Hauptartikel: Upconverting nanoparticles

Obwohl Photon Upconversion zuerst in Massenkristallen und optischen Fasern untersucht wurde, wurde es mit der Entwicklung von Nanomaterialien besser bekannt. Dies geschah aufgrund der vielen Möglichkeiten, wie Nanostrukturen mit Photonen-Aufwärtswandlungseigenschaften angewendet werden können. Diese neue Materialklasse kann allgemein als Upconverting Nanoparticles oder UCNPs bezeichnet werden.

Lanthanid-dotierte Nanopartikel

Lanthanid-dotierte Nanopartikel entstanden in den späten 1990er Jahren aufgrund der vorherrschenden Arbeit an der Nanotechnologie und markierten einen Wendepunkt in der Landschaft der modernen Lanthanoidforschung. Obwohl die optischen Übergänge in Lanthanid-dotierten Nanopartikeln im Wesentlichen denen in Schüttgütern ähneln, bietet die Nanostruktur, die Oberflächenmodifikationen zugänglich ist, neue Möglichkeiten für die Forschung. Außerdem erlaubt die kleine Größe der Partikel ihre Verwendung als Alternativen zu molekularen Fluorophoren für biologische Anwendungen. Ihre einzigartigen optischen Eigenschaften, wie große Stokes-Verschiebung und Nichtblinken, haben es ihnen ermöglicht, herkömmlichen Lumineszenzsonden bei anspruchsvollen Aufgaben wie Einzelmolekülverfolgung und Tiefengewebebildgebung Konkurrenz zu machen. Im Falle der Bioimaging, da Lanthanid-dotierte Nanopartikel mit Nahinfrarotlicht angeregt werden können, sind sie optimal, um die Autofluoreszenz von biologischen Proben zu reduzieren und somit den Kontrast des Bildes zu verbessern.

Lanthanid-dotierte Nanopartikel sind Nanokristalle aus einem transparenten Material (häufiger die Fluoride NaYF4, NaGdF4, LiYF4, YF3, CaF2 oder Oxide wie Gd2O3), die mit bestimmten Mengen an Lanthanidionen dotiert sind. Die gebräuchlichsten Lanthanidionen, die bei der Photonenaufkonversion verwendet werden, sind die Paare Erbium-Ytterbium (Er3 +, Yb3+) oder Thulium-Ytterbium (Tm3 +, Yb3 +). In solchen Kombinationen werden Ytterbiumionen als Antennen hinzugefügt, um Licht bei etwa 980 nm zu absorbieren und auf das Aufwärtswandlerion zu übertragen. Wenn dieses Ion Erbium ist, wird eine charakteristische grüne und rote Emission beobachtet, während, wenn das Aufwärtswandlerion Thulium ist, die Emission nahes ultraviolettes, blaues und rotes Licht umfasst.

Trotz der vielversprechenden Aspekte dieser Nanomaterialien liegt eine dringende Aufgabe für Materialchemiker in der Synthese von Nanopartikeln mit abstimmbaren Emissionen, die für Anwendungen in der Multiplex-Bildgebung und -sensorik unerlässlich sind. Die Entwicklung eines reproduzierbaren synthetischen Weges mit hoher Ausbeute, der ein kontrolliertes Wachstum von Seltenerdhalogenid-Nanopartikeln ermöglicht, hat die Entwicklung und Kommerzialisierung von Upconversion-Nanopartikeln in vielen verschiedenen Bioanwendungen ermöglicht. Die ersten weltweit kommerziell erhältlichen Upconversion-Nanopartikel wurden von Intelligent Material Solutions, Inc. entwickelt. und über Sigma-Aldrich vertrieben. In jüngster Zeit haben wichtige Fortschritte bei der Synthese hochwertiger nanostrukturierter Kristalle neue Wege für die Photonen-Aufwärtswandlung ermöglicht. Dies schließt die Möglichkeit ein, Partikel mit Kern / Schale-Strukturen zu erzeugen, die eine Aufwärtsumwandlung durch Grenzflächenenergietransfer (IET) ermöglichen.

Semiconductor nanoparticlesEdit

Semiconductor nanoparticles or quantum dots have often been demonstrated to emitt light of shorter wavelength than the excitation following a two-photon absorption mechanism, not photon upconversion. In jüngster Zeit wurde jedoch die Verwendung von Halbleiter-Nanopartikeln wie CdSe, PbS und PbSe als Sensibilisatoren in Kombination mit molekularen Emittern als neue Strategie für die Photonenaufkonversion durch Triplett-Triplett-Annihilation gezeigt. Sie wurden verwendet, um 980 nm Infrarotlicht in 600 nm sichtbares Licht umzuwandeln; grünes Licht zu blauem Licht; und blaues Licht bis ultraviolett. Diese Technik profitiert von einer sehr hohen Upconverting-Fähigkeit. Insbesondere können diese Materialien verwendet werden, um den Infrarotbereich des Sonnenlichts in Elektrizität umzuwandeln und die Effizienz von Photovoltaik-Solarzellen zu verbessern.

Upconversion nanocapsules for differential cancer bioimaging in vivoEdit

Die frühzeitige Diagnose von Tumor-Malignität ist entscheidend für die rechtzeitige Krebsbehandlung, die darauf abzielt, die gewünschten klinischen Ergebnisse zu erzielen. Die traditionelle fluoreszenzbasierte Bildgebung ist leider mit Herausforderungen wie geringer Gewebedurchdringung und Hintergrund-Autofluoreszenz konfrontiert. Upconversion (UC) -basierte Bioimaging kann diese Einschränkungen überwinden, da ihre Anregung bei niedrigeren Frequenzen und die Emission bei höheren Frequenzen auftritt. In: Kwon et al. entwickelte multifunktionale Nanokapseln auf Siliziumdioxidbasis, die synthetisiert wurden, um zwei verschiedene Triplett-Triplett-Vernichtungs- UND Chromophorpaare einzukapseln. Jede Nanokapsel emittiert nach einer roten Lichtanregung verschiedene Farben, blau oder grün. Diese Nanokapseln wurden weiter entweder mit Antikörpern oder Peptiden konjugiert, um selektiv Brust- bzw. Sowohl in vitro als auch in vivo zeigten experimentelle Ergebnisse eine krebsspezifische und differentielle Farbbildgebung aus Einzelwellenlängenanregung sowie eine weitaus größere Akkumulation an gezielten Tumorstellen als aufgrund der verbesserten Permeabilität und des Retentionseffekts. Dieser Ansatz kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Chromophorpaaren für verschiedene tumorspezifische Farbkodierungsszenarien zu hosten, und kann zur Diagnose einer Vielzahl von Krebsarten innerhalb der heterogenen Tumormikroumgebung eingesetzt werden.

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