Von der Leuchtdiode zur Erbgutmarkierung Neue Anwendungen für anorganischeFarbstoffpartikel

Das "Schönheitsgeheimnis" alter Kirchenfenster liegt in anorganischen Farbstoffpartikeln, die über Jahrhunderte hinweg im Sonnenlicht stabil bleiben. Die in Kunststoffe eingebetteten organischen Farbstoffe hingegen verblassen oft schon nach wenigen Jahren. Mittlerweile existieren jedoch Verfahren, nicht nur lichtbeständige, sondern auch fluoreszierende anorganische Farbstoffpartikel in Polymere (Kunststoffe) einzubauen. Für die Forschung ergeben sich daraus völlig neue Möglichkeiten; etwa die Konstruktion von großflächigen Leuchtdioden oder eine bequeme Methode, das Erbgut zu markieren.

Hierüber berichten deutsche und amerikanische Wissenschaftler auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vom 22. - 26. März in Münster. Durch die Kombination elektrisch geladener Partikel mit entgegengesetzt geladenen Polymeren (Polyelektrolyten) ist es gelungen, ein Kompositmaterial aus Polymeren und anorganischen Farbstoffpartikeln herzustellen. Dr. Stefan Kirstein und Mingyuan Gao vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Berlin haben nun in weiterführenden Arbeiten auch leuchtfähige Halbleiterpartikel in Kunststoffe eingebaut. Die "Quantenpunkte" mit einem Durchmesser von nur zwei millionstel Millimetern bestehen aus Cadmiumtellurid oder Cadmiumselenid. Das Besondere an diesen Partikel/Polymer Kompositmaterialien ist, daß sie unter dem Einfluß eines elektrischen Stroms zu leuchten beginnen. Forscher sprechen von Elektrolumineszenz. Die Farbe des ausgestrahlten Lichts wird dabei durch die Größe der "Quantenpunkte" bestimmt und variiert von grün bis tief rot, kann aber durch Mischung verschieden großer Teilchen auch weiß sein. Ziel dieser Arbeiten ist es, neue Wege zur Herstellung von großflächigen Leuchtdioden aufzuzeigen, die gegenüber herkömmlichen Verfahren einige Vorteile hätten. Da die leuchtenden Partikel in eine polymere Umgebung eingebettet werden, ließen sie sich großflächig und auf beliebigen, auch biegsamen, Substraten aufbringen. Mögliche Anwendungen liegen im Bereich großflächiger Anzeigeelemente, oder der Hintergrundbeleuchtungen von Flüssigkristallanzeigen.

Doch beim Übergang in immer kleinere Dimensionen stellen sich den Forschern auch neue Schwierigkeiten: Aufgrund der geringen Abmessungen haben die leuchtenden Halbleiterpartikel - im Verhältnis zu ihrem Volumen - eine große Oberfläche. Dies ist insofern störend, als die Oberfläche oft Defekte aufweist, welche die Lumineszenz auslöschen. Dies läßt sich aber beheben, indem die leuchtenden Partikel mit einer dünnen "Schutzschicht" aus Zinksulfid oder Cadmiumsulfid verkleidet werden. Auf diese Weise läßt sich die Fluoreszenz erheblich steigern und die gewünschte Stabilität erreichen.

Über eine weitere Anwendung anorganischer Farbstoffpartikel berichtet Prof Dr. Paul Alivisatos von der Universität in Berkley, USA. Bisher werden zur Entschlüsselung des Erbguts ausschließlich organische Farbstoffe verwendet. Jeder der vier Bausteine des Erbgutträgers DNS verbindet sich dabei mit einem Farbstoffmolekül einer bestimmten Farbe. Diese organischen Moleküle beginnen zu leuchten, wenn sie mit Licht einer bestimmten Frequenz dazu angeregt werden. So läßt sich die Abfolge der DNS-Bausteine, die letztlich den genetischen Code ausmacht, anhand der Farbenfolge ablesen. Die Wissenschaftler um Paul Alivisatos haben herausgefunden, daß sich dieses Verfahren noch verbessern läßt, wenn statt der üblichen organischen Farbstoffe nun anorganische Partikel verwendet werden. Diese lassen sich an der Oberfläche chemisch modifizieren, so daß sie nur spezifisch an bestimmte chemische Gruppen anbinden. Darüber hinaus lassen sich die unterschiedlichen Moleküle mit dem gleichen blauen Licht zur Lumineszenz anregen. Auf diese Weise koppeln an die vier DNS-Bausteine verschiedenfarbige Partikel an. Gegenüber den organischen Farbstoffen besitzen sie den Vorteil einer höheren Lichtausbeute, so daß nur wenige (im Extremfall sogar ein einziges) Partikel zur Fluoreszenzmarkierung ausreichen. Zudem lassen sich alle Partikel mit dem gleichen blauen Licht angeregen. Bei organischen Farbstoffen muß dagegen die Frequenz des anregenden Lichts auf das jeweilige Molekül abgestimmt sein, so daß im Normalfall vier verschiedene Lichtquellen benötigt werden.

Weitere Informationen:

Dr. Stefan Kirstein
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Berlin
Tel.: 030 6392-3106
Fax.: 030 6392-3102
E-Mail:

Prof. Dr. Klaus Wandelt
Institut für Physikalische Chemie der Universität Bonn
Tel.: 0228-732253
Fax : 0228-732515
E-Mail:

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