Tm3+-doped NaYF4 nanoparticles

Tm3+-dotierte NaYF4 Nanopartikel

  • Lately, the integration of upconverting nanoparticles (UCNP) in industrial, biomedical and scientific applications has been increasingly accelerating, owing to the exceptional photophysical properties that UCNP offer. Some of the most promising applications lie in the field of medicine and bioimaging due to such advantages as, among others, deeper tissue penetration, reduced optical background, possibility for multicolor imaging, and lower toxicity, compared to many known luminophores. However, some questions regarding not only the fundamental photophysical processes, but also the interaction of the UCNP with other luminescent reporters frequently used for bioimaging and the interaction with biological media remain unanswered. These issues were the primary motivation for the presented work. This PhD thesis investigated several aspects of various properties and possibilities for bioapplications of Yb3+,Tm3+-doped NaYF4 upconverting nanoparticles. First, the effect of Gd3+ doping on the structure and upconverting behaviour of theLately, the integration of upconverting nanoparticles (UCNP) in industrial, biomedical and scientific applications has been increasingly accelerating, owing to the exceptional photophysical properties that UCNP offer. Some of the most promising applications lie in the field of medicine and bioimaging due to such advantages as, among others, deeper tissue penetration, reduced optical background, possibility for multicolor imaging, and lower toxicity, compared to many known luminophores. However, some questions regarding not only the fundamental photophysical processes, but also the interaction of the UCNP with other luminescent reporters frequently used for bioimaging and the interaction with biological media remain unanswered. These issues were the primary motivation for the presented work. This PhD thesis investigated several aspects of various properties and possibilities for bioapplications of Yb3+,Tm3+-doped NaYF4 upconverting nanoparticles. First, the effect of Gd3+ doping on the structure and upconverting behaviour of the nanocrystals was assessed. The ageing process of the UCNP in cyclohexane was studied over 24 months on the samples with different Gd3+ doping concentrations. Structural information was gathered by means of X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), and discussed in relation to spectroscopic results, obtained through multiparameter upconversion luminescence studies at various temperatures (from 4 K to 295 K). Time-resolved and steady-state emission spectra recorded over this ample temperature range allowed for a deeper understanding of photophysical processes and their dependence on structural changes of UCNP. A new protocol using a commercially available high boiling solvent allowed for faster and more controlled production of very small and homogeneous UCNP with better photophysical properties, and the advantages of a passivating NaYF4 shell were shown. Förster resonance energy transfer (FRET) between four different species of NaYF4: Yb3+, Tm3+ UCNP (synthesized using the improved protocol) and a small organic dye was studied. The influence of UCNP composition and the proximity of Tm3+ ions (donors in the process of FRET) to acceptor dye molecules have been assessed. The brightest upconversion luminescence was observed in the UCNP with a protective inert shell. UCNP with Tm3+ ions only in the shell were the least bright, but showed the most efficient energy transfer. In the final part, two surface modification strategies were applied to make UCNP soluble in water, which simultaneously allowed for linking them via a non-toxic copper-free click reaction to the liposomes, which served as models for further cell experiments. The results were assessed on a confocal microscope system, which was made possible by lesser known downshifting properties of Yb3+, Tm3+-doped UCNP. Preliminary antibody-staining tests using two primary and one dye-labelled secondary antibodies were performed on MDCK-II cells.show moreshow less
  • In letzter Zeit hat sich die Integration von hochkonvertierenden Nanopartikeln (UCNP) in industriellen, biomedizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen aufgrund der außergewöhnlichen photophysikalischen Eigenschaften, die UCNP bieten, zunehmend beschleunigt. Einige der vielversprechendsten Anwendungen liegen auf dem Gebiet der Medizin und des Bioimaging, der Bildgebung in biologischen Proben, unter anderem aufgrund vieler Vorteile wie einer tieferen Gewebedurchdringung, einem verringerten optischen Hintergrund, der Möglichkeit einer mehrfarbigen Bildgebung und einer geringeren Toxizität im Vergleich zu vielen bekannten Luminophoren. Einige Fragen, die nicht nur die grundlegenden photophysikalischen Prozesse betreffen, sondern auch die Wechselwirkung der UCNP mit anderen Lumineszenzreportern, die häufig für das Bioimaging verwendet werden, und die Wechselwirkung mit biologischen Medien bleiben jedoch offen. Diese Themen waren die Hauptmotivation für die vorgestellte Arbeit. Diese Doktorarbeit untersuchte verschiedene AspekteIn letzter Zeit hat sich die Integration von hochkonvertierenden Nanopartikeln (UCNP) in industriellen, biomedizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen aufgrund der außergewöhnlichen photophysikalischen Eigenschaften, die UCNP bieten, zunehmend beschleunigt. Einige der vielversprechendsten Anwendungen liegen auf dem Gebiet der Medizin und des Bioimaging, der Bildgebung in biologischen Proben, unter anderem aufgrund vieler Vorteile wie einer tieferen Gewebedurchdringung, einem verringerten optischen Hintergrund, der Möglichkeit einer mehrfarbigen Bildgebung und einer geringeren Toxizität im Vergleich zu vielen bekannten Luminophoren. Einige Fragen, die nicht nur die grundlegenden photophysikalischen Prozesse betreffen, sondern auch die Wechselwirkung der UCNP mit anderen Lumineszenzreportern, die häufig für das Bioimaging verwendet werden, und die Wechselwirkung mit biologischen Medien bleiben jedoch offen. Diese Themen waren die Hauptmotivation für die vorgestellte Arbeit. Diese Doktorarbeit untersuchte verschiedene Aspekte verschiedener Eigenschaften und Möglichkeiten für die Bioanwendung von Yb3+,Tm3+-dotierten NaYF4-hochkonvertierenden Nanopartikeln. Zunächst wurde der Einfluss verschiedener Gd3+-Dotierungen auf die Struktur und das Hochkonvertierungsverhalten der Nanokristalle untersucht. Der Alterungsprozess des UCNP in Cyclohexan wurde über 24 Monate an Proben mit unterschiedlichen Gd3+-Dotierungskonzentrationen untersucht. Strukturinformationen wurden mittels Röntgenbeugung (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und dynamischer Lichtstreuung (DLS) gesammelt und in Bezug auf die spektroskopischen Ergebnisse diskutiert, die durch Multiparameter-Hochkonversion-Lumineszenz-Experimenten bei verschiedenen Temperaturen (von 4 K bis 295 K) erhalten wurden. Zeitaufgelöste und stationäre Emissionsspektren, die über diesen weiten Temperaturbereich aufgezeichnet wurden, ermöglichten ein tieferes Verständnis der photophysikalischen Prozesse und ihrer Abhängigkeit von strukturellen Änderungen des UCNP. Ein neues Protokoll unter Verwendung eines im Handel erhältlichen hochsiedenden Lösungsmittels ermöglichte eine schnellere und kontrolliertere Herstellung von sehr kleinen und homogenen UCNP mit besseren photophysikalischen Eigenschaften. Weiterhin wurden die Vorteile einer passivierenden NaYF4-Hülle gezeigt. Der Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) zwischen vier verschiedenen Spezies der NaYF4:Yb3+,Tm3+ UCNP (synthetisiert unter Verwendung des verbesserten Protokolls) und einem kleinen organischen Farbstoff wurde untersucht. Der Einfluss der UCNP-Zusammensetzung und die Nähe von Tm3+-Ionen (Donoren im FRET-Prozess) zu Akzeptorfarbstoffmolekülen wurden untersucht. Die effizienteste Hochkonversionslumineszenz wurde bei dem UCNP mit einer schützenden inerten Hülle beobachtet. Die UCNP mit den nur in der Schale dotierten Tm3+-Ionen leuchteten am schlechtesten, zeigten jedoch den effizientesten Energietransfer. Im letzten Teil wurden zwei Oberflächenmodifizierungsstrategien angewendet, um die UCNP wasserlöslich zu machen. Dadurch wurde es gleichzeitig möglich, die UCNP mittels einer ungiftigen kupferfreien Klickreaktion mit den Liposomen zu verbinden, die als Modelle für weitere Zellexperimente dienten. Die Ergebnisse wurden mit einem konfokalen Mikroskopsystem untersucht, das durch weniger bekannte Abwärtsumwandlungseigenschaften von Yb3+,Tm3+-dotiertem UCNP ermöglicht wurde. Vorläufige Antikörperfärbungstests wurden unter Verwendung von zwei primären Antikörpern und einem farbstoffmarkierten sekundären Antikörper an MDCK-II-Zellen durchgeführt.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Anna López de GuereñuORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475593
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-47559
Subtitle (English):upconversion properties and bioimaging
Subtitle (German):Aufkonversionseigenschaften und Biologische Bildgebung
Reviewer(s):Niko HildebrandtGND
Supervisor(s):Michael Uwe Kumke, Andreas Herrmann
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first publication:2020
Publication year:2020
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2020/08/18
Release date:2020/09/15
Tag:Antikörper-Färbung; Kern-Schale Aufkonvertierende Nanopartikel; Resonante Energie Transfer; Zeitaufgelöste Lumineszenz
antibody staining; core-shell UCNP; resonance energy transfer; time-resolved luminescence; upconverting nanoparticles
Number of pages:119
RVK - Regensburg classification:VE 5070
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
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