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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-210774
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.21077
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 5 August 2011 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Otto S. Wolfbeis und Prof. Dr. Joachim Wegener |
| Tag der Prüfung: | 18 Juli 2011 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, ehemals Prof. Wolfbeis) |
| Stichwörter / Keywords: | Luminescence, nanoparticles, chemical sensing, labeling, UCLNPs, quenching, heavy metals |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 21077 |
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis describes the potential of various kinds of luminescent nanoparticles with respect to chemical sensing and biosensing. First, fluorescent silica nanoparticles (SiNPs) were prepared by covalent attachment of fluorophores to the amino-modified surface of SiNPs with a typical diameter of 15 nm. The SiNPs were used in novel kinds of Förster resonance energy transfer (FRET)-based affinity ...
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis describes the potential of various kinds of luminescent nanoparticles with respect to chemical sensing and biosensing. First, fluorescent silica nanoparticles (SiNPs) were prepared by covalent attachment of fluorophores to the amino-modified surface of SiNPs with a typical diameter of 15 nm. The SiNPs were used in novel kinds of Förster resonance energy transfer (FRET)-based affinity assays at the interface between nanoparticle and sample solution. Various labels were employed to obtain a complete set of colored SiNPs, with excitation maxima ranging from 337 to 659 nm and emission maxima ranging from 436 nm to the near infrared (710 nm). The nanoparticles were characterized in terms of size and composition using transmission electron microscopy, thermogravimetry, elemental analysis, and dynamic light scattering. The surface of the fluorescent SiNPs was biotinylated, and binding of labeled avidin to the surface was studied via FRET in two model cases.
Secondly, the upconverting luminescent nanoparticles (UCLNPs) consist of hexagonal NaYF4 nanocrystals doped with trivalent rare earth ions were synthesized by both the oleic acid (solvothermal) method and the ethylenediaminetetraacetic acid (coprecipitation) method. The nanoparticles were codoped using Yb3+ as the sensitizer ion, Er3+, Tm3+, or Ho3+ respectively as the emitting activator ions. An affinity system was demonstrated based on the interaction of two types of nanoparticles. The first type consists of UCLNPs of the type NaYF4:Yb,Er absorbing light in the infrared and showing green luminescence at 521 and 543 nm and red luminescence at 657 nm. The second type consists of gold nanoparticles (Au-NPs) with a size of about 50 nm, which absorb the green luminescence of the UCLNPs, but do not influence their red luminescence. A model system for a self referenced affinity system were established by labeling the UCLNPs with avidin and the AuNPs with biotin. In the presence of avidin-modified UCLNPs, the biotinylated Au-NPs can be detected in the range from 12 to 250 µg•mL-1 by rationing the intensity of the red (analyte-independent) emission band to that of the green (analyte-dependent) emission band. All nanoparticles were characterized in terms of size and composition using transmission electron microscopy, thermo-gravimetry, and FTIR spectroscopy.
Thirdly, different types of nanoparticles (made from silica, polystyrene and UCLNPs) carrying longwave absorbing and emitting fluorescent labels were prepared by conjugating reactive dyes to the surface of amino-modified particles. The dyes have a reactive chloro group capable of reacting with amino groups and thereby undergoing a change in color, typically from green to blue (the so-called chameleon effect). The latter show the effect of upconversion in that near-infrared laser light is converted into visible luminescence. They also show the unusual property of displaying dual emission, depending on whether their luminescence is photoexcited with visible light or near-infrared light. The amino groups on the surface of nanoparticles were detected via the chameleon effect of the applied amino-reactive dyes.
Fourth, the quenching effect of heavy metal ions and halide ions on the luminescence of UCLNPs in aqueous solution was studied. The effect was investigated for the ions Cu(II), Hg(II), Pb(II), Cd(II), Co(II), Ag(I), Fe(III), Zn(II), bromide and iodide, and was found to be particularly strong for Hg(II). Stern-Volmer plots were virtually linear up to 10 – 25 mM concentrations of the quencher, but deviate from linearity at higher quencher concentrations where static quenching caused an additional effect. The UCLNPs display two main emission bands (blue, green, red or near-infrared), and the quenching efficiencies for these found to be different. The effect seems to be generally associated with UCLNPs because it was observed for all particles doped with trivalent lanthanide ions including Yb(III), Er(III), Ho(III), and Tm(III).
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Doktorarbeit beschreibt das Potential verschiedener Arten lumineszenter Nanopartikel in Hinblick auf ihren Einsatz als Bestandteil chemischer Sensoren und Biosensoren. Zuerst wurden fluoreszente Silica Nanopartikel (SiNPs) mit einem typischen Durchmesser von 15 nm durch kovalente Bindung von Fluorophoren an die amino-modifizierte Oberfläche der SiNPs hergestellt. Die SiNPs wurden für ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Doktorarbeit beschreibt das Potential verschiedener Arten lumineszenter Nanopartikel in Hinblick auf ihren Einsatz als Bestandteil chemischer Sensoren und Biosensoren. Zuerst wurden fluoreszente Silica Nanopartikel (SiNPs) mit einem typischen Durchmesser von 15 nm durch kovalente Bindung von Fluorophoren an die amino-modifizierte Oberfläche der SiNPs hergestellt. Die SiNPs wurden für neuartige Förster Resonanz Energie Transfer (FRET) basierte Affinitätsassays an der Grenzfläche zwischen Nanopartikel und Probelösung eingesetzt. Diverse Fluoreszenzmarker wurden verwendet um einen kompletten Satz von farbigen SiNPs zu erhalten, deren Anregungsmaxima zwischen 337 nm und 659 nm und Emissionsmaxima zwischen 436 nm und dem Nah-Infrarot (710 nm) liegen. Die Nanopartikel wurden bezüglich ihrer Größe und Zusammensetzung mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie, Thermogravimetrie, Elementaranalyse und Dynamischer Lichtstreuung charakterisiert. Die Oberfläche der fluoreszenten SiNPs wurde biotinyliert und die Bindung von markiertem Avidin an die Partikeloberfläche wurde mittels FRET anhand zweier Musterfälle untersucht.
Zweitens wurden upconvertierende lumineszente Nanopartikel (UCLNPs), bestehend aus hexagonalen NaYF4 Nanokristallen, die mit trivalenten Selten-Erd-Ionen dotiert wurden, sowohl mittels der Ölsäure- (Solvothermalen) Methode als auch der Ethylendiamintetraacetat- (Co-Präzipitations) Methode synthetisiert. Die Partikel wurden mit Yb3+ als Sensitizer Ion und Er3+, Tm3+ beziehungsweise Ho3+ als emittierendes Aktivator Ion co-dotiert. Ein Affinitätssystem wurde vorgestellt, dass auf der Wechselwirkung zweier verschiedenartiger Nanopartikel beruht. Beim ersten Nanopartikeltyp handelte es sich um UCLNPs der Art NaYF4:Yb,Er, die Licht im Infraroten absorbieren und grüne Lumineszenz bei 521 nm und 543 nm, sowie rote Lumineszenz bei 657 nm zeigen. Als zweiter Typ wurden Goldnanopartikel (Au-NPs) mit einer Größe von ungefähr 50 nm verwendet, die die grüne Lumineszenz der UCLNPs absorbieren, deren rote Lumineszenz aber nicht beeinflussen. Ein Modellsystem für ein selbstreferenziertes Affinitätsassay wurde erstellt, indem die UCLNPs mit Avidin und die Au-NPs mit Biotin markiert wurden. In Gegenwart der Avidin-modifizierten UCLNPs konnten die biotinylierten Au-NPs in einem Konzentrationsbereich von 12 bis 250 µg•mL-1 bestimmt werden, indem das Verhältnis der Intensität des roten (Analyt-unabhängen) Emissionspeaks zu der des grünen (Analyt-abhängigen) Emissionspeaks der UCLNPs gebildet wurde. Alle Nanopartikel wurden bezüglich ihrer Größe und Zusammensetzung mittels Transmissionsemissionsmikroskopie, Thermogravimetrie und FTIR Spektroskopie untersucht.
Drittens wurden unterschiedliche Arten von Partikeln (bestehend aus Silica, Polystyrol und UCLNPs), welche langwellig absorbierende und emittierende fluoreszente Marker tragen, hergestellt, indem reaktive Farbstoffe an die Oberfläche der amino-modifizierten Partikel konjugiert wurden. Die Farbstoffe verfügten über eine reaktive Chloro-Gruppe, die in der Lage ist mit Aminogruppen zu reagieren. Dabei unterlaufen die Farbstoffe eine Farbänderung, üblicherweise von grün nach blau (der sogenannte Chamäleon Effekt). Die Partikel basierend auf NaYF4 zeigen den Upconversionseffekt, bei dem Nahinfrarot-laserlicht in sichtbare Lumineszenz umgewandelt wird. Diese Partikel weisen außerdem die ungewöhnliche Eigenschaft der dualen Emission auf. Diese ist abhängig von der eingesetzten Anregungslichtquelle (Nahinfrarotlaser oder sichtbares Licht). Die Aminogruppen auf der Nanopartikeloberfläche wurden über den Chamäleoneffekt der eingesetzten amino-reaktiven Farbstoffe nachgewiesen.
Viertens wurde der Löscheffekt von Schwermetallionen und Halogenionen auf die Lumineszenz der UCNLPS in wässriger Lösung untersucht. Der Effekt wurde für die Ionen Cu(II), Hg(II), Pb(II), Cd(II), Co(II), Ag(I), Fe(III), Zn(II), Bromid und Iodid erforscht, wobei Hg(II) Ionen hierbei ein besonders starkes Löschverhalten zeigten. Die Stern-Volmer-Diagramme waren bis zu einer Konzentration von 10 – 25 mM des jeweiligen Quenchers nahezu linear. Bei höheren Konzentrationen weichen die Kurven von der Linearität ab, da hier statisches Quenchen einen zusätzlichen Einfluss ausübt. Die UCLNPs zeigen jeweils zwei Hauptemissionsbanden (blau und nah-infrarot, bzw. grün und rot), für die jeweils unterschiedliche Quencheffizienzen gefunden wurden. Dieser Effekt scheint für generell für UCLNPs zu gelten, da er für alle Partikel auftritt, die mit trivalenten Lanthanidionen wie Yb(III), Er(III), Ho(III), und Tm(III) dotiert sind.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 06:39
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