Forschungsthemen - Übersicht

Laser-basierte optische Spektroskopie steht im Zentrum der Arbeiten. Mittels zeitaufgelöster Absroptions- und Emissionsspektroskopie werden verschiedenste organische sowie anorganische Materialien in festen oder flüssigen Phasen untersucht. Die experimentellen Arbeiten sind an grundlegenden aber auch vor allem an angewandten Fragestellungen orientiert. Ein aktueller Forschungsschwerpunkt sind Lanthanide und deren Anwendungen.

Lanthanide (Ln(III)) sind äußerst nützliche Lumineszenzsonden mit Anwendungen in den Lebens- und Umweltwissenschaften sowie in der klinischen Diagnostik. Durch ihre einzigartigen photophysikalischen Eigenschaften, wie z.B. bemerkenswert langen Emissionskinetiken und schmalbandigen Emissionsspektren, sind sie ideale Kandidaten für Lumineszenz-basierte Analytik und Speziation in komplexen Matrices. Durch die Anwendung von zeitaufgelösten Detektionsschemata können störende Beiträge von Hintergrundsignalen sehr effizient unterdrückt werden und so höchste Nachweisgrenzen erreicht werden (z.B. in Sandwich-Immunoassays).Für Untersuchungen in wässrigen Systemen eignet sich neben Dy(III), Sm(III) oder Tb(III) besonders Eu(III) als Lumineszenzsonde, da die verschiedenen Emissionsparameter dieses Ln(III)-Ions besonders durch die physiko-chemischen Eigenschaften der ersten (und zweiten) Koordinationssphäre geprägt sind. Die Emissionskinetik variiert je nach Liganden zwischen einigen Mikrosekunden und einigen Millisekunden und die spektrale Lage wie auch die Intensität verschiedener spektraler Übergänge werden durch die Symmetrie wie auch die Art der Liganden geprägt. Hier sind die speziellen elektronischen Besonderheiten des Eu(III), wie z.B. die Kombination von magnetischen und induziert-elektrischen Übergängen oder die nicht-vorhandene Entartung eines elektronischen Übergangs, eigenschaftsbestimmend.

Im Gegensatz zur “gewöhnlichen” Abwärtskonversion, die in der Regel z.B. bei organischen Farbstoffen als Fluoreszenz oder Phosphoreszenz in großer Mannigfaltigkeit zur qualitativen und quantitativen Analytik / Sensorik genutzt wird, geht der Lumineszenz nach Frequenzaufkonversion (luminescence upconversion, UCL) die Absorption von zwei oder mehr Photonen voraus. Zwar sind multiphotonen-basiert Prozesse auch bei organischen Farbstoffen induzierbar, bedürfen aber oft sehr anspruchsvolle Laserapparaturen. Im Gegensatz dazu können bedingt durch die Leiter-artige Anordnung der elektronischen Zustände von Lanthaniden in Kombination mit den außergewöhnlich langen Deaktivierungskinetiken (viele Mikrosekunden) der elektronisch-angeregten Zustände mit wesentlich einfacheren experimentellen Mitteln Mehrphotonen-Prozesse induziert werden. Die dafür benötigte elektromagnetische Strahlung liegt im NIR-Bereich, in dem nur eine geringe Absorption durch Wasser oder andere biologische Materialien stattfindet, wodurch diese Strahlung auch relative hohe Eindringtiefen in eben diese Matrices erreicht, was für UCL-basierte Sensorik in Realproben aus den Lebens- und Umweltwissenschaften von höchstem Interesse ist. Neben der Untersuchung der photophysikalischen Grundlagen der UCL, werden besonders Anwendungen im Bereich der Biosensorik bearbeitet. Dazu werden neuartige Materialien in Form von kristallinen, Ln(III)-haltigen Nanopartikeln (UCNP) hergestellt, Oberflächen-modifiziert und als Lumineszenzsonde charakterisiert.