Synthesis and surface modification of luminescent nanoparticles for imaging and sensing of oxygen using near-infrared excitation

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-238738
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.23873

Achatz, Daniela Eva

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Date of publication of this fulltext: 02 May 2012 06:33

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	2 May 2012
Referee:	Prof. Dr. Otto S. Wolfbeis
Date of exam:	24 April 2012
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, formerly Prof. Wolfbeis)
Keywords:	Nanoparticles, imaging, oxygen sensing, near-infrared excitation
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	23873

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Abstract (English)

Abstract (English)

The thesis describes the synthesis, characterization and modification of
NPs that are qualified for imaging and sensing using NIR excitation. One
particle type that was investigated is nanosized RE doped NaYF4
(UCLNPs). Excitation with a CW diode laser results in VIS emission.
Green and blue emitting UCLNPs were synthesized either by coprecipitation
followed by thermal treatment or by thermal decomposition.
The former yielded particles in sizes ranging from 80 to 120 nm in a
mixture of α- and β-phase NaYF4. The synthesis was straightforward but
lacks homogeneity of the particles and reproducibility. These UCLNPs were
well dispersible in aqueous solutions. The second method, in contrast,
produced smaller (25 to 40 nm) and well uniform RE-doped NaYF4 NPs
with a narrow size distribution (± 5 nm) and a pure hexagonal crystal
lattice. The particles were highly hydrophobic due to surface ligand
molecules and further modifications were necessary for applications in
aqueous media.
Diverse surface modifications were performed on UCLNPs. Particles
obtained from both syntheses were coated with silica by different methods
to render them either water-dispersible and/ or biocompatible and primed
for surface functionalization. The latter was demonstrated for silica coated
UCLNPs that were synthesized by thermal decomposition. They were
successfully functionalized with azido, alkyne, maleimide and amino
groups. The nanophosphors obtained from thermal decomposition were
subjected to further modifications. Coating with a shell of NaYF4 efficiently
enhanced their brightness and hampered quenching by solvent molecules.
LE reactions with carboxylic acids were applied to tune their dispersibility.
Further, capsules containing multiple UCLNPs were prepared by
entrapment in a matrix of PS. Thus a pool of particles that exhibit various
characteristics was generated.
Multicolor UCLNPs for imaging applications were synthesized via
thermal decomposition by selective damping of emission peaks. The
particles featured narrow emission bands upon excitation with a 980 nm
CW diode laser. These were well separated in three regions of the VIS
spectrum (red, green and blue). The particles could be identified by their
RGB-codes what was demonstrated for five types of nanocrystals that
obviously emitted different colors. The approach can be further extended
enabling multiplexes ratiometric encoding. Coating with silica rendered the
NPs water dispersible and well biocompatible turning them into promising
candidates for cell tracking.
In addition, luminescent sensing of oxygen using a quenchable probe
and UCLNPs was presented by combining both components in a gas
permeable sensor film. The UCLNPs acted as nanolamps upon excitation in
the NIR and their VIS luminescence excited the dye molecules. Their
emission, in turn, is dynamically and fully reversible quenched by oxygen.
Thus the first sensor for oxygen that can be excited with CW NIR light was
designed.
The second material that was dealt with in this work are aminomodified
PSNPs that were loaded with the oxygen sensitive dye
[Ru(dpp)3]TMSPS2. It was demonstrated that these particles are capable
of sensing oxygen in aqueous solution upon TPE with a short-pulsed NIR
laser. The PSNP(Ru) are good candidates for the determination of oxygen
distribution in tissue. Imaging of oxygen inside MCS, a tumor model
system, unfortunately failed necessitating further investigations on these
PS nanosensors.

Translation of the abstract (German)

Innerhalb der Arbeit wurden Nanopartikel (NP) entwickelt, die Bildgebung
und Sensorik basierend auf Anregung mit kurzwelliger Infrarotstrahlung
(NIR) ermöglichen. Zum einen wurden Partikel aus NaYF4, dotiert mit
Ionen der seltenen Erden untersucht (UCLNP). Diese können mit einem
kontinuierlichen NIR Laser angeregt werden, woraufhin sie im sichtbaren
Spektralbereich emittieren (Upconversion).
Grün oder blau lumineszierende Partikel wurden mit Hilfe zweier
Methoden synthetisiert. Durch Co-Präzipitation und anschließende
thermische Behandlung entstanden NP in einer Größe von 80 bis 120 nm
und einer gemischten Kristallstruktur aus α- und β-NaYF4. Diese Methode
ist unkompliziert, liefert aber kein homogenes Material und ist schwer
reproduzierbar. Die so erhaltenen UCLNP sind in Wasser gut dispergierbar.
Als zweite Synthesemethode wurde die thermische Zersetzung
angewandt. Dabei entstanden viel kleinere (25 bis 45 nm) und einheitliche
(± 5 nm) NaYF4 Partikel mit hexagonaler Kristallstruktur. Aufgrund von
Ligandmolekülen, die an die Oberfläche koordiniert sind, hatten diese
Partikel sehr hyrophobe Eigenschaften und konnten nur nach weiterer
Modifikation der Oberfläche in wässrigen Lösungen angewendet werden.
Diverse Oberflächenmodifikationen wurden an den Partikeln
durchgeführt. UCLNP aus beiden Synthesen wurden durch verschiedene
Verfahren mit Silica ummantelt um sie in Wasser dispergierbar und/ oder
biokompatibel zu machen, und für weitere Oberflächenfunktionalisierungen
vorzubereiten. Letzteres wurde für Silica ummantelte NP, die durch
thermische Zersetzung hergestellt wurden, demonstriert. Azid-, Alkin-,
Maleimid- und Aminofunktionalitäten konnten auf ihrer Silica-Oberfläche
nachgewiesen werden. Durch thermische Zersetzung gewonnene UCLNP
wurden noch weiteren Modifikationen unterworfen. Eine Hülle aus NaYF4
verstärkte ihre Emisson und unterdrückte gleichzeitig ein Löschen der
Lumineszenz durch Lösungsmittelmoleküle. Ligand-Austauschreaktionen
mit Carbonsäuren ermöglichten Dispergierbarkeit in unterschiedlichen
Medien. Zudem wurden Kapseln, die gleichzeitig mehrere UCLNP
enthalten, durch Einschluss in eine Matrix aus Polystyrol hergestellt. Somit
wurde eine Auswahl von Partikeln mit unterschiedlichen Eigenschaften
generiert.
Für bildgebende Verfahren wurden durch thermische Zersetzung
UCLNP synthetisiert, die Licht verschiedener Farben emittieren. Dies
wurde durch selektive Abschwächung bestimmter Emissionswellenlängen
erreicht. Die Emissionsbanden dieser Partikel nach NIR Anregung sind
schmalbandig und können sehr gut drei Bereichen des sichtbaren
Spektrums (rot, grün und blau) zugeordnet werden. Diese NP besitzen
demnach RGB-Codes über die sie eindeutig identifizierbar sind. Das wurde
hier für fünf augenscheinlich verschiedenfarbig lumineszierende Typen von
UCLNP demonstriert. Das Prinzip kann aber auf eine Vielzahl
unterschiedlicher Codes ausgeweitet werden und macht somit
ratiometische Verschlüsselung möglich. Eine Ummantelung mit Silica
ermöglichte es die Partikel in Wasser zu überführen und es konnte gute
Biokompatibilität nachgewiesen werden. Das macht sie zu einem
vielversprechenden Material für Zell-Verfolgung und -Zuordnung.
Zusätzlich wurden UCLNP mit einer Sauerstoffsonde durch Einbettung
in einen gas-permeablen Film zu einem optischen Sensor kombiniert. Die
Partikel fungierten als Nanolampen, die nach Anregung im NIR im
sichtbaren Spektralbereich emittierten und ihrerseits die Farbstoffmoleküle
anregten. Deren Emission wurde dynamisch und vollständig reversibel
durch Sauerstoff gelöscht. Somit wurde der erste optische
Sauerstoffsensor präsentiert, der auf Anregung mit kontinuierlichem NIR
Licht basiert.
Das zweite Material das in dieser Arbeit untersucht wurde sind
aminomodifizierte PSNP, die mit dem sauerstoffsensitiven Komplex
[Ru(dpp)3]TMSPS2 dotiert wurden. Es konnte erstmals gezeigt werden,
dass mit diesen Partikeln Sauerstoffsensorik in wässrigen Lösungen
basierend auf Zwei-Photonen-Anregung durch einen gepulsten Laser
möglich ist. Diese NP sind prinzipiell geeignet für die Bildgebung der
Sauerstoffverteilung in Geweben. Der Versuch Sauerstoff im Inneren von
multizellulären Sphäroiden, einem Tumor-Modellsystem, zu messen schlug
leider fehl. An dieser Art von Nanosensoren sind daher weitere
Untersuchungen nötig.