Quantum Dots

Fluoreszente Nanopartikel sind bereits seit einiger Zeit im Fokus der Forschung, da sie einige wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Fluoreszenzfarbstoffen bieten.

Im Sichtbaren fluoreszierende Halbleiter-Nanopartikel So bestehen diese Nanopartikel stets aus einem anorganischen Kern, dessen Größe und Beschaffenheit die optischen Eigenschaften festlegt. Da dieser Kern stabil gegen die meisten Umwelteinflüsse wie Temperatur, Luft oder Bestrahlung ist, zeigen diese Nanomaterialien sehr robuste Fluoreszenzeigenschaften. Die Dispergierbarkeit der Partikel wird durch die Stabilisatormoleküle gesteuert, die sich auf der Oberfläche der anorganischen Kerne befinden. Diese können ausgetauscht und so die Dispergierbarkeit der Partikel variiert werden, ohne die optischen Eigenschaften direkt verändern zu müssen. Auch die Absorption des Anregungslichtes ist bei Nanopartikeln im Allgemeinen viel größer als bei Farbstoffmolekülen, wodurch der Nachweis bereits viel geringerer Mengen möglich ist, im Extremfall auch die Spektroskopie an nur einem Partikel.

Nanopartikel können wegen verschiedener Gründe fluoreszente Eigenschaften besitzen. Im Portfolio der CAN GmbH werden sowohl Halbleiter-Nanopartikel als auch dotierte Nanopartikel angeboten.

Halbleiter-Nanopartikel
Bei den Halbleiter-Nanopartikeln handelt es sich um die wohl am besten erforschte Klasse der fluoreszenten Partikel. Sie sind daher so interessant, da sich bei Variation der Partikelgröße die Bandlücke, die wiederum maßgeblich für die emittierte Wellenlänge ist, verändert. Je kleiner ein Partikel ist, desto größer wird die Bandlücke bzw. kurzwelliger wird das emittierte Licht und umgekehrt. Dieser Effekt wird Größenquantisierung genannt.

Durch geeignete Wahl von Ausgangsmaterial und Partikelgröße lässt sich so das gesamte Spektrum vom sichtbaren bis zum IR-Bereich abdecken. Dieses Konzept wurde in den CANdot ® Serien A und C verwirklicht. Die Serie A deckt hierbei den sichtbaren Bereich ab (500 – 650 nm) und die Serie C den Infrarotbereich (> 1000 nm).

Da das Absorptionsspektrum von der emittierten Wellenlänge hin zu kürzeren Wellenlängen ansteigt ist es möglich, Halbleiter-Nanopartikel im Grunde mit jeder Wellenlänge kleiner als die Wellenlänge des emittierten Lichtes anzuregen. Es ist also nicht wie bei organischen Farbstoffen nötig, das Anregungslicht für jeden Farbstoff neu einzustellen. Außerdem ist es möglich, mehrere unterschiedliche Partikel in einer Probe gleichzeitig mit derselben Strahlung anzuregen und zu detektieren.

In Halbleiter-Nanopartikeln wird nach der Anregung ein freies Elektron-Loch-Paar erzeugt, dass sich bis zur Rekombination, also bis zum Aussenden des Emissionslichtes, im Kern frei bewegen kann. In dieser Zeit, in der Regel zwischen 10 – 20 ns, können die Ladungsträger auch anderweitig gebunden werden, wodurch die Emissionsintensität sinkt. Um diesen Effekt zu verringern, werden Halbleiter-Nanopartikel häufig mit zusätzlichen passivierenden Hüllen um den Kern herum produziert. Hierdurch werden Stabilität und Quantenausbeute der einfacheren Kerne gesteigert wie z. B. in den Partikeln der Serie A Core/Shell bzw. Core/Shell/Shell.

Dr. Jan Niehaus

Dr. Jan Niehaus

Dr. Christoph Gimmler

Dr. Christoph Gimmler