Nanopartikuläre Hybridmaterialien mit plasmonisch-verstärktem Aufkonvertierungs-FRET für die multiple Sensorik und optisches Barcoding

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Christina Graf; Dr. Ute Resch-Genger, seit 3/2019
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280181689

Die Entwicklung von photolumineszenten Nanomaterialien (PNMs) mit maßgeschneiderten photophysikalischen Eigenschaften ist ein dynamisches Gebiet der Materialwissenschaften. Viele Arbeiten sind ausgerichtet auf Multiplexing-Strategien mit möglichst hohem Multiplexinggrad für Applikationen in der Sensorik und optisches Barcoding im Sicherheitsbereich, die eine kontrollierte Variation der Photolumineszenz (PL)-Farbe, -Intensität und -Lebensdauer ermöglichen. NIR-anregbare Aufkonvertierungs-Nanopartikel (upconverting nanoparticles; UCNPs) sind neue PNMs, die eine höhere Eindringtiefe für optische Messungen in Wasser oder Gewebe erlauben, stark anti-Stokes verschobene Emissionsbanden zeigen sowie eine hohe Photostabilität und Messungen mit einem stark reduzierten Hintergrund ermöglichen. Obwohl UCNPs prinzipiell ideale Kandidaten für solche medizinisch-diagnostischen Anwendungen sind, müssen noch Herausforderungen bezogen auf ihre niedrigen Photolumineszenzquantenausbeuten (QY), ihre limitierte Farb- und Lebensdauer-Variierbarkeit und ihre geringe Stabilität in wässriger Lösung überwunden werden. 5 herausragende Forschergruppen aus 3 europäischen Ländern bilden das nanohype Konsortium, das Computer-gestütztes Modellieren (computational modeling), Synthese und experimentelle Validierung einsetzt zum Design neuartiger Metall-geschalter UCNPs mit: - 50-fach erhöhter PL QY - variierbaren PL Lebensdauern zwischen 100 ns - 600 µs - variierbaren PL Farben durch multiplexed FRET zu Quantenpunkten (QDs) oder Farbstoffen. Diese PNMs bestehen aus Silica-gekapselten UCNPs mit Metalloberflächenbeschichtung zur plasmonischen PL Verstärkung und Lebensdauer-Variierbarkeit und verschiedenen QD oder Farbstoff-FRET Akzeptoren zur Variation der PL-Farbe und -Lebensdauer über Änderung des Abstandes zwischen UCNP und QD/Farbstoff. Dafür werden Synthesestrategien fluoreszenter Nanomaterialien, Metall-Nanoschalen und UCNPs weiterentwickelt und prädiktives Modellieren zur Voraussage der Materialeigenschaften eingesetzt. Präzise Variation des Abstandes und der Materialparameter durch Computer-gestütztes Modellieren und kontrollierte Synthese führt zu PL Eigenschaften für optimiertes Multiplexing mit verbesserter QY. Modellierte Struktureigenschaften werden erreicht, indem defektfreie UCNPs synthesisiert und mit undotierten Lanthanid- und Silica-Schalen präziser Dicke beschichtet werden zur kontrollierten Positionierung von FRET Akzeptoren in oder auf der Schale und mit geschlossenen oder anteilig offenen Metallschalen versehen werden für plasmonische Interaktionen zur Anregungsverstärkung und Steuerung der strahlenden Ratenkonstanten und für den Analytzugang zu FRET Akzeptoren. Die Abhängigkeit der PL von den plasmonischen UCNP Eigenschaften und dem Kern-Metallschale-Abstand wird gezeigt, Zieleigenschaften werden experimentell validiert und für die Sensorik und optisches Barcoding eingesetzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Spanien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Javier Garcia De Abajo; Professor Dr. Niko Hildebrandt
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Michael Schäferling, bis 2/2019