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.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.
Die gemeinsame Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden zur Nanotechnologie wurde 2016 veröffentlicht. Die darin enthaltenen Aufgaben wurden von den Bundesoberbehörden vielfältig bearbeitet. Diese Präsentation gibt einen Überblick über die Projekte, die von der BAM bis 2019 bearbeitet wurden/werden und sich in den Rahmen der Forschungsstrategie einordnen.
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.
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).
- UCNPs were succesfully synthesized and characterized
- Various stages of UCNP growth were tracked using different
analytical methods including real time in-situ & time-resolved
luminescence spectroscopy, SAXS and TEM measurements
- Additional size determination will be performed using inductively
coupled plasma - mass spectrometry (ICP-MS)