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Buchner, Markus (2019) Surface Engineering of Lanthanide-Doped Nanoparticles for Assays, Sensing and Theranostic Applications. PhD, Universität Regensburg. (In Press)
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Abstract (English)
This thesis presents the design, synthesis, surface modification and characterization of lanthanide doped nanoparticles for bioanalytical applications in assays, sensing and theranostic approaches. In Chapter 1 nanoparticles are classified regarding their properties. Lanthanide doped nanoparticles are introduced as an interesting alternative to commercial dyes. The mechanism of downconversion and ...
Abstract (English)
This thesis presents the design, synthesis, surface modification and characterization of lanthanide doped nanoparticles for bioanalytical applications in assays, sensing and theranostic approaches. In Chapter 1 nanoparticles are classified regarding their properties. Lanthanide doped nanoparticles are introduced as an interesting alternative to commercial dyes. The mechanism of downconversion and upconversion are explained in detail. Several strategies are introduced to enhance the luminescence properties of upconverting nanoparticles in aqueous solutions.
In Chapter 2 the aim of the work is described as the identification and preparation of lanthanide doped nanoparticles for (bio)analytical applications considering their unique optical properties. For sensing, assays or theranostics different properties of the nanomaterial are required, additionally intelligent surface engineering may be necessary.
GdVO4 nanoparticles doped with europium are studied as a potential luminescent probe for hydrogen peroxide in Chapter 3. The sensitivity to H2O2 is depended on the europium concentration inside the nanocrystals. Higher europium concentrations (>10%) lead to lower luminescent quantum yields, but higher sensitivities. GdVO4:Eu (50%) are identified as the efficient luminescent probe for H2O2 with a dynamic range from 5 to 250 µM and with a limit of detection of 1.6 µM. Selectivity tests show no significant changes in luminescence for physiological relevant ions (Ca2+, Mg2+, Zn2+). The ability to monitor enzyme-based reaction is proven by glucose oxidase catalyzed detection of glucose. The applicability of the fluorescent nanoparticles is illustrated by the determination of glucose in fetal bovine serum by the standard addition method. Here, good accordance with a commercial sensor can be demonstrated.
In Chapter 4 functionalization aspects of water dispersible upconversion nanoparticles are discussed. After a short introduction the three main synthesis strategies for upconverting nanoparticles are introduced: thermolysis, Ostwald ripening and hydrothermal strategy. The necessity of surface modifications is explained and ligand exchange method, coating with an amphiphilic polymer and formation of a silica shell are presented as the most interesting techniques to achieve water dispersibility. The reliability of the surface modifications is evaluated according the functionalization of the upconverting nanoparticles with proteins, nucleic acids or dyes. A guideline for the choice of surface engineering for specific bioanalytical applications is established. For sensor applications of the upconverting nanoparticles via energy transfer processes to organic dyes short distances between emitters and absorbers are favored, which can be accomplished by the ligand exchanges method or by mesoporous silica shells. Coatings with an amphiphilic polymer and with silica are suitable for applications of UCNPs in electrophoresis and cellular imaging. Both surface modification techniques are stable against the detachment of the surface layer. The suitability of the ligand exchange method for cellular application strongly depends on the binding sites to the nanoparticle of the inserted ligand. Here, polymers like polyacrylic acid with many coordinating groups have better stability compared to monodentate ligands.
Chapter 5 describes the application of upconverting nanoparticles in photodynamic therapy. In the first step small and bright core-shell nanoparticles NaYF4:Yb,Er,Gd@NaYF4 are synthesized by thermal decomposition combined with Ostwald ripening method in high boiling solvents. The ligand oleate is replaced by L-lysine to achieve water dispersibility and to bind the photosensitizer Rose Bengal close to the surface of the nanoparticles. Intensity based measurements indicate an energy transfer from the green emission of the Er3+ doped UCNPs, confirmed by lifetime measurements, where a FRET efficiency of 25% is calculated. The production of singlet oxygen after NIR excitation is proven with the fluorescent probe 9,10-anthracenediyl-bis(methylene)dimalonic acid. Cellular uptake in human breast cancer cells (SK-BR 3) is confirmed by confocal and two photon microscopy. MTT assays of SK-BR 3 cells show already significant cell death at particle concentrations of 10 µg·mL-1 after NIR excitation. After cell death a staining of the cell nuclei with the functionalized nanoparticles is observed in confocal microscopy allowing live/dead imaging without further treatment.
In Chapter 6 UCNPs are entrapped in electrospun 1 D nanofibers to enable ratiometric sensing in microfluidic channel systems. The nanoparticles are distributed homogeneously inside the nanofibers without forming aggregates. The mass concentration of the nanolamps inside the nanofibers is up to 254 ± 9 mg·mL-1 showing a significant increase (up to 50 times) compared to common mass concentration achieved in aqueous solutions. The optical properties of the green (541 nm) and red emission bands (656 nm) of Yb,Er doped UCNPs maintain unchanged after NIR excitation and visible light can be directly generated in the nanofibers. The fibermats are transferred to a microfluidic chip system by hot bonding. The luminescence signal of nanolamps inside the microfluidic channels is not affected by ionic strength or different pH values (2-14), however, shows remarkable and reproducible changes for molecules without the ability to quench the upconversion luminescence, e.g. deuterium oxide (D2O). Ratiometric sensing is tested with the dye Rose Bengal, which absorbs the green light while the red emission keeps unaffected. The dynamic range is from 1 to 1000 µM with a limit of detection of 0.1 µM.
Chapter 7 provides a critical discussion about the advantages and requirements of lanthanide doped nanoparticles for (bio)analytic application. Future perspectives and challenges of the different nanomaterials in assays, sensing and theranostic applications are validated and different approaches are addressed.
Translation of the abstract (German)
Diese Dissertation befasst sich mit der Anwendung von Lanthanoid-dotierten Nanopartikeln in Bereichen der Theranostik, Sensorik und chemischen Assays. Im 1. Kapitel werden Nanomaterialen anhand ihrer unterschiedlichen Eigenschaften klassifiziert. Lanthanoid-dotierte Nanopartikel stellen eine bemerkenswerte Alternative zu den weit verbreiteten organischen Farbstoffen dar. Der Mechanismus der ...
Translation of the abstract (German)
Diese Dissertation befasst sich mit der Anwendung von Lanthanoid-dotierten Nanopartikeln in Bereichen der Theranostik, Sensorik und chemischen Assays. Im 1. Kapitel werden Nanomaterialen anhand ihrer unterschiedlichen Eigenschaften klassifiziert. Lanthanoid-dotierte Nanopartikel stellen eine bemerkenswerte Alternative zu den weit verbreiteten organischen Farbstoffen dar. Der Mechanismus der abwärts- und aufwärtskonvertierenden Nanopartikel wird im Detail erklärt. Es werden verschiedene Strategien vorgestellt, um die Lumineszenz Eigenschaften der aufkonvertierenden Nanopartikel in wässrigen Lösungen zu verbessern.
Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit wird im 2. Kapitel als die Identifizierung und Synthese von Lanthanoid-dotierten Nanopartikeln für (bio)analytischen Anwendungen, unter Berücksichtigung ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften beschrieben. Für die Anwendung in chemischen Assays, in Sensoren und der Theranostik werden unterschiedliche Eigenschaften der Nanomaterialien benötigt. In einigen Fällen ist zudem eine intelligente Oberflächenmodifikation der Nanomaterialien erforderlich.
In Kapitel 3 werden Europium-dotierte GdVO4 Nanopartikel als potenzielle Sonden für die Detektion von Wasserstoffperoxid untersucht. Die Sensitivität gegen H2O2 hängt von der Europium-Konzentration in den Nanokristallen ab. Höhere Konzentrationen (>10%) senken die Quantenausbeute des Materials, verbessern aber die Sensitivität gegen H2O2. GdVO4 (50%) erweisen sich als die effizientesten lumineszierenden Sonden für H2O2 mit einem dynamischen Bereich von 5 bis 250 µM und einer Nachweisgrenze von 1.6 µM. Selektivitätsuntersuchungen gegen physiologisch relevante Ionen wie (Ca2+, Mg2+, Zn2+) zeigen keine signifikanten Änderungen in der Lumineszenz der Europium dotierten Nanopartikel. Die Fähigkeit enzymkatalysierte Reaktionen zu verfolgen, wird durch die Glukose-Oxidase katalysierte Oxidation von Glukose bewiesen. Die praktische Verwendbarkeit der fluoreszierenden Nanopartikel wird durch die Bestimmung von Glukose im fetalen Kälberserum mithilfe der Standardadditionsmethode dargestellt. Die ermittelten Analytkonzentrationen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit denen eines handelsüblichen Glukose Messgeräts wie man es in Apotheken kaufen kann.
In Kapitel 4 werden Funktionalisierungsaspekte von in Wasser dispergierbaren aufkonvertierenden Nanopartikel diskutiert. Nach einer kurzen Einführung werden die drei wichtigsten Synthesestrategien für die Nanopartikel vorgestellt: Thermolyse, Ostwald Reifung und Hydrothermalsynthese. Es wird die Notwendigkeit von Oberflächenmodifikation erläutert und der Ligandenaustausch, das Umschichten mit einem amphiphilen Polymer sowie die Erzeugung einer Silicahülle werden als die vielversprechendsten Techniken vorgestellt, um die Dispergierbarkeit in Wasser zu erreichen. Die Anwendbarkeit der Oberflächenmodifizierungen wird hinsichtlich der Funktionalisierung der aufkonvertierenden Nanopartikel mit Proteinen, Nukleinsäuren und Farbstoffen untersucht. Eine Richtlinie bei der Wahl von Oberflächenmodifizierungen für spezifische bioanalytische Anwendungen wird erarbeitet. Für Sensor Anwendungen, welche auf einem Energietransfer von Nanopartikeln zu Farbstoffen (und umgekehrt) beruhen, werden kurze Abstände zwischen Donor und Akzeptor bevorzugt, die durch Ligandenaustausch oder durch mesoporöse Silicahüllen ermöglicht werden. Ummanteln der Nanopartikel mit einem amphiphilen Polymer und Silica eignen sich besonders für Anwendungen in der Elektrophorese und zellulären Bildgebungsverfahren. Beide Techniken sind stabil gegen die Ablösung ihrer organischen Oberflächenmoleküle. Die Eignung der Ligandenaustausch Methode für zelluläre Anwendungen hängt stark von der „Zähnigkeit“ des verwendeten Liganden ab. Hier zeigt sich, dass Polymere wie die Polyacrylsäure mit vielen möglichen Koordinationsgruppen größere Stabilität besitzen als „einzähnige“ Liganden.
Kapitel 5 beschreibt die Anwendung von aufkonvertierenden Nanopartikel in der photodynamischen Therapie. Im ersten Schritt werden möglichst kleine und helle Kern-Hülle Nanopartikel (NaYF4:Yb,Er,Gd@NaYF4) durch thermische Zersetzung kombiniert mit Ostwald Reifung in hochsiedenden Lösemittel hergestellt. Der ursprüngliche Ligand Oleat wird durch L-lysine für die Dispergierbarkeit der Nanopartikel in Wasser und für Anbindung des Photosensibilisators Rose Bengal nahe der Oberfläche ersetzt. Intensitätsbasierte Messungen deuten einen Energietransfer von der grünen Emission der Er3+ dotierten Nanopartikel an den Photosensibilisator an. Dieser konnte durch Lebenszeit Messungen am Partikel bestätigt und eine FRET-Effizienz von 25% berechnet werden. Die Produktion von Singulett Sauerstoff nach Infrarotanregung wird durch den Fluoreszenzfarbstoff 9,10-anthracenediyl-bis(methylene)dimalon Säure nachgewiesen. Die zelluläre Aufnahme in menschlichen Brustkrebszellen (SK-BR 3) bestätigen die Konfokal- und Zwei-Photonen-Mikroskop Aufnahmen. Viabilitätstest mit SK-BR 3 Zellen zeigt einen deutlichen Zelltod bei einer Partikel Konzentration von 10 µg·mL-1 nach Anregung im NIR Bereich. Nach Eintreten des Zelltodes kann im Konfokal Mikroskop eine Markierung der Zellkerne mit den funktionalisierten Nanopartikeln festgestellt werden.
In Kapitel 6 werden aufkonvertierende Nanopartikel in 1D-Nanofasern eingebunden, um ratiometrische Sensorik in mikrofluidischen Kanälen zu ermöglichen. Die Nanopartikel sind homogen in den Nanofasern verteilt und zeigen keine Aggregatbildung. Die Massenkonzentration der Nanolampen in den Nanofasern kann auf bis zu 254 ± 9 mg·mL 1 erhöht werden, was eine signifikante Erhöhung (bis zum 50fachen) im Vergleich zur Massenkonzentration in wässrigen Dispersionen ist. Die optischen Eigenschaften der grünen (541 nm) und roten Emissionsbanden (656 nm) von den Yb,Er dotierten aufkonvertierenden Nanopartikeln bleiben unverändert und sichtbares Licht kann direkt in den Nanofasern erzeugt werden. Die Fasermatten werden in ein mikrofluidisches Chipsystem transferiert. Das lumineszierende Signal der Nanolampen in den Kanälen wird durch Änderung der Ionenstärke oder des pH-Wertes von den Lösungen nicht beeinflusst, zeigt aber bemerkenswerte und reproduzierbare Signaländerungen gegen schweres Wasser (D2O). Ratiometrische Sensorik wird mit dem Farbstoff Rose Bengal getestet, welches das grüne Licht absorbiert, während die rote Lumineszenz nicht beeinflusst wird. Der dynamische Bereich liegt bei 1 bis 1000 µM mit einer Nachweisgrenze von 0.1 µM.
Kapitel 7 beinhaltet eine kritische Diskussion über die Vorteile und Anforderungen von Lanthanoid-dotierten Nanopartikeln für die (Bio)Analytik. Zukünftige Herausforderungen für die Anwendung der unterschiedlichen Nanomaterialen in Assays, Sensorik und Theranostik werden aufgezeigt und Lösungsansätze diskutiert.
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| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 25 March 2019 |
| Referee: | Prof. Dr. Antje J. Bäumner |
| Date of exam: | 23 March 2018 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, formerly Prof. Wolfbeis) |
| Keywords: | Upconversion Nanoparticles, Photodynamic Therapy, Nanofibers, Online Monitoring |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | In Press |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 36918 |
Metadata last modified: 25 Mar 2019 06:15
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