Photonen-Aufkonversion in Nanokapseln

Die vorliegende Dissertation zeigt eine erfolgreiche Verknüpfung der Triplett-Triplett-Annihilations-Aufkonversion (TTA-UC) mit möglichen biologischen Anwendungen. Die Grundlage für solche Anwendungen ist ein Transfer der TTA-UC aus seinem üblicherweise verwendeten organischen Medium in eine wässrige Umgebung. Um diesen Transfer zu realisieren, wurden, unter Anwendung der Technik des Miniemulsionsprozesses, in Wasser dispergierte Nanokapseln herstellt. Der Kern dieser Nanokapseln besteht aus einem flüssigen hydrophoben Medium (meist Hexadekan oder Phenylheptadekan), in dem die zur TTA-UC notwendigen Farbstoffe gelöst sind. Dieser flüssige Kern ist vollständig von einer festen Polymerhülle umschlossen und somit isoliert von seiner wässrigen Umgebung. Es wurden insgesamt drei Generationen solcher Nanokapseln hergestellt, die sich hauptsächlich im Herstellungsprozess, aber auch beim Material von Kern und Hülle unterscheiden. Mittels dieser Variationen konnten die Nanokapseln in Bezug auf Effizienz, Anregungswellenlänge und Sauerstoffempfindlichkeit optimiert werden. Bei der ersten Generation wurde die radikalische Miniemulsionspolymerisation zur Kapselbildung verwendet. Die zweite Generation wurde durch die Kombination des Lösungsmittelverdampfungsprozesses mit dem Miniemulsionsprozess entwickelt und liefert somit eine alternative Möglichkeit der Kapselbildung unter milden Reaktionsbedingungen, was eine uneingeschränkte Auswahl der UC-Farbstoffpaare ermöglicht. Durch den Einsatz unterschiedlicher Sensitizer konnte die Anregungswellenlänge der TTA-UC in den roten und in den nahen Infrarot-Bereich des sichtbaren Spektrums verschoben werden. Diese Verschiebung ist im biologischen Anwendungsbereich von enormer Bedeutung, da dort eine Überlappung mit dem natürlichen optischen Fenster von menschlicher Haut und Gewebe stattfindet. Dies reduziert die Streuung der Anregungsquelle im zu untersuchende Medium und ermöglicht hohe Eindringtiefen. Mit den Kapseln der zweiten Generation wurde zum ersten Mal TTA-UC in lebenden HeLa-Zellen (Krebszellen) und MSCs (Mesenchymale Stammzellen) nachgewiesen. Die verzögerte Fluoreszenz aus den Zellen wurde mit biologischen Standardverfahren, sowohl mit der Durchflusszytometrie (FACS) als auch am cLSM nachgewiesen. Besondere Vorteile gegenüber direkter Fluoreszenz konnten bei der Bildgebung von Zellen erreicht werden. Die relativ energiearme Anregungswellenlänge und die dazu anti-Stokes verschobene, detektierte verzögerte UC-Fluoreszenz lieferte eine bessere Bildqualität und eine sehr geringe Phototoxizität der Zellen. Die Kapseln der dritten Generation zeichnen sich durch ihre anorganische, tetraedrisch verknüpfte SiO2-Hülle aus und wurden mittels einer Grenzflächenreaktion (Sol-Gel-Prozess) in Miniemulsion hergestellt. Diese Kapseln weisen im Vergleich zu den Polymernanokapseln eine bessere UC-Effizienz auf und sind zusätzlich stabiler und robuster.

This work presents the successful connection between triplet-triplet-annihilation upconversion (TTA-UC) and possible applications in the biological field. The requirement for such a connection is the transfer of the TTA-UC from generally used organic media into a water based system. This transfer was easily reached with the miniemulsion process by producing nanocapsules dispersed in water. The needed dyes for TTA-UC are dissolved in the liquid hydrophobic core (mostly hexadecane or phenylheptadecane) of the capsules which is surrounded by a solid polymeric shell and therefore separated from aqueous environment. rnThree generations of nanocapsules were produced by using different formation processes (based on miniemulsion) and also variations of the capsule material. Due to these variations we were able to improve the nanocapsules related to UC-efficiency, other excitation wavelengths and less oxygen sensitivity. For the first generation, the radical miniemulsion polymerization process was applied. The second generation was developed by a combination of the solvent evaporation technique with the miniemulsion process and provides an alternative method for capsule synthesis under soft conditions and therefore also an almost unrestricted selection of UC-dyes. By using different sensitizers, the excitation wavelength was shifted into the red or even into the NIR area of the visible spectra. This red-shift of excitation wavelength enables an overlap with the optical window of human tissue and skin, which is of crucial importance for further biological applications. Through less absorption in the region of the optical window, a reduced scattering and an increased penetration depth of the excitation beam is reached. With the nanocapsules of the second generation, the TTA-UC was measured for the first time in living HeLa-cells and MSCs. The delayed fluorescence out of the cells was detected with standardized biological measurement methods, like FACS and cLSM. In the field of cell imaging crucial improvements were achieved in compare to the usage of direct fluorescence. Especially the relatively low excitation energy and the detected anti-Stokes shifted delayed UC-fluorescence results in better image quality and lower phototoxicity. The capsules of the third generation were formed via interfacial polymerization (sol-gel-process) in miniemulsion. They are composed of an inorganic tetrahedral bonded SiO2-shell and phenylheptadecane as the inner hydrophobic liquid. In comparison to other capsule generations, these ones show better UC efficiency, due to the different formation process and also higher stability and robustness due to inorganic shell material.rn