| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand (6MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-364571
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.36457
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 2 November 2018 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Antje J. Bäumner |
| Tag der Prüfung: | 8 Dezember 2017 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, ehemals Prof. Wolfbeis) |
| Stichwörter / Keywords: | upconversion, nanoparticles, lanthanides, luminescence lifetime, energy transfer |
| 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: | 36457 |
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis describes the preparation, surface modification, and application of lanthanide doped upconversion luminescent nanoparticles (UCNPs) in bioanalytical sensing and imaging based on time-resolved Förster resonance energy transfer processes (FRET). Chapter 1 provides an overview of optical properties of lanthanides and highlights outstanding aspects of luminescence phenomena occurring in ...
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis describes the preparation, surface modification, and application of lanthanide doped upconversion luminescent nanoparticles (UCNPs) in bioanalytical sensing and imaging based on time-resolved Förster resonance energy transfer processes (FRET). Chapter 1 provides an overview of optical properties of lanthanides and highlights outstanding aspects of luminescence phenomena occurring in trivalent lanthanide ions with respect to chemical sensing. Down- and upconversion luminescence are defined and UCNPs are introduced and characterized as a unique class of nanomaterials that show exceptional potential for bioanalytical applications. FRET processes using UCNPs as energy donors are introduced and current issues that limit the more widespread implementation of ratiometric measurements with UCNPs in bioanalytical applications are addressed. In Chapter 2 the aim of the work is presented as the investigation of FRET between UCNP donors and organic dye acceptors based on lifetime changes of the upconversion luminescence, with respect to a detailed characterization of the effect of interplay between particle architecture and surface modification on the FRET efficiency. The comprehensive understanding of energy transfer processes is needed to design an efficient FRET nanoprobe applicable in biosensing and –imaging.
Challenges regarding the choice of the type of surface modification to transfer hydrophobic nanoparticles into hydrophilic ones are described in Chapter 3. Amphiphilic coatings, encapsulation with inorganic materials, and ligand replacement are introduced as commonly used techniques to fabricate UCNPs that display colloidal stability in buffers and biological media. Advantages and disadvantages of the different methods are critically discussed and suggestions and examples for the application of each single technique depending on and tailored towards the desired individual applications are given.
Chapter 4 presents a study of the effect of nanocrystal size on the time-resolved FRET efficiency from UCNPs acting as energy donors to organic dyes as acceptors. Ligand exchange was selected for the attachment of the two acceptor dyes rose bengal and sulforhodamine B to the UCNP surface, which enables the shortest possible donor-acceptor distance and high, reproducible dye loading. UCNPs with diameters in the range of 20 - 25 nm were identified as the ones that yield the highest FRET efficiencies based on lifetime measurements of the upconversion luminescence. Lower FRET efficiencies at both smaller and larger UCNP sizes were ascribed to an increasing competition of surface quenching and lower amounts of FRET donors within Förster distance to the acceptor dye on the particle surface, respectively. Comparison with conventional ratiometric intensity measurements illustrates the independence of the lifetime based approach on inner-filter-effects, particle concentration and excitation power.
The information gained from these FRET studies was the basis for the design of the upconversion FRET nanoprobe for the metabolite adenosine triphosphate (ATP), which is described in Chapter 5. Different surface modification strategies of core-shell UCNPs were investigated for the subsequent attachment of a structure switching ATP-responsive aptamer. Ligand exchange with poly(acrylic acid) represented the best compromise between colloidal stability, reduced surface quenching and increased distance to the FRET acceptor propidium iodide (PI). In presence of ATP the aptamer formed a G-quadruplex, which was recognized by the dye PI. The spectral shift of the absorption spectrum of PI bound to the G-quadruplex led to minimized background absorption and influence of unspecific binding. Successful FRET to the bound PI in close proximity to the UCNPs was shown by the reduction of the lifetime of the UCNP emission for ATP concentrations between 0.2 and 1.0 mM. The nanoprobe was selective for ATP and showed no cytotoxic effects.
Eventually, Chapter 6 provides a concise discussion of the main results and insights gained within this thesis with respect to ideal particle design and surface functionalization for upconversion luminescent energy transfer processes in bioanalytical applications. Future perspectives as well as remaining challenges in the field are critically addressed.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Synthese, Oberflächenmodifizierung und Anwendung von Nanopartikeln mit der Fähigkeit zur Generierung aufwärtskonvertierender Lumineszenz (englisch: upconversion luminescent nanoparticles, UCNPs) im Bereich der Bioanalytik und des Imaging. Schwerpunkt ist dabei die Untersuchung geeigneter Techniken zur Oberflächenmodifizierung für die Entwicklung einer ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Synthese, Oberflächenmodifizierung und Anwendung von Nanopartikeln mit der Fähigkeit zur Generierung aufwärtskonvertierender Lumineszenz (englisch: upconversion luminescent nanoparticles, UCNPs) im Bereich der Bioanalytik und des Imaging. Schwerpunkt ist dabei die Untersuchung geeigneter Techniken zur Oberflächenmodifizierung für die Entwicklung einer Nanosonde basierend auf dem Prinzip des Förster-Resonanzenergietransfers (FRET). Kapitel 1 gibt einen generellen Überblick über die optischen Eigenschaften von Lanthanoiden. Einzigartige Aspekte der in dreiwertigen Lanthanoidionen auftretenden Lumineszenz werden besonders im Hinblick auf (bio-)chemische Sensorik herausgestellt. Das herausragende Potential der UCNPs für den Einsatz als Labels und Rezeptoren in der Bioanalytik und für bildgebende Verfahren wird erläutert. UCNPs werden als Energie-Donoren in FRET-Prozessen vorgestellt und aktuelle Probleme und Herausforderungen, die bei intensitätsbasierten Messmethoden in der Bioanalytik auftreten können, beschrieben. In Kapitel 2 werden die detaillierte Untersuchung von FRET-Prozessen zwischen UCNPs und organischen Farbstoffen sowie die Entwicklung eines auf FRET basierenden Biosensors werden als Ziele dieser Arbeit vorgestellt. Der Schwerpunkt wird dabei auf Lebensdauermessungen der Donorlumineszenz (= Lumineszenz der UCNPs) als verlässliche Alternative oder Ergänzung zu herkömmlichen ratiometrischen Methoden gelegt. Das Verständnis der Energietransfer-Prozesse insbesondere an der Partikeloberfläche stellt die Voraussetzung für das Design leistungsstarker UCNP-Sonden in der Bioanalytik dar.
Kapitel 3 beschreibt die Vielfalt an Möglichkeiten, aber auch die Herausforderungen, denen man gegenübersteht, wenn es um die Oberflächenmodifizierung und -funktionalisierung der UCNPs für bioanalytische Anwendungen geht. Verschiedene Techniken zur Oberflächenmodifizierung, z.B. Umhüllung mit amphiphilen Molekülen und Liganden-austausch, werden erläutert, die die Herstellung kolloidal stabiler Dispersionen der ursprünglich hydrophoben UCNPs in wässrigen, gepufferten und biologischen Systemen ermöglichen. Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden werden kritisch diskutiert, sowie Vorschläge und Beispiele für deren Anwendung bezogen auf individuelle Anforderungen je nach Einsatzgebiet vorgestellt.
Der Einfluss der Partikelgröße von UCNPs auf die Effizienz des Energietransfers zu organischen Akzeptor-Farbstoffen wird in Kapitel 4 untersucht. Die beiden Farbstoffe Rose Bengal und Sulforhodamin B wurden dazu per Ligandenaustausch auf der Partikeloberfläche immobilisiert, um den Donor-Akzeptor Abstand möglichst gering zu halten und eine hohe und reproduzierbare Farbstoffbeladung zu gewährleisten. Die daraus resultierenden FRET-Effizienzen wurden auf Grundlage der Lebensdaueränderungen der UCNP-Donoren bestimmt. Partikel mit Durchmessern zwischen 20 - 25 nm wiesen die stärksten Änderungen ihrer Abklingzeit auf und lieferten die höchste FRET-Effizienz von allen untersuchten UCNPs. Sowohl größere, als auch kleinere Partikeldurchmesser ergaben eine geringere FRET-Effizienz. Als Gründe dafür wurden bei großen UCNPs der kleinere Anteil von Donor-Ionen innerhalb des Förster-Radius und bei kleinen UCNPs der verhältnismäßig stärkere Einfluss von Quenching an der Partikeloberfläche genannt. Im Gegensatz zu intensitätsbasierten Methoden blieben die Lebenszeitmessungen unabhängig von reinen Absorptionsprozessen, der verwendeten Partikelkonzentration und der Anregungsleistung.
In Kapitel 5 wurde auf Grundlage der in den vorherigen Kapiteln gewonnenen Erkenntnisse eine UCNP-basierte Detektionsmethode für Adenosintriphosphat (ATP) entwickelt. Verschiedene Techniken zur Oberflächenmodifizierung von Kern-Schale UCNPs wurden untersucht, um die Anbindung eines Aptamers zu gewährleisten, das selektiv ATP binden kann. Ligandenaustausch mit Polyacrylsäure stellte sich hierbei als bester Kompromiss zwischen verminderter Oberflächendeaktivierung, vergrößertem Abstand zum Akzeptorfarbstoff, und kolloidaler Stabilität heraus. In Gegenwart von ATP nimmt das Aptamer eine G-Quadruplex Struktur an, die vom Akzeptor Propidiumiodid (PI) spezifisch erkannt wurde. Damit ging eine deutliche Verschiebung des Absorptionsmaximums von PI in Richtung einer besseren Überlappung mit der UCNP Emission einher. Diese Verschiebung wurde dazu genutzt, den Einfluss von Hintergrundabsorption und unspezifischer Binding zu minimieren und die Funktionalität des Aptamers nach der Immobilisierung an den UCNPs zu überprüfen. Eine deutliche Verkürzung der Lebensdauer der UCNP-Emission und damit das Auftreten von FRET konnte in Anwesenheit verschiedener ATP-Konzentrationen beobachtet werden. Als wichtige Voraussetzung für zukünftige Anwendungen in der Bioanalytik zeigte die UCNP-Nanosonde nur sehr geringe Zytotoxizität.
Kapitel 6 erörtert in einer abschließenden Diskussion die wichtigsten Ergebnisse und Einblicke, die in der Arbeit hinsichtlich der Funktion von UCNPs als FRET-Donoren gewonnen wurden. Es wird ein Ausblick gegeben, der Perspektiven und potentielle Anwendungen der UCNPs, aber auch bleibende Herausforderungen kritisch beleuchtet.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 20:41
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