EP2616521A1 - Photostimulierbare partikelsysteme, verfahren zu deren herstellung sowie verwendungszwecke - Google Patents

Photostimulierbare partikelsysteme, verfahren zu deren herstellung sowie verwendungszwecke

Info

Publication number
EP2616521A1
EP2616521A1 EP11758394.8A EP11758394A EP2616521A1 EP 2616521 A1 EP2616521 A1 EP 2616521A1 EP 11758394 A EP11758394 A EP 11758394A EP 2616521 A1 EP2616521 A1 EP 2616521A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nanoparticles
nanoparticle
groups
molecules
nanoparticles according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11758394.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sofia Dembski
Carsten Gellermann
Albrecht Winnacker
Andres Osvet
Miroslaw Batentschuk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2616521A1 publication Critical patent/EP2616521A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/02—Use of particular materials as binders, particle coatings or suspension media therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00—Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/28—Compounds of silicon
    • C09C1/30—Silicic acid
    • C09C1/3045—Treatment with inorganic compounds
    • C09C1/3054—Coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/57—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing manganese or rhenium
    • C09K11/572—Chalcogenides
    • C09K11/574—Chalcogenides with zinc or cadmium
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3937—Visible markers
    • A61B2090/3941—Photoluminescent markers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50—Solid solutions
    • C01P2002/52—Solid solutions containing elements as dopants
    • C01P2002/54—Solid solutions containing elements as dopants one element only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04—Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/30—Particle morphology extending in three dimensions
    • C01P2004/32—Spheres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/62—Submicrometer sized, i.e. from 0.1-1 micrometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/64—Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer

Definitions

  • the invention relates to stimulable, in particular photostimulable particle systems and their use as luminescent markers for biological and medical diagnostics, as optically detectable diffusion probe or as a substrate for the production of security systems, as a marker for the detection of plagiarisms and / or originals.
  • Luminescent nanoparticles have great potential for application due to their optical properties. They provide a basis for numerous analytical methods in the field of biology and medical diagnostics or are used to produce security systems for the detection of plagiarism and / or originals. There are different materials available such. B. with organic dyes doped particle systems Base of polymers or oxidic materials, semiconductor NP (Quantum Dots, QDs) or NP based on inorganic phosphors doped with
  • the stimulating light and the fluorescence are effective at the same time.
  • the signal is weakened by stray light.
  • the particle systems should be stimulated to stimulated emission by illumination with a targeted light pulse, which may preferably also be in the infrared light range, so that the originally stored energy of such particles can be selectively retrieved when needed.
  • This object is related to the nanoparticle with the features of claim 1, with respect to a
  • Nanoparticle system containing a plurality of particles according to the invention having the features of claim 11, relating to a method for producing a corresponding nanoparticle system having the features of claim 12 and with respect to possible
  • a nanoparticle which can be converted into an electronically charged state by supplying energy and can be induced to emit electromagnetic radiation by means of stimulation by electromagnetic radiation.
  • nanoparticles according to the invention are distinguished by the fact that, after being charged with light having a wavelength between 100 and 800 nm, with
  • X-ray and / or electron beams emitted by stimulated emission by a light pulse having a wavelength between 500 and 1600 nm photons with a wavelength between 400 and 1300 nm.
  • the duration of the light pulse which can be used for stimulated emission and for retrieving the light energy stored in the charged particle, can be very short, eg approx . 1 or less (A. Winnacker, "X-ray Imaging with
  • the stimulated emission can be used, for example, by using a laser pulse wherein the energy density of the stimulation laser is about 100 ⁇ / cm 2 or less (R. Schrisoning, R. Fasbender, P. Kersten, New High Speed Scanning Technique for Computed Radiography, Proc. SPIE 4682 (2002) 511-520), which provides tremendous advantages over the
  • the particle is characterized by energy storage and thus enabling a time shift between excitation (charge) and detection necessary for background-free detection.
  • excitation charge
  • detection detection necessary for background-free detection.
  • Markers that have been charged by exposure to ultraviolet or blue light, or an x-ray pulse prior to examination are marked. Stimulation of the sample with red or infrared (IR) light after minutes or even hours will cause emission in the visible or near-infrared region, ie shorter wavelengths than the excitation light wavelengths. This allows observations of development and transport processes in biological objects over a longer period of time. A specific area can be irradiated with the focused UV or blue light or electron beam, and the charged markers can be detected.
  • the photostimulable phosphors have convincing advantages here: the total stored energy (or, if necessary, only a part of it) can, at the desired later time, be retrieved with an infrared pulse.
  • NK nanocrystals
  • the so-called “blinking" of NKs provides an indication of the possibility of charge separation and trapping: with a constant excitation, the luminescence of some NKs is lost, and after some time, it re-emerges.It is known that NKs are charged for During optical excitation, NKs form electron-hole pairs whose recombination leads to light emission.
  • the spatial separation of charge carriers can be improved by the use of two-component semiconductor systems.
  • Core / shell particles have been designed for a variety of purposes including solar cells and photocatalysts.
  • the generated electrons are accumulated in the semiconductor where the conduction band is deeper, the holes become in the valence band of the other
  • Electron / holes also feasible on the nanoscale.
  • the targeted nanomarkers will be concerned with bringing these stored charge carriers to radiative recombination thermally or optically (PSL).
  • the nanoparticles Zn 2 Si0 4 : Mn 2+ considered as an example here obviously have intrinsic traps, which can store charge carriers at room temperature.
  • the traps can be charged with UV light and emptied with red light. This produces the green emission of Mn 2+ .
  • the charging spectrum showed a maximum around 260 nm, which corresponds to an electronic transition from the ground state of the Mn 2+ ion to the conduction band (photoionization).
  • the half life ti 2 of the spontaneous decay of the charged state is at least 1 second, preferably at least 1 minute, particularly preferably at least 30 minutes.
  • Preferred embodiments provide that the transfer into the electronically charged state takes place by means of electromagnetic radiation, preferably by electromagnetic radiation having a wavelength between 100 and 800 nm, in particular UV radiation, and / or by X-radiation and / or by electron beams.
  • the radiation used to stimulate the emission may have a wavelength between 200 to 2000 nm, preferably between 400 to 1600 nm.
  • the wavelength of the emission is preferably between 200 to 4000 nm, preferably 400 to 1600 nm.
  • Preferred particle sizes are between 2 to 1000 nm. It is further preferred if the nanoparticle is present as a core-shell nanoparticle. Likewise, however, there is the possibility that the nanoparticle is designed as a "full particle”.
  • a stimulable nanoparticle which can be converted into an electronically charged state by light of a wavelength between 100 and 800 nm and / or with X-rays or electron beams, and by a light pulse can be excited with a wavelength of photons between 500 and 1600 nm for the emission of light of a wavelength between ⁇ 400 and 1300 nm.
  • a stimulable nanoparticle is further provided,
  • silica a compound selected from the group consisting of silica, silicates, vanadates, tungstates, phosphates, oxides, sulfides, sulfates, aluminates and / or halides, such. Fluorobromides, a first main group, transition or
  • 290 nm preferably between 10 and 260 nm, more preferably between 10 and 50 nm or 75 and 260 nm.
  • the above-mentioned compound may include main group, transition or lanthanide metals of all the groups of the Periodic Table of the Elements.
  • To the compounds of a first main group metal Thus, among others, Ca and Sr compounds are to be counted.
  • the second grade of transition metal or lanthanide metal ions used for the doping is selected from the group consisting of Pb 2+ , Mn 2+ , Cu + , Dy 3+ , Sm 3+ , Eu 2+ , Eu 3+ , Tb 3+ , La 3+ , Ce 3+ , Pr 3+ , Nd 3+ , Gd 3+ , Ho 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Yb 3+ , Lu 3+ and / or Combinations of this.
  • the compound forming the core and / or the shell-forming compound or the shell-forming compound is independently selected from the group consisting of MgSiO 3 , Zn 2 SiO 4 ,
  • doped materials are suitable as a constituent of the core and / or the shell or as the total material of the core and / or the shell:
  • NaGd (W0 4 ) 2 Eu 3+
  • CaW0 4 Eu 3+ / Tb 3+
  • YV0 4 Eu 3+
  • Y 2 0 3 Eu 3+
  • GdV0 4 Eu 3+
  • CaP0 4 Ce 3+ / Tb 3+
  • ZnS Cu 1+ / Pb 2+
  • CaS Eu 2+ / Sm 3+
  • BaFBr Eu 2+
  • ZnMgSi 2 0 6 CaMgSi 2 0 6 and MgSi0 3
  • the last three mentioned silicates are doped with manganese, europium or dysprosium ions and Sr 2 MgSi 2 0 7 , which is doped with europium and / or dysprosium ions
  • the silicate Ca 0 , 2 Zn 0 , 9 g 0 , 9Si 2 0 6 doped with Eu 2+ , Dy 3+ and / or Mn 2+ .
  • CaS Ln (with Ln, Ce, Sm, Eu), Silicates Zn 2 Si0 4 doped with Mn or Lnl, Ln2 (with Ln (l, 2): Ce 3+ , Eu 3+ , Tb 3+ , Sm 3+ , as an alternative
  • ZnS Cu, Pb and different calcium phosphates.
  • luminescent materials which are suitable for core and / or shell are, for example: (very hygroscopic); CsI: Tl; CsI: Na; LiF: Mg;
  • BaMgAli 0 Oi 7 Eu
  • BaMgAl 2 0 3 Eu
  • Ba 2 P 2 O 7 Ti
  • MgSiO 3 Mn; 3.5MgO x 0.5MgF 2 x Ge0 2 : Mn; MgW0 4 : Sm;
  • MgW0 4 Pb; 6MgO x As 2 0 5 : Mn; (Zn, Mg) F 2 : Mn; (Zn 4 Be) S0 4 : Mn; Zn 2 Si0 4 : Mn; Zn 2 Si0 4 : Mn, As; Zn 3 (PO 4 ) 2 : Mn; CdB0 4 : Mn;
  • (Ca, Sr) S Bi; CaW0 4 : Pb; CaW0 4 : Sm; CaSO 4 : A (A Mn, lanthanide); 3Ca 3 (PO 4 ) 2 x Ca (F, Cl) 2 : Sb, M n ; CaSiO 3 : Mn, Pb; Ca 2 Al 2 Si 2 O 7 : Ce; (Ca, Mg) Si0 3: Ce; (Ca, Mg) Si0 3 : Ti; 2SrO x 6 (B 2 O 3 ) x SrF 2 : Eu; 3Sr 3 (PO 4 ) 2 CaCl 2 : Eu; A 3 (P0 4 ) 2
  • Gd 2 0 2 S Tb
  • Gd gB 5 Oi 0 Ce, Tb
  • LaOBr Tb
  • La 2 0 2 S Tb
  • CaCJ 2 Eu; CaCJ 2 : Eu-Si0 2 ; CaCJ 2 : Eu, Mn-Si0 2 ;
  • CaJ 2 Eu
  • CaJ 2 Eu, Mn
  • KMgF 3 Eu
  • SrF 2 Eu (II)
  • RbBr Ga, CsBr: Ga, RbBr: Eu 2+, CsBr: Eu 2+,
  • BaS0 4 Eu, Mn; CaSO 4 ; CaS0 4 : Eu; CaSO 4 : Eu, Mn; and mixed alkaline earth sulfates, also in combination with magnesium, eg Ca, MgS0 4 : Eu, Mn. 3. phosphates and halophosphates: eg CaP0 4 : Ce, Mn; Ca 5 (PO 4 ) 3 Cl: Ce, Mn; Ca 5 (PO 4 ) 3 F: Ce, Mn; SrP0 4 : Ce, Mn; Sr 5 (PO 4 ) 3 Cl: Ce, Mn; Sr 5 (PO 4 ) 3 F: Ce, Mn; the latter also codoped with Eu (II) or codoped with
  • Bai 0 (PO 4 ) 6 Cl Eu, Mn
  • Ca 2 Ba 3 (P0 4 ) 3 C1 Eu
  • CaB 2 P 2 O 9 Eu
  • CaB 2 P 2 O 9 Eu
  • Ca 2 P 2 O 7 Eu
  • Ca 2 P 2 O Eu, Mn;
  • LaP0 4 Ce; CeP0 4 ; LaP0 4 : Eu; LaP0 4 : Ce; LaP0 4 : Ce, Tb;
  • Zn 3 (PO 4 ) 2 Mn 2+ (Zn 3 (PO 4 ) 2 : Mn 2+ , Al 3+ Zn 3 (PO 4 ) 2 : Mn + , Ga 3+ Sr 3 (PO 4 ) 2 : Eu 2+ , Sr 5 (P0 4 ) 3 : Eu 2+ , Sr 2 P0 4 : Eu 2+
  • YB0 3 Ce; Ca 2 B 5 0 9 Cl: Eu; xEuO x yNa 2 0 x eg 2 0 3 .
  • Vanadates eg YV0; YV0 4 : Eu; YV0 4 : Dy; YV0 4 : Sm;
  • YV0 4 Bi; YV0 4 : Bi, Eu; YV0 4 : Bi, Dy; YV0 4 : Bi, Sm;
  • YV0 4 Tm; YV0 4 Bi, Tm; GdV0 4 ; GdV0 4 : Eu; GdV0 4 : Dy;
  • GdV0 4 Sm; GdV0: Bi; GdV0 4 : Bi, Eu; GdV0 4 : Bi, Dy;
  • GdV0 4 Bi, Sm; YV0 4 : Eu; YV0 4 : Sm; YV0 4 : Dy.
  • aluminates eg MgAl 2 O 4 : Eu; CaAl 2 0 4 : Eu; SrAl 2 0 4 Eu;
  • BaAl 2 0 4 Eu; LaMgAluOig: Eu; BaMgAli 0 Oi 7 : Eu; BaMGalioOi 7 : Eu, Mn; CaAli 2 0 19 : Eu; SrAli 2 0i 9 : Eu;
  • BaMg 2 Si 2 O 7 Eu
  • CaMgSi 2 0 6 Eu
  • SrBaSi0 4 Eu
  • Sr 2 Si 3 O 8 x SrCl 2 Eu
  • Ba 5 Si0 4 Br 6 Eu
  • Ba 5 Si0 4 Cl 6 Eu
  • Mg 2 Si0 4 Mn 2+ , Dy 3+ ;
  • Mg, Ca, Sr, Ba and MgW0 4 , CaW0 4 , CdW0 4 , ZnW0 4 ; and polymolybdates or polytungstates or the salts of the corresponding hetero- or isopolyacids.
  • germanates eg Zn 2 Ge0 4 .
  • La 2 S Yb, Er, Ba 2 ZnS 3 : Ce.
  • Amount of the first transition or Lanthanidmetalls between 0.01 and 25 mol%, preferably between 0.5 and 20 mol%, more preferably between 1 and 10 mol%, particularly preferably between 2 and 7.5 mol% , The indicated concentrations of
  • the surface of the shell is functionalized with functional groups, these functional groups being in particular selected from the group consisting of amino, carboxylate, carbonate, maleic, imine, imide, amide, Aldehyde, thiol, isocyanate, isothiocyanate, acylazide, hydroxyl, N-hydroxy-succinimide ester, phosphate, phosphonic acid, sulfonic acid, sulfonyl chloride, epoxy, CC double bond-containing groups such as (meth) acrylic acid or (meth) acrylate or norbornyl groups.
  • the particle surface is surrounded by a shell of silica, polymer, aluminum oxide or polyethylene glycol, TiO 2 , ZnO, ZrO 2 , the surface of the PLS particle is chemically modified.
  • the surface has covalently or noncovalently bound compound molecules and / or reactive groups.
  • the connecting molecule one or more chain-like molecules having a polarity or charge opposite to the surface of the nanoparticles are non-covalently bonded to the surface of the particles
  • the chain-shaped molecules are anionic, cationic or zwitterionic detergents, acidic or basic proteins, Polyamides or polysulfone or polycarboxylic acids may be.
  • the surface and / or the connecting molecules connected to the surface of the nanoparticles have reactive neutral, charged or partially charged groups such as amino groups, carboxylic acid groups, thiols, thioethers, disulfides, imidazoles, guanidines, hydroxyl groups, indoles, vicinal diols, aldehydes, alpha-haloacetyl groups, N-maleimides, mercury organyls, aryl halides, acid anhydrides, isocyanates, isothiocyanates, sulfonic acid halides, imido esters, diazoacetates, diazonium salts, 1,2-diketones, alpha-beta-unsaturated carbonyl compounds, azolides, silanes, phosphonic acids, phosphoric acid esters or derivatives of said groups, said reactive groups allowing chemical bonding with further compound molecules or affinity molecules.
  • reactive neutral, charged or partially charged groups such as amino groups, carboxylic acid groups,
  • the nanoparticles of the invention may be oriented ⁇ equipped also with one or more affinity molecules or a plurality of mutually coupled affinity molecules, which affinity molecules can on the one hand bind to the particle surface and on the other hand to bind to a biological or other organic substance.
  • the affinity molecules can e.g. monoclonal or polyclonal antibodies, proteins, peptides, oligonucleotides, plasmids, nucleic acid molecules, oligo- or polysaccharides, haptens such as biotin or digoxin, or a low molecular weight synthetic or natural antigen.
  • the affinity molecule is covalently or non-covalently coupled to the particle through reactive groups on the affinity molecule and on the simple detection probe.
  • the reactive groups on the surface of the affinity molecule may be selected from amino groups, carboxylic acid groups, thiols, thioethers, disulfides, imidazoles, guanidines, hydroxyl groups, indoles, vicinal diols, aldehydes, alpha-haloacetyl groups, N-maleimides, mercury organyls, aryl halides, acid anhydrides, isocyanates , Isothiocyanates,
  • Sulfonic acid halides imido esters, diazoacetates, diazonium salts, 1,2-diketones, alpha-beta-unsaturated carbonyl compounds or azolides.
  • Nanoparticle system which contains a plurality of the aforementioned nanoparticles.
  • the polydispersity of the nanoparticles in the nanoparticle system according to the invention is preferably between 0.1 and 10%, preferably between 1 and 3%.
  • a process for the preparation of a nanoparticle system described above is also disclosed in which amorphous core particles
  • Transition metal or lanthanide metal Transition metal or lanthanide metal
  • vanadium, tungstate, phosphate, sulfide and / or halide ions in particular fluoride and bromide ions, be coated with olframates, phosphates, sulfides, sulfates, aluminates and / or halides and then the coated core particles are tempered become.
  • the molar ratios of the second grade of transition metal or lanthanide metal to the first grade of transition metal or lanthanide metal are preferably set accordingly.
  • the aqueous solution used can be further additives, such as
  • an organic carboxylic acid having at least two acid functionalities, preferably citric acid, and / or
  • an alcohol having at least two alcohol functionalities preferably polyethylene glycol and / or polypropylene glycol
  • the step of tempering is preferably carried out at temperatures between 500 to 1500 ° C, preferably 700 to 1300 ° C, more preferably at 800 to 1200 ° C, in particular at 1000 ° C to 1100 ° C.
  • removal of the solvent preferably by lyophilization of the particles, is carried out after wetting and before the sintering step.
  • a further preferred embodiment provides that after the tempering step, a chemical modification of the surface of the PSL particles and / or production of reactive groups on the surface of the particles and / or connection of one or more compound molecules with the surface of the PSL particles by covalent or non-covalent bond.
  • the nanoparticle systems according to the invention are suitable as a diagnostic agent and / or as a marker, in particular for biological or medical applications; as an optically detectable diffusion probe; in security systems; as a substrate for security systems and / or as markers for the detection of originals and / or plagiarisms and / or as contrast agents for biomedical applications and means for forensic investigations.
  • the nanoparticle system When using the nanoparticle system according to the invention, it is preferred if the nanoparticle system is brought into an electronically charged state with light having a wavelength between 100 and 800 nm, with X-rays and / or electron beams, and by means of a light pulse having a wavelength between 400 and 1600 nm for the stimulated emission of photons with a wavelength between 500 and 1600 nm is excited.
  • the light pulse used to stimulate the emission preferably has the following characteristics:
  • 500 ns and 3 s and / or b) has an energy density between 0.01 pJ / cm 2 and 100 pj / cm 2 , preferably between 0.1 pJ / cm 2 and 20 pj / cm 2, more preferably between 1 pj / cm 2 and 10 pj / cm 2 .
  • the power density of the beam is between 0.01 W / cm 2 and 100 W / cm 2 , more preferably between 1 W / cm 2 and 10 W / cm 2 .
  • luminescent particle systems are particularly suitable as photostimulable markers for biological and medical diagnostics, as optically detectable diffusion probes for the production of
  • the protein A may have special biological functionality, for example the ability to open the pores of the cell membrane. It should be clarified whether it is with regard to this
  • one half of the nanoparticles to be added to a cell structure will be functionalized with protein A, the other half with protein B.
  • the binding of proteins to the nanoparticles is carried out by an appropriate surface modification of the particles, as described in more detail below.
  • the first half (functionalized with A) is now additionally "marked” in such a way that it is made PSL-capable by charging
  • Another example is the charging of the messenger substance of a synapse fixed to a PSL-capable NP via appropriate functionalization and the observation of the subsequent distribution and the temporal and spatial extension.
  • optical "tagging” allows diffusion and transport processes with very high spatial resolution in vivo and in vitro.
  • Zinc sulfide doped with Cu + and Pb 2+ is a phosphorescent phosphor [S. Shionoya, WM Yen.
  • a ZnS Cu + , Pb 2+ marker charged with UV or blue light can be made to glow in the visible region of the spectrum after a time interval by an IR pulse.
  • the PSL in ZnS: Cu + , Pb 2+ comes about through the release of electrons from the traps [DE Mason. Rev. Modern Phys. 1965, vol. 37, p. 743; R. Scheps, F. Hanson. J. Appl. Phys. 1985, Vol. 57, p. 610].
  • the traps are stable at room temperature, thus the IR-stimulated luminescence can be observed even after a few hours [. Sidran. Appl. Optics. 1969, Vol. 8, p. 79; E. Bulur, HY Göksü. phys.
  • the materials system CaS shows a very good agreement with the requirement profile: Eu, Sm, an effective IR converter with fast reaction time [Y. Tamura, A. Shibukawa. Jap. J. Appl. Phys. 1993, Vol. 32, 7, pp. 3187-3196].
  • the emission maximum lies in the red spectral range, the stimulation spectrum extends from 900 to 1500 nm.
  • CaS is slightly water-soluble, but this disadvantage can be overcome by sheathing the CaS microparticles with Si0 2 , Ti0 2 [C. Guo, B. Chu, M. Wu, Q. Su. J. Lumin.
  • Hole traps (Eu 3+ ) are stable at room temperature, some of the charge carriers are stored in the traps for several hours.
  • the red luminescence of Eu 2+ is shown .
  • the electrons stored at the Sm 2+ can be excited back into the conduction band and recombine with a hole stored at the Eu 3+ .
  • the Eu 3+ ions are returned to the bivalent valence state.
  • the resulting Eu 2+ is in the excited state and changes to the ground state, emitting the characteristic luminescence.
  • Zn 2 SiQ 4 Mn 2+ and ZnMgSi 2 Q 6 : Mn 2+ , Eu 2+ , Dy 3+
  • Optoelectronics use numerous silicate-based phosphors, including one of the oldest phosphors, Zn 2 Si0 4 doped with n 2 + , which has both phosphorescence and PSL properties.
  • the usual method of preparation is solid-state synthesis [p. Shionoya, WM Yen. phosphorus
  • alkaline earth aluminates prepared as doped powders, ceramics or single crystals suitable for the
  • the most widely used phosphor in this group is SrAl 2 0 4 : Eu 2+ , Dy 3+ , which has become clearer than previously used due to its excellent and long-lasting phosphorescence
  • the particle size of the silica colloids was adjusted by concentration of the reactants and the temperature during particle growth. Isolation of the resulting silica particles was achieved by distilling off the solvent and washing the particles three times with ethanol.
  • the resulting silica cores showed a spherical morphology and a narrow size distribution (polydispersity between 1 and 3%).
  • the cores were treated with Zn 2 Si0 4 : Mn 2+ precursors using a modified Pechini sol gel.
  • Zn 2+ and Mn 2+ ions resulted in a stabilization of the metal ions and a homogeneous distribution in the shell material on the surface of the silica core.
  • the silica cores used ensured a spherical shape of the resulting core-shell
  • Nanoparticles and served as a silicate source for the resulting Zn 2 Si0 4 shell were heated to a temperature between 800 ° C and 1100 ° C and held there for a short time to crystallize. Because of their specific surface area and strong interaction between the nanoparticles, they tend to coagulate and form aggregates during the final thermal treatment.
  • pretreatment of the coated nanoparticles was accomplished by flash freezing followed by lyophilization. Lyophilization involves the sublimation of water under vacuum conditions from the frozen sample. This pretreatment leads to a loose storage of the nano- Particles side by side and prevents the melting of the particles during the temperature treatment.
  • Dispersion tests were carried out to determine the amount of isolated particles as well as the fraction of non-redispersible aggregates. Despite the spray-drying of the particle samples, a fraction of non-redispersible aggregates was obtained, which were sorted out by selective sedimentation. Table 1 shows the degree of aggregation correlated with particle size. The amount of non-redispersible aggregates increases as the primary particle size decreases.
  • Sample designation is composed of the diameter of the silica core (determined by dynamic light scattering (DLS)) and the shell desired in the synthesis (b) Determined by DLS
  • Si0 2 @Zn 2 Si0 4 Mn 2+ core-shell particles with a Mn 2+ doping concentration of 5 mol%).
  • the resulting core-shell nanoparticles still retain their spherical shape. However, no increase in the diameter of the nanoparticles was found for core-shell nanoparticles compared to pure silica cores. This is on the
  • the enveloping Zn 2 Si0 layer is continuous, but not of constant thickness. This can be explained by the fact that the Si0 2 core is responsible not only as a matrix for the morphological properties, such as the spherical shape, but also as a source for the formation of the silicate during the growth of the ZnSiO: Mn 2+ layer is. Obviously, the ZnSi0 4 : Mn 2+ shell does not form uniformly on the surface of the silica cores. Structural properties of Si0 2 @Zn 2 Si0 4 : Mn 2+ core-shell nanoparticles
  • the sintering temperature plays an important role, not only in the formation of aggregates during the
  • Chelatleiter and polymerization are stabilized, homogeneously distributed in the starting solution and adsorbed on the colloidal silica particles to form a gel layer (1).
  • Heating of the coated particles at 800 ° C causes the formation of a Mn + - doped ZnO shell (2).
  • the Zn 2 Si0 4 phase begins to form with tempering at 900 ° C (3). Further elevation of the temperature to 1100 ° C induces the formation of pure Mn 2+ -doped a-Zn 2 Si0 4
  • the starting materials are dissolved in the reaction solution.
  • Zn 2+ and Mn 2+ ions are stabilized by citric acid (cholate formation) and polymerized by reactions of the remaining carboxylic acid groups with PEG (polyesterification).
  • PEG polymerification
  • This ensures a homogeneous distribution of the metal cations in the polymeric network and the subsequent adsorption of metal ions on the silica core surface (see step (1) in FIG. 3).
  • the organic components decompose; the reaction takes place on the interface between Si0 2 and Zn 2+ and Mn 2+ .
  • a temperature of about 800 ° C is needed to form a zinc oxide phase (see step (2) in Figure 3).
  • FIG. 4 shows the photoluminescence spectra of FIG
  • Si0 2 @Zn 2 Si0 4 Mn 2+ nanoparticles annealed at 1100 ° C (1), 1000 ° C (2), and 900 ° C (3).
  • the measurements were carried out at 300 K with an excitation at 260 nm.
  • the doping concentrations are 5 mol% (1, 2) and 1 mol% (3). This corresponds to the Ti ( 4 G) - ⁇ emission of the Mn 2+ ions in a-Zn 2 Si0 4 , which are substituted in the tetragonal Zn atoms. Sites are confirmed, which confirms the formation of the a-Willemite structure (ALN Stevels, AT Vink, J. Lumin 1974, 8, 443).
  • FIG. 5 shows the photoluminescence decay of FIG
  • Si0 2 @Zn 2 Si0 4 Mn 2+ nanoparticles doped with 1 mol% (1), 5 mol% (2) and 20 mol% (3) n 2+ in the case of pulsed excitation 260 nm, at room temperature. The emission maximum was detected at 525 nm. As shown in Figure 5, those doped with 1 mol%
  • quenching begins at 6 to 7 mol%; it is possible that the inhomogeneous distribution of Mn 2+ ions in the samples also leads to quenching at lower concentrations. A stronger quenching effect is observed for samples doped with a nominal 20 mol%.
  • the photoluminescence spectra as well as the decay curves are measured at 260 nm excitation, which leads to a transfer of the electrons from Mn 2+ ground state into the conduction band of Zn 2 Si0 4 and a subsequent recombination. It is also possible to excite the luminescence in band between 340 nm and 399 nm, which is the transition from the 6 Ai (S) ground state of Mn 2+ - Ions corresponding to 4 E ( 4 D) and 4 T 2 (D) excited states.
  • FIG. 6 shows the ⁇ potential of unmodified and functionalized Si0 2 @Zn 2 Si0 4 : Mn 2+ nanoparticles as a function of the pH before functionalization (1) and after surface modification with amine (2) and carboxyl - (3) functionalities.
  • the diagram shows the shift of the electrical point after modification with amino and carboxyl functionalities.
  • IEP isoelectric point
  • the shell forms, which is preferably a-Zn 2 Si0 4 , which is characterized by a long lifetime of the emission of luminescence, for example Mn 2+ at a wavelength of 525 nm.
  • nanoparticles of controlled oxidation-semiconductor oxide suggest that, in principle, conventional silanization methods can be used to modify Zn 2 Si0 4 : Mn 2+ -based nanoparticles.
  • nanoparticles of controlled oxidation-semiconductor oxide suggest that, in principle, conventional silanization methods can be used to modify Zn 2 Si0 4 : Mn 2+ -based nanoparticles.
  • nanoparticles of controlled silanization methods can be used to modify Zn 2 Si0 4 : Mn 2+ -based nanoparticles.
  • Particle size, morphology, crystal structure and optical properties are produced, as well as the aggregation of the nanoparticles and their agglomeration can be controlled.
  • the present invention offers considerable potential applications of the luminescent nanoparticles in various biotechnological applications.
  • the resulting suspension was stirred for 3 h at room temperature.
  • the reaction mixture was then centrifuged and the precipitate was freeze-dried.
  • the lyophilized nanoparticle powder was heated to 100 ° C for 1 hour in an oven and sintered at the required temperatures (800 to 1100 ° C) at a heating rate of 200 K / h, keeping it at the sintering temperature for 15 minutes.
  • the sample was irradiated with a xenon flash lamp through 260 nm interference filters for 1 minute.
  • a red LED with the wavelength 640 nm was used.
  • the measurement curve is shown in FIG. 7.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft stimulierbare, insbesondere photostimulierbare Partikelsysteme sowie deren Anwendung als lumineszierende Marker für die biologische und medizinische Diagnostik, als optisch detektierbare Diffusionssonde oder als Substrat zur Herstellung von Sicherheitssystemen, als Markierung zur Erkennung von Plagiaten und/oder Originalen.

Description

Photostimulierbare Partikelsysteme, Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendungszwecke
Die Erfindung betrifft stimulierbare, insbesondere photostimulierbare Partikelsysteme sowie deren Anwendung als lumineszierende Marker für die biologische und medizinische Diagnostik, als optisch detektier- bare Diffusionssonde oder als Substrat zur Herstellung von Sicherheitssystemen, als Markierung zur Erkennung von Plagiaten und/oder Originalen.
Lumineszierende Nanopartikel (NP) besitzen aufgrund ihrer optischen Eigenschaften ein großes Anwendungspotential. Sie bieten eine Grundlage für zahlreiche analytische Methoden im Bereich Biologie und medizinischen Diagnostik oder werden zur Herstellung von Sicherheitssystemen für Erkennung von Plagiaten und/oder Originalen eingesetzt. Dabei stehen unterschiedliche Materialien zur Verfügung wie z. B. mit organischen Farbstoffen dotierte Partikelsysteme auf Basis von Polymeren oder oxidischen Materialien, Halbleiter-NP (Quantum Dots, QDs) oder NP auf Basis von anorganischen Leuchtstoffen dotiert mit
Seltenerd-Ionen [F. Caruso: Colloids and Colloid Assemblies. iley-VCH, Weinheim (2004); W. Tan, S.
Santra, P. Zhang, R. Tapec, J. Dobson: Method for identifiying cells. F. Hoffmann US 6924116 B2 (2005); V. Desprez, N. Oranth, J. Sprinke, J. K. Tusa : Nano- particles for optical sensors, EP 1496126 Bl (2005); A. van Blaaderen, A. Vrij : Synthesis and characteri- zation of colloidal dispersion of fluorescent, mono- dispere silica spheres . Langmuir 8, (1992) 2921 — 2931; R. E. Baily, A . M. Smith, 5. Nie: Quantum dots in biology and medicine. Physica E 25, (2004), 1-12; R. Lee, Z. Yaniv: Nanoparticle Phosphor. WO 03/028061
AI (2003) ] . Die verwendbaren Untersuchungsmethoden haben oft charakteristische Grenzen, die im Folgenden aufgelistet sind: · Die herkömmliche Materialien weisen materialbedingte Mängel auf: breite Emissionsspektren, geringe Stokes-Verschiebung und/oder eine begrenzte Photostabilität. Dies ist typisch für mit organischen Farbstoffen dotierte NP.
· Einige Partikelsysteme wie z. B. QDs bestehen auf toxischen Materialien. Im Hinblick auf in vivo Anwendung ist selbst der zeitlich begrenzte Einsatz dieser Marker in lebenden Organismen höchst bedenklich .
· Nur wenige Materialien besitzen Emission in dem biologischen „optischen Fenster" (650 — 1200 nm) . Darüber hinaus zeigt oft das untersuchte System, wie z. B. in Fall von Untersuchungen an Zellgeweben, eine Autofluoreszenz, die sich mit dem Signal des Markers überlagert. Viele der verwendeten Marker bei verhältnismäßig kurzen Wellenlängen angeregt werden und fluoreszieren, bei denen die Eindringtiefe des Lichts in das Gewebe gering ist.
» In der Regel sind das anregende Licht und die Fluoreszenz zeitgleich wirksam. Das Signal wird durch Streulicht geschwächt.
Eine Lösung dabei könnte eine zeitliche Verzögerung der Lichtemission gegenüber der Anregung bieten. Dieses Phänomen kann bei phosphoreszierenden Materialien beobachtet werden. Bei phosphoreszierenden Materialien klingt die Fluoreszenz nach der Anregung langsam ab, manchmal über Stunden oder gar Tage. Erste bis zu einer Stunde phosphoreszierende Marker sind bereits entwickelt und erfolgreich an lebenden Mäusen getestet worden [D. Scherman, M. Bessodes, C. Chaneac, D.L. Gourier, J-P. Jolivet, Q. le Masne, S. Maitre- jean, F. Pelle: Persistent luminescent nanoparticles used in the form of a diagnosis agent for in vivo optical imaging. US 2009/0155173 (2009); Q. le Masne, C. Chaneac, J. Seguin, F. Pelle, S. Maitrejean, J-P. Jolivet, D. Gourier, M. Bessodes: Nanoprobes with near-infrared persistent luminescent for in vivo im- aging. PNAS 104, (2007) 9266-9271] .
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Materialien war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Nanopartikelsysteme bereitzustellen, die eine möglichst hohe Persistenz der gespeicherten Energie nach Aufladen derartiger Partikel ermöglicht. Zudem sollen die Partikelsysteme durch Beleuchten mit einem gezielten Lichtimpuls, der bevorzugt auch im infraroten Lichtbereich liegen kann, zur stimulierten Emis- sion angeregt werden, so dass die ursprünglich ge- speicherte Energie derartiger Partikel bei Bedarf gezielt abgerufen werden kann.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Nanopartikels mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich eines
Nanopartikelsystems, das eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Partikel enthält, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11, bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden Nanopartikelsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie bezüglich möglicher
Verwendungszwecke derartiger Nanopartikelsysteme mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird ein Nanopartikel bereitgestellt, das durch Energiezufuhr in einen elektronisch aufgeladenen Zustand überführbar ist und mittels Stimulation durch elektromagnetische Strahlung zur Emission elektromagnetischer Strahlung veranlassbar ist.
Die erfindungsgemäßen Nanopartikel, insbesondere die weiter unten diskutierten vom Kern-Schale-Typ, zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach Aufladung mit Licht einer Wellenlänge zwischen 100 und 800 nm, mit
Röntgen- und/oder Elektronenstrahlen durch stimulierte Emission durch einen Lichtimpuls mit einer Wellenlänge zwischen 500 und 1600 nm Photonen mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 1300 nm emittieren.
Überraschenderweise wurde bei den erfindungsgemäßen Nanopartikeln, insbesondere denen vom Kern-Schale- Typ, gefunden, dass die Dauer des Lichtimpulses, der zur stimulierten Emission und zum Abrufen der im auf- geladenen Partikel gespeicherten Lichtenergie verwendet werden kann, sehr kurz sein kann, z.B. ca. 1 oder weniger (A. Winnacker, „X-ray Imaging with
Photostimulable Storage Phosphors and Future Trends". Physica Medica, Vol. IX (1993), 95-101). Die stimulierte Emission kann beispielsweise durch Verwendung eines Laserpulses verwendet werden, wobei die Energiedichte des Stimulationslasers ca. 100 μ /cm2 oder weniger betragen kann (R. Schätzing, R. Fasbender, P. Kersten, „New high speed scaning technique for Computed Radiography, Proc. SPIE 4682 (2002) 511- 520) . Dadurch werden enorme Vorteile bezüglich des
Signal/Rausch-Verhältnisses ermöglicht, wodurch sich die erfindungsgemäßen Partikel deutlich vorteilhaft von denen aus dem Stand der Technik, z.B. aus der US 2009/0155173 bekannten Mikropartikeln abheben.
Das Partikel zeichnet sich durch Energiespeicherung und somit das Ermöglichen einer zeitlichen Verschiebung zwischen Anregung (Aufladen) und Detektion, die für untergrundfreie Detektion notwendig sind. Dazu können die zu untersuchende Probe mit partikulären
Markern, die durch eine Bestrahlung mit UV- oder blauem Licht, oder einem Röntgen-Impuls vor der Untersuchung aufgeladen wurden markiert werden. Eine nach Minuten oder sogar Stunden folgende Stimulation der Probe mit rotem oder infrarotem (IR) Licht wird eine Emission im sichtbaren oder nah-infrarotem Bereich, d.h. bei kürzeren Wellenlängen als die Wellenlängen des Anregungslichtes, hervorrufen. Dies ermöglicht Beobachtungen von Entwicklungs- und Transport- prozessen in biologischen Objekten über einen längeren Zeitraum. Ein spezifischer Bereich kann mit dem fokussierten UV- oder blauen Licht oder Elektronenstrahl bestrahlt werden, und die aufgeladenen Marker können detektiert werden. Die photostimulierbaren Leuchtstoffe haben hier überzeugende Vorteile: die gesamte gespeicherte Energie (oder, wenn nötig, nur ein Teil davon) kann, zum gewünschten späteren Zeitpunkt, mit einem Infrarotimpuls abgerufen werden.
Dadurch werden Anwendungen ermöglicht, bei denen die Detektion von markierten Objekten zeitlich versetzt zur optischen Anregung erfolgt, mit dem Ziel eine untergrundfreie bzw. Streulichtfreie Detektion zu ermöglichen . Trennung von Ladungsträgern und deren Lokalisation
(„trapping") sind für die Phosphoreszenz und photostimulierte Lumineszenz (PSL) notwendig. In Nanokris- tallen (NK) kann allerdings die gewünschte Stabilität von gefangenen Elektronen/Löchern zu einem Problem werden, wenn nämlich wegen der kleinen Abstände zwischen den Fallen die Rekombination durch ein „Tunneln" möglich wird. Einen Hinweis auf die Möglichkeit der Ladungstrennung und Trapping liefert das so genannte „blinking" von NKs : bei einer konstanten Anre- gung geht die Lumineszenz von einigen NK verloren, nach einiger Zeit entsteht sie wieder. Es ist bekannt, dass das Aufladen von NKs für die Unterbrechungen der Lumineszenz verantwortlich ist. Während optischer Anregung entstehen in NKs Elektron-Loch- Paare, deren Rekombination zur Lichtemission führt.
Es ist allerdings möglich, dass einer der beiden Ladungsträger den NK verlässt. Der andere Ladungsträger im Inneren des NKs verhindert die strahlende Rekombination der nächsten e-h Paare durch Auger-Relaxation. Messungen mit elektrostatischem Kraft-Mikroskop zeigten, dass in CdSe das Elektron das Partikel verlässt und das Loch zurück bleibt. Das Partikel ist wieder emissionsfähig sobald das Elektron zurückkehrt. Die „an" und „aus"- Zustände von NK können von einigen Mikrosekunden bis zu Minuten dauern. Die Natur der
Fallen ist unklar. Man vermutet die Lokalisation auf der Partikeloberfläche bzw. auf der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Schale, in den angekoppelten Liganden oder in der umgebenden Matrix. Die Erscheinung des Blinkings bestätigt also die Möglichkeit der Speicherung von Elektronen und Löchern auf den Nanoskala.
Die räumliche Trennung von Ladungsträgern kann durch die Verwendung von zweikomponentigen Halbleitersyste- men verbessert werden. Solche gekoppelten NKs oder
Kern/Schale-Teilchen wurden für verschiedene Zwecke einschließlich Solarzellen und Photokatalysatoren konzipiert. Die generierten Elektronen werden in dem Halbleiter akkumuliert, wo das Leitungsband tiefer liegt, die Löcher werden im Valenzband des anderen
Halbleiters gefangen. Beispiele für solche Systeme sind Ti02-CdS, ZnO-CdS und Sn02-CdSe, CdS-Agl, Cd3P2- Ti02, Cd3P2-ZnO, AgI-Ag2S, ZnO-ZnS und ZnSe(Kern)/ CdSe (Schale) . Dieses Designprinzip kann auch für die Verschiebung des Emissionsspektrums zu niedrigeren
Energien benutzt werden, bei welchen die ungewünschte Streuung der Lumineszenz in biologischen Proben reduziert wird. Insgesamt erscheint die getrennte Speicherung von
Elektronen/Löchern auch auf der Nanoskala machbar. Bei den anvisierten Nanomarkern wird es darum gehen, diese gespeicherten Ladungsträger thermisch oder optisch (PSL) zur strahlenden Rekombination zu bringen.
Die als ein Beispiel hier betrachteten Nanopartikel Zn2Si04:Mn2+ besitzen offensichtlich intrinsische Fallen, welche Ladungsträger bei Raumtemperatur speichern können. Die Fallen können mit UV-Licht aufgela- den und mit rotem Licht wieder geleert werden. Dabei entsteht die grüne Emission von Mn2+. Das Auflade- spektrum zeigte ein Maximum um 260 nm, was entspricht einem elektronischen Übergang vom Grundzustand des Mn2+-Ions zum Leitungsband (Photoionisation) .
Insbesondere ist es dabei bevorzugt, wenn die Halbwertszeit ti 2 des spontanen Zerfalls des aufgeladenen Zustands mindestens 1 Sekunde, bevorzugt mindestens 1 Minute, besonders bevorzugt mindestens 30 Minuten, beträgt .
Bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass die Überführung in den elektronisch aufgeladenen Zustand mittels elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt durch elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 100 bis 800 nm, insbesondere UV- Strahlung, und/oder durch Röntgenstrahlung und/oder durch Elektronenstrahlen erfolgt.
Die zur Stimulierung der Emission verwendete Strahlung kann eine Wellenlänge zwischen 200 bis 2000 nm, bevorzugt zwischen 400 bis 1600 nm, aufweisen.
Die Wellenlänge der Emission liegt bevorzugt zwischen 200 bis 4000 nm, bevorzugt 400 bis 1600 nm.
Bevorzugte Partikelgrößen liegen dabei zwischen 2 bis 1000 nm. Weiter ist bevorzugt, wenn das Nanopartikel als Kern-Schalen-Nanopartikel vorliegt. Ebenso ist jedoch die Möglichkeit gegeben, dass das Nanopartikel als „Vollpartikel" ausgebildet ist.
Bevorzugt wird somit ein stimulierbares Nanopartikel bereitgestellt, das durch Licht einer Wellenlänge zwischen 100 und 800 nm und/oder mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen in einen elektronisch aufgeladenen Zustand überführbar ist, und durch einen Lichtimpuls mit einer Wellenlänge von Photonen zwischen 500 und 1600 nm zur Emission von Licht einer Wellenlänge zwi¬ schen 400 und 1300 nm angeregt werden kann. Erfindungsgemäß wird weiter ein stimulierbares Nano- partikel bereitgestellt,
a) das einen amorphen Kern aus Silica oder aus einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolframaten, Phos- phaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobromiden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder
Lanthanidmetalls,
b) eine auf dem amorphen Kern aufgebrachte
stimulierbare Schale, enthaltend mindestens eine
Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolframaten, Phosphaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobromiden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder
Lanthanidmetalls, die mit Übergangsmetall- oder Lanthanidmetall-Ionen mindestens einer zweiten, vom ersten Hauptgruppenmetall, Übergangsmetall oder Lanthanidmetall verschiedenen Sorte eines Übergangsmetalls oder Lanthanidmetalls dotiert sind, umfasst, wobei
der Durchmesser des Silicakerns zwischen 10 und
290 nm, bevorzugt zwischen 10 und 260 nm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 nm oder 75 und 260 nm beträgt.
Die oben erwähnte Verbindung kann dabei Hauptgruppen-, Übergangs- oder Lanthanidmetalle sämtlicher Gruppen des Periodensystems der Elemente beinhalten. Zu den Verbindungen eines ersten Hauptgruppenmetalls sind somit u.a. auch Ca- und Sr-Verbindungen zu zählen .
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die zweite, zur Dotierung verwendete Sorte Übergangsmetall- oder Lanthanidmetall-Ionen ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pb2+, Mn2+, Cu+, Dy3+, Sm3+, Eu2+, Eu3+, Tb3+, La3+, Ce3+, Pr3+, Nd3+, Gd3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+ und/oder Kombinationen hieraus.
Bevorzugt ist ebenso, wenn die den Kern bildende Ver bindung und/oder in der Schale enthaltene oder die Schale bildende Verbindung unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus MgSi03, Zn2Si04,
ZnMgSi206, CaMgSi206, Sr2MgSi07, SrAl204, CaAl204, YV04, GdV04, NaGd(W04)2, CaW04, Y203, LaP04, ZnS, CaS, BaFBr und/oder Kombinationen hieraus.
Insbesondere eignen sich die folgenden dotierten Materialien als Bestandteil des Kerns und/oder der Schale oder als Gesamtmaterial des Kerns und/oder der Schale :
Zn2Si04:Mn , YV04 : DyJ+/Sm , NaGd (W04 ) 2 : Eu ,
NaGd(W04)2:Eu3+, CaW04 : Eu3+/Tb3+, YV04:Eu3+, Y203:Eu3+,
GdV04:Eu3+, CaP04 : Ce3+/Tb3+, ZnS : Cu1+/Pb2+, CaS : Eu2+/Sm3+, BaFBr :Eu2+, ZnMgSi206, CaMgSi206 und MgSi03, wobei die letzten drei genannten Silicate mit Mangan, Europium oder Dysprosiumionen dotiert sind sowie Sr2MgSi207, das mit Europium- und/oder Dysprosiumionen dotiert ist, sowie das Silicat Ca0, 2Zn0, 9 g0, 9Si206, das mit Eu2+, Dy3+ und/oder Mn2+ dotiert ist.
Weitere Beispiele sind: CaS:Ln (mit Ln, Ce, Sm, Eu) , Silikate Zn2Si04 dotiert mit Mn oder Lnl, Ln2 (mit Ln(l,2): Ce3+, Eu3+, Tb3+, Sm3+, als Alternative
Y2Si05: Eu3+, Ce3+ Tb3+
Aluminate ( Sr, Ca ) A120 : Ln (mit Ln: Ce3+, Pr3+, Nd3+, Eu2+/Eu3+, Tb3+, Dy3+, Er3+)
ZnS :Cu,Pb und unterschiedliche Calciumphosphate.
Spezifische Beispiele lumineszierender Materialien, die für Kern und/oder Schale in Frage kommen, sind z.B.: (sehr hygroskopisch); CsJ:Tl; CsJ:Na; LiF:Mg;
LiF: g, Ti; LiF : Mg, Na ; KMgF3:Mn; BaFCl:Eu; BaFCl:Sm; BaFBr : Eu; BaFCl0, sBr0, 5 : Sm; BaY2F8:A (A = Pr, Tm, Er, Ce); BaSi205:Pb; BaMg2Ali6027 : Eu; BaMgAli4023 : Eu;
BaMgAli0Oi7:Eu; BaMgAl203 : Eu; Ba2P207:Ti;
(Ba, Zn,Mg) 3Si207: Pb; Ce (Mg, Ba) Alu0i9;
Ceo,65Tb0l35MgAliiOi9:Ce,Tb; MgAludg : Ce, Tb; MgF2:Mn;
MgS:Eu; MgS:Ce; MgS:Sm; MgS:(Sm,Ce); (Mg,Ca)S:Eu;
MgSi03:Mn; 3,5MgO x 0,5MgF2x Ge02:Mn; MgW04:Sm;
MgW04:Pb; 6MgO x As205:Mn; ( Zn, Mg) F2 : Mn; ( Zn4Be ) S04 : Mn ; Zn2Si04:Mn; Zn2Si04 : Mn, As ; Zn3 (P04) 2 :Mn; CdB04:Mn;
CaF2:Mn; CaF2:Dy; CaS:A (A = Lanthanid, Bi) ;
(Ca,Sr)S:Bi; CaW04:Pb; CaW04 : Sm; CaS04:A (A = Mn, Lanthanid); 3Ca3(P04)2 x Ca (F,Cl)2:Sb,Mn; CaSi03 : Mn, Pb; Ca2Al2Si207:Ce; (Ca, Mg) Si03 : Ce; (Ca, Mg) Si03 : Ti; 2SrO x 6(B203) x SrF2:Eu; 3Sr3(P04)2 CaCl2:Eu; A3(P04)2
ACl2:Eu (A = Sr, Ca, Ba) ; (Sr, Mg) 2P207 : Eu;
(Sr,Mg) 3 (P04) 2Sn; SrS:Ce; SrS:Sm,Ce; SrS:Sm; SrS:Eu; SrS:Eu,Sm; SrS:Cu,Ag; Sr2P207:Sn; Sr2P207:Eu;
Sr4Al14025 :Eu; SrGa2S4:A (A = Lanthanid, Pb) ;
SrGa2S4:Pb; Sr3Gd2Si60i8 : Pb, Mn; YF3 : Yb, Er; YF3 : Ln (Ln =
Lanthanid); YLiF4:Ln (Ln = Lanthanid); Y3Al5012:Ln (Ln = Lanthanid) ; YAI3 (B04) 3Nd, Yb; (Y, Ga) B03 : Eu;
(Y,Gd)B03:Eu; Y2Al3Ga2Oi2 : Tb; Y2Si05:Ln (Ln = Lanthanid); Y202S:Ln (Ln = Lanthanid); YV04A (A = Lanthanid, In); Y(P,V)04:Eu; YTa0 : Nb; YAI03:A (A = Pr, Tm, Er,
Ce) ; YOCl:Yb,Er; LnP04:Ce,Tb (Ln = Lanthanid oder Mi- schung von Lanthaniden) ; LuV04:Eu; GdV04:Eu;
Gd202S:Tb; Gd gB5Oi0 : Ce, Tb; LaOBr:Tb; La202S:Tb;
LaF3:Nd,Ce; BaYb2F8:Eu; NaYF : Yb, Er; NaGdF : Yb, Er ; NaLaF4 : Yb, Er; LaF3 : Yb, Er, Tm; BaYF5:Yb,Er; GaN : A (A = Pr, Eu, Er, Tm) ; Bi Ge30i2; LiNb03 : Nd, Yb; LiNb03:Er; LiCaAlF6:Ce; LiSrAlF6:Ce; LiLuF : A (A = Pr, Tm, Er, Ce) ; Li2B407:Mn; Y202Eu; Y2Si05:Eu; CaSi03:Ln, worin Ln = 1, 2 oder mehr Lanthaniden.
MIX:xBi mit M1 = Rb und X = Cl, Br und/oder I
RbX: xTl mit X = Br und/oder Cl und/oder I
YOXrzA mit X = Cl und/oder Br, und A = Ce oder Tb
Bei Klassifizierung gemäß dem Wirts-Gittertyp sind die folgenden bevorzugten Ausgestaltungen ebenfalls mit umfasst:
1. Halogenide: z.B. XY2 (X = Mg, Ca, Sr, Ba; Y = F, Cl, J) ; CaF2:Eu(II); BaF2 : Eu; BaMgF4:Eu;
LiBaF3Eu; SrF2Eu; SrBaF2Eu; CaBr2Eu-Si02 ;
CaCJ2:Eu; CaCJ2 : Eu-Si02; CaCJ2 : Eu, Mn-Si02;
CaJ2:Eu; CaJ2:Eu,Mn; KMgF3 : Eu; SrF2:Eu(II);
BaF2:Eu(II); YF3; NaYF4; MgF2:Mn; MgF2 : Ln (Ln = Lanthanid (en) ) .
KBr: In+
RbBr:Ga, CsBr:Ga, RbBr : Eu2+, CsBr:Eu2+,
Cs2NaYF6:Ce3+, CsNaYF6:Pr3+
CaF2:Eu3+ (oder Eu2+) , Sm3+,
2. Erdalkalisulfate: z.B. XS04 (X = Mg, Ca, Sr,
Ba) ; SrS04:Eu; SrS04:Eu,Mn; BaS04:Eu;
BaS04:Eu,Mn; CaS04; CaS04:Eu; CaS04:Eu,Mn; sowie gemischte Erdalkalisulfate, auch in Kombination mit Magnesium, z.B. Ca, MgS04 : Eu, Mn . 3. Phosphate und Halophosphate: z.B. CaP04:Ce,Mn; Ca5(P04)3Cl:Ce,Mn; Ca5 ( P04) 3F: Ce, Mn; SrP04:Ce,Mn; Sr5(P04)3Cl:Ce,Mn; Sr5 ( P04) 3F: Ce, Mn; die letzteren auch codotiert mit Eu(II) oder codotiert mit
Eu, Mn; -Ca3 ( P04 ) 2 : Eu; ß-Ca3 (P04) 2 : Eu, Mn;
Ca5 (P04) 3C1 : Eu; Sr5 (P04) 3C1 : Eu; Ba10 ( P04 ) 6C1 : Eu;
Bai0(PO4) 6Cl:Eu,Mn; Ca2Ba3 (P04) 3C1 : Eu;
Ca5 (P04) 3F:Eu2+X3+; Sr5 ( P04 ) 3F : Eu2+X3+ (X = Nd, Er,
Ho, Tb); Ba5 (P04) 3C1 :Eu; ß-Ca3 ( P04) 2 : Eu;
CaB2P209:Eu; CaB2P209:Eu; Ca2P207:Eu; Ca2P20 : Eu, Mn;
Srio (P04) 6Cl2:Eu; ( Sr, Ca, Ba , Mg) i0 (P04) 6C12 : Eu;
LaP04:Ce; CeP04; LaP04:Eu; LaP04:Ce; LaP04:Ce,Tb;
CeP04 :Tb;
Zn3 ( P04 ) 2 : Mn2+ ( Zn3 ( P04 ) 2 : Mn2+, Al3+Zn3 ( P04 ) 2 : Mn+, Ga3+ Sr3 (P04) 2:Eu2+, Sr5 ( P04 ) 3 : Eu2+, Sr2P04:Eu2+
4. Borate: z.B. LaB03; LaB03:Ce; ScB03:Ce; YAIB03:Ce;
YB03:Ce; Ca2B509Cl : Eu; xEuO x yNa20 x zB203.
Sr2B03X:Eu2+ mit X = Cl, Br und/oder I
Sr2_x (B5O9) 5-y/2Xy : Dx mit X = Halogenide und D =
Eu2+, Ce3+
5. Vanadate: z.B. YV0 ; YV04:Eu; YV04:Dy; YV04 : Sm;
YV04:Bi; YV04:Bi,Eu; YV04:Bi,Dy; YV04:Bi,Sm;
YV04:Tm; YV04Bi,Tm; GdV04; GdV04:Eu; GdV04:Dy;
GdV04:Sm; GdV0 :Bi; GdV04:Bi,Eu; GdV04:Bi,Dy;
GdV04:Bi,Sm; YV04:Eu; YV04 : Sm; YV04:Dy.
6. Aluminate: z.B. MgAl204:Eu; CaAl204:Eu; SrAl204Eu;
BaAl204:Eu; LaMgAluOig : Eu; BaMgAli0Oi7 : Eu; BaM- gAlioOi7 : Eu, Mn; CaAli2019 : Eu; SrAli20i9 : Eu;
SrMgAlioOi7 : Eu; Ba (A1203) 6 : Eu; (Ba, Sr)MgAl10Oi7:Eu, n; CaAl204 : Eu, Nd;
SrAl204Eu, Dy; Sr4Ali4025 : Eu, Dy .
MA1204 (M=Ca, Sr, Mg, Ba) , insbesondere BaAl204; Sr5Al807 (dotiert mit Eu und Dy) .
Alumosilikate CaSrAlSi07 und Ca2Al2Si07 (ebenfalls mit Eu, Dy-Dotierung) . 7. Silikate: z.B. BaSrMgSi207 : Eu; Ba2MgSi07 : Eu;
BaMg2Si207 : Eu; CaMgSi206 : Eu ; SrBaSi04:Eu; Sr2Si308 x SrCl2:Eu; Ba5Si04Br6 : Eu; Ba5Si04Cl6 : Eu;
Ca2MgSi207 : Eu; CaAl2Si208 : Eu; Cai, 5Sr0, sMgSi207 : Eu; (Ca, Sr)2MgSi207:Eu; Sr2LiSi04F: Eu; Sr3Al206:Eu, Sr3Al206:XY (X=Eu, Y=Dy) , Sr5Al208:Eu, Y3Al50i2:Ce,
Gd3Al50i2 : Ce, Lu3Al50i2:Ce und (GdLu) 3Al50i2 : Ce, Tb3Al50i2:Ce, Tb3Al50i2:XY (X=Ce, Y=Eu, Mn) ,
Mg2Si04:Mn2+, Dy3+ und M3MgSi208 (M=Ca, Sr, Ba) . Mg2Si04 :Mn2+, Dy3+; M3MgSi208 (M=Ca, Sr, Ba) .
ZnMgSi206, CaMgSi206, MgSi03 (dotiert mit Eu, Mn, Dy) Sr2MgSi207 (dotiert mit Eu, Dy)
Sr2MIISi207:Ce3+
Sr5Si04X6: Eu2+ mit X = Halogenide
Y2Si05:X mit X = Tb und /oder Ce
Y2Si05:Ce3+, Sm3+
8. Wolframate und Molybdate: z.B. X3W06 (X = Mg, Ca, Sr, Ba); X2W04 (X = Li, Na, K, Rb, Cs); XMo04 (X =
Mg, Ca, Sr, Ba) und MgW04, CaW04, CdW04, ZnW04; sowie Polymolybdate oder Polywolframate oder die Salze der entsprechenden Hetero- oder Isopolysäuren .
9. Germanate: z.B. Zn2Ge04. 10. Außerdem die folgenden Klassen: ALn02:Yb,Er (A = Li, Na/ Ln = Gd, Y, Lu) ; LnA0 : Yb, Er (Ln = La, Y; A = P, V, As, Nb) ; Ca3Al2Ge30i2 : E ; Gd202S : Yb, Er ;
La2S:Yb,Er, Ba2ZnS3:Ce.
Sämtliche zuvor genannten Materialien eignen sich auch zur Herstellung von Nanopartikeln, die nicht im Kern-Schale-Typ vorliegen, d.h. nur eine Phase auf- weisen („Vollpartikel") .
Bei den erfindungsgemäßen Nanopartikeln ist weiter bevorzugt, dass die Dotierkonzentration des mindestens einen zweiten, vom ersten verschiedenen Über- gangsmetalls oder Lanthanidmetalls bezogen auf die
Stoffmenge des ersten Übergangs- oder Lanthanidmetalls zwischen 0,01 und 25 mol-%, bevorzugt zwischen 0,5 und 20 mol-%, weiter bevorzugt zwischen 1 und 10 mol-%, besonders bevorzugt zwischen 2 und 7,5 mol-% beträgt. Die angegebenen Konzentrationen der
Dotierung gelten auch insbesondere für die im letzten Absatz explizit genannten Materialien.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche der Schale mit funktionellen Gruppen funk- tionalisiert , wobei diese funktionellen Gruppen insbesondere ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Amino-, Carboxylat-, Carbonat-, Maleinid-, Imin-, Imid-, Amid-, Aldehyd-, Thiol-, Isocyanat-, Isothio- cyanat-, Acylazid-, Hydroxyl-, N-hydroxy-succinimid- ester-, Phosphat-, Phosphonsäure- , Sulfonsäure- , Sulfonsäurechlorid-, Epoxy-, C-C-Doppelbindung-halti- ge Gruppen, wie z.B. (Meth) -acrylsäure- oder (Meth)- acrylat- oder Norbornylgruppen . Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass die Partikeloberfläche mit einer Hülle aus Silica, Polymer, Aluminiumoxid oder Polyethylenglycol , Ti02, ZnO, Zr02 umgeben ist, die Oberfläche des PLS- Partikels chemisch modifiziert ist.
Ebenso ist vorteilhaft, wenn die Oberfläche kovalent oder nicht-kovalent gebundene Verbindungsmoleküle und/oder reaktive Gruppen aufweist.
Zudem ist möglich, dass als Verbindungsmolekül ein oder mehrere kettenförmige Moleküle mit einer der Oberfläche der Nanopartikel entgegengesetzten Polarität oder Ladung nicht-kovalent mit der Oberfläche der Partikel verbunden sind, die kettenförmigen Moleküle anionische, kationische oder zwitterionische Deter- genzien, saure oder basische Proteine, Polyamide oder Polysulfon- oder Polycarbonsäuren sein können.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Oberfläche und/oder die mit der Oberfläche der Nanopartikel verbundenen Verbindungsmoleküle reaktive neutrale, geladene oder partial geladene Gruppen wie Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Thiole, Thioether, Disulfide, Imidazole, Guanidine, Hydroxylgruppen, Indole, vicinale Diole, Aldehyde, alpha-Haloacetylgruppen, N- Maleimide, Quecksilberorganyle, Arylhalogenide, Säureanhydride, Isocyanate, Isothiocyanate, Sulfonsäure- halogenide, Imidoester, Diazoacetate, Diazoniumsalze, 1 , 2-Diketone, alpha-beta-ungesättigte Carbonylverbin- dungen, Azolide, Silane, Phosphonsäuren, Phosphorsäureester oder Derivate der genannten Gruppen tragen, wobei diese reaktiven Gruppen eine chemische Bindung mit weiteren Verbindungsmolekülen oder Affinitätsmolekülen erlauben. Die erfindungsgemäßen Nanopartikel können ebenso mit einem oder mehreren Affinitätsmolekülen oder mehreren miteinander gekoppelten Affinitätsmolekülen ausge¬ stattet sein, wobei die Affinitätsmoleküle einerseits an die Partikeloberfläche anbinden und andererseits an eine biologische oder sonstige organische Substanz binden können.
Die Affinitätsmoleküle können z.B. monoklonale oder polyklonale Antikörper, Proteine, Peptide, Oligonu- kleotide, Plasmide, Nukleinsäuremoleküle, Oligo- oder Polysaccharide, Haptene wie Biotin oder Digoxin, oder ein niedermolekulares synthetisches oder natürliches Antigen sein.
Ebenso ist möglich, dass das Affinitätsmolekül durch reaktive Gruppen am Affinitätsmolekül und an der einfachen Nachweissonde kovalent oder nicht-kovalent an das Partikel gekoppelt ist.
Die reaktiven Gruppen auf der Oberfläche des Affinitätsmoleküls können ausgewählt sein aus Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Thiolen, Thioethern, Disulfiden, Imidazolen, Guanidinen, Hydroxylgruppen, Indolen, vicinalen Diolen, Aldehyden, alpha-Haloacetylgruppen, N-Maleimiden, Quecksilberorganylen, Arylhalogeniden, Säureanhydriden, Isocyanaten, Isothiocyanaten,
Sulfonsäurehalogeniden, Imidoestern, Diazoacetaten, Diazoniumsalzen, 1 , 2-Diketonen, alpha-beta-ungesät- tigten Carbonylverbindungen oder Azoliden.
Zwischen dem PSL-Partikel und dem Affinitätsmolekül kann eine kovalente oder nicht-kovalente, selbstorganisierte Verbindung bestehen. Erfindungsgemäß wird ebenso ein stimulierbares
Nanopartikelsystem bereitgestellt, das eine Mehrzahl der zuvor genannten Nanopartikel enthält. Die Poly- dispersität der Nanopartikel im erfindungsgemäßen Nanopartikelsystem liegt dabei bevorzugt zwischen 0,1 und 10 %, bevorzugt zwischen 1 und 3 %.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Nanopartikel- Systems angegeben, bei dem amorphe Kernpartikel aus
Silica oder aus einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolframaten, Phosphaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobrom- iden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder
Lanthanidmetalls, mit einem mittleren Durchmesser zwischen 10 und 290 nm durch Benetzen mit einer wäss- rigen Lösung, enthaltend
a) mindestens eine Sorte Ionen eines ersten
Übergangsmetalls oder Lanthanidmetalls,
b) mindestens eine Sorte Ionen eines zweiten, vom
ersten verschiedenen Übergangsmetalls oder
Lanthanidmetalls sowie
c) für den Fall, dass die Schale Vanadate,
olframate, Phosphate, Sulfide, Sulfate, Aluminate und/oder Halogenide enthalten soll Vanadat-, Wolf- ramat-, Phosphat-, Sulfid- und/oder Halogenid- Ionen, insbesondere Fluorid- und Bromidionen, beschichtet und die beschichteten Kernpartikel an- schließend getempert werden.
Um die oben angegebenen bevorzugten Konzentrationen der Dotierstoffe zu erhalten, werden die Mol-Verhältnisse der zweiten Sorte Übergangsmetall oder Lantha- nidmetall zur erste Sorte Übergangs- oder Lanthanid- metall bevorzugt entsprechend eingestellt. Die verwendete wässrige Lösung kann dabei weitere Zusatzstoffe, wie beispielsweise
a) eine organische Carbonsäure mit mindestens zwei Säurefunktionalitäten, bevorzugt Zitronensäure, und/oder
b) einen Alkohol mit mindestens zwei Alkoholfunktionalitäten, bevorzugt Polyethylenglykol und/oder Polypropylenglycol
enthalten.
Der Schritt des Temperns wird dabei bevorzugt bei Temperaturen zwischen 500 bis 1500 °C, bevorzugt 700 bis 1300 °C, besonders bevorzugt bei 800 bis 1200 °C durchgeführt, insbesondere bei 1000 °C bis 1100 °C.
Ebenso ist es bevorzugt, wenn nach der Benetzung und vor dem Sinterschritt eine Entfernung des Lösungsmittels, bevorzugt durch Lyophilisation der Partikel durchgeführt wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass nach dem Schritt des Temperierens eine chemische Modifikation der Oberfläche der PSL-Partikel und/oder Herstellung reaktiver Gruppen auf der Oberfläche der Partikel und/oder Verbindung eines oder mehrerer Verbindungsmoleküle mit der Oberfläche der PSL-Partikel durch kovalente oder nicht-kovalente Bindung durchgeführt wird.
Nach dem Schritt des Temperierens kann weiter eine Oberflächenmodifikation der Partikel mit einer Amino- silanverbindung und/oder mit einer Amino-, Carboxy- lat-, Carbonatgruppen, Maleinid-, Imin-, Imid-,
Amid-, Aldehyd-, Thiol-, Isocyanat-, Isothiocyanat- ,
Acylazid-, Hydroxyl-, N-hydroxy-succinimidester- , Phosphat-, Phosphonsäure-, Sulfonsäure- , Sulfonsäure- chlorid-, Epoxy-, c-c-Doppelbindung-haltige , wie z.B. (Meth) -acrylsäure- oder (Meth) -acrylat- oder Norbor- nylgruppen-haltigen Verbindung durchgeführt werden. Zum Beispiel kann hierzu TRIAMO (N- [ 3 [Trimethoxysi- lyl- ) -propyl ] diethylentriamin) verwendet werden.
Erfindungsgemäß werden ebenso Verwendungszwecke des zuvor beschriebenen Nanopartikelsystems angegeben. Insbesondere eignen sich die erfindungsgemäßen Nano- partikelsysteme als Diagnostikum und/oder als Marker, insbesondere zu biologischen oder medizinischen Anwendungszwecken; als optisch detektierbare Diffusionssonde; in Sicherheitssystemen; als Substrat für Sicherheitssysteme und/oder als Marker zur Erkennung von Originalen und/oder Plagiaten und/oder als Kontrastmittel für biomedizinische Anwendungen sowie Mittel für forensische Untersuchungen. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Nanopartikelsystems ist es bevorzugt, wenn das Nanopartikelsystem mit Licht einer Wellenlänge zwischen 100 und 800 nm, mit Röntgen- und/oder Elektronenstrahlen in einen elektronisch aufgeladenen Zustand gebracht wird, und mittels eines Lichtimpulses mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 1600 nm zur stimulierten Emission von Photonen mit einer Wellenlänge zwischen 500 und 1600 nm angeregt wird. Der zur Stimulierung der Emission verwendete Lichtimpuls weist dabei bevorzugt die folgenden Charakteristika auf:
a) eine Dauer zwischen 10 ns und 1 min, bevorzugt
zwischen 100 ns und 100 s, weiter bevorzugt zwi- sehen 250 ns und 10 ps, insbesondere zwischen
500 ns und 3 s aufweist und/oder b) eine Energiedichte zwischen 0,01 pJ/cm2 und 100 pj/cm2, bevorzugt zwischen 0,1 pJ/cm2 und 20 pj/cm2 besonders bevorzugt zwischen 1 pj/cm2 und 10 pj/cm2 aufweist.
Es kann auch kontinuierliche Strahlung zur Stimulation verwendet werden. Dabei ist bevorzugt, dass die Leistungsdichte des Strahls ist zwischen 0,01 W/cm2 und 100 W/cm2, besonders bevorzugt zwischen 1 W/cm2 und 10 W/cm2.
Diese lumineszierenden Partikelsysteme eignen sich besonders gut als photostimulierbare Marker für die biologische und medizinische Diagnostik, als optisch detektierbare Diffusionssonden zur Herstellung von
Sicherheitssystemen und als Marker zur Erkennung von Plagiaten/Originalen.
Anhand der nachfolgenden Beispiele soll das Anwen- dungspotenzial von PLS-Partikeln illustriert werden.
Das Protein A möge über eine besondere biologische Funktionalität verfügen, beispielsweise die Fähigkeit, die Poren der Zellmembran zu öffnen. Es soll geklärt werden, ob es sich im Hinblick auf diese
Funktion von einem Protein B unterscheidet. Zu diesem Zweck wird eine Hälfte der einem Zellverband zuzusetzenden Nanopartikel mit dem Protein A, die andere Hälfte mit Protein B funktionalisiert werden. Die An- bindung von Proteinen an die Nanopartikel wird durch eine entsprechende Oberflächenmodifikation der Partikel - wie im Detail weiter unten stehend - vorgenommen. Die erste (mit A funktionalisierte ) Hälfte wird nun zusätzlich in der Weise „markiert", dass sie durch Aufladung PSL-fähig gemacht wird. Dann wird der
Zellverband für die erwartete Reaktionszeit allen Na- nopartikeln ausgesetzt. Wenn man anschließend durch Einstrahlung von IR-Licht die PSL auslöst, sieht man in der Lumineszenz der Nanopartikel nur die PSL- fähigen Partikel, also nur diejenigen, die mit Protein A funktionalisiert wurden, da nur diese aufgeladen wurden. Regt man aber die Photolumineszenz an, so sieht man beide Partikelsorten, also die B markierten. Unterschiedliche räumliche Verteilungen der Lumineszenz bei PSL- und Photolumineszenz- (PL)- Anregung (in Zellwand und Zellinnerem) zeigen daher auf die unterschiedliche biologische Wirksamkeit der beiden Proteine hin.
Ein weiteres Beispiel ist die Aufladung des an einem PSL-fähigen NP über eine entsprechende Funktionali- sierung fixierten Botenstoffs einer Synapse und die Beobachtung der nachfolgenden Ausschüttung und der zeitlichen und räumlichen Ausweitung.
Solche optische „Markierung" ermöglicht Diffusion- und Transportprozesse mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung in vivo und in vitro.
Besonders bevorzugte Beispiele der erfindungsgemäß als Schale einsetzbaren Materialien werden nachfolgend beschrieben, wobei aber auch andere als die hier explizit aufgeführten Materialien eingesetzt werden können .
ZnS:Cu+, Pb2+
Zinksulfid dotiert mit Cu+ und Pb2+ ist ein phosphoreszierender Leuchtstoff [S. Shionoya, W. M. Yen.
Phosphor Handbook. [Hrsg.] GHKG. s.l. : CRC Press, 1999. TZU] , der auch PSL (photostimulierbare Lumineszenz) zeigt und als ein Speicherleuchtstoff für die Visualisierung von Infrarot (IR) -Lasern verwendet wird [www.phosphor-technology.com]. Dementsprechend kann ein mit UV- oder mit blauen Licht aufgeladener ZnS : Cu+, Pb2+-Marker nach einem ZeitIntervall durch einen IR-Impuls zum Leuchten im sichtbaren Bereich des Spektrums gebracht werden. Besonders gut sind die Lumineszenzmechanismen von ZnS:Cu+ untersucht: Die grüne Lumineszenz mit einem breiten Band bei Amax.= 520 nm ist eine Donor-Akzeptor-Emission, wobei sowohl durch die Herstellung eingefügte Cl~ als auch Al3+- Ionen als Donatoren dienen können.
Unterschiedliche Gitterdefekte in ZnS können Elektro nen und Löcher lokalisieren und damit zur Phosphores zenz beitragen. Die Dauer des Nachleuchtens kann deutlich vergrößert werden durch die Erzeugung von tiefen Haftstellen mit Co-Ionen.
Die PSL in ZnS:Cu+,Pb2+ kommt zustande durch die Befreiung von Elektronen aus der Fallen [D. E. Mason. Rev. Modern Phys . 1965, Bd. 37, S. 743; R. Scheps, F Hanson. J. Appl . Phys. 1985, Bd. 57, S. 610]. Die Fallen sind bei Raumtemperatur stabil, dadurch kann die IR-stimulierte Lumineszenz sogar nach einigen Stunden beobachtet werden [ . Sidran. Appl. Optics. 1969, Bd. 8, S. 79; E. Bulur, H. Y. Göksü. phys.
stat. sol. A. 1997, Bd. 161, S. R9] .
ZnS:Eu,Mn
Auch die durch UV-Licht angeregte Lumineszenz von na- nokristallinem ZnS:Eu,Mn ist empfindlich gegen IR Licht [Chen, W. US Patent 7126136 24. Oct . 2006]. Dieser Effekt ist mit einer Ladungsübertragung Eu3+ + n2+ <-> Eu2+ + Mn3+ zwischen den beiden Dotantionen verbunden und belegt, dass auch Eu und Mn als Fallen für Ladungsträger wirken.
CaS : Eu, Sm
Eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Anforderungsprofil zeigt das Materialsystem CaS:Eu,Sm, ein effektiver IR-Konverter mit schneller Reaktionszeit [Y. Tamura, A. Shibukawa. Jap. J. Appl. Phys . 1993, Bd. 32, 7, S. 3187-3196]. Das Emissionsmaximum liegt im roten Spektralbereich, das Stimulationsspektrum erstreckt sich von 900 bis 1500 nm. CaS ist allerdings in geringem Maß wasserlöslich, dieser Nachteil kann aber durch eine Ummantelung der CaS-Mikropartikel mit Si02, Ti02 [C. Guo, B. Chu, M. Wu, Q. Su. J. Lumin.
2003, Bd. 105, 2-4, S. 121-126], oder CaF2 [C.-F.
Guo, B.-L. Chu, J. Xu, Q. Su. Cehm. Res. Chinese U.
2004, Bd. 20, 3, S. 253-257] werden. Der PSL Mechanismus ist in diesem Materialsystem gut aufgeklärt und soll exemplarisch etwas ausführlicher hier widergegeben werden:
Die gängigen Modelle der Ladung, Speicherung von Energie und Ladungsträgern und der stimulierten Emis- sion gehen im Wesentlichen zurück auf ein Ende der
50er Jahre entwickeltes Modell der stimulierten Emission in SrS:Eu,Sm [S.P. Keller, G.D. Pettit. Phys. Rev. 1958, Bd. 111, 6, S. 1533-1539; S.P. Keller.
Phys. rev. 1959, Bd. 113, 6, S. 1415; S. P. Keller, J.E. Mapes, and G. Cheroff. Phys. Rev. 1957, Bd. 108,
3, S. 663-676]. Es wurde von den neueren Autoren modifiziert [Y. Tamura, A. Shibukawa. Jap. J. Appl.
Phys. 1993, Bd. 32, 7, S. 3187-3196; Y. Tamura. Jap. J. Appl. Phys. 1994, Bd. 33, S. 4640-4646; J. Wu, D. Newman, I.V. F. Viney. Appl. Phys. B. 2004, Bd. 79, S.
239-243; J. Wu, D. Newman, and I.V. F. Viney. J. Lu- min. 2002, Bd. 99, 3, S. 237-245; M. Danilkin, et al. Radiation Measurements . 1995, Bd. 24, 4, S. 351-354; M. Weidner, A. Osvet, G. Schierning, M. Batentschuk, A. Winnacker. Journal of Applied Physics. 2006. Bd. 100, 7, S. 073701]. Durch Bestrahlung mit hochenergetischem Licht (blau, UV) kann ein Teil der Eu2+-Ionen zu Eu3+ ionisiert werden. Diese Eu-Ionen in dreiwertigem Valenzzustand werden als Lochfallen bezeichnet. Die ins Leitungsband angeregten Elektronen werden an Sm3+-Ionen angebunden (Sm3+-Ionen werden zu Sm2+ reduziert) . Die so entstandenen Elektronenfallen bzw.
Lochfallen (Eu3+) sind bei Raumtemperatur stabil, die Ladungsträger bleiben zum Teil mehrere Stunden in den Fallen gespeichert.
Wird das aufgeladene CaS:Eu,Sm mit niedrig energetischem IR-Licht im Bereich von 900-1500 nm stimuliert, so zeigt sich die rote Lumineszenz von Eu2+. Durch stimulierendes Licht können die am Sm2+ gespeicherten Elektronen zurück ins Leitungsband angeregt werden und mit einem am Eu3+ gespeicherten Loch rekombinieren. Dadurch werden die Eu3+-Ionen wieder in den zweiwertigen Valenzzustand zurückgeführt. Das resultierende Eu2+ befindet sich im angeregten Zustand und geht unter Emission der charakteristischen Lumineszenz in den Grundzustand über.
Zn2SiQ4:Mn2+ und ZnMgSi2Q6 : Mn2+, Eu2+, Dy3+ In Optoelektronik verwendet man zahlreiche Leuchtstoffe auf Silikat-Basis, einschließlich einen der ältesten Leuchtstoffe, Zn2Si04 dotiert mit n2+, der sowohl Phosphoreszenz- als auch PSL- Eigenschaften aufweist. Der übliche Herstellungsweg ist die Fest- körpersynthese [S. Shionoya, W. M. Yen. Phosphor
Handbook. [Hrsg.] GHKG . s.l. : CRC Press, 1999. TZU ] . Die grüne Lumineszenz (Amax.= 520 nm) des Mangans in a-Zn2Si04 ( illemite) und die rot-orange (Amax.= 600 nm) in ß-Zn2Si04 erfolgt durch die intraionische d-d- Übergänge in Mn2+ . In Zn2Si04:Mn wurden mindestens zwei Arten der Fallen gefunden aus denen die Elektronen durch das Tunneln zum Mn-Ion zurückkehren können, was wiederum zur Phosphoreszenz führt [P. Thioulouse, I. F. Chang, E. A. Giess. J. Electrochem. Soc. 1983, Bd. 130, S. 2065]. Auch eine Bestrahlung mit einem He-Ne Laser (633 nm) führt zur Befreiung der gespeicherten Elektronen aus den Fallen und darauf folgender PSL im Bereich der Emission von Mn+-Ionen . Der PSL-Effekt wurde ebenfalls in Ga-dotierten Zinksilikaten beobachtet [H. Hess, phys . Status solidi (a) . 1984, Bd. 85, S. 543] .
Über MgSi03 und ZnMgSi206, beide dotiert mit
Mn2+, Eu2+, Dy3+, wurde in [X-J. Wang, D. Jia, W.M. Yen.
J. Lumin. 2003, Bd. 102-103, S. 34-37] bzw. in [D. Scherman, M. Bessodes, C. Chaneac, D.L. Gourier, J-P.
Jolivet, Q. le Masne, S. Maitrejean, F. Pelle. Patentanmeldung WO 2007/048856 AI, published 03.05.2007. Q. le Masne, C. Chaneac, J. Seguin, F. Pelle, S.
Maitrejean, J-P. Jolivet, D. Gourier, M. Bessodes. PNAS 2007, Bd. 104, S. 9266] berichtet. Diese Leuchtstoffe emittieren im rotem Bereich (Amax.= 650 nm) und zeigen eine langlebige (mehrere Stunden) Phosphoreszenz. Eine Verschiebung des Emissionsspektrums ins nah-infrarot kann mit einer Teilersetzung von Zn und Mg durch Ca erreicht werden [D. Scherman, M.
Bessodes, C. Chaneac, D.L. Gourier, J-P. Jolivet, Q. le Masne, S. Maitrejean, F. Pelle. Patentanmeldung WO 2007048856 AI, published 03.05.2007. Q. le Masne, C. Chaneac, J. Seguin, F. Pelle, S. Maitrejean, J-P.
Jolivet, D. Gourier, M. Bessodes. PNAS 2007, Bd. 104,
S. 9266] . SrAl204 :Er+, DyJ und Sr3Al2Q6:Eu , DyJ
Erdalkali-Aluminate besitzen, hergestellt als dotier- te Pulver, Keramiken oder Einkristalle, die für die
Ziele des Vorhabens notwendigen Eigenschaften. Der am meisten verwendete Leuchtstoff dieser Gruppe ist SrAl204 : Eu2+, Dy3+, welcher sich aufgrund seiner hervorragenden und lang anhaltenden Phosphoreszenz mitt- lerweile klar gegenüber dem früher verwendeten
ZnS:Cu,Co durchgesetzt hat. Als Material, welches effektive, grüne Lumineszenz (Amax=520 nm) zeigt, ist SrAl204:Eu2+ seit 1966 bekannt [H. Lange. US Patent 3,294,699] und wurde von Blasse und Bril systematisch untersucht [G. Blasse, A. Bril. Philips Res. Rep.
1968, Bd. 23, S. 201] . Die Phosphoreszenz von
SrAl204:Eu2+ entsteht nach einer längeren Bestrahlung mit UV-Licht [V. Abbruscato. J. Electrochem. Soc.
1971, Bd. 118, 6, S. 930]. In [T. Matsuzawa, Y. Aoki, N. Takeuchi, Y. Murayama. J. Electrochem. Soc. 1996,
Bd. 143, 8, S. 2670] ist gezeigt worden, dass die Phosphoreszenz von SrAl204:Eu2+ durch eine Co-Dotie- rung mit dreiwertigen Seltenerd-Ionen (SE) wesentlich verbessert werden kann. In [H. Aizawa, T. Katsumata, J. Takahashi, K. Matsunaga, S. Komuro, T. Morikawa.
Rev. Sei. Inst. 2003, Bd. 74, 3, S. 1344] wurde festgestellt, dass die maximale Speichereffizienz von SrAl204:Eu durch die Dotierung mit Dy3+ erreicht wird. Ein Modell für die Phosphoreszenz von CaAl204 : Eu2+, SE3+, wird in [T. Aitasalo, P. Deren, J. Hölsä, H.
Jungner, J.-C. Krupa, M. Lastusaari, J.
Legendziewicz, J. Niittykoski, W. Strek. J. Sol. St. Chem. 2003, Bd. 171, S. 114-122] vorgestellt, bei dem als Fallen für Elektronen und Löcher Sauerstoff- bzw. Calciumleerstellen vorgeschlagen werden. Die gefangenen Ladungsträger lassen sich auch mit Licht in Sr (Ca) A1204 :Eu, Dy stimulieren (PSL) [W. Jia, H. Yuan, S. Holmstrom, H. Liu, W.M. Yen. J. Lumin. 1999, Bd. 83/84, S. 465], [T. Aitasalo, J. Hölsä, H. Jungner, M. Lastusaari, J. Niittykoski. J. Lumin. 2001, Bd. 94/95, S. 59]. Eine effektive Emission unter direkter Anregung und Phosphoreszenz im roten Spektralbereich
(breites Spektrum mit Ämax=612 nm) wurde in mikrokristallinem (d5o * 1 ym) [Ping Zhang, Mingxia Xu,
Zhentai Theng, Lan Liu, Lingxia Li. J. Sol-Gel Sei. Techn. 2007, Bd. 43, S. 59-64] und nanokristallinem
(d50 *= 80-100 nm) [Ping Zhang, Mingxia Xu, Zhentai Theng, Bo Sun, Yanhui Zhang. Mat . Sei. and Enginee¬ ring B 2007, Bd. 136, S. 159-164] Sr3Al206 : Eu2+, Dy3+ Pulver detektiert. Über die PSL dieser Zusammensetzung wurde in der Literatur nicht berichtet.
Beispiel der Herstellung eines Si02@Zn2Si0 :Mn2+ Kern- Schale-Nanopartikelsystems . Die Synthese von lumineszenten Kern-Schale-Nanopar- tikeln wurde in einem zweistufigen Verfahren ausgeführt: Beschichten der Silica-Kerne und Sintern der beschichteten Nanopartikel . Dazu wurden quasi monodisperse Silica-Kerne verschiedener Partikelgrößen (D = 75, 110, 140, 260 nm) gemäß eines modifizierten
Verfahrens nach Stoeber et al. (W. Stoeber, A. Fink, E. Bohn, J. Colloid Interface Sei. 1968, 26, 62; C. Gellermann, W. Storch, H. Wolter, J. Sol-Gel Sei.
Technol. 1997, 8, 173) durch Hydrolyse von TEOS
(Si(OEt)4 in Alkohol in der Gegenwart von Wasser und
Ammoniak hergestellt. Die Partikelgröße der Silica- kolloide wurde durch Konzentration der Reaktanden und der Temperatur währen des Partikelwachstums eingestellt. Die Isolation der erhaltenen Silicapartikel wurde durch Abdestillation des Solvens und durch dreimaliges Waschen der Partikel mit Ethanol erzielt. Die erhaltenen Silica-Kerne zeigten eine sphärische Morphologie und eine enge Größenverteilung (Poly- dispersität zwischen 1 bis 3 %) . Im ersten Schritt wurden die Kerne mit Zn2Si04 : Mn2+-Vorläufern unter Verwendung eines modifizierten Pechini-Sol-Gel-
Prozesses (siehe z.B. US 3,330,697) bei Raumtemperatur beschichtet. Die Dotierkonzentration von Mn2+ wurde zwischen 1 mol-% und 20 mol-%, bezogen auf Zn2+ in Zn2Si04 variiert. Die Menge des Ausgangsmaterials wurde so berechnet, um eine Schalendicke von 5 nm zu erhalten. Die Ausgangsmaterialien für die Schale wurden in einer asser-Ethanol-Lösung in Gegenwart von Salpetersäure, Zitronensäure als Chelatmittel und Polyethylenglycol (PEG) als guervernetzendes Agens gelöst. Die Netzwerkbildung nach Chelatisierung von
Zn2+- und Mn2+-Ionen führte zu einer Stabilisierung der Metallionen und zu einer homogenen Verteilung im Schalenmaterial auf der Oberfläche des Silica-Kerns . Die verwendeten Silica-Kerne gewährleisteten eine sphärische Form der resultierenden Kern-Schale-
Nanopartikel und dienten gleichzeitig als Silicat- quelle für die resultierende Zn2Si04-Schale . Im abschließenden Schritt wurden die Nanopartikel auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 1100 °C erhitzt und dort für eine kurze Zeit zur Kristallisation gehalten. Wegen ihrer spezifischen Oberfläche und starken Interaktion zwischen den Nanopartikeln tendieren diese während der abschließenden thermischen Behandlung zu koagulieren und Aggregate auszubilden. Um die Partikelagglomeration während dem Ausheizen zu reduzieren, wurde eine Vorbehandlung der beschichteten Nanopartikel durch Schockgefrieren und darauf folgende Lyophilisierung durchgeführt. Die Lyophilisierung beinhaltet die Sublimation von Wasser unter Vakuum- Bedingungen aus der gefrorenen Probe. Diese Vorbehandlung führt zu einer lockeren Lagerung der Nano- Partikel nebeneinander und verhindert das Verschmelzen der Partikel während der Temperaturbehandlung. Dispersionstests wurden ausgeführt, um die Menge der isolierten Partikel sowie der Fraktion der nicht- redispergierbaren Aggregate zu bestimmen. Trotz der Sprüh-Trocknung der Partikelproben wurde eine Fraktion an nicht-redispergierbaren Aggregaten erhalten, die durch selektierende Sedimentation aussortiert wurden. Tabelle 1 zeigt den Grad der Aggregation, korreliert mit der Partikelgröße. Die Menge der nicht-redispergierbaren Aggregate steigt mit Abnahme der primären Partikelgröße.
(a) Probenbezeichnung setzt sich zusammen aus dem Durchmesser des Silica-Kerns (bestimmt mittels Dynamischer Lichtstreuung (DLS) ) und der Schale, die bei der Synthese angestrebt wurde (b) Bestimmt mittels DLS
Zur Vermeidung der Aggregation ist die Sintertemperatur ebenso von großer Bedeutung. Beobachtungen bei Nanopartikeln derselben Größe zeigen, dass sich die Menge der nicht-redispergierbaren Aggregate mit steigender Temperatur erhöht. Im Falle eines Nanoparti- kels mit einem Kerndurchmesser von 75 nm wurde eine Steigerung der Aggregat-Fraktion von bis zu 90 Gew.-% bei Temperaturen von über 1100 °C beobachtet. Diese Resultate demonstrieren die Wichtigkeit der Wahl der Syntheseparameter in Übereinstimmung mit der Partikelgröße und der Bedeutung der weiteren Optimierung des Herstellungsprozesses zur Herstellung von aggregatfreien Nanopartikeln . Figur 1 zeigt eine TE -Aufnähme von Si02-Kernen (d =
140 nm, Fig. la) und Kern-Schale-Nanopartikel, die bei 900 °C gesintert wurden (Fig. lb:
Si02@Zn2Si04 :Mn2+ Kern-Schale-Partikel mit einer Mn2+- Dotierungskonzentration von 5 mol-%). Nach Beschich- tung der Silica-Kerne mit einer Zn2Si04 : Mn2-Schicht behalten die resultierenden Kern-Schale-Nanopartikel nach wie vor ihre sphärische Form bei. Es konnte jedoch keine Zunahme des Durchmessers der Nanopartikel bei Kern-Schale-Nanopartikel verglichen mit reinen Silica-Kernen festgestellt werden. Dies ist auf die
Schrumpfung des Silica-Kerns beim Sintern bei hohen Temperaturen zurückzuführen. Wegen der unterschiedlichen Elektronendurchlässigkeit des Kerns und des Materials der Schale kann die Kern-Schale-Struktur des Si02@Zn2Si04 : Mn2+-Nanopartikels klar erkannt werden
(siehe Figur lb) .
Die umhüllende Zn2Si0-Schicht ist durchgehend, jedoch nicht von konstanter Dicke. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, dass der Si02-Kern nicht nur als Matrix für die morphologischen Eigenschaften, wie z.B. die sphärische Form, sondern auch als Quelle für die Bildung des Silicats während des Wachstums der ZnSi0 : Mn2+-Schicht verantwortlich ist. Offensichtlich bildet sich die ZnSi04 : Mn2+-Schale nicht einheitlich auf der Oberfläche der Silica-Kerne aus. Strukturelle Eigenschaften von Si02@Zn2Si04 : Mn2+-Kern- Schale-Nanopartikel
Die Sintertemperatur spielt eine wichtige Rolle, nicht nur bei der Bildung von Aggregaten während der
Partikel-Herstellung, sondern auch hinsichtlich der strukturellen Eigenschaften des Mn2+-dotierten Zink- Orthosilicats ( . Takesue, K. Shimoyama, S. Murakami, Y. Hakuta, H. Hayashi, R.L. Smith Jr . , J. Supercrit. Fluids, 2007, 43, 214). Um die Auswirkungen der Temperatur auf die Bildung der kristallinen Phase der Nanopartikel-Schale zu untersuchen, wurden Proben bei verschiedenen Temperaturen zwischen 800 und 1100 °C gesintert und mittels XRD analysiert. Figur 2 zeigt die Änderung der kristallinen Phase, die als Funktion der Sinter-Temperatur erhalten wurde. Fig. 2 zeigt XRD-Beugungsmuster der Si02@Zn2Si04 : Mn2+ Kern-Schale- Nanopartikel , die bei verschiedenen Temperaturen getempert wurden (d = 75 nm, Dotierkonzentration von Mn2+: 5 mol-%) . Die unterste Linie deutet die Linienpositionen des a-Zn2Si04-Gitters [PDF 37-1485; Kreise] und des ZnO-Gitters [PDF 36-1451; Sternchen] an.
Alle Proben zeigen die Bildung einer kristallinen La- ge um den amorphen Silica-Kern. Die XRD-Analyse zeigt jedoch, dass bei 800 °C vorwiegend eine ZnO-Phase gebildet wird. Im Falle von Si02@Zn2Si04 : n+-Nanopar- tikelproben, die bei 900 °C gesintert wurden, wurde die Bildung von zwei Phasen detektiert: ZnO und α- Zn2Si04. Die Intensitäten der Reflexe von Willemit nehmen mit steigender Feuerungstemperatur zu und eine prädominante oi-Zn2Si04-Phase wird bei Proben, die bei 1100 °C temperaturbehandelt werden, beobachtet. Darüberhinaus konnte kein Einfluss der Mn2+-Konzentration auf die Bildung der kristallinen Schalenstruktur beobachtet werden. Einerseits zeigen diese Resultate die Wichtigkeit der Temperaturbehandlung zur Schalenbil¬ dung, die lediglich aus einer reinen Zink-Silicat- Phase besteht. Andererseits kann anhand dieser Ergebnisse der Phasenbildungsprozess während des Wachstums der Schale verstanden werden. Die Mechanismen der Phasenformation der kristallinen Schale können wie in Figur 3 dargestellt zusammengefasst werden. Gemäß der in Figur 3 vorgeschlagenen Bildung der Kern-Schalestrukturierten Si02@Zn2Si04 : Mn2+-Nanopartikel werden in einem ersten Schritt Zn2+ und Mn2+, die durch
Chelatisierung und Polymerisation stabilisiert sind, homogen in der Ausgangslösung verteilt und auf die kolloidalen Silica-Partikel unter Ausbildung einer Gelschicht adsorbiert (1). Erhitzen der beschichteten Partikel bei 800 °C bedingt die Bildung einer Mn+- dotierten ZnO-Schale (2) . Die Zn2Si04-Phase beginnt sich bei Temperieren bei 900 °C zu bilden (3) . Eine weitere Erhöhung der Temperatur auf 1100 °C induziert die Bildung von reinem Mn2+-dotierten a-Zn2Si04
(Willemit) (4) .
Beim ersten Schritt des Pechini-Prozesses werden die Ausgangsmaterialien in der Reaktionslösung gelöst. Zn2+ und Mn2+-Ionen werden durch Zitronensäure (Che- latbildung) stabilisiert und durch Reaktionen der übrigbleibenden Carbonsäuregruppen mit PEG (Polyver- esterung) polymerisiert . Dies sichert eine homogene Verteilung der Metallkationen im polymeren Netzwerk und der sich anschließenden Adsorption von Metallionen auf die Silica-Kern-Oberfläche (siehe Schritt (1) in Figur 3) . Während der Temperaturbehandlung zerfallen die organischen Komponenten; die Reaktion findet auf der Grenzfläche zwischen Si02 und Zn2+ und Mn2+ statt. Eine Temperatur von ungefähr 800 °C wird zur Bildung einer Zinkoxidphase benötigt (siehe Schritt (2) in Figur 3) . Eine weitere Erhöhung der Temperatur führt zur Transformation von ZnO in die Zn2Si04-Phase (siehe Schritt (3) in Figur 3) . Bei Temperaturen zwi¬ schen 900 und 1000 °C coexistieren ZnO und Zn2Si04 in einem gemischten kristallinen System. Die Umformung der ZnO-Phase in Zinksilicat schreitet durch weitere
Diffusion von ZnO in die Silicamatrix weiter fort (C. Xu, J. Chun, K. Roh, D.E. Kim, Nanotechnology 2005, 16, 2808) . Die Reaktion entlang der Grenzfläche zwischen ZnO-Keimkristallen und der Silicaoberflache kann durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben werden :
2ZnO + Si02 -> Zn2Si04 (1)
Die XRD-Resultate beweisen, dass das Arrangement der Zinksilicatphase durch Umformung der ZnO-Phase, die zu Beginn des Sinterungsprozesses gebildet wurde (Figur 2) fortschreitet. Die Bildung der reinen Zn2Si04- Schale findet bei Temperaturen von 1100 °C statt (siehe Schritt (4) in Figur 3) .
Optische Eigenschaften von SiQ2@Zn2SiQ4 : Mn2-Kern- Schale-Nanopartikeln
Die UV-angeregten Photolumineszenz-Spektren der Partikel werden von einer starken grünen Emissionsbande mit einem Maximum um 525 nm dominiert (Figur 4) . Figur 4 zeigt die Photolumineszenzspektren von
Si02@Zn2Si04:Mn2+-Nanopartikeln, die bei 1100 °C (1), 1000 °C (2) und 900 °C (3) getempert wurden. Die Messungen erfolgten bei 300 K bei einer Anregung bei 260 nm. Die Dotierkonzentrationen betragen 5 mol-% (1, 2) und 1 mol-% (3) . Dies entspricht der Ti (4G) -^-Emission der Mn2+-Ionen in a-Zn2Si04, die substitutiv in den tetragonalen Zn- Stellen lokalisiert sind, was die Bildung der a- Willemit-Struktur bestätigt (A.L.N. Stevels, A.T. Vink, J. Lumin. 1974, 8, 443) . Eine leichte Verschiebung der maximalen Wellenlänge mit zunehmender Mn2+- Konzentration hängt mit der relativen Population der beiden nicht-äquivalenten Zn-Stellen zusammen. Der Abfall der Lumineszenz bei schwach dotierten Proben ist exponentiell, bei einer Lebenszeit von ungefähr 20 ms, was typisch für verbotene d-d-Übergänge ist. Figur 5 zeigt den Photolumineszenz-Zerfall der
Si02@Zn2Si04 :Mn2+-Nanopartikel, die mit 1 mol-% (1), 5 mol-% (2) und 20 mol-% (3) n2+-dotiert sind, bei gepulster Anregung bei 260 nm, bei Raumtemperatur. Das Emissionsmaximum wurde bei 525 nm detektiert. Wie in Figur 5 gezeigt, weisen die mit 1 mol-% dotierten
Proben immer noch einen exponentiellen Abfall auf. Ein leichter nicht-exponentieller Zerfall der 5 mol-% Probe beweist ein Konzentrations-Quenching gemäß Inoue et al. (Y. Inoue, T. Toyoda, J. orimoto, J. Mater. Sei. 2008, 43, 378) und Sohn et al. (K.-S.
Sohn, B. Cho, H.D. Park, Mater. Lett . 1999, 41, 303) beginnt das Quenchen bei 6 bis 7 mol-%; es ist möglich, dass die inhomogene Verteilung von Mn2+-Ionen in den Proben auch zu Quenchen bei geringeren Kon- zentrationen führt. Ein stärkerer Quencheffekt wird bei Proben, die mit nominal 20 mol-% dotiert sind, beobachtet .
Die Photolumineszenzspektren wie auch die Zerfalls- kurven werden bei 260 nm Anregung gemessen, was zu einem Transfer der Elektronen von Mn2+ Grundzustand ins Leitungsband von Zn2Si04 und einer nachfolgenden Rekombination führt. Es ist ebenso möglich, die Lumineszenz in Band zwischen 340 nm und 399 nm anzuregen, was den Übergang vom 6Ai(S) Grundzustand der Mn2+- Ionen zum 4E(4D) und 4T2( D) angeregten Zuständen entspricht .
Oberflächenmodifizierung der SiQ2@Zn2SiQ4 : Mn2+-Kern- Schale-Nanopartikel
Hinsichtlich der Verwendung von Si02@Zn2Si04 : Mn2+- Kern-Schale-Nanopartikel als lumineszenter Marker in biologischen und medizinischen Diagnosesystemen wurde eine weitere Oberflächenmodifizierung von mit Zink- silicat beschichteten Nanopartikeln mit Amino- und Carboxylfunktionalitäten für ein weiteres Anbringen von Biomolekülen gezeigt. Oberflächenanalogien von Zn2Si04 und Si02 demonstrieren die Möglichkeit, die Funktionalisierungsmethoden für Silica-Partikel auf die Zinksilicatoberflächen zu übertragen. Die Nano- partikel wurden durch kovalentes Anbinden des Amino- silans N- [3- (Trimethoxysilyl) -propyl ] diethylentriamin (TRIAMO) über die Silanisierungsmethode modifiziert (siehe auch Van Blaaderen, A. ; Vrij, A. , J. Colloid Interface Sei. 1993, 156, 1 und Waddell, T.G.;
Leyden, D.E.; DeBello, M.T., J. Am. Chem. Soc, 1981, 103, 5303) . Der Erfolg der Oberflächenmodifizierung wurde über Messungen des ζ-Potentials als Funktion des pH-Wertes bestimmt (siehe Figur 6) . Figur 6 zeigt das ζ-Potential von nicht-modifizierten und funktio- nalisierten Si02@Zn2Si04 : Mn2+-Nanopartikel als Funktion des pH-Wertes vor Funktionalisierung (1) und nach Oberflächenmodifizierung mit Amin- (2) und Carboxyl- (3) Funktionalitäten. Das Diagramm zeigt die Verlagerung des elektrischen Punktes nach Modifikation mit Amino- und Carboxyl-Funktionalitäten .
Diese Messung zeigte deutlich die Veränderung der Oberflächeneigenschaften durch die Reaktion mit
TRIAMO. Der isoelektrische Punkt (IEP), der bei einem pH-Wert von 3,1 für das anfängliche nicht-modifizier- te Si02@Zn2SiO,j : Mn2+-Kern-Schale-Nanopartikel erhalten wurde, liegt nahe bei den Werten, die für reine Sili- ca-Partikel berichtet wurden (T. Schiestel, H. Brun- ner, G.E.M. Tovar, J. Nanosci . Nanotechnol . 2004, 4,
504). Die Shift des isoelektrischen Punktes auf pH- Wert von 7 nach Aminofunktionalisierung zeigte das erfolgreiche Anbinden des Aminosilans an die Oberfläche der Nanopartikel . Succinsäureanhydrid wurde zur Einführung von Carboxylgruppen an die Partikeloberfläche in analoger Weise verwendet (X. Zhao, L.R. Hil- liard, S.J. Mechery, Y. Wang, R.P. Bagwe, S. Jin, W. Tan, Proc. Nat . Acad. Sei. U.S.A. 2004, 101, 15027) der isoelektrische Punkt von 3,5, der für die Carbon- säure modifizierten Nanopartikel festgestellt wurde, legt nahe, dass die cyclischen Anhydridmoleküle mit den Aminogruppen über eine Ringöffnungsreaktion unter Ausbildung einer Amid-Funktionalität abreagiert hatten, was in einer Spacer-Verlängerung und der Ein- führung von Carboxyl-Funktionalitäten anstelle des
Amins auf der Oberfläche der Nanopartikel nahelegt. Die terminalen Carboxylgruppen, die in die umgebende Lösung gerichtet sind, stabilisieren die Nanopartikel in wässriger Umgebung und erlauben die Immobilisie- rung auf aminhaltigen Biomolekülen, wie z.B. Proteinen. Somit können oberflächenmodifizierte lumines- zente Si02@Zn2SiO4 : Mn2+-Kern-Schale-Nanopartikel direkt in einer■ Vielzahl von biologischen und medizinischen diagnostischen Applikationen verwendet werden.
Gemäß den oben stehenden Ausführungen ist es möglich, redispergierbare Kern-Schale-strukturierte lumines- zente Nanopartikel mit Partikelgrößen in einem Bereich von 10 und 290, bevorzugt 75 und 260 nm erfolg- reich über einen Sol-Gel-Prozess , der von einem Sinterschritt bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, herzustellen. Die Kristallstrukturen der Schale und die Photolumineszenz-Intensität der Kern-Schale-Nano- partikel kann durch Auswahl der Sinterbedingungen und Variierung der Konzentration des zur Dotierung verwendeten Metalls, beispielsweise Mn2+, eingestellt werden. Bei Temperaturen über 800 °C, bevorzugt
900 °C bildet sich die Schale, die bevorzugt a- Zn2Si04 darstellt, die durch eine lange Lebensdauer der Emission von Lumineszenz, beispielsweise Mn2+ bei einer Wellenlänge von 525 nm, gekennzeichnet ist.
Die erfolgreiche zusätzliche Funktionalisierung der Nanopartikeloberflächen legt nahe, dass im Prinzip die konventionellen Silanisierungsmethoden bei der Modifizierung von Zn2Si04 : Mn2+-basierten Nanopartikeln verwendet werden können. Gemäß der vorliegenden Erfindung können Nanopartikel von kontrollierter
Partikelgröße, Morphologie, Kristallstruktur und optischen Eigenschaften hergestellt werden, ebenso kann die Aggregation der Nanopartikel sowie deren Agglomeration kontrolliert werden. Darüberhinaus bietet die vorliegende Erfindung beträchtliche Anwendungsmöglichkeiten der lumineszenten Nanopartikel in verschiedenen biotechnologischen Applikationen.
Beispiel
Herstellung von monodispersen Silica-Kernen : Monodis- perse Silica-Kerne wurden durch die modifizierte
Stoeber-Methode (W. Stoeber, A. Fink, E. Bohn, J.
Colloid Interface Sei. 1968, 26, 62 und C.
Gellermann, W. Storch, H. Wolter, J. Sol-Gel Sei.
Technol. 1997, 8, 173) hergestellt. Bei einer typi- sehen Synthese wurden 225 g TEOS in 4,5 1 Ethanol in
Gegenwart von 225 ml Ammoniumhydroxid hydrolisiert . Das resultierende klare, farblose Gemisch wurde anschließend bei Raumtemperatur über 3 Tage gealtert. Die Isolation der erhaltenen Silica-Kerne wurde durch Abdestillation des Lösungsmittels und anschließendem dreimaligen Waschen mit Ethanol bewerkstelligt.
Herstellung von Si02@Zn2Si04-Kern-Schale-Nanoparti- keln: Die Oberflächenbeschichtung mit einer Mn2+- dotierten Zinksilicatschicht wurde durch einen modi- fizierten Pechini-Prozess (D.Y. Kong, M . Yu, C.K.
Lin, X.M. Liu, J. Lin, J. Fang, J. Electrochem. Soc. 2005, 152, H146) bewerkstelligt. Bei einer typischen Reaktion wurden 31,2 g (142 mmol) Zn (02C2H4 ) · 2H20 und 1,29 g (7,47 mmol) Mn(02C2H4)2 (Dotierkonzentration 5 mol-%) in einer Lösung von 1,07 1 Ethanol und 133 ml
Wasser (Ethanol/Wasser = 8/1 Vol/Vol) gelöst. Nach Zugabe von 20 ml Salpetersäure wurde das Reaktionsgemisch mit Ultraschall beaufschlagt, um die Ausgangsmaterialien zu lösen. Im Anschluss wurden 62,6 g (298 mmol) Zitronensäuremonohydrat als Chelatisierungs-
Agens und 63,1 g (5,49 bis 7,43 mmol) PEG ( w=10000) als Quervernetzer zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde gerührt und mit Ultraschall für 2 h beaufschlagt. Eine Dispersion von monodispersen Silica- Kernen wurde zu der oben genannten Lösung gegeben.
Die resultierende Suspension wurde für 3 h bei Raumtemperatur gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde im Anschluss zentrifugiert und das Präzipitat gefriergetrocknet. Das lyophilisierte Nanopartikelpulver wurde auf 100 °C über 1 h in einem Ofen erwärmt und bei den benötigten Temperaturen (800 bis 1100 °C) bei einer Heizrate von 200 K/h gesintert, wobei es über 15 min bei der Sintertemperatur behalten wurde.
Oberflächenmodifikation: Die folgenden Schritte wurden in einer Argonatmosphäre ausgeführt. 5,73 ml Am- moniurahydroxid und 44,6 μΐ (173 pmol) TRIAMO wurden zu einer Dispersion von 1,00 g der Kern-Schale-Nano- partikel in Ethanol, die durch einen oben erwähnten Beschichtungsprozess hergestellt wurden, zugegeben. Die Lösung wurde über 16 h bei Raumtemperatur gerührt. Die aminofunktionalisierten Nanopartikel wurden abzentrifugiert und dreimal mit Ethanol gewaschen. Um die Carboxylfunktionalitäten auf der Nano- partikeloberflache auszubilden, wurden 100 mg der aminofunktionalisierten Nanopartikel in THF (70 ml) überführt. 6 ml Succinsäureanhydridlösung in THF (2 mol/1) wurden zu der Nanopartikelsuspension unter Schallbeaufschlagung zugegeben. Die Suspension wurde über 16 h bei Raumtemperatur gerührt. Die resultierenden carboxylmodifizierten Nanopartikel wurden dreimal gründlich in deionisiertem Wasser gewaschen.
Anwendungsbeispiel :
Dabei wurde in Zn2Si04:Mn2+ (5 mol-%) Probe PSL gemes sen .
Die Probe wurde mit einer Xenon Blitzlampe durch 260 nm Interferenzfilter für 1 Minute bestrahlt.
Repetitionsrate 10 Hz, Impulsenergie 18 Microjoule, Pulsdauer 4 Microsekunden, bestrahlte Fläche ca.
1,5 cm2. Energiedosis ca. 7 mJ/cm2.
Zum Stimulieren wurde eine rote LED mit der Wellenlänge 640 nm benutzt.
Leistungsdichte ca. 2,5 mW/cm2. Die Abbildung zeigt auch Nachleuchten (Phosphoreszenz) . Auch nach einige Minuten , wenn Nachleuchten schon weg ist, kann man PSL messen.
Die Messkurve ist in Fig. 7 dargestellt.

Claims

Patentansprüche
Photo-stimulierbares Nanopartikel, das durch Energiezufuhr in einen elektronisch aufgeladenen Zustand überführbar ist und mittels Stimulation durch elektromagnetische Strahlung zur Emission elektromagnetischer Strahlung veranlassbar ist.
Nanopartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertszeit ti2 des spontanen Zerfalls des aufgeladenen Zustands mindestens 1 s, bevorzugt mindestens 1 Min., besonders bevorzugt mindestens 30 Min. beträgt.
Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung in den elektronisch aufgeladenen Zustand mittels elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt durch elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 100 bis 1600 nm, insbesondere UV-Strahlung, und/oder durch Röntgenstrahlung und/oder durch Elektronenstrahlen erfolgt.
Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Stimulation der Emission verwendete elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge zwischen 200 bis 2000 nm, bevorzugt zwischen 400 bis 1600 nm, aufweist. Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Emission zwischen 200 bis 4000 nm, bevorzugt 400 bis 1600 nm, beträgt.
6. Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Partikelgröße zwischen 2 bis 1000 nm beträgt.
Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanopartikel als Kern-Schalen-Nanopartikel vorliegt
Photo-stimulierbares Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
a) einen amorphen Kern aus Silica oder aus einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolf- ramaten, Phosphaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobromiden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder Lanthanidmetalls , b) eine stimulierbare Schale, enthaltend mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolframaten, Phosphaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobromiden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder Lanthanidmetalls, die mit Übergangsmetall- oder Lanthanidmetall-Ionen mindestens einer zweiten, vom ersten Hauptgruppenmetall, Übergangsmetall oder Lanthanidmetall verschiede- nen Sorte eines Übergangsmetalls oder
Lanthanidmetalls dotiert sind,
gekennzeichnet durch einen Durchmesser des
Silicakerns zwischen 10 und 290 nm, bevorzugt zwischen 10 und 260 nm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 nm oder 75 und 260 nm.
Nanopartikel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, zur Dotierung verwen dete Sorte Übergangsmetall- oder
Lanthanidmetall-Ionen ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pb2+, n2+, Cu+, Dy3+, Sm3+, Eu2+, Eu3+, Tb3+, La3+, Ce3+, Pr3+, Nd3+, Gd3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+ und/oder Kombinationen hieraus .
Nanopartikel nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sr (Ca) A1204, MgSi03, ZnSi04, ZnMgSi206, Sr2MgSi07, YV04, GdV04, NaGd(W04)2, CaW04, Y203, LaP04, ZnS, CaS, BaFBr und/oder Kombinationen hieraus . 11. Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Oberflä- chenfunktionalisierung, bevorzugt eine Amino-, Carboxylat-, Carbonatgruppen, Maleinid-, Imin-, Imid-, Amid-, Aldehyd-, Thiol-, Isocyanat-, Isothiocyanat-, Acylazid-, Hydroxyl-, N-hydroxy- succinimidester—, Phosphat-, Phosphonsäure—, Sulfonsäure- , Sulfonsäurechlorid- , Epoxy—, c-c- Doppelbindung—haltige, wie z.B. (Meth) -acryl- säure- oder (Meth ) -acrylat- oder Norbornyl- gruppen-haltige Funktionalisierung .
12. Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Partikeloberfläche mit einer Hülle aus Silica, Polymer, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinkoxid, Zirkonia oder Polyethylenglycol umgeben ist.
13. Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des PLS—Partikels chemisch modifiziert ist und/oder kovalent oder nicht-kovalent gebundene Verbindungsmoleküle und/oder reaktive Gruppen aufweist.
1 . Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungsmolekül ein oder mehrere kettenförmige Moleküle mit einer der Oberfläche der Nanopartikel entgegengesetzten Polarität oder Ladung nicht-kovalent mit der Oberfläche der Partikel verbunden sind.
15. Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kettenförmigen Moleküle anionische, kationische oder zwitterionische Detergenzien, saure oder basische Proteine, Polyamide oder Polysulfon- oder Polycarbonsäuren sind.
16. Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche und/oder die mit der Oberfläche der Nano- Partikel verbundenen Verbindungsmoleküle reaktive neutrale, geladene oder partial geladene Gruppen, wie Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Thiole, Thioether, Disulfide, Imidazole,
Guanidine, Hydroxylgruppen, Indole, vicinale Diole, Aldehyde, alpha-Haloacetylgruppen, N- Maleimide, Quecksilberorganyle, Arylhalogenide, Säureanhydride, Isocyanate, Isothiocyanate, Sulfonsäurehalogenide, Imidoester, Diazoacetate, Diazoniumsalze, 1 , 2-Diketone , alpha-beta- ungesättigte Carbonylverbindungen, Azolide, Silane, Phosphonsäuren, Phosphorsäureester oder Derivate der genannten Gruppen tragen, wobei diese reaktiven Gruppen eine chemische Bindung mit weiteren Verbindungsmolekülen oder Affinitätsmolekülen erlauben.
Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem oder mehreren Affinitätsmolekülen oder mehreren miteinander gekoppelten Affinitätsmole külen, wobei die Affinitätsmoleküle einerseits an die Partikeloberfläche anbinden und andererseits an eine biologische oder sonstige organische Substanz binden können, ausgestattet sind.
Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Affi nitätsmoleküle monoklonale oder polyklonale An tikörper, Proteine, Peptide, Oligonukleotide, Plasmide, Nukleinsäuremoleküle, Oligo- oder Polysaccharide, Haptene, wie Biotin oder
Digoxin, oder ein niedermolekulares synthetisches oder natürliches Antigen sind. Nanopartikel nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Affi nitätsmolekül durch reaktive Gruppen am Affini tätsmolekül und an der einfachen Nachweissonde kovalent oder nicht-kovalent an das Partikel g koppelt ist.
Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reak¬ tiven Gruppen auf der Oberfläche des Affinitäts moleküls Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Thiole, Thioether, Disulfide, Imidazole, Guani- dine, Hydroxylgruppen, Indole, vicinale Diole, Aldehyde, alpha-Haloacetylgruppen, N- aleimide, Quecksilberorganyle, Arylhalogenide, Säureanhyd ride, Isocyanate, Isothiocyanate , Sulfonsäure- halogenide, Imidoester, Diazoacetate , Diazonium salze, 1 , 2-Diketone, alpha-beta-ungesättigte Carbonylverbindungen oder Azolide sind.
Nanopartikel nach einem der vorhergehenden An^ Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem PSL-Partikel und dem Affinitätsmolekül eine kovalente oder nicht-kovalente , selbstorganisierte Verbindung besteht.
Photo-stimulierbares Nanopartikelsystem, enthaltend Nanopartikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer bevorzugten Polydispersität der Nanopartikel zwischen 0,1 und 10 %, bevorzugt zwischen 1 und 3 %. Photo-stimulierbares Nanopartikelsystem nach vorhergehendem Anspruch in Form einer Lösung, einer Dispersion oder einer Suspension.
Photo-stimulierbares Nanopartikelsystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, enthaltend weitere Zusatzstoffe, insbesondere
Stabilisatoren.
Verfahren zur Herstellung eines photo-stimulier- baren Nanopartikelsystems nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem amorphe Kernpartikel aus Silica oder aus einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolframaten, Phosphaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobromiden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder Lanthanid- metalls, mit einem mittleren Durchmesser zwischen 10 und 290 nm durch Benetzen mit einer wässrigen Lösung, enthaltend
a) mindestens eine Sorte Ionen eines ersten
Übergangsmetalls oder Lanthanidmetalls , b) mindestens eine Sorte Ionen eines zweiten, vom ersten verschiedenen Übergangsmetalls oder Lanthanidmetalls sowie
c) für den Fall, dass die Schale Vanadate,
olframate, Phosphate, Sulfide, Sulfate, Alu- minate und/oder Halogenide enthalten soll Vanadat-, olframat-, Phosphat-, Sulfid- und/oder Halogenid-Ionen, insbesondere Fluorid- und Bromidionen, beschichtet und die beschichteten Kernpartikel anschließend getempert werden.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung zusätzlich
a) eine organische Carbonsäure mit mindestens zwei Säurefunktionalitäten, bevorzugt Zitronensäure, und/oder
b) einen Alkohol mit mindestens zwei Alkoholfunktionalitäten, bevorzugt Polyethylenglykol und/oder Polypropylenglycol
enthält .
Verwendung eines Nanopartikelsystems nach einem der Ansprüche 22 bis 23 als Diagnostikum
und/oder als Marker, insbesondere zu biologischen oder medizinischen Anwendungszwecken; als optisch detektierbare Diffusionssonde; in
Sicherheitssystemen; als Substrat für Sicherheitssysteme und/oder als Marker zur Erkennung von Originalen und/oder Plagiaten und/oder als Kontrastmittel für biomedizinische Untersuchungen und/oder als Mittel für forensische Untersuchungen, wobei bevorzugt das Nanopartikelsystem mit Licht einer Wellenlänge zwischen 100 und 800 nm, mit Röntgen- und/oder Elektronenstrahlen in einen elektronisch aufgeladenen Zustand überführt wird, und mittels eines Lichtimpulses mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 1600 nm zur stimulierten Emission von Photonen mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 1500 nm angeregt wird .
EP11758394.8A 2010-09-14 2011-09-14 Photostimulierbare partikelsysteme, verfahren zu deren herstellung sowie verwendungszwecke Withdrawn EP2616521A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010045306 2010-09-14
DE102011010756A DE102011010756A1 (de) 2010-09-14 2011-02-09 Photostimulierbare Partikelsysteme, Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendungszwecke
PCT/EP2011/004622 WO2012034696A1 (de) 2010-09-14 2011-09-14 Photostimulierbare partikelsysteme, verfahren zu deren herstellung sowie verwendungszwecke

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2616521A1 true EP2616521A1 (de) 2013-07-24

Family

ID=44658696

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP11758394.8A Withdrawn EP2616521A1 (de) 2010-09-14 2011-09-14 Photostimulierbare partikelsysteme, verfahren zu deren herstellung sowie verwendungszwecke

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2616521A1 (de)
DE (1) DE102011010756A1 (de)
WO (1) WO2012034696A1 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI527878B (zh) * 2013-04-26 2016-04-01 Taiwan Textile Res Inst Multi - light wavelength composite powder storage powder and its manufacturing method and application
DE102016007099A1 (de) 2016-06-08 2017-12-14 Giesecke+Devrient Currency Technology Gmbh Verfahren zur Absicherung von Wertdokumenten mit Speicherleuchtstoffen
DE102016007063A1 (de) 2016-06-08 2017-12-14 Giesecke+Devrient Currency Technology Gmbh Verfahren zur Absicherung von Wertdokumenten mit Speicherleuchtstoffen
DE102017101057A1 (de) 2017-01-20 2018-07-26 Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP Zwitterionische Nanopartikel
DE102017008863A1 (de) 2017-09-21 2018-05-30 Daimler Ag Verfahren zum Betrieb eines autonom fahrenden Fahrzeugs mit einer an den Verkehr angepassten Fahrweise
DE102017008868A1 (de) 2017-09-21 2019-03-21 Giesecke+Devrient Currency Technology Gmbh Optischer Speicherleuchtstoff, Verfahren zum Prüfen eines Echtheitsmerkmals, Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens, Echtheitsmerkmal und Wertdokument
DE102018007096A1 (de) 2018-09-07 2020-03-12 Giesecke+Devrient Currency Technology Gmbh Sicherheitselement
DE102019204483A1 (de) 2019-03-29 2020-10-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Detektion und/oder Identifikation magnetischer Suprapartikel mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie oder Magnet-Partikel-Bildgebung

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1154215B (de) 1962-02-08 1963-09-12 Patra Patent Treuhand Anorganischer Leuchtstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
US3330697A (en) 1963-08-26 1967-07-11 Sprague Electric Co Method of preparing lead and alkaline earth titanates and niobates and coating method using the same to form a capacitor
US6548264B1 (en) 2000-05-17 2003-04-15 University Of Florida Coated nanoparticles
US7067072B2 (en) 2001-08-17 2006-06-27 Nomadics, Inc. Nanophase luminescence particulate material
US20030057821A1 (en) 2001-09-26 2003-03-27 Si Diamond Technology, Inc. Nanoparticle phosphor
EP1496126B1 (de) 2003-07-10 2005-08-31 F. Hoffmann-La Roche Ag Nanopartikeln für optische Sensoren
JP4966486B2 (ja) * 2004-09-27 2012-07-04 国立大学法人電気通信大学 結晶質シリコン内在ＳｉＯｘ成形体の製造方法とその用途
FR2892819B1 (fr) 2005-10-28 2008-02-01 Centre Nat Rech Scient Nanoparticules a luminescence persistance pour leur utilisation en tant qu'agent de diagnostic destine a l'imagerie optique in vivo
US20090227044A1 (en) * 2006-01-26 2009-09-10 Dosi Dosev Microchannel Magneto-Immunoassay
WO2009102429A2 (en) * 2008-02-11 2009-08-20 University Of North Dakota Method for producing nanoparticles of a selected size

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2012034696A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012034696A1 (de) 2012-03-22
DE102011010756A1 (de) 2012-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012034696A1 (de) Photostimulierbare partikelsysteme, verfahren zu deren herstellung sowie verwendungszwecke
EP2406343B1 (de) Partikel mit einer lumineszierenden anorganischen schale, verfahren zur beschichtung von partikeln sowie deren verwendung
DE60310032T2 (de) Kern-Mantel Nanoteilchen für (F) RET-Testverfahren
EP1282824B1 (de) Dotierte nanoteilchen als biolabel
Wang et al. One-pot synthesis and strong near-infrared upconversion luminescence of poly (acrylic acid)-functionalized YF 3: Yb 3+/Er 3+ nanocrystals
Sarkar et al. Design of lanthanide-doped colloidal nanocrystals: applications as phosphors, sensors, and photocatalysts
US7538329B2 (en) Energy-transfer nanocomposite materials and methods of making and using same
Vetrone et al. Lanthanide-doped fluoride nanoparticles: luminescence, upconversion, and biological applications
DE102005026485A1 (de) Hydrophile Nanoteilchen mit funktionellen Oberflächengruppen, deren Herstellung und Verwendung
US20060269483A1 (en) SEM cathodoluminescent imaging using up-converting nanophosphors
WO2002020695A1 (de) Dotierte nanopartikel
EP1578888B1 (de) Herstellung und verwendung von in-situ-modifizierten nanopartikeln
US10167424B2 (en) Color-tunable up-conversion nanophosphor
US20130320263A1 (en) Surfactant effects on efficiency enhancement of luminescent particles
Ansari et al. Influence of shell formation on morphological structure, optical and emission intensity on aqueous dispersible NaYF4: Ce/Tb nanoparticles
CN102533272B (zh) 一步法合成水溶性的氨基化稀土掺杂氟化钇钠纳米颗粒
US20100176343A1 (en) Energy-transfer nanocomposite materials and methods of making and using same
DE102015109637B4 (de) Superparamagnetische Mikropartikel, die mit feuchtigkeitsempfindlichen lumineszierenden Verbindungen belegt sind, Verfahren zur Herstellung, Verwendung und Arbeitsverfahren zur Detektion von Feuchtigkeit
Dembski et al. Synthesis and optical properties of luminescent core–shell structured silicate and phosphate nanoparticles
Egodawatte et al. Synthesis of scintillating Ce3+-doped Lu2Si2O7 nanoparticles using the salt-supported high temperature (SSHT) method: solid state chemistry at the nanoscale
EP4198105A1 (de) Mikrojetreaktorbasierte synthese von nanophosphoren
Kavitha et al. Fabrication of red-emitting Eu3+-induced CaS phosphors: a view of optical, in vitro, lifetime, structural and morphological studies for biomedical applications
DE102013022052B4 (de) Magnetisch-nachleuchtende Nanopartikel und Verfahren zu deren Herstellung
DE10106643A1 (de) Dotierte Nanoteilchen als Biolabel
Watanabe et al. Enhancement of near-infrared emission of neodymium-doped monoclinic gadolinium phosphate nanophosphors by surface coating with calcium phosphate

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20130403

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20130913