Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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•Overview of expertise of division Biophotonics
•Functional molecular and nanoscale luminescent reporters, probes, and
sensors including design principles available from division Biophotonics
•Examples for pH and O2 responsive molecular probes and particle sensors
•Surface group quantification Analytical methods and cleavable probes
•Concepts & standards for the validation and traceability of optical measurements
Accurate and quantitative photoluminescence measurements are mandatory for the comparison of different emitter classes and the rational design of the next generation of molecular and nanoscale reporters as well as for most applications relying on their luminescence features in the life and material sciences and nanobiophotonics. In the following, procedures for the determination of the spectroscopic key parameter photoluminescence quantum yield, i.e., the number of emitted per absorbed photons, in the UV/vis/NIR/SWIR are presented including pitfalls and achievable uncertainties and material-specific effects related to certain emitter classes are addressed. Special emphasis is dedicated to luminescent nanocrystals.
Photonen-Aufkonvertierung in hetero-oligonuklearen, Metallkomplex-Architekturen mit organischen Liganden ist ein interessantes, aber bisher selten beobachtetes Phänomen, trotz des großen Potentials sowohl aus Sicht der Grundlagenforschung als auch aus der Anwendungsperspektive. Nun wurde ein neues photonisches Material aus molekularen Chrom(III)- und Ytterbium(III)-Komplexionen entwickelt.
Dieses zeigt im Festkörper bei Raumtemperatur abhängig von der Anregungsleistungsdichte nach Anregung des 2F7/2! 2F5/2-3berganges des Ytterbiums bei ca. 980 nm eine kooperative Sensibilisierung der Chrom(III)-zentrierten 2E/2T1-Phosphoreszenz bei ca. 775 nm. Der Aufkonvertierungsprozess ist unempfindlich gegenüber Luftsauerstoff und kann in Gegenwart von Wassermolekülen im Kristallgitter beobachtet werden.
Optical spectroscopy – Techniques, instrumentation, and typical molecular and nanoscale reporters
(2018)
Different types of optical spectroscopies are introduced with special emphasis on method-inherent limitations and reliable instrument calibration and performance validation. In addition, different classes of molecular and nanocrystalline emitters are presented and the underlying photophysical processes are briefly described.
Eine modifizierte Syntheseroute auf der Basis wasserfreier Seltenerdacetate wurde zur Synthese aufwärtskonvertierender Kern/Schale‐Nanokristalle mit mittleren Größen zwischen 15 bis 45 nm eingesetzt. Die nahezu monodispersen Partikel bestehen aus einem NaYF4:Yb,Er‐Kern, dotiert mit 18 % Yb3+ und 2 % Er3+, und einer inerten Schale aus NaYF4, wobei die Dicke der Schale dem jeweiligen Radius des Kernpartikels entspricht. Absolutmessungen der Photolumineszenz‐Quantenausbeuten bei verschiedenen Anregungsleistungsdichten zeigen, dass die Quantenausbeuten von 45 nm Kern/Schale‐Partikeln schon fast an die Quantenausbeute des mikrokristallinen aufwärtskonvertierenden Leuchtstoffs heranreichen. Kleinere Kern/Schale‐Partikel, die nach der gleichen Methode hergestellt wurden, zeigen nur eine moderate Abnahme der Quantenausbeute. Beispielsweise ist die Quantenausbeute von 15 nm großen Kern/Schale‐Partikeln bei hohen Leistungsdichten (100 W cm−2) nur um einen Faktor drei kleiner als die des mikrokristallinen Leuchtstoffpulvers und um ungefähr einen Faktor 10 kleiner bei niedrigen Leistungsdichten (1 W cm−2).
Lanthanide-based upconversion nanoparticles (UCNPs) offer new strategies for luminescence-based sensing and imaging. One of the best studied materials are hexagonal ß-NaYF4 UCNPs doped with 20% Yb3+ and 2% Er3+, which efficiently convert 976 nm light to photons emitted at 540 nm, 655 nm, and 845 nm, respectively, reveal Long luminescence lifetimes (> 100 µs), and are very photostable and chemically inters.[1,2] The properties of their upconversion (UC) luminescence (UCL) are, however, strongly influenced by particle size, concentration and spatial arrangement of dopant Ions, surface chemistry, and microenvironment.[3,4] In addition, the multiphotonic absorption processes responsible for UCL render UCL dependent on excitation power density (P).
The rational design of brighter UCNPs particle architectures encouraged us to assess systematically the influence of these parameters on UCL for differently doped UCNPs relying on the commonly used ß-NaYf4 matrix using steady state and time resolved fluorometry as well as integrating sphere spectroscopy for P varied over almost three orders of magnitude. This includes comprehensive studies of the influence of size and shell, Yb3+ and Er3+ dopand concentrations, and energy Transfer processes from UCNPs to surface-bound organic dyes or vice versa [5]. Our results underline the need for really quantitative luminescence studies for mechanistic insights, the potential of high p to compensate for UCL surface quenching, and the matrix- and P-dependence of the optimum dopand concentration.
Functional Nanomaterials with VIS/NIR Emission-Spectroscopic Properties And Surface Group Analysis
(2017)
Optical-spectroscopic methods for the quantitative characterization of the optical properties of different types of vis/NIR-emissive nanomaterials like semiconductor quantum dots and upconversion nanocrystals will be presented and their relevance for the mechanistic understanding of nonradiative decay channels and the rational design of new nanomaterials will be underpinned. In this respect, also validation concepts for such measurements and absolute fluorometry will be introduced. In addition, the potential of optical spectroscopy for surface group and ligand analysis surface chemistry will be demonstrated exemplarily for semiconductor quantum dots.