Röntgenfluoreszenzspektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
1.) In Kooperation mit dem Fachbereich Biologie der Universität Osnabrück wurde die Aufnahme von Nanopartikeln durch Pflanzen untersucht. Für zwei unterschiedliche Partikelgrößen wurde gezeigt, dass nahezu monodisperse, in Wasser gelöste NaYF4:Yb,Er-Partikel über die Wurzeln von Kürbissetzlingen aufgenommen und bis in die Blätter transportiert werden. Die Wanderung der Partikel konnte dabei qualitativ über die charakteristische Upconversion-Lumineszenz dieser Partikel im sichtbaren Spektralbereich verfolgt werden. Da die Upconversion-Lumineszenz durch IR-Strahlung angeregt wird, können die Partikel sehr einfach ohne Anregung einer „Autofluoreszenz“ des biologischen Materials detektiert werden. Nach dieser qualitativen Bestimmung wurde die Partikelmenge in den verschiedenen Pflanzenteilen quantitativ mittels Röntgenfluoreszenzspektroskopie analysiert, da diese Methode eine sehr hohe Empfindlichkeit für Yttrium aufweist. Auf diese Weise konnte sogar die Zeitabhängigkeit des Transports für unterschiedliche Partikelgrößen verfolgt werden. 2.) Für eine hohe Effizienz der Upconversion-Lumineszenz müssen die NaYF4:Yb,Er-Partikel aus der hexagonalen β-Phase bestehen. Während enge Teilchengrößenverteilungen solcher Partikel relativ leicht für Größen über 12 nm hergestellt werden können, existierte für Partikelgrößen unter 10 nm bislang nur ein einziges Verfahren, welches auf der Verwendung von Oleylamin basierte. Oleylamin begünstigt jedoch die Bildung der kubischen α-Phase des Materials, sodass oft nur Gemische aus Partikeln der kubischen α-Phase und der hexagonalen β-Phase erhalten werden. Die Ursache für die Schwierigkeit kleine Partikel der β-Phase zu synthetisieren war nicht bekannt. Mit Hilfe des Röntgenfluoreszenzspektrometers konnte nun gezeigt werden, dass die Partikelgröße sehr stark vom Natriumgehalt von während der Synthese als Zwischenprodukt gebildeten kleinen NaxYF3+x:Yb,Er-Partikel der α-Phase abhängt (wobei 5/9 < x < 1). Auf Basis dieser Erkenntnis und weiterer XRF-Messungen konnten gezielt kleine kubische Partikel hergestellt werden, die ein hohes Natrium/Yttrium-Verhältnis aufweisen. Werden diese als Ausgangsstoff eingesetzt, erhält man tatsächlich NaYF4:Yb,Er-Upconversion-Partikel der β-Phase mit sehr geringen Größen bis hinab zu 5 nm. 3.) Versucht man NaREF4-Partikel der Seltenerdelemente RE = La, Ce, Pr, Nd mit denselben Methoden herzustellen, die für die Herstellung NaYF4:Yb,Er-Upconversion-Partikeln eingesetzt werden, so beobachtet man in Ölsäure-haltigen Lösungsmitteln eine Zersetzung zu den entsprechenden Trifluoriden REF3. Messungen mit dem Röntgenfluoreszenzspektrometer zeigen, dass die Ursache in einer besonders hohen Natrium-Defizienz der intermediär gebildeten NaxREF3+x-Partikel der kubischen α-Phase begründet ist. Dieser Natriumunterschuss führt zwangsläufig dazu, dass bei der Umwandlung zu NaREF4-Partikeln der hexagonalen β-Phase auch REF3-Partikel gebildet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ostwald-ripening and particle size focussing of sub-10 nm NaYF4 upconversion nanoparticles. Nanoscale, 6 (23), 14523 – 14530 (2014)
Thorben Rinkel, Jörg Nordmann, Athira Naduviledathu Raj, Markus Haase
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Particle Size Focusing, and Decomposition of Sub-10 nm NaREF 4 (RE = La, Ce, Pr, Nd) Nanocrystals. Chem. Mater., 26 (19), 5689– 5694 (2014)
Athira Naduviledathu Raj, Thorben Rinkel, Markus Haase Ostwald Ripening
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In vivo analysis of the size-and the time-dependent uptake of NaYF 4 :Yb,Er upconversion nanocrystals by pumpkin seedlings. J. Mater. Chem. B, 3, 144-150 (2015)
Jörg Nordmann, Sören Buczka, Benjamin Voss, Markus Haase, Klaus Mummenhoff
