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Was physikalisch unmöglich scheint, gelingt mit Upconversion-Nanopartikeln aus Seltenen Erden: energiearmes Nahinfrarot-Licht in energiereicheres ultraviolettes wandeln. Das eröffnet Anwendungen in der Medizin, Biologie und Photochemie.Dem Energieerhaltungssatz zufolge kann ausgesendetes Licht nicht mehr Energie haben als das Anregungslicht. Mitte des 20. Jahrhunderts postulierte Nicolaas Bloembergen allerdings die <link href="#nadc20264156252-fig-0001">Upconversion, durch die sich mehrere Photonen nahinfraroten Lichts (NIR) in ein einzelnes Photon sichtbarer oder ultravioletter (UV) Strahlung umwandeln lassen (Abbildung S. 40).1) Im Gegensatz zur Fluoreszenz, bei der Licht Energie verliert, lässt sich durch Upconversion scheinbar Energie gewinnen. Im Jahr 1966 bestätigte François Auzel diese Theorie experimentell. Er beobachtete die Upconversion an lanthanoiddotierten Festkörpern unter Infrarotbestrahlung und maß die dabei entstehende sichtbare Emission spektroskopisch.<figure xml:id="nadc20264156252-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmpoz3ce9hda007umwojfpsn1" data-strapi-src="https://cdn.gdch.de/prod/nadc20264156252_fig_0001_a_c967661986.png"><figcaption><label>Abb.1: </label>Energieübertragung in Upconversion-Nanopartikeln.</figcaption></figure></figure>Somit war Upconversion zwar bekannt, funktionierte aber zunächst nur in Bulkmaterialien wie Festkörpern und Gläsern. Erst durch Fortschritte in der Synthese kolloidal stabiler Nanopartikel in den 1990er Jahren ließen sich <link href="#nadc20264156252-fig-0002">Upconversion-Nanopartikel (UCNPs) mit kontrollierter Größe und reproduzierbar herstellen.2) Seitdem arbeiten Physiker:innen, Chemiker:innen und Materialwissenschaftler:innen daran, UCNPs zu optimieren und für analytische, mikroskopische und photochemische Anwendungen nutzbar zu machen.<figure xml:id="nadc20264156252-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmpoz3fodhdco07umy7rj6tm0" data-strapi-src="https://cdn.gdch.de/prod/nadc20264156252_fig_0002_a_3dba32a289.png"><figcaption><label>Abb.2: </label>Upconversion-Nanopartikel, angeregt im Nahinfraroten, emittieren sichtbares oder ultraviolettes Licht. Foto: Naomi Weitzel, Thomas Hirsch</figcaption></figure></figure>Licht ist ein wichtiges Werkzeug der modernen Chemie, besonders hochenergetisches ultraviolettes. Es dient etwa der Photokatalyse, Sterilisation, Wasserentkeimung, Photolithographie zur Halbleiterfertigung und hilft bei UV-induzierten Polymerisationen oder DNA-Schädigungsmodellen in der Biologie. UV-Licht hat jedoch Nachteile: Photoschädigung, störende Fluoreszenzsignale in biologischen Proben, geringe Material- und Gewebepenetration – in biologisches Gewebe dringt UV-Licht nur wenige Mikrometer tief ein, Infrarot dagegen bis zu mehrere Zentimeter.3) Helfen können UCNPs. Deren Emissionssignal ist blauverschoben gegenüber dem Anregungslicht – anders als bei der Fluoreszenz, bei der es zu einer Rotverschiebung kommt.<h2 type="main">In der Biologie und Photochemie</h2>Durch Anregen mit NIR-Licht lassen sich Hintergrundsignale unterdrücken, etwa die Autofluoreszenz biologischer Proben durch NADH, Flavine oder Kollagen. Schnellteststreifen und Mikrotiterplattenassays zum Nachweis von Krankheitserregern, Hormonen, Umweltschadstoffen oder Lebensmittelkontaminanten nutzen beispielsweise UCNPs.4) Diese liefern nicht nur qualitative Ergebnisse, sondern können Zielanalyten wie Proteine, Nukleinsäuren oder kleine Moleküle auch quantifizieren. Wegen der schmalbandigen und hintergrundarmen Emissionssignale geht das noch bis zu femtomolaren Konzentrationen.5)In der Mikroskopie dienen UCNPs als Marker für biologische Strukturen. Ihr Vorteil gegenüber klassischen Fluorophoren oder Quantenpunkten: Sie sind photostabil – das Emissionssignal bleicht auch bei längerer Anregung nicht aus.6) Klassische organische Fluorophore verlieren ihre Emissionsintensität oft nach wenigen Minuten kontinuierlicher Beleuchtung, bei UCNPs nimmt die Intensität selbst über Stunden nicht messbar ab.Zudem lässt sich die Emission von UCNPs steuern. Durch die Wahl der Dotierionen lässt sich die Emissionswellenlänge festlegen, und Dotierkonzentrationen sowie Anregungsintensität bestimmen die absoluten Intensitäten und Intensitätsverhältnisse sowie den daraus resultierenden Farbeindruck. Daher eignen sich UCNPs auch für superhochauflösende Mikroskopiemethoden wie Stimulated-Emission-Depletion(STED)-Mikroskopie.7)In der Biomedizin und Pharmazie transportieren UCNPs etwa Wirkstoffe an bestimmte Wirkorte und setzen sie dort frei oder dienen der Tumortherapie mit lichtaktivierbaren Substanzen. Großes Potenzial bieten UCNPs zudem für das Steuern biologischer Prozesse in zentimetertiefen Gewebeschichten mit NIR-Licht. Solche Anwendungen befinden sich allerdings noch in der Grundlagenforschung oder frühen Entwicklungsphasen wie präklinischen Studien. Denn es ist schwierig, UCNPs biokompatibel und ungiftig für lebende Organismen zu machen, sodass die Partikel etwa keine unerwünschte Immunreaktion hervorrufen oder sich unkontrolliert in Organen anreichern.Abseits biologischer Anwendungen lassen sich UCNPs in der Photochemie als nanoskalige Lichtwandler nutzen, um energieintensive photochemische Reaktionen indirekt anzuregen.8) So lassen sich photochemische Prozesse auch mit niederenergetischem Licht realisieren, etwa in stark streuenden oder absorbierenden Medien wie biologischem Gewebe oder Polymermatrizen.<h2 type="main">Seltene Erden</h2>Das Geheimnis der Lichtkonversion in UCNPs liegt in ihrer chemischen Zusammensetzung aus Seltenen Erden mit besetztem 4f-Orbital. Grundsätzlich gelten spektroskopische Übergänge in den 4f-Elementen nach den Regeln der Quantenmechanik als verboten. Bestimmte Faktoren weichen diese Regeln jedoch auf. Dazu gehört das Einbetten von Lanthanoidionen in eine Kristallmatrix, was diese Übergänge wahrscheinlicher und optisch nutzbar macht. Angeregte Zustände in den Lanthanoiden sind ungewöhnlich langlebig: Die Abklingzeiten betragen Mikro- bis Millisekunden; typische organische Fluorophore haben Lebensdauern von nur wenigen Nanosekunden. Daher können Elektronen in Lanthanoiden länger auf einem Niveau bleiben und mit einem weiteren NIR-Photon noch höher angeregt werden. So erreichen die Elektronen schrittweise höhere Energieniveaus, als würden sie eine Leiter hinaufklettern. Wie hoch diese Energieleiter reicht und welche Emissionsbanden entstehen, hängt vom Seltenerdion ab. Obwohl sich fast alle Seltenerdionen als Dotierionen eignen, haben sich Ytterbium, Erbium und Thulium durchgesetzt. Das hat physikalische und praktische Gründe: Yb3+ hat eine einfache Energieniveaustruktur mit einer einzigen Absorptionsbande bei 980 nm, die verglichen mit anderen Lanthanoiden hoch ist und zudem gut zu günstigen Laserdioden passt. Die Energieniveauabstände von Er3+ und Tm3+ erlauben eine effiziente Upconversion. Alle drei sind zudem verhältnismäßig günstig und in der Synthese einfach handhabbar.Ytterbium dient als Sensibilisator: Es absorbiert das niedrigenergetische NIR-Anregungslicht und überträgt die aufgenommene Energie auf Erbium- oder Thuliumionen. Diese werden dann durch aufeinanderfolgende Energieübertragungen in so hohe Energieniveaus angehoben, dass sie sichtbares oder ultraviolettes Licht emittieren.Wie effizient die Upconversion ist, hängt ab von der chemischen Zusammensetzung der Partikel, der Art und Konzentration der Dotierung sowie der räumlichen Anordnung der Seltenerdionen innerhalb der Nanostruktur. Variieren dieser Parameter ermöglicht, die Anregungs- und Emissionswellenlängen sowie deren Intensitäten anzupassen.<h2 type="main">Lawinen und Zwiebelschalen</h2>Der populärste UCNP basiert auf einem hexagonalen NaYF4-Wirtsgitter, dotiert mit zirka 20 Mol-%Ytterbium sowie vergleichsweise niedrigen Mengen Erbium und Thulium (zirka 2 beziehungsweise 0,2 Mol-%). Bei zu dicht gepackten Ionen im Kristallgitter besteht das Risiko von Energieverlusten: Durch Kreuzrelaxation tauschen zwei benachbarte angeregte Ionen Energie aus, und beide fallen auf ein niedrigeres Niveau; das Emissionssignal wird schwächer statt stärker. Deswegen galten höhere Konzentrationen von sowohl Erbium und Thulium als auch von Ytterbium seit den 1990ern als umstritten oder hinderlich, um die Emissionsintensität der Partikel zu verbessern. Erst im Jahr 2018 zeigten die Gruppen um Schuck, Cohen und Chan: Extrem hohe Dotierungen, teils um das Zehnfache höher als bis dahin üblich, erhöhen die Emissionsintensität gegenüber klassischen Partikelarchitekturen um den Faktor 100 und mehr.9) Unter bestimmten Bedingungen, nämlich besonders hohen Anregungsintensitäten über 104 W · cm–2 und bei bestimmten Kristallstrukturen, lässt sich das zum Photon-Avalanche-Effekt steigern: Hohe Lanthanoidkonzentrationen von 8 Mol-% und mehr lösen einen nichtlinearen, sich selbst verstärkenden Prozess ähnlich einer Kettenreaktion aus, und das Emissionssignal nimmt sprunghaft mit der Anregung zu. Auf diesem lawinenartigen Anstieg der Emissionsintensität beruht der Name des Effekts (engl. avalanche = Lawine).10)Sind unterschiedliche Seltenerdionen nicht homogen in einem Partikel verteilt, sondern in Schichten angeordnet – ähnlich einer <link href="#nadc20264156252-fig-0003">Zwiebelschale (Abbildung S. 41) –, lassen sich Absorption, Energiewanderung und Energieübertragung räumlich voneinander trennen und unabhängig voneinander optimieren. Das führt zu Emissionen bis in den fernen UV-Bereich (210 bis 250 nm) – allein durch Anregen mit energiearmem NIR-Licht.11) Die Schalen wirken zudem als Schutzmantel gegen Lumineszenzauslöschung, für die die Partikel an der Oberfläche besonders anfällig sind. Wie stark die Auslöschung ist, entscheidet das umgebende Medium: Wasser hat beispielsweise durch vibrational quenching einen erheblichen negativen Einfluss auf die Emission; die O–H-Schwingungen des Wassers koppeln an die angeregten Zustände der Lanthanoidionen und entziehen ihnen nichtstrahlend Energie.<figure xml:id="nadc20264156252-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmpoz3kfsh8ch07t4x4ze8fq9" data-strapi-src="https://cdn.gdch.de/prod/nadc20264156252_fig_0003_a_dba1c703be.png"><figcaption><label>Abb.3: </label>Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme und Aufbau eines Kern-Multischalen-Nanopartikels mit Seltenerd-Dotierung.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Oberflächenchemie</h2>Kompensieren lassen sich Auslöschungseffekte nicht nur durch die Zwiebelschalenstruktur, sondern auch durch Oberflächenmodifikation. Anzahl und Art stabilisierender Liganden sind dafür anzupassen. Wie bei nahezu allen Nanomaterialien ist es wichtig, Agglomeration zu vermeiden. Am häufigsten erfolgt das durch Ölsäureliganden an der Oberfläche. Die langkettige Fettsäure koordiniert mit ihrer polaren Carboxyl-Kopfgruppe an die positiv geladene Oberfläche der anorganischen Nanopartikel, während der lange Alkylrest durch sterische Abstoßung kolloidale Stabilität in unpolaren Medien erzeugt.Für biologische Anwendungen eignet sich diese Art der Stabilisierung jedoch meistens nicht, weil die Partikel in wässrigen Medien zu dispergieren sind. Ligandenaustauschreaktionen oder Umhüllen der Partikel mit Silica, Polymeren oder biomolekularen Schichten helfen, die UCNPs in wässrige Medien zu überführen.2) Funktionelle Gruppen an der Oberfläche dienen weiteren Modifikationen für spezifische Anwendungen. An Carboxyl- oder Amingruppen sowie über Biotin/Streptavidin-Systeme lassen sich Antikörper, Aptamere oder Peptide für die Biosensorik koppeln, über Thiolgruppen Goldnanopartikel oder Proteine, und Polyethylenglykol verbessert die Blutkreislaufzeit von UCNPs im Körper.Ein besonders eleganter Ansatz: molekulare Selbstorganisation, beispielsweise biomimetischer Moleküle. Partikel mit einer solchen selbstorganisierten Doppelschicht sind in wässrigen und physiologischen Medien chemisch und kolloidal stabil sowie biokompatibel. Zudem bleibt die Lumineszenz weitgehend erhalten, liegt also bei mehr als 80 bis 90 Prozent der Intensität unmodifizierter Partikel in organischem Lösungsmittel.12,13)Die Oberflächenchemie bestimmt, für welche Anwendungen sich die UCNPs eignen, wie biokompatibel und stabil sie beim Lagern oder in der jeweiligen Anwendungsumgebung sind. In biologischen Medien heften sich beispielsweise häufig Proteine, Lipide und andere Biomoleküle an die Partikel und bilden eine Protein-Corona, die die ursprüngliche Oberflächenchemie stark verändern kann und die Lumineszenz um 20 bis 50 % dämpft. Derzeit arbeiten Forschende deshalb daran, diese Probleme mit neuen Oberflächenmodifikationen zu lösen.<h2 type="main">Auf den Punkt</h2>Upconversion wandelt mehrere Photonen energiearmen Lichts in ein einzelnes energiereicherer Strahlung.Eine solche Lichtkonversion lässt sich mit Kern-Multischalen-Nanopartikeln realisieren, die mit Seltenen Erden dotiert sind.Upconversion-Nanopartikel eignen sich etwa für medizinische Schnellteststreifen, als mikroskopische Marker für biologische Strukturen oder pharmazeutische Wirkstofftransporter.<h2 type="main">Die Autor:innen</h2>Diesen Beitrag haben Naomi Weitzel (oben) und Thomas Hirsch verfasst. Weitzel ist Doktorandin in Hirschs Gruppe an der Universität Regensburg. Sie forscht zu funktionalen Nanomaterialien, insbesondere Upconversion-Nanopartikeln für Photochemie und Analytik, und engagiert sich in Wissenschaftskommunikation und Nachwuchsförderung. Hirsch ist Privatdozent für Analytische Chemie an der Universität Regensburg und Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI-BB). Er arbeitet an Sensorsystemen sowie funktionalen Nanomaterialien für Analytik und Diagnostik.<img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmpoz3nr6h8lg07t4sgemywdk" data-strapi-src="https://cdn.gdch.de/prod/nadc20264156252_gra_0001_a_9836299547.png"><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmpoz3qg2h8oo07t41fxnpgke" data-strapi-src="https://cdn.gdch.de/prod/nadc20264156252_gra_0002_a_dff3d9d642.png"><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20264156252-bibl-0001"><li xml:id="nadc20264156252-bib-0001">1 F. Auzel, J. Lumin. 2020, 223, 116900</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0002">2 M. Haase, H. Schäfer., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5808–5829</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0003">3 L. Finlayson, I. R. M. Barnard, L. McMillan et al., Photochem. Photobiol. 2022, 98, 974–981</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0004">4 Uniogen-Website: <a href="https://uniogen.com/upcon/" target="_blank">uniogen.com/upcon/</a>, abgerufen am 24.05.2024</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0005">5 J. C. Brandmeier, N. Jurga, T. Grzyb et al., Anal. Chem. 2023, 95, 4753–4759</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0006">6 H. H. Gorris, U. Resch-Genger, Anal. Bioanal. Chem. 2017, 409, 5875–5890</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0007">7 Y. Li, Y. Lu, X. Yang et al., Nature 2017, 543, 229–233</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0008">8 N. Weitzel, A. Tsudskiridze, J. Barmowski, B. König, T. Hirsch, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202511247</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0009">9 B. Tian, A. Fernandez-Bravo, H. Najafiaghdam et al., Nat. Commun. 2018, 9, 3082</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0010">10 C. Lee, E. Z. Xu, Y. Liu et al., Nature 2021, 589, 230–235</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0011">11 Q. Su, H.-L. Wei, Y. Liu et al., Nat. Commun. 2021, 12, 4367</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0012">12 S. Märkl, A. Schroter, T. Hirsch, Nano Lett. 2020, 20, 8620–8625</li><li xml:id="nadc20264156252-bib-0013">13 S. Märkl, F. Przybilla, R. Rachel et al., Sci. Rep. 2024, 14, 30610</li></ul>

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Insolvenz kann Start-ups etwa dann drohen, wenn Kunden oder Investoren unerwartet nicht zahlen oder wenn die Kosten höher sind als geplant. Für Start-ups ist das belastend – diese Erfahrung habe ich selbst schon gemacht.Der erste Schritt bei drohender Insolvenz: die finanzielle Situation analysieren. Wie hoch sind die Schulden? Wie schnell fließt weiteres Geld in das Unternehmen? Welche Ausgaben sind unbedingt zu tätigen, welche lassen sich verschieben oder reduzieren? Das schafft ein klares Bild der Lage und hilft zu beurteilen, ob die Insolvenz unvermeidbar ist oder ob es noch Handlungsspielraum gibt.Anschließend sollten Gründende offen mit Gläubigern und Investoren sprechen, um Lösungen zu finden, etwa Zahlungsfristen verlängern, Schulden umstrukturieren oder mehr Kapital von Investoren erhalten. Zudem ist es wichtig, zu sparen: überflüssige Ausgaben wie Marketingkampagnen oder nicht essenzielle Projekte vorübergehend stoppen oder einschränken, auf das Kerngeschäft, die profitabelsten Produkte oder Dienstleistungen konzentrieren, unwirtschaftliche Projekte einstellen. Es kann auch nötig sein, Personal abzubauen, um die Liquidität zu sichern.Es gibt außerdem rechtliche Handlungsoptionen, um eine Insolvenz hinauszuzögern oder sogar zu vermeiden. Dazu gehören der außergerichtliche Vergleich mit den Gläubigern und das Insolvenzverfahren in Eigenverwaltung, bei dem das Unternehmen unter Aufsicht eines Gerichts versucht, sich selbst zu sanieren. Dadurch kann der Geschäftsbetrieb weiterlaufen. Start-ups sollten sich früh rechtlich beraten lassen, wie sie mit drohender Insolvenz umgehen können, um alle juristischen Optionen zu verstehen. Dann lassen sich Schritte einleiten, bevor es zu einer offiziellen Insolvenz kommt.Schließlich ist es für Gründende in der schwierigen Zeit einer drohenden Insolvenz wichtig, ruhig zu bleiben und strategisch zu denken. Früh zu reagieren und sich auf Veränderungen einzulassen kann zwischen einer Insolvenz und einer Sanierung entscheiden. Dabei müssen Gründende allerdings alle an einem Strang ziehen. Leider ist das meiner persönlichen Erfahrung nach nur selten der Fall. Oft versuchen einzelne Gründende ihr Risiko auf Kosten der anderen zu reduzieren und sich Vorteile zu verschaffen. Kooperieren ist dann nicht möglich, auch wenn es für alle Akteure besser wäre. In den Wirtschaftswissenschaften ist das als Gefangenendilemma bekannt.

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