Untersuchungen zur Speicherung von Ladungsträgern in Nanopartikeln und Entwicklung von Infrarotlicht-stimulierten Markern für die Bioanalytik und Diagnostik

• Applicants: Privatdozent Dr. Miroslaw Batentschuk; Dr. Carsten Gellermann
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2010 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 163599084

Fluoreszenzmarker spielen eine wichtige Rolle bei der Untersuchung biochemischer, biologischer und biomedizinischer Prozesse. Die Methode hat aber charakteristische Grenzen, die damit zusammenhängen, dass das anregende Licht und die Fluoreszenz zeitgleich wirksam sind. Das Signal wird durch Streulicht „verwässert“. Darüber hinaus zeigt oft das untersuchte biologische System, beispielsweise Zellgewebe, eine Eigenfluoreszenz, die sich dem Signal des Markers überlagert. Last but not least liegt ein Problem darin, dass viele der verwendeten Marker bei verhältnismäßig kurzen Wellenlängen angeregt werden und fluoreszieren, bei denen die Eindringtiefe des Lichts in das Gewebe gering ist.In diesem Projekt sollen Nanopartikel als Marker entwickelt werden, bei denen die Fluoreszenz gegenüber der Anregung zeitlich versetzt erfolgt. In diesem Fall entfallen die genannten Probleme herkömmlicher Fluoreszenzmarker.Eine zeitliche Verzögerung der Lichtemission gegenüber der Anregung tritt auf bei phosphoreszierenden und bei photostimulierbaren Materialien. Bei phosphoreszierenden Materialien klingt die Fluoreszenz nach der Anregung langsam ab, manchmal über Stunden oder gar Tage. Bei photostimulierbaren Materialien wird das Material zunächst nur aufgeladen, Fluoreszenz wird erst ausgelöst durch einen Lichtpuls, nachdem die Energie Stunden oder Tage gespeichert wurde. Das Potential phosphoreszierender Marker wurde in einer kürzlichen Veröffentlichung anderer Autoren außerordentlich eindrucksvoll an Beispielen von „in-vivo-imaging“ demonstriert. Es ist aber evident, dass photostimulierbare Materialien gegenüber den phosphoreszierenden noch zusätzliche Vorteile bringen. Bei phosphoreszierenden Stoffen wird die gespeicherte Energie über die lange Abklingzeit hinweg kontinuierlich im Nachleuchten entladen, was geringe Fluoreszenzintensität zur Folge hat. Bei photostimulierbaren Stoffen hingegen tritt nach der „Aufladung“ zunächst keine Fluoreszenz auf, vielmehr kann die gespeicherte Energie zu jedem gewünschten Zeitpunkt durch den stimulierenden Lichtpuls quantitativ abgerufen werden, mit den entsprechenden Folgen für das Signal-Rausch-Verhältnis.Das Projekt führt Partner zusammen, von denen einer über langjährige Erfahrungen bei der Synthese von Nanopartikeln verfügt, während der andere das Know-how auf dem Gebiet von Leuchtstoffen, vor allem der photostimulierbaren mitbringt. Es sollen phosphoreszierende Nanopartikel, als eigentliches Novum aber photostimulierbare Nanopartikel als biologische Marker entwickelt werden. Diese Zielsetzung des Projektes wirft interessante neue physikalische Fragen auf, die auf das Problem der Trennung und Speicherung von Ladungsträgern in Nanokristallen hinauslaufen. Ist die Speicherung der Ladungsträger in Systemen so kleiner Abmessungen noch stabil angesichts der Möglichkeit von Rekombination durch Tunnelprozesse?Es geht dabei zunächst um die Synthese solcher Partikel mit ihren als Ladungsträgerfallen wirkenden Kristalldefekten, und im Anschluss um die thermische Stabilität der Defekte und die Stabilität der Speicherfunktion. In dem Projekt wird die Strategie verfolgt, von bekannten und beherrschten speicherfähigen Mikromaterialien ausgehend zu Nanopartikeln überzugehen und zu prüfen, ob und inwieweit dabei die Speichermechanismen weiterhin wirksam sind.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Professor Dr. Albrecht Winnacker