🌡️ Nanothermometer, die Temperaturen im Nanometerbereich messen können

Wissenschaftler haben eine neue Generation von lumineszierenden Nanothermometern entwickelt, die Temperaturen im Nanometerbereich messen können. Basierend auf MOFs (metallorganischen Gerüsten) können sie Temperaturwerte von kryogen bis zu Raumtemperatur mit unerreichter Präzision und Empfindlichkeit messen.

Die in JACS veröffentlichten Ergebnisse könnten Anwendungen in so unterschiedlichen Bereichen wie Biologie, Medizin, Nanotechnologie oder Materialwissenschaft finden.

Es besteht eine starke Nachfrage nach Thermometern, die Temperaturen im Nanometerbereich sehr genau messen und sich leicht in die zu messenden Proben integrieren lassen. In der Biomedizin könnten sie beispielsweise die Temperatur innerhalb von Zellen oder Geweben messen und so den Weg für genauere Diagnosen oder eine bessere Kontrolle von Hyperthermie-Therapien ebnen. In der Mikroelektronik könnten sie helfen, Hotspots in integrierten Schaltkreisen zu erkennen und so die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte zu verbessern, um nur diese beiden Beispiele zu nennen.

Für solche Messungen sind lumineszierende Materialien auf Basis von Lanthaniden, metallorganischen Gerüsten (MOFs), die ein Licht aussenden, dessen Intensität oder Farbe sich mit der Temperatur ändert, als Nanothermometer vielversprechend. Bisher benötigten diese Systeme hohe Konzentrationen an lumineszierenden Lanthaniden, was zu einer Deaktivierung durch Konzentrationseffekte führte und ihre Empfindlichkeit einschränkte.

Die neuen Thermometer, die von Wissenschaftlern des Centre de biophysique moléculaire (CNRS) und der Aristoteles-Universität Thessaloniki in Griechenland im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit entwickelt wurden, verwenden MOFs, kristalline Materialien, die aus Metallionen bestehen, die durch organische Liganden miteinander verbunden sind. Diese Strukturen, die für ihre Porosität und große Modularität bekannt sind, wurden hier entwickelt, um lumineszierende Lanthanidionen kontrolliert einzubauen. Dank dieses innovativen Ansatzes ist es den Wissenschaftlern gelungen, ratiometrische Nanothermometer mit bis zu 10-mal geringerer Konzentration an lumineszierenden Elementen als bei aktuellen Systemen herzustellen, während ihre optischen Eigenschaften erhalten blieben.

Diese MOFs funktionieren über einen weiten Temperaturbereich, der von kryogenen Temperaturen (zwischen 10 und 110 Kelvin) bis hin zu Raumtemperatur (330 Kelvin) reicht. Sie bieten Detektionsempfindlichkeiten, die mit den in der Literatur berichteten höchsten Werten vergleichbar sind.

Noch besser: Während die Mehrheit der aktuellen Nanothermometer auf Europium und Terbium basieren, verwenden diese neuen Systeme erstmals die Lumineszenz von Samarium oder Dysprosium. Die Verwendung dieser neuen Elemente erweitert die Möglichkeiten zur Feinabstimmung der Lichteigenschaften der Materialien und ermöglicht es, ihre Reaktion besser an spezifische Bedürfnisse anzupassen.

Schließlich ermöglicht die Möglichkeit, den Dotierungsgrad der verschiedenen Lanthanide präzise zu steuern, eine Feinabstimmung der Farbe der von diesen Materialien emittierten Lumineszenz. Diese Kontrolle könnte sich für Anwendungen in der Wärmebildgebung im Nanometerbereich oder für die Integration dieser Sensoren in komplexe Geräte als wertvoll erweisen.

Redakteur: CCdM