewählt, dass die Oberfläche des mit dem Liganden modifizierten Nanopartikels hydrophilisiert, hydrophobiert oder gezielt polarisiert (geladen, d.h. mit einer Netto-Ladung ausgestattet) wird.
Dabei können über den typischerweise bereits unmittelbar bei der Partikelsynthese eingesetzten Liganden die optischen Eigenschaften der QDs, wie z.B. die spektrale Lage des Emissionsmaximums, beeinflusst werden. Der Ligand bestimmt stets die Dispergierbarkeit der QDs und ihre Funktionalisierbarkeit. Für QDs, die kolloidal stabil in wässrigen Matrices vorliegen sollen, werden kleine Thiol-Liganden eingesetzt, für QDs, die dispergierbar sein sollen in unpolaren Lösemitteln und Polymersystemen wie Polystyrol oder Polymethylmethacrylat oder den entsprechenden Precursorn, werden apolare Liganden wie TOP, TOPO oder Oleylamin oder langkettige Thiole wie 1-Dodecanthiol verwendet. Liganden mit einer funktionalisierbaren Gruppe werden eingesetzt, wenn die QDs chemisch modifiziert werden sollen, z.B.: durch die Anbindung eines Monomers als Precursor für eine Polymerisation. In allen Fällen können QDs mit den in der Synthese verwendeten Oberflächenliganden auch mittels einer Kapselungsstrategie bezogen auf ihre Dispergierbarkeit an eine Applikation angepasst werden. Beispiele hierfür sind eine Oberflächensilanisierung oder eine mizellare Kapselung oder auch die Verwendung der Layer-by-Layer-Methode (LbL) unter Verwendung entsprechender Polyelektrolyte. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf die nachfolgend noch detaillierter beschriebenen 7 und 8 verwiesen.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein atomares Verhältnis der Elemente I: II der Nanopartikel ausgewählt unter: 0,15:1 bis 0,8:1, bevorzugt unter: 0,2:1 bis 0,5:1. Dabei ergibt sich mit steigendem Ag-Anteil (z.B. von einem Ag:In-Verhältnis von 0,15:1 zu 0,3:1 eine Rotverschiebung der Emissionsspektren der QDs, während eine Erhöhung des In-Anteils zu hypsochrom verschobenen Emissionsbande führt (siehe auch 6). Die Größe der erhaltenen QDs liegt unabhängig von den eingesetzten Konzentrationen bei 2 nm - 4 nm.
Gemäß einer Ausführungsform weist der mittlere arithmetische Durchmesser der Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel eine Größe von 0,5 - 50 nm, insbesondere 2 bis 30 nm, bevorzugt von 2 - 6 nm auf, wobei der mittlere arithmetische Durchmesser jeweils mittels Transmissionselektronenmikroskopie ermittelt wird. Der ternäre I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) weist typischerweise einen mittleren arithmetischen Durchmesser in einem Bereich von 0,5 - 10 nm, bevorzugt in einem Bereich von 2 - 4 nm auf. Wenn der ternäre I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) von einer Schale umgeben ist, so haben resultierende Kern/Schale-Nanopartikel bei einer Stärke der Schale (Oberflächenpassivierung von bis zu 20 nm) einen mittleren arithmetischen Durchmesser von 2 - 30 nm, bevorzugt von 2 - 6 nm, beispielsweise 5 nm.
Partikel dieser Größenbereiche zeigen vorteilhaft kein Streulichtsignal im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts (vis) und gestatten so die Messung ihrer optischen Eigenschaften mit Geräten und Messgeometrien, die auch für nicht-streuende Lösungsbasierte Systeme eingesetzt werden. Zudem entstehen so keine streuungsbedingten optischen Störeffekte oder Verluste der Fluoreszenz bzw. der Fluoreszenzquanten- oder Lichtausbeute.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Verwendung eines Kern- oder Kern/Schale -Nanopartikels, umfassend einen ternären I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) als Kern oder ein Kern-Schale-System mit einem ternären I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) als Kern, der von einer ZnS oder ZnSe oder ZnTe umfassenden Schale umgeben ist, zur Signalreferenzierung bei einer Fluoreszenzmessung und/oder als interner Standard in einer Fluoreszenzmessanordnung, z.B. einem Fluoreszenzspektrometer, vorgeschlagen. Hierbei steht I für ein Element der ersten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, III für ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente und VI für ein Element der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente und I ist ausgewählt unter: Silber (Ag), Kupfer (Cu) und Quecksilber (Hg); III ist ausgewählt unter Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (Tl); und VI ist ausgewählt unter Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te).
Vorteilhaft weisen die beschriebenen Nanopartikel einer vorgebbaren Größe und stoffliche Zusammensetzung (d.h. dem jeweils fest vorgebbaren atomaren Verhältnis der an der Ausbildung der Nanopartikel beteiligten Elemente entsprechend) eine fest bestimmbare Lage der breiten Emissionsbanden auf. Das ermöglicht die flexible Applikation zur Signalreferenzierung und als interner Standard oder für Inner-Filter Effekt-basierte SensorSysteme.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein spektraler Fluoreszenzstandard, mit anderen Worten: ein Emissionsstandard, umfassend ein Nanopartikel vorgeschlagen, wobei das Nanopartikel einen ternären I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) umfasst, der optional von einer Schale umgeben ist. In diesem optionalen Fall kann das Nanopartikel als Kern/Schale-Nanopartikel bezeichnet werden, dessen Schale ZnS, ZnSe oder ZnTe umfasst; wobei I für ein Element der ersten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, III für ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente und VI für ein Element der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente steht und I ausgewählt ist unter: Ag, Cu und Hg; III ausgewählt ist unter: Al, Ga, In und Tl; und VI ausgewählt ist unter: S, Se und Te. Das betreffende I-III-VI Nanopartikel bildet somit den Kern des Kern/Schale-Nanopartikels.
Vorteilhaft deckt ein solcher Standard bei einer einzigen, frei wählbaren Anregungswellenlänge einen extrem breiten Emissions-Spektralbereich ab. Die spezifizierten Quantenpunkte zeigen aufgrund ihrer langen Fluoreszenzlebensdauern im Bereich von einigen hundert Nanosekunden eine sehr geringe Emissionsanisotropie, so dass ihre Fluoreszenzintensitäten bzw. die detektierten Emissionsspektren unabhängig von den Polarisationseigenschaften des Detektionssystems sind. Damit können sie ohne Polarisatoren selbst für die Überprüfung und Kalibrierung auch sehr preiswerter Fluoreszenzmessgeräte, die keine Polarisatoren enthalten, eingesetzt werden. Die bezeichneten Materialien können zudem bei allen Wellenlängen, die kürzer als die Bandkante sind, flexibel zur Emission angeregt werden, so dass sie in Kombination mit weitestgehend frei wählbaren Lichtquellen eingesetzt werden können. Dies ist bisher mit allen anderen Emittern so nicht möglich.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Verwendung von Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikeln umfassend einen ternären I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) als Kern, und eine den Kern umgebende Schale, die ZnS, ZnSe oder ZnTe umfasst als interne Lichtquelle in einer Sensorschicht vorgeschlagen. Dabei steht I für ein Element der ersten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, III für ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente und VI für ein Element der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Hierbei ist I ausgewählt unter: Ag, Cu und Hg;
III ist ausgewählt unter: Al, Ga, In und Tl; und VI ist ausgewählt unter: S, Se und Te.
Vorteilhaft kann eine solche interne Lichtquelle zur optischen Anregung einer molekularen, für einen bestimmten Analyten spezifischen Sonde genutzt werden. Oder das durch einen Indikator veränderte Spektrum der internen Lichtquelle kann zur Quantifizierung eines Analyten dienen. Die Lichtquelle, d.h. die quarternären Quantenpunkte, können so vorteilhaft mit einer externen Lichtquelle angeregt werde, die die Messung des Analyten nicht beeinträchtigt. Die externe Lichtquelle kann dabei kurzwellig (blau) und monochromatisch sein wie z.B. Laserdioden oder Licht emittierende Dioden (LEDs).
Gemäß einer Ausführungsform wird eine interne Lichtquelle eines optischen Lumineszenz-Messsystems vorgeschlagen, die einen ternären I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) umfasst; wobei: I ausgewählt ist unter: Ag, Cu und Hg; III ausgewählt ist unter Al, Ga, In und Tl; und VI ausgewählt ist unter S, Se und Te. Wie zuvor steht I für ein Element der ersten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, III für ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente und VI für ein Element der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Die drei Elemente bilden - wie auch im Fall der anderen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen - einen Nanokristall, d.h. ein Atom-Cluster. Der 1-III-VI Quantenpunkt (t-QD) kann optional als Kern eines Kern/Schale-Nanopartikels fungieren, wobei die Schale im Kern/Schale-Nanopartikel zumindest eines von ZnS, ZnSe und/oder ZnTe aufweist.
Vorteilhaft können t-QDs kurzwellig angeregt werden und emittieren ein breites Spektrum im länger welligen, rot verschobenen Spektralbereich. Dies ermöglich die Verwendung von schmalbandigen Leuchtdioden oder Laserdioden als externe Anregungslichtquelle bzw. als Energieversorgung. So ist es möglich die interne Lichtquelle drahtlos mit Energie zu versorgen und diese in Bereichen einzusetzen, an denen keine metallischen Gegenstände verwendet werden können. Weiterhin müssen keine elektrischen Leitungen zur internen, die t-QDs enthaltende Lichtquelle verlegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehend beschriebene interne Lichtquelle in ein Polymer eingebettet. Zu diesem Zweck weist die Oberfläche des t-QDs oder des Kern/Schale-Nanopartikels, also dessen Schale, bevorzugt derartige funktionelle Gruppen auf, die das Nanopartikel kovalent mit der Polymermatrix verbinden (z.B. über eine kovalente Bindung an ein das Polymer ausbildende Monomer) oder der Quantenpunkt wird mit solchen raumfordernden Gruppen versehen, dass eine sterische Verankerung des Nanopartikels - sei dies nun der t-QD oder ein Kern/Schale-Nanopartikel das als Kern den t-QD umfasst - in der ggf. porösen Polymermatrix erfolgt. Hierbei kann es sich sowohl um organische als auch anorganische Polymere handeln, wobei Silica und Zeolithe hier als Beispiele für anorganische Polymere gelten.
Die feste Polymermatrix ermöglicht Anwendungen der t-QDs unabhängig von Einflüssen der Umgebung auf die optischen Eigenschaften der t-QDs. Dabei kann die Geometrie des Polymers an den Anwendungsbereich angepasst werden, entweder durch Polymerisierung in einer Form oder durch mechanische Bearbeitung nach der Polymerisierung.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Polymer ausgewählt unter: einem eine organische Verbindung umfassendem Hydrogel, insbesondere einem Polyurethan-Hydrogel; einer Ethylcellulose, einer Agarose. Das Polymer kann aber ebenso ein ggf. poröses Netzwerk anorganischer Bestandteile sein, beispielsweise eine Silica oder ein Zeolith.
Beide Materialklassen, organische Polymere, insbesondere Hydrogele, als auch anorganische poröse Netzwerke, wie z.B. mesoporöse Silica oder Zeolithe kommen als Träger von darin eingeschlossenen, ggf. auch kovalent verankerten, Indikatormolekülen in Betracht. Vorteilhaft kann ein Indikatormolekül in einer solchen Matrix hydratisiert vorliegen, und mit hoher Empfindlichkeit auf die Gegenwart eines Analyten (z.B. Proton, Anion, Kation, Hormon, Peptid, Nukleotid, Oligonukleotid, Zucker, Stickstoff-Verbindung etc.) durch eine Änderung seiner optischen Eigenschaften, beispielsweise durch eine geänderte Fluoreszenzeigenschaft, ansprechen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine optische Sensoranordnung zum fluoreszenzbasierten Nachweis eines Analyten mit Hilfe eines Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikels vorgeschlagen. Die optische Sensoranordnung umfasst:

- ein lichtabsorbierendes und potentiell fluoreszierendes analytsensitives Indikatormolekül;
- ein Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel, das nach Anregung mit einer externen Energiequelle (z.B. Lichtquelle oder elektrochemische Anregung) Fluoreszenzlicht emittiert; sowie
- eine externe Energiequelle zur Fluoreszenzanregung des Kern- oder Kem/Schale-Nanopartikels;

- I ausgewählt ist unter: Ag, Cu und Hg;
- III ausgewählt ist unter Al, Ga, In und Tl; und
- VI ausgewählt ist unter S, Se und Te.

Vorteilhaft ist ein vom potentiell fluoreszierenden Indikatormolekül abgegebenes Fluoreszenzlicht mit einem Detektor, beispielsweise einer Fotodiode, einem Fotosensor oder einem Fotomultiplier, erfassbar, sodass der Analyt qualitativ und quantitativ oder zumindest semiquantitativ bestimmbar ist. Beispielsweise kann das dotierte Polymer als leuchtende Schicht fungieren, die mit einer weiteren (anderen) Schicht oder einem Analyt führenden Fluid-Kanal in Kontakt steht. Ebenso kann das lichtabsorbierende und potenziell fluoreszierende Indikatormolekül in dieser oder einer benachbarten Polymerschicht enthalten sein. Beispielsweise kann eine Ausführungsform einen Streifen eines QD-haltigen leuchtenden Films umfassen mit darauf aufgesetzten, zueinander benachbarten und räumlich voneinander getrennten unterschiedlichen Sensorfilmen. Die unterschiedlichen Sensorfilme enthalten (oder tragen an ihrer Oberfläche, die in Kontakt mit einem auf einen jeweiligen Analyten spezifischen Fluid kommt) unterschiedliche lichtabsorbierende und potentiell fluoreszierende Indikatormoleküle oder Kombinationen solcher. Eine derartige Ausführungsform ist zum simultanen Nachweis einer Vielzahl unterschiedlicher Analyte geeignet und kann über die angebotenen Indikatormoleküle und die jeweils zu deren optischen Anregung genutzten Quantenpunkte vorteilhaft mit ein und derselben externen Lichtquelle betrieben werden. Wenn der ternäre I-III-VI Quantenpunkt, wie optional auch bei zuvor beschriebenen Ausführungsformen von einer Schale umgeben ist, die ZnS, ZnSe oder ZnTe umfasst, so steigert das vorteilhaft die Quantenausbeute und damit die Empfindlichkeit der Sensoranordnung.
Gemäß einer Ausführungsform ist bei der zuvor vorgeschlagenen optischen Sensoranordnung das potentiell fluoreszierende analytsensitive Indikatormolekül kovalent mit dem Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel verknüpft. Dabei kann die kovalente Anbindung z.B. über Thiolliganden mit Säure-Funktion und die Kopplung an Indikatormoleküle mit Amin-Gruppe über die leicht durchführbare NHS-Ester-Chemie erfolgen. Dem Fachmann sind weitere Konjugationschemien bekannt, die abhängig von den aktuell vorliegenden reaktiven funktionellen Gruppen des Indikatormoleküls und den am Quantenpunkt oder dessen Schale vorliegenden Oberflächenliganden ausgewählt werden können. Zur Anbindung können beispielsweise verschiedene Succidimidylester-Derivate, wie N-Hydroxysuccinimid oder Hydroxysulfosuccinimid, eingesetzt werden oder reaktive Isothiocyanate, wie z.B. Phenylisothiocyanat (PITC) oder FITC bzw. TRITC, oder andere Systeme, die zu fluoreszenten Konjugaten führen.
Vorteile dieser Ausführungsform sind der direkte Kontakt zwischen Nanopartikel/QD und Indikatormolekül für Energietransfer-Systeme, wo die Effizienz des Energietransfers abstandsabhängig ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Sensorschicht sind zumindest zwei verschiedene absorbierende und in Gegenwart des betreffenden Analyten fluoreszierende und somit analytsensitive Indikatormoleküle mit dem bereits beschriebenen Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel kombiniert. Dabei umfasst das Kombinieren ein Einbetten der Indikatormoleküle in zumindest eine Schicht eines Schichtstapels von Polymer-Schichten. Dabei können die Indikatormoleküle und Quantenpunkte in ein und derselben Schicht eingebettet sein oder in zueinander benachbarten Schichten des Schichtstapels eingebettet sein. Die Nanopartikel, umfassend I-III-VI Quantenpunkte mit oder ohne Schale, können kovalent mit den zumindest zwei verschiedenen potentiell fluoreszierenden analytsensitiven Indikatormolekülen verknüpft sein. Das bietet Vorteile hinsichtlich eines Energietransfers und einer letztendlich gesteigerten Empfindlichkeit der Sensorschicht. Werden mehrere, für verschiedene Analyten sensitive Indikatormoleküle verwendet, so ermöglicht das den simultanen Nachweis unterschiedlicher Analyte. Die jeweils mit unterschiedlichen Indikatormolekülen verknüpften Quantenpunkte können vorteilhaft mit ein und derselben externen Lichtquelle angeregt werden. Gemäß einer Modifizierung dieser Ausführungsform können auch unterschiedliche Quantenpunkte mit verschiedenen Indikatormolekülen verknüpft sein. Das bietet den Vorteil einer entweder wahlweise oder simultan geführten Analyse einer mit der nanopartikelhaltigen Schicht in Kontakt tretenden Flüssigkeit (flüssigen Probe).
Gemäß einer Ausführungsform ist der Analyt ausgewählt unter: einem Proton, einem Na⁺, einem K⁺, einem Ca²⁺, einem Mg²⁺, einem Zucker, einem Protein, einem Peptid, einer Aminosäuresequenz, einem Lipid, einem Glycolipid, einem Steroid, einem Hormon, einem Phospolipid, einer Sialinsäure, einer Nukleinsäure, einem Oligonukleotid, einer Sauerstoff-reaktiven Spezies, einem NO, einem Potential oder einer Polarität (Netto-Ladung) einer Oberfläche.
Wie ersichtlich, können zahlreiche vorbekannte, jeweils spezifische Fluoreszenzsonden oder Sensormoleküle mit den hier beschriebenen cadmium-freien Kern- und Kern/Schale-Nanopartikeln kombiniert werden, wodurch die Sensitivität darauf basierender analytischer Methoden verbessert wird.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
Nachfolgend wird die Ausbildung einer den QD-Kern umgebenden anorganischen Oberflächenpassivierung (Schale) aus ZnS und den anderen in der Beschreibung und den Ansprüchen genannten II/VI Halbleitern ZnSe oder ZnTe für die vorstehend beschriebenen Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel erläutert.
Insbesondere werden für die vorgeschlagene Verwendung als spektraler Emissionsstandard zur Ermittlung der relativen spektralen Empfindlichkeit unstrukturierte und möglichst breite Emissionsspektren benötigt, damit die Emissionsspektren des Standards möglichst unabhängig sind von der am Detektions- bzw. Emissions-Monochromator eingestellten spektralen Bandbreite. Eine sehr geringe Emissionsanisotropie ist hier Voraussetzung dafür, dass ein solcher Standard auch ohne Polarisatoren vermessen werden kann, da die Anregung in nahezu jedem Fluorometer mit teilpolarisiertem Licht (bedingt durch die Monochromator-Gitter) erfolgt. Eine sehr geringe Emissions Anisotropie ist eine typische Eigenschaft von QDs. Anisotropien von 0 oder nahezu 0 sind Literaturbekannt (vgl. Würth, C.; Geissler, D.; Resch-Genger, U., Quantification of Anisotropy-Related Uncertainties in Relative Photoluminescence Quantum Yield Measurements of Nanomaterials - Semiconductor Quantum Dots and Rods. Zeitschrift für Physikalische Chemie-International Journal of Research in Physical Chemistry & Chemical Physics 2015, 229 (1-2), 153-165). Messungen an ausgewählten nährungsweise sphärischen AIS QDs in einem Polymer zeigen eine Emissionsaniosotropie von weniger als 0,02.
Unter einem Indikator bzw. einem Indikatorfarbstoff werden hier einerseits kolorimetrische Verbindungen verstanden, die nur absorbieren und in Gegenwart des Analyten ihre spektralen Absorptionseigenschaften (Bandenlagen) ändern (das ist dann ein Sensor-System, das auf einem inneren Filtereffekt basiert), und andererseits aber auch fluoreszente Verbindungen verstanden, deren Fluoreszenzintensität und/oder deren spektrale Fluoreszenzeigenschaften sich in Gegenwart eines jeweiligen Analyten ändern. Beispiele für analytspezifische Indikatoren sind kolorimetrische oder fluoreszierende Verbindungen zum Nachweis einer Protonen-Konzentration, üblicherweise ausgedrückt als pH-Wert, oder zum Nachweis eines niedermolekularen Analyten - beispielsweise Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, eines Zuckers, eines Proteins, eines Peptids, einer Aminosäuresequenz, eines Lipids, eines Glycolipids, eines Steroids, eines Hormons, eines Phospolipids, einer Sialinsäure, einer Nukleinsäure, eines Oligonukleotids, einer Sauerstoff-reaktiven Spezies, von NO, eines Potentials oder einer Polarität oder einer anderen, aus der biomedizinischen Forschung bekannten, biologisch aktiven Substanz. Diese Indikatoren können auf oder in einer für den jeweiligen Analyten durchlässigen Polymermatrix (z.B. einem offenporigen Netzwerk oder einem protonen- bzw. ionendurchlässigen Polymer) angeordnet sein, wenn die AIS QDs in das Polymer integriert (eingebaut) sind. Typische Beispiele einer Matrix für die Verwendung der hier beschriebenen Kern- und Kern/Schale-Nanopartikel umfassend t-QDs bzw. die Verwendung der beispielhaft erwähnten AIS/ZnS die mit einem Indikatorfarbstoff ausgerüstet sind, sind organische Polymere, mit diesen gebildete Hydrogele, aber auch poröse Silikate. Hierbei wird unter „angeordnet“ sowohl eine kovalente Verknüpfung, als auch eine Adsorption, wie auch ein durch eine sterische Behinderung erfolgter Einschluss von t-QDs und/oder Kern/Schale-Nanopartikeln umfassend solche verstanden.
Typische Beispiele für die benannten Ausführungsformen sind:

1) Zwei verschiedene Schichtsysteme: eine QD-haltige Schicht und eine indikator-haltige Schicht oder Lösung, die übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
2) Ein QD-haltiges Schichtsystem, auf dessen Oberfläche der Indikator angeordnet ist, z.B. auch kovalent angebunden ist.
3) Ein QD-haltiges Schichtsystem, auf dem sich eine Lösung des Indikatorfarbstoffes befindet (z.B. QD-Film kombiniert mit einem mikrofluidischen System oder einem Slide, mit einer Struktur, umfassend einen „Kanal“ oder einen „Napf“, der jeweils mit einer Flüssigkeit befüllt werden kann, welche den Indikatorfarbstoff enthält oder in die mehrere Flüssigkeiten getrennt voneinander eingefüllt werden können, die verschiedene Indikatoren enthalten.
4) Ein kovalentes QD-Indikatorfarbstoffsystem, wo der Indikatorfarbstoff kovalent an den QD angebunden ist.
5) Einbau der QDs in nanometer- oder mikrometer-große Polymerpartikel, die dann mit dem Indikatorfarbstoff an der Oberfläche versehen werden z.B. durch kovalente Anbindung.

Ebenso kann, wie oben erläutert, der Indikator aber auch in einer Flüssigkeit gelöst vorliegen, wenn der Analyt in der Flüssigkeit bestimmt werden soll. Die t-QDs liegen dabei in der Flüssigkeit vor oder in einer Schicht unterhalb oder innerhalb der Flüssigkeit. Durch die analytsensitive Änderung der Indikatorabsorption wird das Emissionsspektrum der t-QDs gestört. Diese Änderung wird zur Quantifizierung der Analytkonzentration herangezogen.
Liegt der analytresponsive Indikator auf oder in einem (dann analytdurchlässigen) Polymer vor, so ist er mit jenem beispielsweise kovalent verknüpft, beispielsweise durch Kopplung mit reaktiven Gruppen an zumindest ein, das Polymer ausbildende, Monomer bzw. an eine Sensor-Schicht, die als Support fungiert. Ebenso ist ein sterischer Einbau des analytresponsiven Indikators in die Polymermatrix ohne kovalente Verknüpfung mit dem Polymer geeignet. Beispielhafte Matrices der Sensorschicht sind: Hydrogele, Ethylcellulose, Agarose, Polyurethan-Hydrogele. Alternativ zu einer kovalenten Verknüpfung kann der Indikator somit auch sterisch in der Sensormatrix eingeschlossen sein oder an diese adsorbiert sein.
Prinzipiell bieten sich verschiedene Design-Varianten eines auf der Kombination von Indikator-Farbstoffen mit I-III-VI QDs basierenden Testsystems an: Beispielsweise Polymerschichten, welche die betreffenden QDs sowie Indikatorfarbstoffe enthalten und Partikel, beispielsweise aus Polystyrol, PMMA oder Silica, welche die betreffenden QDs, beispielsweise AIS-QDs, enthalten, wobei die Partikel an ihrer Oberfläche kovalent gebundene Indikator-Farbstoffe aufweisen. Dabei kann die Oberfläche der Partikel eine Sensor-Schale aufweisen, bestehend aus einer Beschichtung, die sterisch gebundene oder kovalent gebundene Indikator-Moleküle enthält.
Für eine Messung von pH-Werten kommen bevorzugt Indikatoren wie Methylorange, Thymolblau, Bromthymolblau, Methylrot und Phenolphthalein in Betracht.
Der vorstehend beschriebene Fluoreszenz-Standard kann vorteilhaft verwendet werden für Anwendungen zur Ermittlung der spektralen Sensitivität von Fluoreszenzmesssystemen und als interne Referenz für ratiometrische Fluoreszenz-Sensoren, sowie als interne Lichtquelle für Fluoreszenz-Sensoren, die auf der Basis eines inneren Filter-Effektes bzw. einer Reabsorption basieren. Zusätzlich kann ein solcher Fluoreszenz-Standard in Kombination mit analytsensitiven und/oder optisch aktiven Indikator-Farbstoffen verwendet werden.
Bevor nachfolgend die Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Ferner sind die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips.
Figurenliste

1 zeigt den Einfluss einer steigenden Partikelgröße für die hier beschriebenen ternären Quantenpunkte auf die Absorption. Es ist erkennbar, dass die Absorption kontinuierlich mit der Größe der t-QDs ansteigt. Die in der Figurenlegende bezeichneten Zahlen 1, 2... bis 8 bezeichnen die Fraktion während einer Fällung der t-QDs aus ihrer Suspension durch schrittweise Erhöhung der Konzentration eines Fällungsmittels (EtOH). Die mit „8“ bezeichnete Partikelfraktion weist Partikel mit der geringsten Größe (1.5-2 nm), die mit „1“ bezeichnete Fraktion weist Partikel mit maximaler Größe (rd. 4-5 nm) auf. Die Absorption (Ordinate) wurde für Werte von 300 nm normalisiert.
2 zeigt schematisch die deutlich strukturierte Absorption für zwei beispielhaft ausgewählte Farbstoffe (Farbstoff 1 steht für Chininsulfat, Farbstoff 2 für Itrybe). Im Die Absorptionsbanden (Ordinate) wurden im Maximum normalisiert.
3 zeigt den Einfluss einer steigenden Partikelgröße für die hier beschriebenen ternären Quantenpunkte (AIS-QDs mit einer ZnS Schale) auf die Emission. Es ist erkennbar, dass die Emission kontinuierlich mit der Größe der t-QDs ansteigt. Die in der Figurenlegende bezeichneten Zahlen 1, 2, 3... bis 8 bezeichnen die Fraktion während einer Fällung der t-QDs aus ihrer Suspension durch schrittweise Erhöhung der Konzentration eines Fällungsmittels (EtOH). Die mit „8“ bezeichnete Partikelfraktion weist Partikel mit der geringsten Größe (1,5-2 nm), die mit „1“ bezeichnete Fraktion weist Partikel mit maximaler Größe (rd. 4-5nm) auf. Die Emissionsbanden wurden in Ihrem jeweiligen Maximum normalisiert.
4 zeigt schematisch die beiden, deutlich voneinander getrennten und nicht überlappenden Emissionsbanden der zwei bereits in 2 beispielhaft ausgewählte Farbstoffe (Farbstoff 1 steht für Chininsulfat, Farbstoff 2 für Itrybe). Die Fluoreszenzintensität (Ordinate) wurde für die jeweiligen Maxima normalisiert. Es wird deutlich, dass typische Farbstoffe deutlich schmalere Emissionsbanden aufweisen als t-QDs. Für eine Kalibrierung beispielsweise des UV/vis/NIR-Wellenlängenbereiches werden daher deutlich mehr unterschiedliche Farbstoffe benötigt.
5 zeigt normalisierte Absorptions- und Emissionsspektren eines hier vorgeschlagenen AIS-QDs in unterschiedlichen Matrices. Die Emissionseigenschaften des Quantenpunktes sind nahezu unabhängig von der Umgebung. Für die Anwendung in Wasser wird z.B. Glutathion als Oberflächenligand verwendet. Für organische Lösungsmittel und Polymere z.B. Oleylamin und Ölsäure.
6 zeigt die wellenlängenspezifische normierte Emission in Abhängigkeit vom Verhältnis von Ag:In in Ag-In-S bei der Synthese der mit einer ZnS-Schale ausgestatteten t-QDs. Es wird verdeutlicht, dass die spektrale Lage des Emissionsmaximums durch die Zusammensetzung der Quantenpunkte gesteuert werden kann. Dabei ergibt sich mit steigendem Ag-Anteil (z.B. von einem Ag:In-Verhältnis von 0,15:1 zu 0,3:1 eine Rotverschiebung der Emissionsspektren der QDs, während eine Erhöhung des In-Anteils zu hypsochrom verschobenen Emissionsbande führt. Die Größe der erhaltenen QDs liegt unabhängig von den eingesetzten Konzentrationen bei 2 nm - 4 nm. Dabei wird die Größe der QDs typischerweise mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestimmt. Gezeigt ist ein Synthese-Ansatz ohne Größenfraktionierung mit Mercaptopropionsäure als Ligand.
7 belegt den Einfluss des zum Capping verwendeten Liganden auf die Lage der Emissionsbande von größenfraktionierten Quantenpunkten. Der Einfluss von Mercaptopropionsäure MPA oder Glutathion (GSH), Thioglykolsäure (TGA) auf die 6. Fraktion einer Synthese wird als Beispiel verdeutlicht.
8 illustriert schematisch die Möglichkeit nach der Größenselektion, über die Wahl eines Liganden (Ligand 1: Mercaptopropansulfonsäure; Ligand 2: Mercaptopropionsäure), die Lage des Emissionspeaks zu beeinflussen. So können auch Quantenpunkte gleicher Größe aber mit unterschiedlichen Liganden als Standard für einen breiten spektral Bereich dienen.
9 zeigt normierte Emissionsspektren der Fraktionen 3, 5, 8 eines einzelnen Syntheseansatzes (graue Linien) sowie pH abhängige Absorptionsspektren eines organischen Indikatorfarbstoffes (schwarze Linien). Diese Abbildung verdeutlicht den Überlapp der Emissionsbanden der Quantenpunkte mit der pH-sensitiven Absorptionsbande des Indikatorfarbstoffes.
10 illustriert schematisch ein vorgeschlagenes Konzept der Verwendung der Quantenpunkte als interne Lichtquelle in einem Sensorsystem.

Detaillierte Beschreibung
Der Vergleich von 1 und 2 verdeutlicht den prinzipiellen Unterschied zwischen Quantenpunkt- und Farbstoffabsorption. Quantenpunkte zeigen eine nur geringe Verschiebung der Absorptionsbande mit steigender Größe. Im Gegensatz dazu zeigen unterschiedliche Farbstoffe deutlich getrennte Absorptionsbanden. Die Verwendung von Quantenpunkten erlaubt es daher, bei Anregung mit nur einer Wellenlänge eine sehr breite Emission auch von unterschiedlich großen Quantenpunkten zu erzeugen.
Der Vergleich von 3 und 4 verdeutlich den prinzipiellen Unterschied zwischen Quantenpunkt- und Farbstoffemission. Als chemische Transfernormale (4) werden bisher organische Farbstoffe in Lösung verwendet mit Bandbreiten der Emission von typischerweise maximal 85 nm (z.B. Halbwertsbreite des spektralen Standards Chininsulfat mit einer für einen organischen Farbstoff extrem breiten Emission: 450 nm, Emissionsbande von 415 nm bis 500 nm (FWHM)) im sichtbaren Spektralbereich und im langwelligen Spektralbereich > 700 nm von maximal 80 nm (Emissionsmaximum von Itrybe: 764 nm; Emission von 730 nm bis 810 nm (FWHM) in Ethanol). Daher müssen typischerweise mehrere dieser Farbstoffe kombiniert werden. Im Vergleich dazu bieten Quantenpunkte ( 3) breite Emissionsbanden, selbst für größenfraktionierte Quantenpunkte, so können aus einer Synthese Standards für einen breiten Spektralbereich gewonnen werden. Das Beispiel zeigt das Emissionsmaximum der kleinsten Quantenpunkte um 450 nm mit einer Bandenbreite von 120 nm und das Maximum der größten Quantenpunkte bei 800 nm mit einer Bandenbreite von 200 nm.
5 verdeutlicht die Möglichkeit Quantenpunkte direkt nach der Synthese in unterschiedliche Matrices einzubauen und als Standard zu verwenden. Ohne Größenfraktionierung zeigen die Quantenpunkte sehr geringe Änderungen ihrer spektralen Eigenschaften, so dass aus der gleichen Synthese Standards in unterschiedlichen Formen in unterschiedlichen Matrices mit vergleichbaren optischen Eigenschaften produziert werden können. 6 verdeutlicht die Möglichkeit der Steuerung der Lage des Emissionsmaximums ternärer Quantenpunkte allein durch Variation der Zusammensetzung während der Synthese. 7 verdeutlicht die Möglichkeit der Feinsteuerung der Lage des Emissionsmaximums ternärer Quantenpunkte durch Größenselektion nach der Synthese und dem Einsatz unterschiedlicher Liganden wie z.B. Mercaptopropionsäure (MPA) oder Glutathion (GSH), Thioglykolsäure (TGA). Dieser Einfluss ist abhängig von der Größe der Quantenpunkte wie es in 8 verdeutlicht wird.
9 verdeutlicht den Überlapp der Emissionsbanden der Quantenpunkte mit der pH-sensitiven Absorptionsbande eines Indikatorfarbstoffes. Durch geeignete Wahl des Quantenpunktes lässt sich so ein Sensorsystem aufbauen dessen Funktionsweise in 10 a) beispielhaft veranschaulicht ist. Die in eine Matrix eingebetteten Quantenpunkte werden zur Lumineszenz angeregt und emittieren ein ungestörtes Spektrum (vgl. 10 b)). Die von der Quantenpunktschicht abgestrahlten Photonen werden in der Sensorschicht teilweise absorbiert. Die Absorption der Sensorschicht ist dabei abhängig von der Analytkonzentration (vgl. 10 c)). Das transmittierte Spektrum ist in dem Überlappbereich von Quantenpunktemission und Indikatorabsorption gestört, unterscheidet sich damit zum ungestörten Spektrum proportional der Analytkonzentration (vgl. 10 d)). Der Quotient der Signalintensität in dem gestörten Emissionsbereich (Bereich 1 in 10 d)) und dem ungestörten Emissionsbereich (Bereich 2 in 10 d)) ermöglicht durch den Vergleich mit einer Kalibrierfunktion die Ermittlung der Analytkonzentration. Alternativ können Lichtquelle und Sensorschicht auch in einer einzelnen Schicht kombiniert werden. Quantenpunkte und ein analytsensitiver Farbstoff (siehe z.B. [0061]) werden dafür zusammen in eine Schicht einer geeigneten Matrix eingebettet (siehe z.B. [0059], [0080], [0082]). Die Absorption erfolgt durch einen sogenannten inneren Filtereffekt.
Insbesondere erfolgt erfindungsgemäß die Charakterisierung und Kalibrierung von optischen, spektral auflösenden Messsystemen mit einem Fluoreszenzstandard, der bei nur einer Wellenlänge angeregt wird, die flexibel wählbar ist. Der Standard kann in seiner Form und Fluorophorkonzentration (und damit Helligkeit) an das Messsystem bzw. Messproblem angepasst werden. So können z.B. Polymerstandards hergestellt werden, indem die erfindungsgemäßen Halbleiterquantenpunkte mit einer hydrophoben Oberfläche (also mit hydrophoben Oberflächenliganden) in Polymere wie z.B. PMMA eingebaut werden, um daraus z.B. Schichten und Polymer-Blöcke in Küvettenform herzustellen. In flüssiger Form können Standards in verschiedenen Formaten (Küvette, Mikrotiterplatte, mikrofluidischer Chip) verwendet werden. Außerdem können die erfindungsgemäßen Quantenpunkte in Mikropartikel eingebaut werden mittels Einpolymerisations- oder Einquellprozeduren oder als Beschichtung mittels Layer-by-Layer-Coating verwendet werden.
Das von dem Messsystem detektierte spektral aufgelöste Signal wird anschließend mit einem bereitgestellten geräteunabhängigen Referenzspektrum verglichen, um eine Kalibrierfunktion zu erstellen oder Abweichungen in der Kalibrierung bei regelmäßigen Gerätefunktionskontrollen festzustellen und dann zu korrigieren. Analog können diese Quantenpunkt-Systeme als interne Referenzen zur Signalreferenzierung verwendet werden. Auch das ist in verschiedenen Formaten realisierbar, wobei hier neben der breitbandigen Emission auch die Quantenpunkt-inhärente Eigenschaft der bei allen Wellenlängen unterhalb der Bandkante flexibel anregbaren Emission ausgenutzt wird.
Für die Herstellung von Reabsorptions-basierten Multianalyt-Sensoren können z.B. Schichtsysteme mit einer Quantenpunkte-Schicht als interne breitbandige Lichtquelle mit Sensorschichten kombiniert werden, die analytsensitive Indikatorfarbstoffe enthalten, welche im Spektralbereich der Emission des Quantenpunktes absorbieren und z.B. ihre Absorptionsfarbe bei Wechselwirkung mit dem Analyten ändern. So können AIS QDs beispielsweise in eine Polymerschicht integriert werden und dann durch eine entsprechende Beleuchtung zur Emission angeregt werden. Wenn nun über der Polymerschicht mit den AIS QDs eine Fließzelle mit verschiedenen Indikator-Sensor-Schichten angeordnet ist, wirken die QDs ihrerseits als breitbandig emittierende Lampe.
Analog werden Sensorpartikel vorgeschlagen, die ein Quantenpunkt-dotiertes Mikropartikel umfassen, das an seiner Oberfläche mit verschiedenen Indikatorfarbstoffen funktionalisiert ist oder diese in einer äußeren analyt-sensitiven (Sensor-)Schicht enthält.
Als interne Lichtquelle wird im vorliegenden Zusammenhang ein leuchtender Quantenpunkt, z.B. eingebaut in eine Polymerschicht, verstanden, der mit einer externen Anregungslichtquelle einer definierten Wellenlänge zur Emission angeregt wird. Die Intensität der Emission dieser QD-Lichtquelle kann erfindungsgemäß durch die Absorption eines Indikatorfarbstoffes moduliert werden. Das kann zur Analyt-Sensorik eingesetzt werden.
Hierbei sind auch unterschiedliche Beleuchtungskonfigurationen möglich, inklusive einer seitlichen Anregung und Ausnutzung von Lichtleiter-Effekten.
Erfindungsgemäß wird mithin vorgeschlagen, die spezifizierten Cadmium-freien ternäre Quantenpunkte, die eine sehr breite Emissionsbande aufweisen, in bzw. als frei formbare(n) („formvariablen“) Emissionsstandard zu verwenden. Ein solcher Emissionsstandard deckt bei einer einzigen, frei wählbaren Anregungswellenlänge einen extrem breiten Spektralbereich ab. Die spezifizierten Quantenpunkte zeigen aufgrund ihrer langen Fluoreszenzlebensdauern im Bereich von einigen hundert Nanosekunden eine sehr geringe Emissionsanisotropie, so dass ihre Fluoreszenzintensitäten bzw. die detektierten Emissionsspektren unabhängig von den Polarisationseigenschaften des Detektionssystems sind. Damit können sie ohne Polarisatoren selbst für die Überprüfung und Kalibrierung auch sehr preiswerter Fluoreszenzmessgeräte, die keine Polarisatoren enthalten, eingesetzt werden. Die bezeichneten Materialien können zudem bei allen Wellenlängen, die kürzer als die Bandkante sind, flexibel zur Emission angeregt werden, so dass sie in Kombination mit weitestgehend frei wählbaren Lichtquellen eingesetzt werden können. Dies ist bisher mit allen anderen Emittern so nicht möglich.
Aufgrund ihrer sehr hohen Quantenausbeuten im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich mit Werten von 50-70% sind zudem nur sehr geringe Materialmengen notwendig und auch sehr dünne mit diesen ternären Quantenpunkte (t-QDs) dotierte Schichten liefern noch ein ausreichend großes Emissionssignal. Dies ist bisher mit allen anderen Emittern so auch nicht möglich. Zudem streuen diese t-QDs aufgrund ihrer sehr geringen Partikelgröße < 10 nm kein sichtbares Licht.
Dies macht diese Materialien einzigartig für die hier vorgeschlagenen Anwendungen als Fluoreszenzstandards, als interne Referenzmaterialien und als interne Lichtquellen für Reabsorptions-basierte Sensorsysteme.
Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Materialien ergeben sich daraus, dass mit einer Messung ein Fluoreszenzmesssystem wie ein Fluoreszenzspektrometer in einem extrem breiten Wellenlängenbereich von 400-1000 nm unter für typische Proben eingesetzten Messbedingungen kalibriert werden kann.
Quantenpunkte sind im Vergleich zu organischen Fluorophoren sehr bestrahlungs- bzw. photostabil und ermöglichen eine weitestgehend freie Wahl der Anregungswellenlänge. Durch einen Austausch der Liganden an der Oberfläche kann die Dispergierbarkeit der Quantenpunkte gesteuert werden. Damit können dieselben Quantenpunkte je nach Oberflächenchemie in unterschiedlichen Matrices verwendet werden wie z.B. in verschiedenen organischen Polymeren, wie z.B. PMMA, in organischen Lösemitteln oder in wässrige Umgebungen sowie in Hydrogelen oder auch in Silica-Materialien unterschiedlicher Porosität und Form. Es wurden Methoden zum Ligandenaustausch entwickelt (siehe [0099]), die diese Flexibilität in der Dispergierbarkeit unter Beibehaltung der optischen Eigenschaften ermöglichen. Durch Variationen der Synthesebedingungen, insbesondere über die Variation der molaren Verhältnisse der Reaktionspartner wird die Partikelzusammensetzung, über die Wahl spezifischer Fällungsmittel und deren Konzentration wird die Partikelgröße der Quantenpunkte gezielt verändert. So kann die Lage der Emissionsbande durch Synthesebedingungen und Größenselektion auf einen gewünschten Wert eingestellt werden wie in den 3, 6, 7, 8 illustriert. Dies ermöglicht die Verwendung weniger unterschiedlicher Materialien mit identischer oder sehr ähnlicher Oberflächenchemie. Durch eine größenselektive Fraktionierung mittels größenselektiver Präzipitation können im Falle der ternären QDs aus einem Synthese-Ansatz auch QDs mit variierenden optischen Eigenschaften gewonnen werden. Durch die sehr geringe Emissionsanisotropie sind diese ternären Quantenpunkte auch geeignet für die Kalibration von Messsystemen ohne Polarisator.
Die breiten Emissionsbanden in Kombination mit den hohen Quantenausbeuten, nahezu unabhängig von der QD-Umgebung, und der flexibel für hydrophobe und hydrophile Matrices über die Wahl geeigneter Oberflächenliganden einstellbaren Dispergierbarkeit der ternären Quantenpunkte zusammen mit ihrer geringen Größe von typischerweise 2-4 nm oder < 10 nm, die im sichtbaren Licht keine Streuung zeigen, sind ideal für die Realisierung von Reabsorptions-basierten Sensor-Systemen.
Mit anderen Worten kann der Erfindungsgegenstand wie folgt umrissen werden:

1) Verwendung Cd-freier Quantenpunkte;
2) Breitbandige Emission zwischen ca. 400-1000 nm mit Quantenausbeuten, die möglichst > 20% und bevorzugt > 50 % in hydrophober und in hydrophiler flüssiger und in hydrophober und in hydrophiler fester Umgebung sind;
3) Bei allen Wellenlängen < Bandkante anregbar zur Emission; als optische Bandkante wird hier die Energie bzw. Wellenlänge verstanden, bei der die Absorption des QDs einsetzt. Dieser Wert ist bei QDs abhängig von der Größe und Materialzusammensetzung. Die optische Bandkantenenergie („optical bandgap“ E_g) kann z.B. als zweite Ableitung der Absorptionsspektren ermittelt werden.
4) Werden die t-QDs in ein eine Matrix eingebettet ist der resultierende spektrale Standard form- bzw. formatvariabel, kann also eine Platte, einen Zylinder in Form einer gängigen Messküvette oder andere jeweils geeignete Formen geeigneter Größe umfassen;
5) In fester und/oder flüssiger Form verwendbar;
6) Lange Lumineszenzlebensdauer im Bereich bis ca. 1000 ns ist ideal für Lebensdauerbasierte Kodierungen, Multiplexing und time-gated Emission sowie für Donatoren in Energietransfer-basierten Sensor- und Reportersystemen geeignet;
7) Die nach den Ausführungsbeispielen hergestellten t-QDs zeigen eine sehr geringe Fluoreszenzanisotropie < 0,02 in flüssigen und festen hydrophoben und hydrophilen Umgebungen bzw. Matrices;
8) Breite Emissionsbanden der verwendeten Quantenpunkte für den Einsatz als interne Lichtquelle für reabsorptionsbasierte Sensorsysteme;
9) Steuerung der optischen Eigenschaften über Materialzusammensetzung, Größe und Dotierung.

Ausführungsbeispiele
Die Ag-In-S-Kerne, auch als AIS-QD-Kerne bezeichnet, wurden in Wasser unter Verwendung einer mikrowellenunterstützten Synthese in unterschiedlichen molaren Verhältnissen der Reaktanden AgNO₃, InCl₃ und Na₂S unter Verwendung verschiedener Capping-Liganden, wie Mercaptopropionsäure (MPA), Mercaptopropansulfonsäure (MPSA) oder 3-Mercapto-1-Propansulfonsäure-Natriumsalz, Glutathion (GSH) und Thioglykolsäure (TGA) synthetisiert. Nachfolgend wird eine exemplarische Beschreibung einer typischen Mikrowellen-gestützten Synthese gegeben.
Für die Kernsynthese (siehe dazu auch: J.X. Soares et al. (2019) „Rationally Designed Synthesis of Bright AgInS₂/ZnS Quantum Dots with Emission Control“) wurden in einem Gefäß mit z.B. 15 ml Wasser z.B. 300 µL AgNO₃ (0,1 M), 740 µL des gewählten Liganden (1M)(Mercaptopropionsäure (MPA), Glutathion (GSH), Thioglykolsäure (TGA), Mercaptoessigsäure (MAA) oder Mercaptopropansulfonsäure (MPSA)), 180 µL Zitronensäure (2M), 190 µL NH₄OH (25 %) und 140 µL InCl₃ (1M) in HNO₃ (0,1M) unter Rühren bei pH 8,8 gemischt und dann 140 µL Na₂S (1M) unter schnellem Rühren zugesetzt, wobei alle Komponenten in wässriger Lösung vorliegen. Das Gemisch wurde in der Mikrowelle 50 Minuten lang bei 100°C erhitzt. Die Wahl des Reaktionsvolumens ist von der verwendeten Syntheseapparatur abhängig und kann abweichen.
Zum Aufwachsen der Schale, das zu AIS/ZnS QDs führt, wurde Zn(OAC)₂ verwendet. Nachfolgend wird eine exemplarische Beschreibung eines typischen Verfahrens zur Synthese der Schale gegeben.
Zum Aufwachsen der Schale wird nach Vorliegen der Kerne der 140 µL Lösungsligand (1M) (z.B. Mercaptopropionsäure (MPA), Glutathion (GSH), Thioglykolsäure (TGA), Mercaptoessigsäure (MAA), oder Mercaptopropansulfonsäure (MPSA)), 140 µL NH₄OH (25%) und 140 µL ZnNO₃ (1M in 0.01M HNO₃) hinzugefügt und 30 Minuten auf 100°C erhitzt. Die Lösung wird dann durch Rotationsverdampfung bei 50°C und 59 mbar Druck zu reinen Roh-QDs konzentriert und in Milli-q Wasser dispergiert. Siehe dazu: J.X. Soares et al. (2019) „Rationally Designed Synthesis of Bright AgInS₂/ZnS Quantum Dots with Emission Control“.
Bei der abschließend vorgenommenen Größenauswahl mittels Fällung durch Isopropanol wurden 7 bis 12 Proben/Charge in wässrigem Isopropanol getrennt voneinander gesammelt. Sollen die t-QDs in ein organisches Lösungsmittel transferiert werden, um sie letztlich in ein (hydrophobes) Polymer einzubetten, wird zunächst ein Ligandenaustausch wie weiter unten beschrieben vorgenommen und anschließend die Größenauswahl durch Fraktionierung mit Ethanol (EtOH) als bekanntermaßen schlechtem Lösungsmittel für die QDs vorgenommen. EtOH induziert die Präzipitation dieser QDs. Es können aber auch andere Alkohole, beispielsweise i-PrOH, verwendet werden.
Die vorstehend beschriebene Kapselungsprozedur (Aufwachsen der Schale) führt zu einer dünnen Schale und möglicherweise zu einer gewissen Kationenvermischung und Bildung von t-QDs, die mit einer ZnS-Schale bedeckt sind. Die Oberflächenliganden aus der Synthese in Wasser bleiben als Oberflächenliganden erhalten.
Ligandentausch: Für die Einarbeitung der t-QDs in ein Polymer muss der hydrophile Oberflächenligand (ein Thiol) gegen einen hydrophoberen Liganden ausgetauscht werden, um die AIS/ZnS QDs in einem apolaren Lösungsmittel wie Toluol, Hexan oder Cyclohexan dispergierbar zu machen. Hierzu wurden die Liganden Oleylamin und Ölsäure verwendet. Nachfolgend wird beispielhaft die Beschreibung eines typischen Ligandenaustauschverfahrens gegeben. 10 ml einer wässrigen Lösung der QDs werden mit einer Lösung aus 10 ml Toluol, 10 ml Oleylamin, 2,5 ml Ölsäure und 2,5 ml Ethanol vermischt. Diese Mischung, die beginnende Aggregation and Präzipitation der QDs zeigt, wird aufgegeschüttelt und für 10 Minuten bei 9000 U/min zentrifugiert.
Die nun in Toluol dispergierten QDs werden abgenommen und in zwei Lösungen zu je 15 ml aufgeteilt. Beiden Lösungen werden 20 ml Ethanol zugesetzt. Die beiden Mischungen werden erneut für 10 Minuten bei 9000 U/min zentrifugiert und der Überstand wird verworfen. Die resultierenden oberflächenmodifizierten QDs sind dann problemlos in Toluol dispergierbar und können einem Monomergemisch zugesetzt werden, sodass nach Polymerisation des betreffenden Monomergemischs ein Polymer mit darin eingebetteten und homogen verteilten t-QDs vorliegt.
Alternative Liganden, d.h. Mittel zur Modifizierung der Oberfläche der Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel - entweder mittels Adsorption, Physisorption, kovalenter Anbindung und/oder ionischer Wechselwirkung - zur Bereitstellung von QD-Dispersionen in organischen Lösungsmitteln und Monomeren/Polymeren sind z.B. 1-Dodecanthiol, Trioctylphosphinoxid, Trioctylphosphin, Oleylamin und/oder Ölsäure.
Beispiele für Emissionsfarben, die bei bestimmten Reagenzienverhältnissen erreicht wurden, sind den Emissionsspektren in 3 und 6 zu entnehmen.
Gemäß vorstehend beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen wird somit vorgeschlagen, ein cadmiumfreies Nanopartikel, das einen ternären I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) umfasst, als spektralen Fluoreszenzstandard, zur Signalreferenzierung, als internen Standard, als interne Lichtquelle für Sensormaterialien bzw. optische Messanordnungen, und/oder in Kombination mit einem bei Analyt-Kontakt fluoreszierenden Indikatormolekül in einer analytsensitiven Schicht zu verwenden, wobei der t-QD direkt oder mit einer Schale bzw. Oberflächenpassivierung versehen, vorliegt, wobei die Schale bzw. Oberflächenpassivierung zumindest eines von ZnS, ZnSe und ZnTe umfasst, und wobei I ausgewählt ist unter: Ag, Cu und Hg; III ausgewählt ist unter Al, Ga, In und Tl; und VI ausgewählt ist unter S, Se und Te.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.

Claims

Optische Sensoranordnung zum fluoreszenzbasierten Nachweis eines Analyten, umfassend: - einen I-III-VI Quantenpunkt, der nach Anregung mit Hilfe einer externen Energiequelle ein Fluoreszenzlicht emittiert, wobei - I ausgewählt ist unter: Ag, Cu und Hg; - III ausgewählt ist unter Al, Ga, In und Tl; und - VI ausgewählt ist unter S, Se und Te; - ein potentiell fluoreszierendes Indikatormolekül, das eine Sensitivität gegenüber dem Analyten aufweist; und - eine externe Energiequelle, wobei die externe Energiequelle ausgewählt ist unter einer elektrisch betreibbaren Lichtquelle und einer mittels elektrochemischer Anregung zur Lumineszenz anregbaren Lichtquelle; wobei das von dem I-III-VI Quantenpunkt emittierte Fluoreszenzlicht zumindest teilweise von dem potentiell fluoreszierenden Indikatormolekül absorbiert wird, und ein von dem potentiell fluoreszierenden Indikatormolekül abgegebenes Fluoreszenzlicht erfassbar ist, sodass der Analyt qualitativ, quantitiv oder zumindest semiquantitativ bestimmbar ist.
Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei das potentiell fluoreszierende analytsensitive Indikatormolekül kovalent mit dem Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel verknüpft ist.
Optische Sensoranordnung nach Anspruch 2, wobei zumindest zwei verschiedene absorbierende und potentiell fluoreszierende analytsensitive Indikatormoleküle mit dem Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel kombiniert sind durch eine Einbettung in verschiedene und zueinander benachbarte Schichten oder kovalent mit dem Kern- oder Kern/Schale-Nanopartikel verknüpft sind.
Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 3, wobei der Analyt ausgewählt ist unter: einem Proton, einem Na⁺, einem K⁺, einem Ca²⁺, einem Mg²⁺, einem Zucker, einem Protein, einem Peptid, einer Aminosäuresequenz, einem Lipid, einem Glycolipid, einem Steroid, einem Hormon, einem Phospolipid, einer Sialinsäure, einer Nukleinsäure, einem Oligonukleotid, einer Sauerstoff-reaktiven Spezies, einem NO, einem Potential oder einer Polarität. wobei der ternäre I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) von einer Schale umgeben ist und somit ein Kern/Schale-Nanopartikel umfasst, wobei die Schale zumindest eines von ZnS, ZnSe und ZnTe umfasst.
Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei - III ausgewählt ist unter In; - VI ausgewählt ist unter S; und die den Kern umgebende Schale ZnS umfasst.
Optische Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - I ausgewählt ist unter Ag und Cu.
Optische Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche des ternären I-III-VI Quantenpunkts (t-QD) oder eine den I-III-VI Quantenpunkt umgebende Schale einen Liganden umfasst, der ausgewählt ist unter: Glutathion, Thioglycolsäure, Cystein-Glycin, Acetylcystein, Ethylthiol, Dihydroliponsäure (DHLA), 1-Dodecanthiol, Trioctylphosphinoxid (TOPO), Trioctylphosphin (TOP), einem langkettigen Amin, insbesondere Oleylamin, und einer langkettigen Säure, insbesondere Ölsäure.
Optische Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der ternäre I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) einen mittleren arithmetischen Durchmesser, ermittelt durch Transmissionselektronenmikroskopie, in einem Bereich von 0,5 - 10 nm, bevorzugt in einem Bereich von 2 - 4 nm, aufweist, oder, wenn der ternäre I-III-VI Quantenpunkt (t-QD) von einer Schale umgeben ist, ein resultierendes Kern/Schale-Nanopartikel einen mittleren arithmetischen Durchmesser, ermittelt durch Transmissionselektronenmikroskopie, von 2 - 30 nm, bevorzugt von 2-6 nm, aufweist.
Verwendung einer Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zur Signalreferenzierung bei einer Fluoreszenzmessung und/oder als interner Standard in einer Fluoreszenzmessanordnung und/oder zur Ermittlung einer spektralen Empfindlichkeit eines Fluoreszenzmesssystems.