@phdthesis{Hildebrandt2006,
  author    = {Hildebrandt, Niko},
  title     = {Lanthanides and quantum dots : time-resolved laser spectroscopy of biochemical F{\"o}rster Resonance Energy Transfer (FRET) systems},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-12686},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2006},
  abstract  = {F{\"o}rster Resonance Energy Transfer (FRET) plays an important role for biochemical applications such as DNA sequencing, intracellular protein-protein interactions, molecular binding studies, in vitro diagnostics and many others. For qualitative and quantitative analysis, FRET systems are usually assembled through molecular recognition of biomolecules conjugated with donor and acceptor luminophores. Lanthanide (Ln) complexes, as well as semiconductor quantum dot nanocrystals (QD), possess unique photophysical properties that make them especially suitable for applied FRET. In this work the possibility of using QD as very efficient FRET acceptors in combination with Ln complexes as donors in biochemical systems is demonstrated. The necessary theoretical and practical background of FRET, Ln complexes, QD and the applied biochemical models is outlined. In addition, scientific as well as commercial applications are presented. FRET can be used to measure structural changes or dynamics at distances ranging from approximately 1 to 10 nm. The very strong and well characterized binding process between streptavidin (Strep) and biotin (Biot) is used as a biomolecular model system. A FRET system is established by Strep conjugation with the Ln complexes and QD biotinylation. Three Ln complexes (one with Tb3+ and two with Eu3+ as central ion) are used as FRET donors. Besides the QD two further acceptors, the luminescent crosslinked protein allophycocyanin (APC) and a commercial fluorescence dye (DY633), are investigated for direct comparison. FRET is demonstrated for all donor-acceptor pairs by acceptor emission sensitization and a more than 1000-fold increase of the luminescence decay time in the case of QD reaching the hundred microsecond regime. Detailed photophysical characterization of donors and acceptors permits analysis of the bioconjugates and calculation of the FRET parameters. Extremely large F{\"o}rster radii of more than 100 {\AA} are achieved for QD as acceptors, considerably larger than for APC and DY633 (ca. 80 and 60 {\AA}). Special attention is paid to interactions with different additives in aqueous solutions, namely borate buffer, bovine serum albumin (BSA), sodium azide and potassium fluoride (KF). A more than 10-fold limit of detection (LOD) decrease compared to the extensively characterized and frequently used donor-acceptor pair of Europium tris(bipyridine) (Eu-TBP) and APC is demonstrated for the FRET system, consisting of the Tb complex and QD. A sub-picomolar LOD for QD is achieved with this system in azide free borate buffer (pH 8.3) containing 2 \% BSA and 0.5 M KF. In order to transfer the Strep-Biot model system to a real-life in vitro diagnostic application, two kinds of imunnoassays are investigated using human chorionic gonadotropin (HCG) as analyte. HCG itself, as well as two monoclonal anti-HCG mouse-IgG (immunoglobulin G) antibodies are labeled with the Tb complex and QD, respectively. Although no sufficient evidence for FRET can be found for a sandwich assay, FRET becomes obvious in a direct HCG-IgG assay showing the feasibility of using the Ln-QD donor-acceptor pair as highly sensitive analytical tool for in vitro diagnostics.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Gessner2011,
  author    = {Geßner, Andr{\´e}},
  title     = {Neuartige Lanthanoid-dotierte mikro- und mesopor{\"o}se Feststoffe : Charakterisierung von Ion-Wirt-Wechselwirkungen, Speziesverteilung und Lumineszenzeigenschaften mittels zeitaufgel{\"o}ster Lumineszenzspektroskopie},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-52371},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2011},
  abstract  = {Por{\"o}se Sol-Gel-Materialien finden in vielen Bereichen Anwendung bzw. sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Zu diesen Bereichen z{\"a}hlen sowohl klassische Anwendungen, wie z. B. die Verwendung als Katalysator, Molekularsieb oder Trockenmittel, als auch nichtklassische Anwendungen, wie z. B. der Einsatz als Kontrastmittel in der Magnet-Resonanz-Tomographie oder in Form von d{\"u}nnen Zeolithfilmen als Isolatoren in Mikrochips. Auch f{\"u}r den Einsatz in der Photonik werden por{\"o}se Materialien in Betracht gezogen, wie die Entwicklung des Zeolith-Farbstoff-Lasers zeigt. Mikropor{\"o}se Zeolithe k{\"o}nnen generell {\"u}ber einfache Ionenaustauschreaktionen mit Lanthanoidionen in lumineszente Materialien umgewandelt werden. Neben der Erzeugung eines lumineszenten Materials, dessen Lumineszenzeigenschaften charakterisiert werden m{\"u}ssen, bietet die Nutzung von Lanthanoidionen die M{\"o}glichkeit diese Ionen als Sonde zur Charakterisierung der Ion-Wirt-Wechselwirkungen zu funktionalisieren, was z. B. in Bezug auf die Anwendung als Katalysator von großer Bedeutung ist. Dabei werden die einzigartigen Lumineszenzeigenschaften der Lanthanoidionen, in diesem Fall von Europium(III) und Terbium(III), genutzt. In dieser Arbeit wurden Lanthanoid-dotierte mikropor{\"o}se Zeolithe, mikropor{\"o}s-mesopor{\"o}se Hybridmaterialien und mesopor{\"o}se Silikate hinsichtlich ihrer Lumineszenzeigenschaften und ihrer Wechselwirkung des Wirtsmaterials mit den Lanthanoidionen mittels zeitaufgel{\"o}ster Lumineszenzspektroskopie untersucht. Zeitaufgel{\"o}ste Emissionsspektren (TRES) liefern dabei sowohl Informationen in der Wellenl{\"a}ngen- als auch in der Zeitdom{\"a}ne. Erstmalig wurden die TRES mittels einer umfangreichen Auswertemethodik behandelt. Neben der Anpassung des Abklingverhaltens mit einer diskreten Zahl von Exponentialfunktionen, wurden unterst{\"u}tzend auch Abklingzeitverteilungsanalysen durchgef{\"u}hrt. Zeitaufgel{\"o}ste fl{\"a}chennormierte Emissionsspektren (TRANES), eine Erweiterung der normalen TRES, konnten erstmals zur Bestimmung der Zahl der emittierenden Lanthanoidspezies in por{\"o}sen Materialien genutzt werden. Durch die Berechnung der Decayassoziierten Spektren (DAS) konnten den Lanthanoidspezies die entsprechenden Lumineszenzspektren zugeordnet werden. Zus{\"a}tzlich konnte, speziell im Fall der Europium-Lumineszenz, durch Kombination von zeitlicher und spektraler Information das zeitabh{\"a}ngige Asymmetrieverh{\"a}ltnis R und die spektrale Evolution des 5D0-7F0-{\"U}bergangs mit der Zeit t untersucht und somit wesentliche Informationen {\"u}ber die Verteilung der Europiumionen im Wirtsmaterial erhalten werden. {\"U}ber die Abklingzeit und das Asymmetrieverh{\"a}ltnis R konnten R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die Zahl der OH-Oszillatoren in der ersten Koordinationssph{\"a}re und die Symmetrie der Koordinationsumgebung gezogen werden. F{\"u}r die mikropor{\"o}sen und mikropor{\"o}s-mesopor{\"o}sen Materialien wurden verschiedene Lanthanoidspezies, im Regelfall zwei, gefunden, welche entsprechend der beschriebenen Methoden charakterisiert wurden. Diese Lanthanoidspezies konnten Positionen in den Materialien zugeordnet werden, die sich im tief Inneren des Porensystems oder auf bzw. nahe der {\"a}ußeren Oberfl{\"a}che oder in den Mesoporen befinden. Erstere Spezies ist aufgrund ihrer Position im Material gut vor Feuchtigkeitseinfl{\"u}ssen gesch{\"u}tzt, was sich deutlich in entsprechend langen Lumineszenzabklingzeiten {\"a}ußert. Zus{\"a}tzlich ist diese Europiumspezies durch unsymmetrische Koordinationsumgebung charakterisiert, was auf einen signifikanten Anteil an Koordination der Lanthanoidionen durch die Sauerstoffatome im Wirtsgitter zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Ionen, die sich nahe oder auf der {\"a}ußeren Oberfl{\"a}che befinden, sind dagegen f{\"u}r Feuchtigkeit zug{\"a}nglicher, was in k{\"u}rzeren Lumineszenzabklingzeiten und einer symmetrischeren Koordinationsumgebung resultiert. Der Anteil von Wassermolek{\"u}len in der ersten Koordinationssph{\"a}re ist hier deutlich gr{\"o}ßer, als bei den Ionen, die sich tiefer im Porensystem befinden und entspricht in vielen F{\"a}llen der Koordinationszahl eines vollst{\"a}ndig hydratisierten Lanthanoidions. Auch der Einfluss von Oberfl{\"a}chenmodifikationen auf die Speziesverteilung und das Verhalten der Materialien gegen{\"u}ber Feuchtigkeit wurde untersucht. Dabei gelang es den Einfluss der Feuchtigkeit auf die Lumineszenzeigenschaften und die Speziesverteilung durch die Oberfl{\"a}chenmodifikation zu verringern und die Lumineszenzeigenschaften teilweise zu konservieren. Im Fall der mesopor{\"o}sen Silikamonolithe wurde auch eine heterogene Verteilung der Lanthanoidionen im Porensystem gefunden. Hier wechselwirkt ein Teil der Ionen mit der Porenwand, w{\"a}hrend sich die restlichen Ionen in der w{\"a}ßrigen Phase innerhalb des Porensystems aufhalten. Das Aufbringen von Oberfl{\"a}chenmodifikationen f{\"u}hrte zu einer Wechselwirkung der Ionen mit diesen Oberfl{\"a}chenmodifikationen, was sich in Abh{\"a}ngigkeit von der Oberfl{\"a}chenbeladung in den enstprechenden Lumineszenzeigenschaften niederschlug.},
  language  = {de}
}