Die Erfindung betrifft stimulierbare, insbesondere photostimulierbare Partikelsysteme sowie deren Anwendung als lumineszierende Marker für die biologische und medizinische Diagnostik, als optisch detektier- bare Diffusionssonde oder als Substrat zur Herstellung von Sicherheitssystemen, als Markierung zur Erkennung von Plagiaten und/oder Originalen.

Lumineszierende Nanopartikel (NP) besitzen aufgrund ihrer optischen Eigenschaften ein großes Anwendungspotential. Sie bieten eine Grundlage für zahlreiche analytische Methoden im Bereich Biologie und medizinischen Diagnostik oder werden zur Herstellung von Sicherheitssystemen für Erkennung von Plagiaten und/oder Originalen eingesetzt. Dabei stehen unterschiedliche Materialien zur Verfügung wie z. B. mit organischen Farbstoffen dotierte Partikelsysteme auf Basis von Polymeren oder oxidischen Materialien, Halbleiter-NP (Quantum Dots, QDs) oder NP auf Basis von anorganischen Leuchtstoffen dotiert mit

Seltenerd-Ionen [F. Caruso: Colloids and Colloid Assemblies. iley-VCH, Weinheim (2004); W. Tan, S.

Santra, P. Zhang, R. Tapec, J. Dobson: Method for identifiying cells. F. Hoffmann US 6924116 B2 (2005); V. Desprez, N. Oranth, J. Sprinke, J. K. Tusa : Nano- particles for optical sensors, EP 1496126 Bl (2005); A. van Blaaderen, A. Vrij : Synthesis and characteri- zation of colloidal dispersion of fluorescent, mono- dispere silica spheres . Langmuir 8, (1992) 2921 — 2931; R. E. Baily, A . M. Smith, 5. Nie: Quantum dots in biology and medicine. Physica E 25, (2004), 1-12; R. Lee, Z. Yaniv: Nanoparticle Phosphor. WO 03/028061

AI (2003) ] . Die verwendbaren Untersuchungsmethoden haben oft charakteristische Grenzen, die im Folgenden aufgelistet sind: · Die herkömmliche Materialien weisen materialbedingte Mängel auf: breite Emissionsspektren, geringe Stokes-Verschiebung und/oder eine begrenzte Photostabilität. Dies ist typisch für mit organischen Farbstoffen dotierte NP.

· Einige Partikelsysteme wie z. B. QDs bestehen auf toxischen Materialien. Im Hinblick auf in vivo Anwendung ist selbst der zeitlich begrenzte Einsatz dieser Marker in lebenden Organismen höchst bedenklich .

· Nur wenige Materialien besitzen Emission in dem biologischen „optischen Fenster" (650 — 1200 nm) . Darüber hinaus zeigt oft das untersuchte System, wie z. B. in Fall von Untersuchungen an Zellgeweben, eine Autofluoreszenz, die sich mit dem Signal des Markers überlagert. Viele der verwendeten Marker bei verhältnismäßig kurzen Wellenlängen angeregt werden und fluoreszieren, bei denen die Eindringtiefe des Lichts in das Gewebe gering ist.

» In der Regel sind das anregende Licht und die Fluoreszenz zeitgleich wirksam. Das Signal wird durch Streulicht geschwächt.

Eine Lösung dabei könnte eine zeitliche Verzögerung der Lichtemission gegenüber der Anregung bieten. Dieses Phänomen kann bei phosphoreszierenden Materialien beobachtet werden. Bei phosphoreszierenden Materialien klingt die Fluoreszenz nach der Anregung langsam ab, manchmal über Stunden oder gar Tage. Erste bis zu einer Stunde phosphoreszierende Marker sind bereits entwickelt und erfolgreich an lebenden Mäusen getestet worden [D. Scherman, M. Bessodes, C. Chaneac, D.L. Gourier, J-P. Jolivet, Q. le Masne, S. Maitre- jean, F. Pelle: Persistent luminescent nanoparticles used in the form of a diagnosis agent for in vivo optical imaging. US 2009/0155173 (2009); Q. le Masne, C. Chaneac, J. Seguin, F. Pelle, S. Maitrejean, J-P. Jolivet, D. Gourier, M. Bessodes: Nanoprobes with near-infrared persistent luminescent for in vivo im- aging. PNAS 104, (2007) 9266-9271] .

Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Materialien war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Nanopartikelsysteme bereitzustellen, die eine möglichst hohe Persistenz der gespeicherten Energie nach Aufladen derartiger Partikel ermöglicht. Zudem sollen die Partikelsysteme durch Beleuchten mit einem gezielten Lichtimpuls, der bevorzugt auch im infraroten Lichtbereich liegen kann, zur stimulierten Emis- sion angeregt werden, so dass die ursprünglich ge- speicherte Energie derartiger Partikel bei Bedarf gezielt abgerufen werden kann.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Nanopartikels mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich eines

Nanopartikelsystems, das eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Partikel enthält, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11, bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden Nanopartikelsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie bezüglich möglicher

Verwendungszwecke derartiger Nanopartikelsysteme mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Erfindungsgemäß wird ein Nanopartikel bereitgestellt, das durch Energiezufuhr in einen elektronisch aufgeladenen Zustand überführbar ist und mittels Stimulation durch elektromagnetische Strahlung zur Emission elektromagnetischer Strahlung veranlassbar ist.

Die erfindungsgemäßen Nanopartikel, insbesondere die weiter unten diskutierten vom Kern-Schale-Typ, zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach Aufladung mit Licht einer Wellenlänge zwischen 100 und 800 nm, mit

Röntgen- und/oder Elektronenstrahlen durch stimulierte Emission durch einen Lichtimpuls mit einer Wellenlänge zwischen 500 und 1600 nm Photonen mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 1300 nm emittieren.

Überraschenderweise wurde bei den erfindungsgemäßen Nanopartikeln, insbesondere denen vom Kern-Schale- Typ, gefunden, dass die Dauer des Lichtimpulses, der zur stimulierten Emission und zum Abrufen der im auf- geladenen Partikel gespeicherten Lichtenergie verwendet werden kann, sehr kurz sein kann, z.B. ca. 1 oder weniger (A. Winnacker, „X-ray Imaging with

Photostimulable Storage Phosphors and Future Trends". Physica Medica, Vol. IX (1993), 95-101). Die stimulierte Emission kann beispielsweise durch Verwendung eines Laserpulses verwendet werden, wobei die Energiedichte des Stimulationslasers ca. 100 μ /cm ² oder weniger betragen kann (R. Schätzing, R. Fasbender, P. Kersten, „New high speed scaning technique for Computed Radiography, Proc. SPIE 4682 (2002) 511- 520) . Dadurch werden enorme Vorteile bezüglich des

Signal/Rausch-Verhältnisses ermöglicht, wodurch sich die erfindungsgemäßen Partikel deutlich vorteilhaft von denen aus dem Stand der Technik, z.B. aus der US 2009/0155173 bekannten Mikropartikeln abheben.

Das Partikel zeichnet sich durch Energiespeicherung und somit das Ermöglichen einer zeitlichen Verschiebung zwischen Anregung (Aufladen) und Detektion, die für untergrundfreie Detektion notwendig sind. Dazu können die zu untersuchende Probe mit partikulären

Markern, die durch eine Bestrahlung mit UV- oder blauem Licht, oder einem Röntgen-Impuls vor der Untersuchung aufgeladen wurden markiert werden. Eine nach Minuten oder sogar Stunden folgende Stimulation der Probe mit rotem oder infrarotem (IR) Licht wird eine Emission im sichtbaren oder nah-infrarotem Bereich, d.h. bei kürzeren Wellenlängen als die Wellenlängen des Anregungslichtes, hervorrufen. Dies ermöglicht Beobachtungen von Entwicklungs- und Transport- prozessen in biologischen Objekten über einen längeren Zeitraum. Ein spezifischer Bereich kann mit dem fokussierten UV- oder blauen Licht oder Elektronenstrahl bestrahlt werden, und die aufgeladenen Marker können detektiert werden. Die photostimulierbaren Leuchtstoffe haben hier überzeugende Vorteile: die gesamte gespeicherte Energie (oder, wenn nötig, nur ein Teil davon) kann, zum gewünschten späteren Zeitpunkt, mit einem Infrarotimpuls abgerufen werden.

Dadurch werden Anwendungen ermöglicht, bei denen die Detektion von markierten Objekten zeitlich versetzt zur optischen Anregung erfolgt, mit dem Ziel eine untergrundfreie bzw. Streulichtfreie Detektion zu ermöglichen . Trennung von Ladungsträgern und deren Lokalisation

(„trapping") sind für die Phosphoreszenz und photostimulierte Lumineszenz (PSL) notwendig. In Nanokris- tallen (NK) kann allerdings die gewünschte Stabilität von gefangenen Elektronen/Löchern zu einem Problem werden, wenn nämlich wegen der kleinen Abstände zwischen den Fallen die Rekombination durch ein „Tunneln" möglich wird. Einen Hinweis auf die Möglichkeit der Ladungstrennung und Trapping liefert das so genannte „blinking" von NKs : bei einer konstanten Anre- gung geht die Lumineszenz von einigen NK verloren, nach einiger Zeit entsteht sie wieder. Es ist bekannt, dass das Aufladen von NKs für die Unterbrechungen der Lumineszenz verantwortlich ist. Während optischer Anregung entstehen in NKs Elektron-Loch- Paare, deren Rekombination zur Lichtemission führt.

Es ist allerdings möglich, dass einer der beiden Ladungsträger den NK verlässt. Der andere Ladungsträger im Inneren des NKs verhindert die strahlende Rekombination der nächsten e-h Paare durch Auger-Relaxation. Messungen mit elektrostatischem Kraft-Mikroskop zeigten, dass in CdSe das Elektron das Partikel verlässt und das Loch zurück bleibt. Das Partikel ist wieder emissionsfähig sobald das Elektron zurückkehrt. Die „an" und „aus"- Zustände von NK können von einigen Mikrosekunden bis zu Minuten dauern. Die Natur der

Fallen ist unklar. Man vermutet die Lokalisation auf der Partikeloberfläche bzw. auf der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Schale, in den angekoppelten Liganden oder in der umgebenden Matrix. Die Erscheinung des Blinkings bestätigt also die Möglichkeit der Speicherung von Elektronen und Löchern auf den Nanoskala.

Die räumliche Trennung von Ladungsträgern kann durch die Verwendung von zweikomponentigen Halbleitersyste- men verbessert werden. Solche gekoppelten NKs oder

Kern/Schale-Teilchen wurden für verschiedene Zwecke einschließlich Solarzellen und Photokatalysatoren konzipiert. Die generierten Elektronen werden in dem Halbleiter akkumuliert, wo das Leitungsband tiefer liegt, die Löcher werden im Valenzband des anderen

Halbleiters gefangen. Beispiele für solche Systeme sind Ti02-CdS, ZnO-CdS und Sn02-CdSe, CdS-Agl, Cd3P2- Ti02, Cd3P2-ZnO, AgI-Ag2S, ZnO-ZnS und ZnSe(Kern)/ CdSe (Schale) . Dieses Designprinzip kann auch für die Verschiebung des Emissionsspektrums zu niedrigeren

Energien benutzt werden, bei welchen die ungewünschte Streuung der Lumineszenz in biologischen Proben reduziert wird. Insgesamt erscheint die getrennte Speicherung von

Elektronen/Löchern auch auf der Nanoskala machbar. Bei den anvisierten Nanomarkern wird es darum gehen, diese gespeicherten Ladungsträger thermisch oder optisch (PSL) zur strahlenden Rekombination zu bringen.

Die als ein Beispiel hier betrachteten Nanopartikel Zn ₂ Si0 ₄ :Mn ²⁺ besitzen offensichtlich intrinsische Fallen, welche Ladungsträger bei Raumtemperatur speichern können. Die Fallen können mit UV-Licht aufgela- den und mit rotem Licht wieder geleert werden. Dabei entsteht die grüne Emission von Mn ²⁺ . Das Auflade- spektrum zeigte ein Maximum um 260 nm, was entspricht einem elektronischen Übergang vom Grundzustand des Mn ²⁺ -Ions zum Leitungsband (Photoionisation) .

Insbesondere ist es dabei bevorzugt, wenn die Halbwertszeit ti 2 des spontanen Zerfalls des aufgeladenen Zustands mindestens 1 Sekunde, bevorzugt mindestens 1 Minute, besonders bevorzugt mindestens 30 Minuten, beträgt .

Bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass die Überführung in den elektronisch aufgeladenen Zustand mittels elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt durch elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 100 bis 800 nm, insbesondere UV- Strahlung, und/oder durch Röntgenstrahlung und/oder durch Elektronenstrahlen erfolgt.

Die zur Stimulierung der Emission verwendete Strahlung kann eine Wellenlänge zwischen 200 bis 2000 nm, bevorzugt zwischen 400 bis 1600 nm, aufweisen.

Die Wellenlänge der Emission liegt bevorzugt zwischen 200 bis 4000 nm, bevorzugt 400 bis 1600 nm.

Bevorzugte Partikelgrößen liegen dabei zwischen 2 bis 1000 nm. Weiter ist bevorzugt, wenn das Nanopartikel als Kern-Schalen-Nanopartikel vorliegt. Ebenso ist jedoch die Möglichkeit gegeben, dass das Nanopartikel als „Vollpartikel" ausgebildet ist.

Bevorzugt wird somit ein stimulierbares Nanopartikel bereitgestellt, das durch Licht einer Wellenlänge zwischen 100 und 800 nm und/oder mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen in einen elektronisch aufgeladenen Zustand überführbar ist, und durch einen Lichtimpuls mit einer Wellenlänge von Photonen zwischen 500 und 1600 nm zur Emission von Licht einer Wellenlänge zwi ^¬ schen 400 und 1300 nm angeregt werden kann. Erfindungsgemäß wird weiter ein stimulierbares Nano- partikel bereitgestellt,

a) das einen amorphen Kern aus Silica oder aus einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolframaten, Phos- phaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobromiden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder

Lanthanidmetalls,

b) eine auf dem amorphen Kern aufgebrachte

stimulierbare Schale, enthaltend mindestens eine

Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolframaten, Phosphaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobromiden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder

Lanthanidmetalls, die mit Übergangsmetall- oder Lanthanidmetall-Ionen mindestens einer zweiten, vom ersten Hauptgruppenmetall, Übergangsmetall oder Lanthanidmetall verschiedenen Sorte eines Übergangsmetalls oder Lanthanidmetalls dotiert sind, umfasst, wobei

der Durchmesser des Silicakerns zwischen 10 und

290 nm, bevorzugt zwischen 10 und 260 nm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 nm oder 75 und 260 nm beträgt.

Die oben erwähnte Verbindung kann dabei Hauptgruppen-, Übergangs- oder Lanthanidmetalle sämtlicher Gruppen des Periodensystems der Elemente beinhalten. Zu den Verbindungen eines ersten Hauptgruppenmetalls sind somit u.a. auch Ca- und Sr-Verbindungen zu zählen .

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die zweite, zur Dotierung verwendete Sorte Übergangsmetall- oder Lanthanidmetall-Ionen ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pb ²⁺ , Mn ²⁺ , Cu ⁺ , Dy ³⁺ , Sm ³⁺ , Eu ²⁺ , Eu ³⁺ , Tb ³⁺ , La ³⁺ , Ce ³⁺ , Pr ³⁺ , Nd ³⁺ , Gd ³⁺ , Ho ³⁺ , Er ³⁺ , Tm ³⁺ , Yb ³⁺ , Lu ³⁺ und/oder Kombinationen hieraus.

Bevorzugt ist ebenso, wenn die den Kern bildende Ver bindung und/oder in der Schale enthaltene oder die Schale bildende Verbindung unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus MgSi0 ₃ , Zn ₂ Si0 ₄ ,

ZnMgSi ₂ 0 ₆ , CaMgSi ₂ 0 ₆ , Sr ₂ MgSi0 ₇ , SrAl ₂ 0 ₄ , CaAl ₂ 0 ₄ , YV0 ₄ , GdV0 ₄ , NaGd(W0 ₄ ) ₂ , CaW0 ₄ , Y ₂ 0 ₃ , LaP0 ₄ , ZnS, CaS, BaFBr und/oder Kombinationen hieraus.

Insbesondere eignen sich die folgenden dotierten Materialien als Bestandteil des Kerns und/oder der Schale oder als Gesamtmaterial des Kerns und/oder der Schale :

Zn ₂ Si0 ₄ :Mn , YV0 ₄ : Dy ^J+ /Sm , NaGd (W0 ₄ ) ₂ : Eu ,

NaGd(W0 ₄ ) ₂ :Eu ³⁺ , CaW0 ₄ : Eu ³⁺ /Tb ³⁺ , YV0 ₄ :Eu ³⁺ , Y ₂ 0 ₃ :Eu ³⁺ ,

GdV0 ₄ :Eu ³⁺ , CaP0 ₄ : Ce ³⁺ /Tb ³⁺ , ZnS : Cu ¹⁺ /Pb ²⁺ , CaS : Eu ²⁺ /Sm ³⁺ , BaFBr :Eu ²⁺ , ZnMgSi ₂ 0 ₆ , CaMgSi ₂ 0 ₆ und MgSi0 ₃ , wobei die letzten drei genannten Silicate mit Mangan, Europium oder Dysprosiumionen dotiert sind sowie Sr ₂ MgSi ₂ 0 ₇ , das mit Europium- und/oder Dysprosiumionen dotiert ist, sowie das Silicat Ca ₀ , ₂ Zn ₀ , ₉ g ₀ , 9Si ₂ 0 ₆ , das mit Eu ²⁺ , Dy ³⁺ und/oder Mn ²⁺ dotiert ist.

Weitere Beispiele sind: CaS:Ln (mit Ln, Ce, Sm, Eu) , Silikate Zn ₂ Si0 ₄ dotiert mit Mn oder Lnl, Ln2 (mit Ln(l,2): Ce ³⁺ , Eu ³⁺ , Tb ³⁺ , Sm ³⁺ , als Alternative

Y ₂ Si0 ₅ : Eu ³⁺ , Ce ³⁺ Tb ³⁺

Aluminate ( Sr, Ca ) A1 ₂ 0 : Ln (mit Ln: Ce ³⁺ , Pr ³⁺ , Nd ³⁺ , Eu ²⁺ /Eu ³⁺ , Tb ³⁺ , Dy ³⁺ , Er ³⁺ )

ZnS :Cu,Pb und unterschiedliche Calciumphosphate.

Spezifische Beispiele lumineszierender Materialien, die für Kern und/oder Schale in Frage kommen, sind z.B.: (sehr hygroskopisch); CsJ:Tl; CsJ:Na; LiF:Mg;

LiF: g, Ti; LiF : Mg, Na ; KMgF ₃ :Mn; BaFCl:Eu; BaFCl:Sm; BaFBr : Eu; BaFCl ₀ , sBr ₀ , ₅ : Sm; BaY ₂ F ₈ :A (A = Pr, Tm, Er, Ce); BaSi ₂ 0 ₅ :Pb; BaMg ₂ Ali ₆ 0 ₂₇ : Eu; BaMgAli ₄ 0 ₂₃ : Eu;

BaMgAli ₀ Oi ₇ :Eu; BaMgAl ₂ 0 ₃ : Eu; Ba ₂ P ₂ 0 ₇ :Ti;

(Ba, Zn,Mg) ₃ Si ₂ 0 ₇ : Pb; Ce (Mg, Ba) Al _u 0i ₉ ;

Ceo,65Tb _0l 35MgAliiOi9:Ce,Tb; MgAludg : Ce, Tb; MgF ₂ :Mn;

MgS:Eu; MgS:Ce; MgS:Sm; MgS:(Sm,Ce); (Mg,Ca)S:Eu;

MgSi0 ₃ :Mn; 3,5MgO x 0,5MgF ₂ x Ge0 ₂ :Mn; MgW0 ₄ :Sm;

MgW0 ₄ :Pb; 6MgO x As ₂ 0 ₅ :Mn; ( Zn, Mg) F ₂ : Mn; ( Zn ₄ Be ) S0 ₄ : Mn ; Zn ₂ Si0 ₄ :Mn; Zn ₂ Si0 ₄ : Mn, As ; Zn ₃ (P0 ₄ ) ₂ :Mn; CdB0 ₄ :Mn;

CaF ₂ :Mn; CaF ₂ :Dy; CaS:A (A = Lanthanid, Bi) ;

(Ca,Sr)S:Bi; CaW0 ₄ :Pb; CaW0 ₄ : Sm; CaS0 ₄ :A (A = Mn, Lanthanid); 3Ca ₃ (P0 ₄ ) ₂ x Ca (F,Cl) ₂ :Sb,M _n ; CaSi0 ₃ : Mn, Pb; Ca ₂ Al ₂ Si ₂ 0 ₇ :Ce; (Ca, Mg) Si0 ₃ : Ce; (Ca, Mg) Si0 ₃ : Ti; 2SrO x 6(B ₂ 0 ₃ ) x SrF ₂ :Eu; 3Sr ₃ (P0 ₄ ) ₂ CaCl ₂ :Eu; A ₃ (P0 ₄ ) ₂

ACl ₂ :Eu (A = Sr, Ca, Ba) ; (Sr, Mg) ₂ P ₂ 0 ₇ : Eu;

(Sr,Mg) ₃ (P0 ₄ ) ₂ Sn; SrS:Ce; SrS:Sm,Ce; SrS:Sm; SrS:Eu; SrS:Eu,Sm; SrS:Cu,Ag; Sr ₂ P ₂ 0 ₇ :Sn; Sr ₂ P ₂ 0 ₇ :Eu;

Sr ₄ Al ₁₄ 0 ₂₅ :Eu; SrGa ₂ S ₄ :A (A = Lanthanid, Pb) ;

SrGa ₂ S ₄ :Pb; Sr ₃ Gd ₂ Si ₆ 0i ₈ : Pb, Mn; YF ₃ : Yb, Er; YF ₃ : Ln (Ln =

Lanthanid); YLiF ₄ :Ln (Ln = Lanthanid); Y ₃ Al50 ₁₂ :Ln (Ln = Lanthanid) ; YAI ₃ (B0 ₄ ) ₃ Nd, Yb; (Y, Ga) B0 ₃ : Eu;

(Y,Gd)B0 ₃ :Eu; Y ₂ Al ₃ Ga ₂ O _i2 : Tb; Y ₂ Si0 ₅ :Ln (Ln = Lanthanid); Y ₂ 0 ₂ S:Ln (Ln = Lanthanid); YV0 ₄ A (A = Lanthanid, In); Y(P,V)0 ₄ :Eu; YTa0 : Nb; YAI0 ₃ :A (A = Pr, Tm, Er,

Ce) ; YOCl:Yb,Er; LnP0 ₄ :Ce,Tb (Ln = Lanthanid oder Mi- schung von Lanthaniden) ; LuV0 ₄ :Eu; GdV0 ₄ :Eu;

Gd ₂ 0 ₂ S:Tb; Gd gB ₅ Oi ₀ : Ce, Tb; LaOBr:Tb; La ₂ 0 ₂ S:Tb;

LaF ₃ :Nd,Ce; BaYb ₂ F ₈ :Eu; NaYF : Yb, Er; NaGdF : Yb, Er ; NaLaF ₄ : Yb, Er; LaF ₃ : Yb, Er, Tm; BaYF ₅ :Yb,Er; GaN : A (A = Pr, Eu, Er, Tm) ; Bi Ge ₃ 0i ₂ ; LiNb0 ₃ : Nd, Yb; LiNb0 ₃ :Er; LiCaAlF ₆ :Ce; LiSrAlF ₆ :Ce; LiLuF : A (A = Pr, Tm, Er, Ce) ; Li ₂ B ₄ 0 ₇ :Mn; Y ₂ 0 ₂ Eu; Y ₂ Si0 ₅ :Eu; CaSi0 ₃ :Ln, worin Ln = 1, 2 oder mehr Lanthaniden.

M ^I X:xBi mit M ¹ = Rb und X = Cl, Br und/oder I

RbX: xTl mit X = Br und/oder Cl und/oder I

YOXrzA mit X = Cl und/oder Br, und A = Ce oder Tb

Bei Klassifizierung gemäß dem Wirts-Gittertyp sind die folgenden bevorzugten Ausgestaltungen ebenfalls mit umfasst:

1. Halogenide: z.B. XY ₂ (X = Mg, Ca, Sr, Ba; Y = F, Cl, J) ; CaF ₂ :Eu(II); BaF ₂ : Eu; BaMgF ₄ :Eu;

LiBaF ₃ Eu; SrF ₂ Eu; SrBaF ₂ Eu; CaBr ₂ Eu-Si0 ₂ ;

CaCJ ₂ :Eu; CaCJ ₂ : Eu-Si0 ₂ ; CaCJ ₂ : Eu, Mn-Si0 ₂ ;

CaJ ₂ :Eu; CaJ ₂ :Eu,Mn; KMgF ₃ : Eu; SrF ₂ :Eu(II);

BaF ₂ :Eu(II); YF ₃ ; NaYF ₄ ; MgF ₂ :Mn; MgF ₂ : Ln (Ln = Lanthanid (en) ) .

KBr: In ⁺

RbBr:Ga, CsBr:Ga, RbBr : Eu ²⁺ , CsBr:Eu ²⁺ ,

Cs ₂ NaYF ₆ :Ce ³⁺ , CsNaYF ₆ :Pr ³⁺

CaF ₂ :Eu ³⁺ (oder Eu ²⁺ ) , Sm ³⁺ ,

2. Erdalkalisulfate: z.B. XS0 ₄ (X = Mg, Ca, Sr,

Ba) ; SrS0 ₄ :Eu; SrS0 ₄ :Eu,Mn; BaS0 ₄ :Eu;

BaS0 ₄ :Eu,Mn; CaS0 ₄ ; CaS0 ₄ :Eu; CaS0 ₄ :Eu,Mn; sowie gemischte Erdalkalisulfate, auch in Kombination mit Magnesium, z.B. Ca, MgS0 ₄ : Eu, Mn . 3. Phosphate und Halophosphate: z.B. CaP0 ₄ :Ce,Mn; Ca ₅ (P0 ₄ ) ₃ Cl:Ce,Mn; Ca ₅ ( P0 ₄ ) ₃ F: Ce, Mn; SrP0 ₄ :Ce,Mn; Sr ₅ (P0 ₄ ) ₃ Cl:Ce,Mn; Sr ₅ ( P0 ₄ ) ₃ F: Ce, Mn; die letzteren auch codotiert mit Eu(II) oder codotiert mit

Eu, Mn; -Ca ₃ ( P0 ₄ ) ₂ : Eu; ß-Ca ₃ (P0 ₄ ) ₂ : Eu, Mn;

Ca ₅ (P0 ₄ ) ₃ C1 : Eu; Sr ₅ (P0 ₄ ) ₃ C1 : Eu; Ba ₁₀ ( P0 ₄ ) ₆ C1 : Eu;

Bai ₀ (PO ₄ ) ₆ Cl:Eu,Mn; Ca ₂ Ba ₃ (P0 ₄ ) ₃ C1 : Eu;

Ca ₅ (P0 ₄ ) ₃ F:Eu ²⁺ X ³⁺ ; Sr ₅ ( P0 ₄ ) ₃ F : Eu ²⁺ X ³⁺ (X = Nd, Er,

Ho, Tb); Ba ₅ (P0 ₄ ) ₃ C1 :Eu; ß-Ca ₃ ( P0 ₄ ) ₂ : Eu;

CaB ₂ P ₂ 0 ₉ :Eu; CaB ₂ P ₂ 0 ₉ :Eu; Ca ₂ P20 ₇ :Eu; Ca ₂ P ₂ 0 : Eu, Mn;

Srio (P0 ₄ ) ₆ Cl ₂ :Eu; ( Sr, Ca, Ba , Mg) _i0 (P0 ₄ ) ₆ C1 ₂ : Eu;

LaP0 ₄ :Ce; CeP0 ₄ ; LaP0 ₄ :Eu; LaP0 ₄ :Ce; LaP0 ₄ :Ce,Tb;

CeP0 ₄ :Tb;

Zn ₃ ( P0 ₄ ) ₂ : Mn ²⁺ ( Zn ₃ ( P0 ₄ ) ₂ : Mn ²⁺ , Al ³⁺ Zn ₃ ( P0 ₄ ) ₂ : Mn ⁺ , Ga ³⁺ Sr ₃ (P0 ₄ ) ₂ :Eu ²⁺ , Sr ₅ ( P0 ₄ ) ₃ : Eu ²⁺ , Sr ₂ P0 ₄ :Eu ²⁺

4. Borate: z.B. LaB0 ₃ ; LaB0 ₃ :Ce; ScB0 ₃ :Ce; YAIB0 ₃ :Ce;

YB0 ₃ :Ce; Ca ₂ B ₅ 0 ₉ Cl : Eu; xEuO x yNa ₂ 0 x zB ₂ 0 ₃ .

Sr ₂ B0 ₃ X:Eu ²⁺ mit X = Cl, Br und/oder I

Sr ₂ _ _x (B5O9) 5-y _/2 X _y : D _x mit X = Halogenide und D =

Eu ²⁺ , Ce ³⁺

5. Vanadate: z.B. YV0 ; YV0 ₄ :Eu; YV0 ₄ :Dy; YV0 ₄ : Sm;

YV0 ₄ :Bi; YV0 ₄ :Bi,Eu; YV0 ₄ :Bi,Dy; YV0 ₄ :Bi,Sm;

YV0 ₄ :Tm; YV0 ₄ Bi,Tm; GdV0 ₄ ; GdV0 ₄ :Eu; GdV0 ₄ :Dy;

GdV0 ₄ :Sm; GdV0 :Bi; GdV0 ₄ :Bi,Eu; GdV0 ₄ :Bi,Dy;

GdV0 ₄ :Bi,Sm; YV0 ₄ :Eu; YV0 ₄ : Sm; YV0 ₄ :Dy.

6. Aluminate: z.B. MgAl ₂ 0 ₄ :Eu; CaAl ₂ 0 ₄ :Eu; SrAl ₂ 0 ₄ Eu;

BaAl ₂ 0 ₄ :Eu; LaMgAluOig : Eu; BaMgAli ₀ Oi ₇ : Eu; BaM- gAlioOi ₇ : Eu, Mn; CaAli ₂ 0 ₁₉ : Eu; SrAli ₂ 0i ₉ : Eu;

SrMgAlioOi ₇ : Eu; Ba (A1 ₂ 0 ₃ ) ₆ : Eu; (Ba, Sr)MgAl ₁₀ Oi ₇ :Eu, n; CaAl ₂ 0 ₄ : Eu, Nd;

SrAl ₂ 0 ₄ Eu, Dy; Sr ₄ Ali ₄ 0 ₂₅ : Eu, Dy .

MA1 ₂ 0 ₄ (M=Ca, Sr, Mg, Ba) , insbesondere BaAl ₂ 0 ₄ ; Sr ₅ Al ₈ 0 ₇ (dotiert mit Eu und Dy) .

Alumosilikate CaSrAlSi0 ₇ und Ca ₂ Al ₂ Si0 ₇ (ebenfalls mit Eu, Dy-Dotierung) . 7. Silikate: z.B. BaSrMgSi ₂ 0 ₇ : Eu; Ba ₂ MgSi0 ₇ : Eu;

BaMg ₂ Si ₂ 0 ₇ : Eu; CaMgSi ₂ 0 ₆ : Eu ; SrBaSi0 ₄ :Eu; Sr ₂ Si ₃ 0 ₈ x SrCl ₂ :Eu; Ba ₅ Si0 ₄ Br ₆ : Eu; Ba ₅ Si0 ₄ Cl ₆ : Eu;

Ca ₂ MgSi ₂ 0 ₇ : Eu; CaAl ₂ Si ₂ 0 ₈ : Eu; Cai, ₅ Sr ₀ , sMgSi ₂ 0 ₇ : Eu; (Ca, Sr) ₂ MgSi ₂ 0 ₇ :Eu; Sr ₂ LiSi0 ₄ F: Eu; Sr ₃ Al ₂ 0 ₆ :Eu, Sr ₃ Al ₂ 0 ₆ :XY (X=Eu, Y=Dy) , Sr ₅ Al ₂ 0 ₈ :Eu, Y ₃ Al ₅ 0i ₂ :Ce,

Gd ₃ Al ₅ 0i ₂ : Ce, Lu ₃ Al ₅ 0i ₂ :Ce und (GdLu) ₃ Al ₅ 0i ₂ : Ce, Tb ₃ Al ₅ 0i ₂ :Ce, Tb ₃ Al ₅ 0i ₂ :XY (X=Ce, Y=Eu, Mn) ,

Mg ₂ Si0 ₄ :Mn ²⁺ , Dy ³⁺ und M ₃ MgSi ₂ 0 ₈ (M=Ca, Sr, Ba) . Mg ₂ Si0 ₄ :Mn ²⁺ , Dy ³⁺ ; M ₃ MgSi ₂ 0 ₈ (M=Ca, Sr, Ba) .

ZnMgSi ₂ 0 ₆ , CaMgSi ₂ 0 ₆ , MgSi0 ₃ (dotiert mit Eu, Mn, Dy) Sr ₂ MgSi ₂ 0 ₇ (dotiert mit Eu, Dy)

Sr ₂ M ^II Si ₂ 0 ₇ :Ce ³⁺

Sr ₅ Si0 ₄ X6: Eu ²⁺ mit X = Halogenide

Y ₂ Si0 ₅ :X mit X = Tb und /oder Ce

Y ₂ Si0 ₅ :Ce ³⁺ , Sm ³⁺

8. Wolframate und Molybdate: z.B. X ₃ W0 ₆ (X = Mg, Ca, Sr, Ba); X ₂ W0 ₄ (X = Li, Na, K, Rb, Cs); XMo0 ₄ (X =

Mg, Ca, Sr, Ba) und MgW0 ₄ , CaW0 ₄ , CdW0 ₄ , ZnW0 ₄ ; sowie Polymolybdate oder Polywolframate oder die Salze der entsprechenden Hetero- oder Isopolysäuren .

9. Germanate: z.B. Zn ₂ Ge0 ₄ . 10. Außerdem die folgenden Klassen: ALn0 ₂ :Yb,Er (A = Li, Na/ Ln = Gd, Y, Lu) ; LnA0 : Yb, Er (Ln = La, Y; A = P, V, As, Nb) ; Ca ₃ Al ₂ Ge ₃ 0i2 : E ; Gd ₂ 0 ₂ S : Yb, Er ;

La ₂ S:Yb,Er, Ba ₂ ZnS ₃ :Ce.

Sämtliche zuvor genannten Materialien eignen sich auch zur Herstellung von Nanopartikeln, die nicht im Kern-Schale-Typ vorliegen, d.h. nur eine Phase auf- weisen („Vollpartikel") .

Bei den erfindungsgemäßen Nanopartikeln ist weiter bevorzugt, dass die Dotierkonzentration des mindestens einen zweiten, vom ersten verschiedenen Über- gangsmetalls oder Lanthanidmetalls bezogen auf die

Stoffmenge des ersten Übergangs- oder Lanthanidmetalls zwischen 0,01 und 25 mol-%, bevorzugt zwischen 0,5 und 20 mol-%, weiter bevorzugt zwischen 1 und 10 mol-%, besonders bevorzugt zwischen 2 und 7,5 mol-% beträgt. Die angegebenen Konzentrationen der

Dotierung gelten auch insbesondere für die im letzten Absatz explizit genannten Materialien.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche der Schale mit funktionellen Gruppen funk- tionalisiert , wobei diese funktionellen Gruppen insbesondere ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Amino-, Carboxylat-, Carbonat-, Maleinid-, Imin-, Imid-, Amid-, Aldehyd-, Thiol-, Isocyanat-, Isothio- cyanat-, Acylazid-, Hydroxyl-, N-hydroxy-succinimid- ester-, Phosphat-, Phosphonsäure- , Sulfonsäure- , Sulfonsäurechlorid-, Epoxy-, C-C-Doppelbindung-halti- ge Gruppen, wie z.B. (Meth) -acrylsäure- oder (Meth)- acrylat- oder Norbornylgruppen . Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass die Partikeloberfläche mit einer Hülle aus Silica, Polymer, Aluminiumoxid oder Polyethylenglycol , Ti0 ₂ , ZnO, Zr0 ₂ umgeben ist, die Oberfläche des PLS- Partikels chemisch modifiziert ist.

Ebenso ist vorteilhaft, wenn die Oberfläche kovalent oder nicht-kovalent gebundene Verbindungsmoleküle und/oder reaktive Gruppen aufweist.

Zudem ist möglich, dass als Verbindungsmolekül ein oder mehrere kettenförmige Moleküle mit einer der Oberfläche der Nanopartikel entgegengesetzten Polarität oder Ladung nicht-kovalent mit der Oberfläche der Partikel verbunden sind, die kettenförmigen Moleküle anionische, kationische oder zwitterionische Deter- genzien, saure oder basische Proteine, Polyamide oder Polysulfon- oder Polycarbonsäuren sein können.

Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Oberfläche und/oder die mit der Oberfläche der Nanopartikel verbundenen Verbindungsmoleküle reaktive neutrale, geladene oder partial geladene Gruppen wie Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Thiole, Thioether, Disulfide, Imidazole, Guanidine, Hydroxylgruppen, Indole, vicinale Diole, Aldehyde, alpha-Haloacetylgruppen, N- Maleimide, Quecksilberorganyle, Arylhalogenide, Säureanhydride, Isocyanate, Isothiocyanate, Sulfonsäure- halogenide, Imidoester, Diazoacetate, Diazoniumsalze, 1 , 2-Diketone, alpha-beta-ungesättigte Carbonylverbin- dungen, Azolide, Silane, Phosphonsäuren, Phosphorsäureester oder Derivate der genannten Gruppen tragen, wobei diese reaktiven Gruppen eine chemische Bindung mit weiteren Verbindungsmolekülen oder Affinitätsmolekülen erlauben. Die erfindungsgemäßen Nanopartikel können ebenso mit einem oder mehreren Affinitätsmolekülen oder mehreren miteinander gekoppelten Affinitätsmolekülen ausge ^¬ stattet sein, wobei die Affinitätsmoleküle einerseits an die Partikeloberfläche anbinden und andererseits an eine biologische oder sonstige organische Substanz binden können.

Die Affinitätsmoleküle können z.B. monoklonale oder polyklonale Antikörper, Proteine, Peptide, Oligonu- kleotide, Plasmide, Nukleinsäuremoleküle, Oligo- oder Polysaccharide, Haptene wie Biotin oder Digoxin, oder ein niedermolekulares synthetisches oder natürliches Antigen sein.

Ebenso ist möglich, dass das Affinitätsmolekül durch reaktive Gruppen am Affinitätsmolekül und an der einfachen Nachweissonde kovalent oder nicht-kovalent an das Partikel gekoppelt ist.

Die reaktiven Gruppen auf der Oberfläche des Affinitätsmoleküls können ausgewählt sein aus Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Thiolen, Thioethern, Disulfiden, Imidazolen, Guanidinen, Hydroxylgruppen, Indolen, vicinalen Diolen, Aldehyden, alpha-Haloacetylgruppen, N-Maleimiden, Quecksilberorganylen, Arylhalogeniden, Säureanhydriden, Isocyanaten, Isothiocyanaten,

Sulfonsäurehalogeniden, Imidoestern, Diazoacetaten, Diazoniumsalzen, 1 , 2-Diketonen, alpha-beta-ungesät- tigten Carbonylverbindungen oder Azoliden.

Zwischen dem PSL-Partikel und dem Affinitätsmolekül kann eine kovalente oder nicht-kovalente, selbstorganisierte Verbindung bestehen. Erfindungsgemäß wird ebenso ein stimulierbares

Nanopartikelsystem bereitgestellt, das eine Mehrzahl der zuvor genannten Nanopartikel enthält. Die Poly- dispersität der Nanopartikel im erfindungsgemäßen Nanopartikelsystem liegt dabei bevorzugt zwischen 0,1 und 10 %, bevorzugt zwischen 1 und 3 %.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Nanopartikel- Systems angegeben, bei dem amorphe Kernpartikel aus

Silica oder aus einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silica, Silicaten, Vanadaten, Wolframaten, Phosphaten, Oxiden, Sulfiden, Sulfaten, Aluminaten und/oder Halogeniden, wie z.B. Fluorobrom- iden, eines ersten Hauptgruppen-, Übergangs- oder

Lanthanidmetalls, mit einem mittleren Durchmesser zwischen 10 und 290 nm durch Benetzen mit einer wäss- rigen Lösung, enthaltend

a) mindestens eine Sorte Ionen eines ersten

Übergangsmetalls oder Lanthanidmetalls,

b) mindestens eine Sorte Ionen eines zweiten, vom

ersten verschiedenen Übergangsmetalls oder

Lanthanidmetalls sowie

c) für den Fall, dass die Schale Vanadate,

olframate, Phosphate, Sulfide, Sulfate, Aluminate und/oder Halogenide enthalten soll Vanadat-, Wolf- ramat-, Phosphat-, Sulfid- und/oder Halogenid- Ionen, insbesondere Fluorid- und Bromidionen, beschichtet und die beschichteten Kernpartikel an- schließend getempert werden.

Um die oben angegebenen bevorzugten Konzentrationen der Dotierstoffe zu erhalten, werden die Mol-Verhältnisse der zweiten Sorte Übergangsmetall oder Lantha- nidmetall zur erste Sorte Übergangs- oder Lanthanid- metall bevorzugt entsprechend eingestellt. Die verwendete wässrige Lösung kann dabei weitere Zusatzstoffe, wie beispielsweise

a) eine organische Carbonsäure mit mindestens zwei Säurefunktionalitäten, bevorzugt Zitronensäure, und/oder

b) einen Alkohol mit mindestens zwei Alkoholfunktionalitäten, bevorzugt Polyethylenglykol und/oder Polypropylenglycol

enthalten.

Der Schritt des Temperns wird dabei bevorzugt bei Temperaturen zwischen 500 bis 1500 °C, bevorzugt 700 bis 1300 °C, besonders bevorzugt bei 800 bis 1200 °C durchgeführt, insbesondere bei 1000 °C bis 1100 °C.

Ebenso ist es bevorzugt, wenn nach der Benetzung und vor dem Sinterschritt eine Entfernung des Lösungsmittels, bevorzugt durch Lyophilisation der Partikel durchgeführt wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass nach dem Schritt des Temperierens eine chemische Modifikation der Oberfläche der PSL-Partikel und/oder Herstellung reaktiver Gruppen auf der Oberfläche der Partikel und/oder Verbindung eines oder mehrerer Verbindungsmoleküle mit der Oberfläche der PSL-Partikel durch kovalente oder nicht-kovalente Bindung durchgeführt wird.

Nach dem Schritt des Temperierens kann weiter eine Oberflächenmodifikation der Partikel mit einer Amino- silanverbindung und/oder mit einer Amino-, Carboxy- lat-, Carbonatgruppen, Maleinid-, Imin-, Imid-,

Amid-, Aldehyd-, Thiol-, Isocyanat-, Isothiocyanat- ,

Acylazid-, Hydroxyl-, N-hydroxy-succinimidester- , Phosphat-, Phosphonsäure-, Sulfonsäure- , Sulfonsäure- chlorid-, Epoxy-, c-c-Doppelbindung-haltige , wie z.B. (Meth) -acrylsäure- oder (Meth) -acrylat- oder Norbor- nylgruppen-haltigen Verbindung durchgeführt werden. Zum Beispiel kann hierzu TRIAMO (N- [ 3 [Trimethoxysi- lyl- ) -propyl ] diethylentriamin) verwendet werden.

Erfindungsgemäß werden ebenso Verwendungszwecke des zuvor beschriebenen Nanopartikelsystems angegeben. Insbesondere eignen sich die erfindungsgemäßen Nano- partikelsysteme als Diagnostikum und/oder als Marker, insbesondere zu biologischen oder medizinischen Anwendungszwecken; als optisch detektierbare Diffusionssonde; in Sicherheitssystemen; als Substrat für Sicherheitssysteme und/oder als Marker zur Erkennung von Originalen und/oder Plagiaten und/oder als Kontrastmittel für biomedizinische Anwendungen sowie Mittel für forensische Untersuchungen. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Nanopartikelsystems ist es bevorzugt, wenn das Nanopartikelsystem mit Licht einer Wellenlänge zwischen 100 und 800 nm, mit Röntgen- und/oder Elektronenstrahlen in einen elektronisch aufgeladenen Zustand gebracht wird, und mittels eines Lichtimpulses mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 1600 nm zur stimulierten Emission von Photonen mit einer Wellenlänge zwischen 500 und 1600 nm angeregt wird. Der zur Stimulierung der Emission verwendete Lichtimpuls weist dabei bevorzugt die folgenden Charakteristika auf:

a) eine Dauer zwischen 10 ns und 1 min, bevorzugt

zwischen 100 ns und 100 s, weiter bevorzugt zwi- sehen 250 ns und 10 ps, insbesondere zwischen

500 ns und 3 s aufweist und/oder b) eine Energiedichte zwischen 0,01 pJ/cm ² und 100 pj/cm ² , bevorzugt zwischen 0,1 pJ/cm ² und 20 pj/cm ² besonders bevorzugt zwischen 1 pj/cm ² und 10 pj/cm ² aufweist.

Es kann auch kontinuierliche Strahlung zur Stimulation verwendet werden. Dabei ist bevorzugt, dass die Leistungsdichte des Strahls ist zwischen 0,01 W/cm ² und 100 W/cm ² , besonders bevorzugt zwischen 1 W/cm ² und 10 W/cm ² .

Diese lumineszierenden Partikelsysteme eignen sich besonders gut als photostimulierbare Marker für die biologische und medizinische Diagnostik, als optisch detektierbare Diffusionssonden zur Herstellung von

Sicherheitssystemen und als Marker zur Erkennung von Plagiaten/Originalen.

Anhand der nachfolgenden Beispiele soll das Anwen- dungspotenzial von PLS-Partikeln illustriert werden.

Das Protein A möge über eine besondere biologische Funktionalität verfügen, beispielsweise die Fähigkeit, die Poren der Zellmembran zu öffnen. Es soll geklärt werden, ob es sich im Hinblick auf diese

Funktion von einem Protein B unterscheidet. Zu diesem Zweck wird eine Hälfte der einem Zellverband zuzusetzenden Nanopartikel mit dem Protein A, die andere Hälfte mit Protein B funktionalisiert werden. Die An- bindung von Proteinen an die Nanopartikel wird durch eine entsprechende Oberflächenmodifikation der Partikel - wie im Detail weiter unten stehend - vorgenommen. Die erste (mit A funktionalisierte ) Hälfte wird nun zusätzlich in der Weise „markiert", dass sie durch Aufladung PSL-fähig gemacht wird. Dann wird der

Zellverband für die erwartete Reaktionszeit allen Na- nopartikeln ausgesetzt. Wenn man anschließend durch Einstrahlung von IR-Licht die PSL auslöst, sieht man in der Lumineszenz der Nanopartikel nur die PSL- fähigen Partikel, also nur diejenigen, die mit Protein A funktionalisiert wurden, da nur diese aufgeladen wurden. Regt man aber die Photolumineszenz an, so sieht man beide Partikelsorten, also die B markierten. Unterschiedliche räumliche Verteilungen der Lumineszenz bei PSL- und Photolumineszenz- (PL)- Anregung (in Zellwand und Zellinnerem) zeigen daher auf die unterschiedliche biologische Wirksamkeit der beiden Proteine hin.

Ein weiteres Beispiel ist die Aufladung des an einem PSL-fähigen NP über eine entsprechende Funktionali- sierung fixierten Botenstoffs einer Synapse und die Beobachtung der nachfolgenden Ausschüttung und der zeitlichen und räumlichen Ausweitung.

Solche optische „Markierung" ermöglicht Diffusion- und Transportprozesse mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung in vivo und in vitro.

Besonders bevorzugte Beispiele der erfindungsgemäß als Schale einsetzbaren Materialien werden nachfolgend beschrieben, wobei aber auch andere als die hier explizit aufgeführten Materialien eingesetzt werden können .

ZnS:Cu ⁺ , Pb ²⁺

Zinksulfid dotiert mit Cu ⁺ und Pb ²⁺ ist ein phosphoreszierender Leuchtstoff [S. Shionoya, W. M. Yen.

Phosphor Handbook. [Hrsg.] GHKG. s.l. : CRC Press, 1999. TZU] , der auch PSL (photostimulierbare Lumineszenz) zeigt und als ein Speicherleuchtstoff für die Visualisierung von Infrarot (IR) -Lasern verwendet wird [www.phosphor-technology.com]. Dementsprechend kann ein mit UV- oder mit blauen Licht aufgeladener ZnS : Cu ⁺ , Pb ²⁺ -Marker nach einem ZeitIntervall durch einen IR-Impuls zum Leuchten im sichtbaren Bereich des Spektrums gebracht werden. Besonders gut sind die Lumineszenzmechanismen von ZnS:Cu ⁺ untersucht: Die grüne Lumineszenz mit einem breiten Band bei A _max .= 520 nm ist eine Donor-Akzeptor-Emission, wobei sowohl durch die Herstellung eingefügte Cl ^~ als auch Al ³⁺ - Ionen als Donatoren dienen können.

Unterschiedliche Gitterdefekte in ZnS können Elektro nen und Löcher lokalisieren und damit zur Phosphores zenz beitragen. Die Dauer des Nachleuchtens kann deutlich vergrößert werden durch die Erzeugung von tiefen Haftstellen mit Co-Ionen.

Die PSL in ZnS:Cu ⁺ ,Pb ²⁺ kommt zustande durch die Befreiung von Elektronen aus der Fallen [D. E. Mason. Rev. Modern Phys . 1965, Bd. 37, S. 743; R. Scheps, F Hanson. J. Appl . Phys. 1985, Bd. 57, S. 610]. Die Fallen sind bei Raumtemperatur stabil, dadurch kann die IR-stimulierte Lumineszenz sogar nach einigen Stunden beobachtet werden [ . Sidran. Appl. Optics. 1969, Bd. 8, S. 79; E. Bulur, H. Y. Göksü. phys.

stat. sol. A. 1997, Bd. 161, S. R9] .

ZnS:Eu,Mn

Auch die durch UV-Licht angeregte Lumineszenz von na- nokristallinem ZnS:Eu,Mn ist empfindlich gegen IR Licht [Chen, W. US Patent 7126136 24. Oct . 2006]. Dieser Effekt ist mit einer Ladungsübertragung Eu ³⁺ + n ²⁺ <-> Eu ²⁺ + Mn ³⁺ zwischen den beiden Dotantionen verbunden und belegt, dass auch Eu und Mn als Fallen für Ladungsträger wirken.

CaS : Eu, Sm

Eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Anforderungsprofil zeigt das Materialsystem CaS:Eu,Sm, ein effektiver IR-Konverter mit schneller Reaktionszeit [Y. Tamura, A. Shibukawa. Jap. J. Appl. Phys . 1993, Bd. 32, 7, S. 3187-3196]. Das Emissionsmaximum liegt im roten Spektralbereich, das Stimulationsspektrum erstreckt sich von 900 bis 1500 nm. CaS ist allerdings in geringem Maß wasserlöslich, dieser Nachteil kann aber durch eine Ummantelung der CaS-Mikropartikel mit Si0 ₂ , Ti0 ₂ [C. Guo, B. Chu, M. Wu, Q. Su. J. Lumin.

2003, Bd. 105, 2-4, S. 121-126], oder CaF ₂ [C.-F.

Guo, B.-L. Chu, J. Xu, Q. Su. Cehm. Res. Chinese U.

2004, Bd. 20, 3, S. 253-257] werden. Der PSL Mechanismus ist in diesem Materialsystem gut aufgeklärt und soll exemplarisch etwas ausführlicher hier widergegeben werden:

Die gängigen Modelle der Ladung, Speicherung von Energie und Ladungsträgern und der stimulierten Emis- sion gehen im Wesentlichen zurück auf ein Ende der

50er Jahre entwickeltes Modell der stimulierten Emission in SrS:Eu,Sm [S.P. Keller, G.D. Pettit. Phys. Rev. 1958, Bd. 111, 6, S. 1533-1539; S.P. Keller.

Phys. rev. 1959, Bd. 113, 6, S. 1415; S. P. Keller, J.E. Mapes, and G. Cheroff. Phys. Rev. 1957, Bd. 108,

3, S. 663-676]. Es wurde von den neueren Autoren modifiziert [Y. Tamura, A. Shibukawa. Jap. J. Appl.

Phys. 1993, Bd. 32, 7, S. 3187-3196; Y. Tamura. Jap. J. Appl. Phys. 1994, Bd. 33, S. 4640-4646; J. Wu, D. Newman, I.V. F. Viney. Appl. Phys. B. 2004, Bd. 79, S.

239-243; J. Wu, D. Newman, and I.V. F. Viney. J. Lu- min. 2002, Bd. 99, 3, S. 237-245; M. Danilkin, et al. Radiation Measurements . 1995, Bd. 24, 4, S. 351-354; M. Weidner, A. Osvet, G. Schierning, M. Batentschuk, A. Winnacker. Journal of Applied Physics. 2006. Bd. 100, 7, S. 073701]. Durch Bestrahlung mit hochenergetischem Licht (blau, UV) kann ein Teil der Eu ²⁺ -Ionen zu Eu ³⁺ ionisiert werden. Diese Eu-Ionen in dreiwertigem Valenzzustand werden als Lochfallen bezeichnet. Die ins Leitungsband angeregten Elektronen werden an Sm ³⁺ -Ionen angebunden (Sm ³⁺ -Ionen werden zu Sm ²⁺ reduziert) . Die so entstandenen Elektronenfallen bzw.

Lochfallen (Eu ³⁺ ) sind bei Raumtemperatur stabil, die Ladungsträger bleiben zum Teil mehrere Stunden in den Fallen gespeichert.

Wird das aufgeladene CaS:Eu,Sm mit niedrig energetischem IR-Licht im Bereich von 900-1500 nm stimuliert, so zeigt sich die rote Lumineszenz von Eu ²⁺ . Durch stimulierendes Licht können die am Sm ²⁺ gespeicherten Elektronen zurück ins Leitungsband angeregt werden und mit einem am Eu ³⁺ gespeicherten Loch rekombinieren. Dadurch werden die Eu ³⁺ -Ionen wieder in den zweiwertigen Valenzzustand zurückgeführt. Das resultierende Eu ²⁺ befindet sich im angeregten Zustand und geht unter Emission der charakteristischen Lumineszenz in den Grundzustand über.

Zn ₂ SiQ ₄ :Mn ²⁺ und ZnMgSi ₂ Q ₆ : Mn ²⁺ , Eu ²⁺ , Dy ³⁺ In Optoelektronik verwendet man zahlreiche Leuchtstoffe auf Silikat-Basis, einschließlich einen der ältesten Leuchtstoffe, Zn ₂ Si0 ₄ dotiert mit n ²⁺ , der sowohl Phosphoreszenz- als auch PSL- Eigenschaften aufweist. Der übliche Herstellungsweg ist die Fest- körpersynthese [S. Shionoya, W. M. Yen. Phosphor

Handbook. [Hrsg.] GHKG . s.l. : CRC Press, 1999. TZU ] . Die grüne Lumineszenz (A _max .= 520 nm) des Mangans in a-Zn ₂ Si0 ₄ ( illemite) und die rot-orange (A _max .= 600 nm) in ß-Zn ₂ Si0 ₄ erfolgt durch die intraionische d-d- Übergänge in Mn ²⁺ . In Zn ₂ Si0 ₄ :Mn wurden mindestens zwei Arten der Fallen gefunden aus denen die Elektronen durch das Tunneln zum Mn-Ion zurückkehren können, was wiederum zur Phosphoreszenz führt [P. Thioulouse, I. F. Chang, E. A. Giess. J. Electrochem. Soc. 1983, Bd. 130, S. 2065]. Auch eine Bestrahlung mit einem He-Ne Laser (633 nm) führt zur Befreiung der gespeicherten Elektronen aus den Fallen und darauf folgender PSL im Bereich der Emission von Mn ⁺ -Ionen . Der PSL-Effekt wurde ebenfalls in Ga-dotierten Zinksilikaten beobachtet [H. Hess, phys . Status solidi (a) . 1984, Bd. 85, S. 543] .

Über MgSi0 ₃ und ZnMgSi ₂ 0 ₆ , beide dotiert mit

Mn ²⁺ , Eu ²⁺ , Dy ³⁺ , wurde in [X-J. Wang, D. Jia, W.M. Yen.

J. Lumin. 2003, Bd. 102-103, S. 34-37] bzw. in [D. Scherman, M. Bessodes, C. Chaneac, D.L. Gourier, J-P.

Jolivet, Q. le Masne, S. Maitrejean, F. Pelle. Patentanmeldung WO 2007/048856 AI, published 03.05.2007. Q. le Masne, C. Chaneac, J. Seguin, F. Pelle, S.

Maitrejean, J-P. Jolivet, D. Gourier, M. Bessodes. PNAS 2007, Bd. 104, S. 9266] berichtet. Diese Leuchtstoffe emittieren im rotem Bereich (A _max .= 650 nm) und zeigen eine langlebige (mehrere Stunden) Phosphoreszenz. Eine Verschiebung des Emissionsspektrums ins nah-infrarot kann mit einer Teilersetzung von Zn und Mg durch Ca erreicht werden [D. Scherman, M.

Bessodes, C. Chaneac, D.L. Gourier, J-P. Jolivet, Q. le Masne, S. Maitrejean, F. Pelle. Patentanmeldung WO 2007048856 AI, published 03.05.2007. Q. le Masne, C. Chaneac, J. Seguin, F. Pelle, S. Maitrejean, J-P.

Jolivet, D. Gourier, M. Bessodes. PNAS 2007, Bd. 104,

S. 9266] . SrAl ₂ 0 ₄ :Er ⁺ , Dy ^J und Sr ₃ Al ₂ Q ₆ :Eu , Dy ^J

Erdalkali-Aluminate besitzen, hergestellt als dotier- te Pulver, Keramiken oder Einkristalle, die für die

Ziele des Vorhabens notwendigen Eigenschaften. Der am meisten verwendete Leuchtstoff dieser Gruppe ist SrAl ₂ 0 ₄ : Eu ²⁺ , Dy ³⁺ , welcher sich aufgrund seiner hervorragenden und lang anhaltenden Phosphoreszenz mitt- lerweile klar gegenüber dem früher verwendeten

ZnS:Cu,Co durchgesetzt hat. Als Material, welches effektive, grüne Lumineszenz (A _max =520 nm) zeigt, ist SrAl ₂ 0 ₄ :Eu ²⁺ seit 1966 bekannt [H. Lange. US Patent 3,294,699] und wurde von Blasse und Bril systematisch untersucht [G. Blasse, A. Bril. Philips Res. Rep.

1968, Bd. 23, S. 201] . Die Phosphoreszenz von

SrAl ₂ 0 ₄ :Eu ²⁺ entsteht nach einer längeren Bestrahlung mit UV-Licht [V. Abbruscato. J. Electrochem. Soc.

1971, Bd. 118, 6, S. 930]. In [T. Matsuzawa, Y. Aoki, N. Takeuchi, Y. Murayama. J. Electrochem. Soc. 1996,

Bd. 143, 8, S. 2670] ist gezeigt worden, dass die Phosphoreszenz von SrAl ₂ 0 ₄ :Eu ²⁺ durch eine Co-Dotie- rung mit dreiwertigen Seltenerd-Ionen (SE) wesentlich verbessert werden kann. In [H. Aizawa, T. Katsumata, J. Takahashi, K. Matsunaga, S. Komuro, T. Morikawa.

Rev. Sei. Inst. 2003, Bd. 74, 3, S. 1344] wurde festgestellt, dass die maximale Speichereffizienz von SrAl ₂ 0 ₄ :Eu durch die Dotierung mit Dy ³⁺ erreicht wird. Ein Modell für die Phosphoreszenz von CaAl ₂ 0 ₄ : Eu ²⁺ , SE ³⁺ , wird in [T. Aitasalo, P. Deren, J. Hölsä, H.

Jungner, J.-C. Krupa, M. Lastusaari, J.

Legendziewicz, J. Niittykoski, W. Strek. J. Sol. St. Chem. 2003, Bd. 171, S. 114-122] vorgestellt, bei dem als Fallen für Elektronen und Löcher Sauerstoff- bzw. Calciumleerstellen vorgeschlagen werden. Die gefangenen Ladungsträger lassen sich auch mit Licht in Sr (Ca) A1 ₂ 0 ₄ :Eu, Dy stimulieren (PSL) [W. Jia, H. Yuan, S. Holmstrom, H. Liu, W.M. Yen. J. Lumin. 1999, Bd. 83/84, S. 465], [T. Aitasalo, J. Hölsä, H. Jungner, M. Lastusaari, J. Niittykoski. J. Lumin. 2001, Bd. 94/95, S. 59]. Eine effektive Emission unter direkter Anregung und Phosphoreszenz im roten Spektralbereich

(breites Spektrum mit Ä _max =612 nm) wurde in mikrokristallinem (d ₅ o * 1 ym) [Ping Zhang, Mingxia Xu,

Zhentai Theng, Lan Liu, Lingxia Li. J. Sol-Gel Sei. Techn. 2007, Bd. 43, S. 59-64] und nanokristallinem

(d ₅₀ *= 80-100 nm) [Ping Zhang, Mingxia Xu, Zhentai Theng, Bo Sun, Yanhui Zhang. Mat . Sei. and Enginee ^¬ ring B 2007, Bd. 136, S. 159-164] Sr ₃ Al ₂ 0 ₆ : Eu ²⁺ , Dy ³⁺ Pulver detektiert. Über die PSL dieser Zusammensetzung wurde in der Literatur nicht berichtet.

Beispiel der Herstellung eines Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 :Mn ²⁺ Kern- Schale-Nanopartikelsystems . Die Synthese von lumineszenten Kern-Schale-Nanopar- tikeln wurde in einem zweistufigen Verfahren ausgeführt: Beschichten der Silica-Kerne und Sintern der beschichteten Nanopartikel . Dazu wurden quasi monodisperse Silica-Kerne verschiedener Partikelgrößen (D = 75, 110, 140, 260 nm) gemäß eines modifizierten

Verfahrens nach Stoeber et al. (W. Stoeber, A. Fink, E. Bohn, J. Colloid Interface Sei. 1968, 26, 62; C. Gellermann, W. Storch, H. Wolter, J. Sol-Gel Sei.

Technol. 1997, 8, 173) durch Hydrolyse von TEOS

(Si(OEt) ₄ in Alkohol in der Gegenwart von Wasser und

Ammoniak hergestellt. Die Partikelgröße der Silica- kolloide wurde durch Konzentration der Reaktanden und der Temperatur währen des Partikelwachstums eingestellt. Die Isolation der erhaltenen Silicapartikel wurde durch Abdestillation des Solvens und durch dreimaliges Waschen der Partikel mit Ethanol erzielt. Die erhaltenen Silica-Kerne zeigten eine sphärische Morphologie und eine enge Größenverteilung (Poly- dispersität zwischen 1 bis 3 %) . Im ersten Schritt wurden die Kerne mit Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ²⁺ -Vorläufern unter Verwendung eines modifizierten Pechini-Sol-Gel-

Prozesses (siehe z.B. US 3,330,697) bei Raumtemperatur beschichtet. Die Dotierkonzentration von Mn ²⁺ wurde zwischen 1 mol-% und 20 mol-%, bezogen auf Zn ²⁺ in Zn ₂ Si0 ₄ variiert. Die Menge des Ausgangsmaterials wurde so berechnet, um eine Schalendicke von 5 nm zu erhalten. Die Ausgangsmaterialien für die Schale wurden in einer asser-Ethanol-Lösung in Gegenwart von Salpetersäure, Zitronensäure als Chelatmittel und Polyethylenglycol (PEG) als guervernetzendes Agens gelöst. Die Netzwerkbildung nach Chelatisierung von

Zn ²⁺ - und Mn ²⁺ -Ionen führte zu einer Stabilisierung der Metallionen und zu einer homogenen Verteilung im Schalenmaterial auf der Oberfläche des Silica-Kerns . Die verwendeten Silica-Kerne gewährleisteten eine sphärische Form der resultierenden Kern-Schale-

Nanopartikel und dienten gleichzeitig als Silicat- quelle für die resultierende Zn ₂ Si0 ₄ -Schale . Im abschließenden Schritt wurden die Nanopartikel auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 1100 °C erhitzt und dort für eine kurze Zeit zur Kristallisation gehalten. Wegen ihrer spezifischen Oberfläche und starken Interaktion zwischen den Nanopartikeln tendieren diese während der abschließenden thermischen Behandlung zu koagulieren und Aggregate auszubilden. Um die Partikelagglomeration während dem Ausheizen zu reduzieren, wurde eine Vorbehandlung der beschichteten Nanopartikel durch Schockgefrieren und darauf folgende Lyophilisierung durchgeführt. Die Lyophilisierung beinhaltet die Sublimation von Wasser unter Vakuum- Bedingungen aus der gefrorenen Probe. Diese Vorbehandlung führt zu einer lockeren Lagerung der Nano- Partikel nebeneinander und verhindert das Verschmelzen der Partikel während der Temperaturbehandlung. Dispersionstests wurden ausgeführt, um die Menge der isolierten Partikel sowie der Fraktion der nicht- redispergierbaren Aggregate zu bestimmen. Trotz der Sprüh-Trocknung der Partikelproben wurde eine Fraktion an nicht-redispergierbaren Aggregaten erhalten, die durch selektierende Sedimentation aussortiert wurden. Tabelle 1 zeigt den Grad der Aggregation, korreliert mit der Partikelgröße. Die Menge der nicht-redispergierbaren Aggregate steigt mit Abnahme der primären Partikelgröße.

(a) Probenbezeichnung setzt sich zusammen aus dem Durchmesser des Silica-Kerns (bestimmt mittels Dynamischer Lichtstreuung (DLS) ) und der Schale, die bei der Synthese angestrebt wurde (b) Bestimmt mittels DLS

Zur Vermeidung der Aggregation ist die Sintertemperatur ebenso von großer Bedeutung. Beobachtungen bei Nanopartikeln derselben Größe zeigen, dass sich die Menge der nicht-redispergierbaren Aggregate mit steigender Temperatur erhöht. Im Falle eines Nanoparti- kels mit einem Kerndurchmesser von 75 nm wurde eine Steigerung der Aggregat-Fraktion von bis zu 90 Gew.-% bei Temperaturen von über 1100 °C beobachtet. Diese Resultate demonstrieren die Wichtigkeit der Wahl der Syntheseparameter in Übereinstimmung mit der Partikelgröße und der Bedeutung der weiteren Optimierung des Herstellungsprozesses zur Herstellung von aggregatfreien Nanopartikeln . Figur 1 zeigt eine TE -Aufnähme von Si0 ₂ -Kernen (d =

140 nm, Fig. la) und Kern-Schale-Nanopartikel, die bei 900 °C gesintert wurden (Fig. lb:

Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ :Mn ²⁺ Kern-Schale-Partikel mit einer Mn ²⁺ - Dotierungskonzentration von 5 mol-%). Nach Beschich- tung der Silica-Kerne mit einer Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ₂ -Schicht behalten die resultierenden Kern-Schale-Nanopartikel nach wie vor ihre sphärische Form bei. Es konnte jedoch keine Zunahme des Durchmessers der Nanopartikel bei Kern-Schale-Nanopartikel verglichen mit reinen Silica-Kernen festgestellt werden. Dies ist auf die

Schrumpfung des Silica-Kerns beim Sintern bei hohen Temperaturen zurückzuführen. Wegen der unterschiedlichen Elektronendurchlässigkeit des Kerns und des Materials der Schale kann die Kern-Schale-Struktur des Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ²⁺ -Nanopartikels klar erkannt werden

(siehe Figur lb) .

Die umhüllende Zn ₂ Si0-Schicht ist durchgehend, jedoch nicht von konstanter Dicke. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, dass der Si0 ₂ -Kern nicht nur als Matrix für die morphologischen Eigenschaften, wie z.B. die sphärische Form, sondern auch als Quelle für die Bildung des Silicats während des Wachstums der ZnSi0 : Mn ²⁺ -Schicht verantwortlich ist. Offensichtlich bildet sich die ZnSi0 ₄ : Mn ²⁺ -Schale nicht einheitlich auf der Oberfläche der Silica-Kerne aus. Strukturelle Eigenschaften von Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ²⁺ -Kern- Schale-Nanopartikel

Die Sintertemperatur spielt eine wichtige Rolle, nicht nur bei der Bildung von Aggregaten während der

Partikel-Herstellung, sondern auch hinsichtlich der strukturellen Eigenschaften des Mn ²⁺ -dotierten Zink- Orthosilicats ( . Takesue, K. Shimoyama, S. Murakami, Y. Hakuta, H. Hayashi, R.L. Smith Jr . , J. Supercrit. Fluids, 2007, 43, 214). Um die Auswirkungen der Temperatur auf die Bildung der kristallinen Phase der Nanopartikel-Schale zu untersuchen, wurden Proben bei verschiedenen Temperaturen zwischen 800 und 1100 °C gesintert und mittels XRD analysiert. Figur 2 zeigt die Änderung der kristallinen Phase, die als Funktion der Sinter-Temperatur erhalten wurde. Fig. 2 zeigt XRD-Beugungsmuster der Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ²⁺ Kern-Schale- Nanopartikel , die bei verschiedenen Temperaturen getempert wurden (d = 75 nm, Dotierkonzentration von Mn ²⁺ : 5 mol-%) . Die unterste Linie deutet die Linienpositionen des a-Zn ₂ Si0 ₄ -Gitters [PDF 37-1485; Kreise] und des ZnO-Gitters [PDF 36-1451; Sternchen] an.

Alle Proben zeigen die Bildung einer kristallinen La- ge um den amorphen Silica-Kern. Die XRD-Analyse zeigt jedoch, dass bei 800 °C vorwiegend eine ZnO-Phase gebildet wird. Im Falle von Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ : n ⁺ -Nanopar- tikelproben, die bei 900 °C gesintert wurden, wurde die Bildung von zwei Phasen detektiert: ZnO und α- Zn ₂ Si0 ₄ . Die Intensitäten der Reflexe von Willemit nehmen mit steigender Feuerungstemperatur zu und eine prädominante oi-Zn ₂ Si0 ₄ -Phase wird bei Proben, die bei 1100 °C temperaturbehandelt werden, beobachtet. Darüberhinaus konnte kein Einfluss der Mn ²⁺ -Konzentration auf die Bildung der kristallinen Schalenstruktur beobachtet werden. Einerseits zeigen diese Resultate die Wichtigkeit der Temperaturbehandlung zur Schalenbil ^¬ dung, die lediglich aus einer reinen Zink-Silicat- Phase besteht. Andererseits kann anhand dieser Ergebnisse der Phasenbildungsprozess während des Wachstums der Schale verstanden werden. Die Mechanismen der Phasenformation der kristallinen Schale können wie in Figur 3 dargestellt zusammengefasst werden. Gemäß der in Figur 3 vorgeschlagenen Bildung der Kern-Schalestrukturierten Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ²⁺ -Nanopartikel werden in einem ersten Schritt Zn ²⁺ und Mn ²⁺ , die durch

Chelatisierung und Polymerisation stabilisiert sind, homogen in der Ausgangslösung verteilt und auf die kolloidalen Silica-Partikel unter Ausbildung einer Gelschicht adsorbiert (1). Erhitzen der beschichteten Partikel bei 800 °C bedingt die Bildung einer Mn ⁺ - dotierten ZnO-Schale (2) . Die Zn ₂ Si0 ₄ -Phase beginnt sich bei Temperieren bei 900 °C zu bilden (3) . Eine weitere Erhöhung der Temperatur auf 1100 °C induziert die Bildung von reinem Mn ²⁺ -dotierten a-Zn ₂ Si0 ₄

(Willemit) (4) .

Beim ersten Schritt des Pechini-Prozesses werden die Ausgangsmaterialien in der Reaktionslösung gelöst. Zn ²⁺ und Mn ²⁺ -Ionen werden durch Zitronensäure (Che- latbildung) stabilisiert und durch Reaktionen der übrigbleibenden Carbonsäuregruppen mit PEG (Polyver- esterung) polymerisiert . Dies sichert eine homogene Verteilung der Metallkationen im polymeren Netzwerk und der sich anschließenden Adsorption von Metallionen auf die Silica-Kern-Oberfläche (siehe Schritt (1) in Figur 3) . Während der Temperaturbehandlung zerfallen die organischen Komponenten; die Reaktion findet auf der Grenzfläche zwischen Si0 ₂ und Zn ²⁺ und Mn ²⁺ statt. Eine Temperatur von ungefähr 800 °C wird zur Bildung einer Zinkoxidphase benötigt (siehe Schritt (2) in Figur 3) . Eine weitere Erhöhung der Temperatur führt zur Transformation von ZnO in die Zn ₂ Si0 ₄ -Phase (siehe Schritt (3) in Figur 3) . Bei Temperaturen zwi ^¬ schen 900 und 1000 °C coexistieren ZnO und Zn ₂ Si0 ₄ in einem gemischten kristallinen System. Die Umformung der ZnO-Phase in Zinksilicat schreitet durch weitere

Diffusion von ZnO in die Silicamatrix weiter fort (C. Xu, J. Chun, K. Roh, D.E. Kim, Nanotechnology 2005, 16, 2808) . Die Reaktion entlang der Grenzfläche zwischen ZnO-Keimkristallen und der Silicaoberflache kann durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben werden :

2ZnO + Si0 ₂ -> Zn ₂ Si0 ₄ (1)

Die XRD-Resultate beweisen, dass das Arrangement der Zinksilicatphase durch Umformung der ZnO-Phase, die zu Beginn des Sinterungsprozesses gebildet wurde (Figur 2) fortschreitet. Die Bildung der reinen Zn ₂ Si0 ₄ - Schale findet bei Temperaturen von 1100 °C statt (siehe Schritt (4) in Figur 3) .

Optische Eigenschaften von SiQ ₂ @Zn ₂ SiQ ₄ : Mn ₂ -Kern- Schale-Nanopartikeln

Die UV-angeregten Photolumineszenz-Spektren der Partikel werden von einer starken grünen Emissionsbande mit einem Maximum um 525 nm dominiert (Figur 4) . Figur 4 zeigt die Photolumineszenzspektren von

Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ :Mn ²⁺ -Nanopartikeln, die bei 1100 °C (1), 1000 °C (2) und 900 °C (3) getempert wurden. Die Messungen erfolgten bei 300 K bei einer Anregung bei 260 nm. Die Dotierkonzentrationen betragen 5 mol-% (1, 2) und 1 mol-% (3) . Dies entspricht der Ti ( ⁴ G) -^-Emission der Mn ²⁺ -Ionen in a-Zn ₂ Si0 ₄ , die substitutiv in den tetragonalen Zn- Stellen lokalisiert sind, was die Bildung der a- Willemit-Struktur bestätigt (A.L.N. Stevels, A.T. Vink, J. Lumin. 1974, 8, 443) . Eine leichte Verschiebung der maximalen Wellenlänge mit zunehmender Mn ²⁺ - Konzentration hängt mit der relativen Population der beiden nicht-äquivalenten Zn-Stellen zusammen. Der Abfall der Lumineszenz bei schwach dotierten Proben ist exponentiell, bei einer Lebenszeit von ungefähr 20 ms, was typisch für verbotene d-d-Übergänge ist. Figur 5 zeigt den Photolumineszenz-Zerfall der

Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ :Mn ²⁺ -Nanopartikel, die mit 1 mol-% (1), 5 mol-% (2) und 20 mol-% (3) n ²⁺ -dotiert sind, bei gepulster Anregung bei 260 nm, bei Raumtemperatur. Das Emissionsmaximum wurde bei 525 nm detektiert. Wie in Figur 5 gezeigt, weisen die mit 1 mol-% dotierten

Proben immer noch einen exponentiellen Abfall auf. Ein leichter nicht-exponentieller Zerfall der 5 mol-% Probe beweist ein Konzentrations-Quenching gemäß Inoue et al. (Y. Inoue, T. Toyoda, J. orimoto, J. Mater. Sei. 2008, 43, 378) und Sohn et al. (K.-S.

Sohn, B. Cho, H.D. Park, Mater. Lett . 1999, 41, 303) beginnt das Quenchen bei 6 bis 7 mol-%; es ist möglich, dass die inhomogene Verteilung von Mn ²⁺ -Ionen in den Proben auch zu Quenchen bei geringeren Kon- zentrationen führt. Ein stärkerer Quencheffekt wird bei Proben, die mit nominal 20 mol-% dotiert sind, beobachtet .

Die Photolumineszenzspektren wie auch die Zerfalls- kurven werden bei 260 nm Anregung gemessen, was zu einem Transfer der Elektronen von Mn ²⁺ Grundzustand ins Leitungsband von Zn ₂ Si0 ₄ und einer nachfolgenden Rekombination führt. Es ist ebenso möglich, die Lumineszenz in Band zwischen 340 nm und 399 nm anzuregen, was den Übergang vom ⁶ Ai(S) Grundzustand der Mn ²⁺ - Ionen zum ⁴ E( ⁴ D) und ⁴ T ₂ ( D) angeregten Zuständen entspricht .

Oberflächenmodifizierung der SiQ ₂ @Zn ₂ SiQ ₄ : Mn ²⁺ -Kern- Schale-Nanopartikel

Hinsichtlich der Verwendung von Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ²⁺ - Kern-Schale-Nanopartikel als lumineszenter Marker in biologischen und medizinischen Diagnosesystemen wurde eine weitere Oberflächenmodifizierung von mit Zink- silicat beschichteten Nanopartikeln mit Amino- und Carboxylfunktionalitäten für ein weiteres Anbringen von Biomolekülen gezeigt. Oberflächenanalogien von Zn ₂ Si0 ₄ und Si0 ₂ demonstrieren die Möglichkeit, die Funktionalisierungsmethoden für Silica-Partikel auf die Zinksilicatoberflächen zu übertragen. Die Nano- partikel wurden durch kovalentes Anbinden des Amino- silans N- [3- (Trimethoxysilyl) -propyl ] diethylentriamin (TRIAMO) über die Silanisierungsmethode modifiziert (siehe auch Van Blaaderen, A. ; Vrij, A. , J. Colloid Interface Sei. 1993, 156, 1 und Waddell, T.G.;

Leyden, D.E.; DeBello, M.T., J. Am. Chem. Soc, 1981, 103, 5303) . Der Erfolg der Oberflächenmodifizierung wurde über Messungen des ζ-Potentials als Funktion des pH-Wertes bestimmt (siehe Figur 6) . Figur 6 zeigt das ζ-Potential von nicht-modifizierten und funktio- nalisierten Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ²⁺ -Nanopartikel als Funktion des pH-Wertes vor Funktionalisierung (1) und nach Oberflächenmodifizierung mit Amin- (2) und Carboxyl- (3) Funktionalitäten. Das Diagramm zeigt die Verlagerung des elektrischen Punktes nach Modifikation mit Amino- und Carboxyl-Funktionalitäten .

Diese Messung zeigte deutlich die Veränderung der Oberflächeneigenschaften durch die Reaktion mit

TRIAMO. Der isoelektrische Punkt (IEP), der bei einem pH-Wert von 3,1 für das anfängliche nicht-modifizier- te Si0 ₂ @Zn ₂ SiO,j : Mn ²⁺ -Kern-Schale-Nanopartikel erhalten wurde, liegt nahe bei den Werten, die für reine Sili- ca-Partikel berichtet wurden (T. Schiestel, H. Brun- ner, G.E.M. Tovar, J. Nanosci . Nanotechnol . 2004, 4,

504). Die Shift des isoelektrischen Punktes auf pH- Wert von 7 nach Aminofunktionalisierung zeigte das erfolgreiche Anbinden des Aminosilans an die Oberfläche der Nanopartikel . Succinsäureanhydrid wurde zur Einführung von Carboxylgruppen an die Partikeloberfläche in analoger Weise verwendet (X. Zhao, L.R. Hil- liard, S.J. Mechery, Y. Wang, R.P. Bagwe, S. Jin, W. Tan, Proc. Nat . Acad. Sei. U.S.A. 2004, 101, 15027) der isoelektrische Punkt von 3,5, der für die Carbon- säure modifizierten Nanopartikel festgestellt wurde, legt nahe, dass die cyclischen Anhydridmoleküle mit den Aminogruppen über eine Ringöffnungsreaktion unter Ausbildung einer Amid-Funktionalität abreagiert hatten, was in einer Spacer-Verlängerung und der Ein- führung von Carboxyl-Funktionalitäten anstelle des

Amins auf der Oberfläche der Nanopartikel nahelegt. Die terminalen Carboxylgruppen, die in die umgebende Lösung gerichtet sind, stabilisieren die Nanopartikel in wässriger Umgebung und erlauben die Immobilisie- rung auf aminhaltigen Biomolekülen, wie z.B. Proteinen. Somit können oberflächenmodifizierte lumines- zente Si0 ₂ @Zn ₂ SiO ₄ : Mn ²⁺ -Kern-Schale-Nanopartikel direkt in einer■ Vielzahl von biologischen und medizinischen diagnostischen Applikationen verwendet werden.

Gemäß den oben stehenden Ausführungen ist es möglich, redispergierbare Kern-Schale-strukturierte lumines- zente Nanopartikel mit Partikelgrößen in einem Bereich von 10 und 290, bevorzugt 75 und 260 nm erfolg- reich über einen Sol-Gel-Prozess , der von einem Sinterschritt bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, herzustellen. Die Kristallstrukturen der Schale und die Photolumineszenz-Intensität der Kern-Schale-Nano- partikel kann durch Auswahl der Sinterbedingungen und Variierung der Konzentration des zur Dotierung verwendeten Metalls, beispielsweise Mn ²⁺ , eingestellt werden. Bei Temperaturen über 800 °C, bevorzugt

900 °C bildet sich die Schale, die bevorzugt a- Zn ₂ Si0 ₄ darstellt, die durch eine lange Lebensdauer der Emission von Lumineszenz, beispielsweise Mn ²⁺ bei einer Wellenlänge von 525 nm, gekennzeichnet ist.

Die erfolgreiche zusätzliche Funktionalisierung der Nanopartikeloberflächen legt nahe, dass im Prinzip die konventionellen Silanisierungsmethoden bei der Modifizierung von Zn ₂ Si0 ₄ : Mn ²⁺ -basierten Nanopartikeln verwendet werden können. Gemäß der vorliegenden Erfindung können Nanopartikel von kontrollierter

Partikelgröße, Morphologie, Kristallstruktur und optischen Eigenschaften hergestellt werden, ebenso kann die Aggregation der Nanopartikel sowie deren Agglomeration kontrolliert werden. Darüberhinaus bietet die vorliegende Erfindung beträchtliche Anwendungsmöglichkeiten der lumineszenten Nanopartikel in verschiedenen biotechnologischen Applikationen.

Beispiel

Herstellung von monodispersen Silica-Kernen : Monodis- perse Silica-Kerne wurden durch die modifizierte

Stoeber-Methode (W. Stoeber, A. Fink, E. Bohn, J.

Colloid Interface Sei. 1968, 26, 62 und C.

Gellermann, W. Storch, H. Wolter, J. Sol-Gel Sei.

Technol. 1997, 8, 173) hergestellt. Bei einer typi- sehen Synthese wurden 225 g TEOS in 4,5 1 Ethanol in

Gegenwart von 225 ml Ammoniumhydroxid hydrolisiert . Das resultierende klare, farblose Gemisch wurde anschließend bei Raumtemperatur über 3 Tage gealtert. Die Isolation der erhaltenen Silica-Kerne wurde durch Abdestillation des Lösungsmittels und anschließendem dreimaligen Waschen mit Ethanol bewerkstelligt.

Herstellung von Si0 ₂ @Zn ₂ Si0 ₄ -Kern-Schale-Nanoparti- keln: Die Oberflächenbeschichtung mit einer Mn ²⁺ - dotierten Zinksilicatschicht wurde durch einen modi- fizierten Pechini-Prozess (D.Y. Kong, M . Yu, C.K.

Lin, X.M. Liu, J. Lin, J. Fang, J. Electrochem. Soc. 2005, 152, H146) bewerkstelligt. Bei einer typischen Reaktion wurden 31,2 g (142 mmol) Zn (0 ₂ C ₂ H ₄ ) · 2H ₂ 0 und 1,29 g (7,47 mmol) Mn(0 ₂ C ₂ H ₄ ) ₂ (Dotierkonzentration 5 mol-%) in einer Lösung von 1,07 1 Ethanol und 133 ml

Wasser (Ethanol/Wasser = 8/1 Vol/Vol) gelöst. Nach Zugabe von 20 ml Salpetersäure wurde das Reaktionsgemisch mit Ultraschall beaufschlagt, um die Ausgangsmaterialien zu lösen. Im Anschluss wurden 62,6 g (298 mmol) Zitronensäuremonohydrat als Chelatisierungs-

Agens und 63,1 g (5,49 bis 7,43 mmol) PEG ( _w =10000) als Quervernetzer zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde gerührt und mit Ultraschall für 2 h beaufschlagt. Eine Dispersion von monodispersen Silica- Kernen wurde zu der oben genannten Lösung gegeben.

Die resultierende Suspension wurde für 3 h bei Raumtemperatur gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde im Anschluss zentrifugiert und das Präzipitat gefriergetrocknet. Das lyophilisierte Nanopartikelpulver wurde auf 100 °C über 1 h in einem Ofen erwärmt und bei den benötigten Temperaturen (800 bis 1100 °C) bei einer Heizrate von 200 K/h gesintert, wobei es über 15 min bei der Sintertemperatur behalten wurde.

Oberflächenmodifikation: Die folgenden Schritte wurden in einer Argonatmosphäre ausgeführt. 5,73 ml Am- moniurahydroxid und 44,6 μΐ (173 pmol) TRIAMO wurden zu einer Dispersion von 1,00 g der Kern-Schale-Nano- partikel in Ethanol, die durch einen oben erwähnten Beschichtungsprozess hergestellt wurden, zugegeben. Die Lösung wurde über 16 h bei Raumtemperatur gerührt. Die aminofunktionalisierten Nanopartikel wurden abzentrifugiert und dreimal mit Ethanol gewaschen. Um die Carboxylfunktionalitäten auf der Nano- partikeloberflache auszubilden, wurden 100 mg der aminofunktionalisierten Nanopartikel in THF (70 ml) überführt. 6 ml Succinsäureanhydridlösung in THF (2 mol/1) wurden zu der Nanopartikelsuspension unter Schallbeaufschlagung zugegeben. Die Suspension wurde über 16 h bei Raumtemperatur gerührt. Die resultierenden carboxylmodifizierten Nanopartikel wurden dreimal gründlich in deionisiertem Wasser gewaschen.

Anwendungsbeispiel :

Dabei wurde in Zn ₂ Si0 ₄ :Mn ₂₊ (5 mol-%) Probe PSL gemes sen .

Die Probe wurde mit einer Xenon Blitzlampe durch 260 nm Interferenzfilter für 1 Minute bestrahlt.

Repetitionsrate 10 Hz, Impulsenergie 18 Microjoule, Pulsdauer 4 Microsekunden, bestrahlte Fläche ca.

1,5 cm ² . Energiedosis ca. 7 mJ/cm ² .

Zum Stimulieren wurde eine rote LED mit der Wellenlänge 640 nm benutzt.

Leistungsdichte ca. 2,5 mW/cm ² . Die Abbildung zeigt auch Nachleuchten (Phosphoreszenz) . Auch nach einige Minuten , wenn Nachleuchten schon weg ist, kann man PSL messen.

Die Messkurve ist in Fig. 7 dargestellt.