Bild des Monats: Seltenerd-dotierte Nanopartikel Entwicklung von Biomarkern mit vielseitigen Eigenschaften am Forschungszentrum für Nanometrologie (LENA)

Biomarker werden benötigt, um Prozesse in biologischen Systemen wie dem menschlichen Körper zu beobachten. Sie können beispielsweise dabei helfen, Krankheiten sowie deren Fortschreiten frühzeitig zu erkennen und die Wirksamkeit einer bestimmten Behandlung zu kontrollieren.

Bild der mit Eu3+-Ionen dotierten NaGdF4-Partikel aus dem Rasterelektronenmikroskop. Die untersuchten Partikel weisen eine raue Oberfläche auf, was darauf hindeutet, dass es sich um Aggregate aus primären Nanopartikeln handelt. Bildnachweis: Bogdan Semenenko/iPAT

Häufig werden Goldnanopartikel oder organischen Farbstoffmoleküle als Biomarker eingesetzt. Ihre Emissionswellenlängen können jedoch nicht ohne weiteres so eingestellt werden, dass sie verschiedene Strukturen mit eindeutigen Farben markieren. Abhilfe schaffen hier Nanopartikel, die mit Lanthanoiden, auch bekannt als Metalle der Seltenen Erden, dotiert sind. Eine Besonderheit dieser Nanopartikel sind ihre charakteristischen Emissionsspektren, die durch das jeweilige Lanthanoid, das zur Dotierung verwendet wird, manipuliert werden können.

Synthese über umweltfreundliche Methoden

Ausgehend von den entsprechenden Metallchloriden werden am Laboratory of Emerging Nanometrology (LENA) in einer wasserbasierten Synthese biokompatible NaGdF4-Partikel hergestellt, die geringe Mengen an Europium und Thulium als Dotierungselemente enthalten. Die Verwendung von Wasser als Reaktionsmedium hat den Vorteil, dass es im Vergleich zu der üblicherweise verwendeten organischen Synthese umweltfreundlicher ist. Außerdem sind die resultierenden Nanopartikel hydrophil und daher direkt mit wässrigen biologischen Medien kompatibel. Am LENA wurde für diese vorteilhafte Synthese eine Methode zur Kontrolle der Partikeldurchmesser entwickelt. Hierbei wird unter anderem die Menge der Ausgangstoffe variiert, was zu einem Durchmesser der NaGdF4-Partikel von 80 bis 180 nm führt.

Die entscheidende Anforderung an Biomarker ist, dass sie eine ausreichende Lumineszenzintensität aufweisen, damit sie zusammen mit biologischem Material gescannt werden können. Daher werden die hergestellten Europium-dotierten NaGdF4-Partikel mit verschiedenen optischen Methoden untersucht. Um die Intensität der Lichtemission zu erhöhen, wurde eine Nachbehandlung entwickelt, die die Kristallinität der Partikel verbessert. Indem Europium durch andere Lanthanoide (wie Thulium oder Ytterbium) ersetzt wird, kann die Emissionswellenlänge verändert werden. Dies ermöglicht die gleichzeitige Markierung mehrerer biologischer Strukturen.

An dem Projekt sind die Forschungsgruppen von Prof. Georg Garnweitner, Institut für Partikeltechnik, und Prof. Tobias Voss, Institut für Halbleitertechnik, am LENA beteiligt.