Kohlenstoffpunkte: Pionierarbeit für nanothermometrische Anwendungen der nächsten Generation – Ein umfassender Übersichtsartikel

Zusammenfassung

Hochempfindliche, berührungslose Temperatursensorik ist essenziell für die Untersuchung fundamentaler chemischer Reaktionen, biologischer Prozesse und medizinischer Diagnostik. Nanometerbasierte Thermometer bieten nicht-invasive Sonden für präzise Temperatursensorik mit subzellulärer Auflösung. Fluoreszenzbasierte Temperatursensoren haben sich als vielversprechend erwiesen, da sie im „Nichtkontaktmodus“ arbeiten und die duale Funktion von Zellbildgebung und molekularer Temperatursensorik bieten. Fortschritte in Nanomaterialien und Nanotechnologie führten zur Entwicklung neuartiger Sensoren wie Nanothermometer – temperatursensitive Materialien mit hoher räumlicher Auflösung im Nanomaßstab. Diese wurden auf verschiedenen Plattformen realisiert: fluoreszierende Proteine, organische Verbindungen, Metallnanopartikel, seltene-Erd-dotierte Nanopartikel und Halbleiter-Quantenpunkte.

Kohlenstoffpunkte (Carbon Dots, CDs) haben aufgrund herausragender Eigenschaften wie starker Fluoreszenz, Photobleichresistenz, chemischer Stabilität, kostengünstiger Vorstufen, geringer Toxizität und Biokompatibilität großes Forschungsinteresse geweckt. Jüngste Berichte belegen das thermische Sensorverhalten bestimmter CDs, was sie zu einer Alternative zu anderen nanomaterialbasierten Thermometern macht. Diese lumineszenzbasierten Thermometer sind vielversprechend für die Temperatursensorik in Nanoskalen und thermisches Mapping, um biologische Prozesse besser zu verstehen. Da CDs als nanoskalige Materialien für thermische Sensorik noch in einem frühen Stadium sind, bietet dieser Übersichtsartikel ein umfassendes Verständnis dieser neuartigen Nanothermometer, Funktionalisierungsmethoden zur Verbesserung thermischer Sensitivität und Auflösung sowie der Mechanismen des thermischen Sensorverhaltens.

Einleitung

Temperatur ist eine fundamentale thermodynamische Variable mit erheblichem Einfluss auf biologische und chemische Systeme. Aufgrund ihrer breiten Anwendbarkeit in nahezu allen Bereichen der Naturwissenschaften, Ingenieurwesen, Landwirtschaft und Medizin ist präzise Temperaturbestimmung von großer Bedeutung. In medizinischen Anwendungen dient Thermometrie der Früherkennung von Erkrankungen wie Schlaganfall, Krebs oder Entzündungen, deren frühe Symptome oft lokale Temperaturanomalien sind.

Historisch basierte die früheste Temperatureinschätzung auf Empfindung oder Beobachtung. In der Antike (200–10 v. Chr.) gelten pneumatische Experimente (Luftausdehnung durch Wärme) als älteste bekannte Referenzen für Geräte zur quantitativen Wärmemessung. Philon von Byzanz und Heron von Alexandria beschrieben solche Experimente. Zwischen 1592 und 1603 erfand Galileo Galilei ein Thermoskop mittels Luftausdehnung in einem Rohr über einer Wassersäule. Santorio integrierte diesen Apparat erstmals in medizinische Fieberuntersuchungen. Das erste vollständig geschlossene Flüssigkeits-in-Glas-Thermometer (alkoholgefüllt) baute Ferdinand II. 1641 – unabhängig vom barometrischen Druck. Fahrenheit begann 1706 mit Alkohol, wurde aber für seine Quecksilberthermometer legendär. Anders Celsius schlug 1742 eine centesimale Skala vor (0 °C Siedepunkt, 100 °C Gefrierpunkt). Im 19. Jahrhundert entdeckte Thomas Johann Seebeck die Thermoelektrizität (Seebeck-Effekt), Grundlage des Thermoelements – bis heute die genaueste Temperaturmessmethode. Abbildung 1 zeigt die zeitliche Entwicklung der Thermometer.

Konventionelle Thermometer lassen sich einteilen in:

1. Flüssigkeits-in-Glas-Thermometer basierend auf thermischer Ausdehnung
2. Thermoelemente basierend auf dem Seebeck-Effekt
3. Optische Sensoren

Zudem lassen sie sich als Kontakt- oder Nichtkontaktthermometer klassifizieren. Kontaktmodi (klassische Flüssigkeits-in-Glas, Thermoelemente, Thermistoren, Widerstandsthermometer) erfordern elektrischen Anschluss und direkten Kontakt zum Substrat. Sie eignen sich nicht bei starkem elektromagnetischem Rauschen, Funkengefahr, zerstörerischer Umgebung oder schnell bewegten Teilen. Zudem versagen herkömmliche Thermometer bei räumlicher Auflösung im Submikronbereich – etwa bei intrazellulären Temperaturschwankungen oder Temperatermapping von Mikroschaltkreisen und Mikrofluidik. Ingenieuranwendungen erfordern fortgeschrittene thermosensitive Strategien für miniaturisierte Bereiche und schwierige Umgebungen. Für Nanoskalen-Domänen sind daher andere Ansätze und Materialien nötig.

Neuartige berührungslose Thermometrie kann diese Probleme lösen. Optische Thermosensoren (molekulare Thermometer) sind eine jüngere Generation analytischer Werkzeuge, die emittiertes Licht zur Temperaturextraktion nutzen. Fluoreszente temperatursensitive Sonden bieten vielversprechende Perspektiven für Nanothermometrie. Temperaturinformationen lassen sich über Fluoreszenzintensität, Bandform, Stokes-Verschiebung oder Abklinglebensdauer gewinnen – bei entsprechender Kalibrierung.

Molekulare Thermometer haben großes Potenzial bei der Diagnose kranker oder kanzerogener Zellen, die von normalen Zellen abweichende physiologische Temperaturen aufweisen. Medizinische Anwendungen reichen von temperaturinduzierter Genexpressionskontrolle und Zellmetabolismus bis zu zellselektiver Penetration und Behandlung sowie verbesserter Wärmeableitung integrierter Wärmequellen. Kürzlich wurden Nanomaterialien wie Halbleiter, Polymere und metallische Nanopartikel als thermische Sensoren (Nanothermometer) mit submikroner thermischer Auflösung eingesetzt.

Thermometer, die Subgrad-Temperaturunterschiede über einen weiten Temperaturbereich auflösen und in lebende Systeme integrierbar sind, wären ein einflussreiches neues Werkzeug in biologischer, physikalischer und chemischer Forschung. Daher fokussiert dieser Übersichtsartikel auf eine „neue Generation“ von Nanothermometern basierend auf Kohlenstoffnanomaterialien (kohlenstoffhaltige Materialien). Meines Wissens gibt es keinen Übersichtsartikel zu Kohlenstoffpunkten als Nanothermometern. Jüngst zeigten Kohlenstoffpunkte (Kohlenstoff-Quantenpunkte, Graphen-Quantenpunkte) mit ihren einzigartigen Eigenschaften empfindliche thermische Eigenschaften, was sie zu exzellenten Kandidaten für thermometrisches Verhalten im Nanomaßstab macht. Hier werden Definitionen, Vorteile und Mechanismen des thermischen Sensorverhaltens von Kohlenstoffpunkten beleuchtet. Abschließend werden zukünftige Perspektiven dieser neuen Klasse von Thermomaterialien vorgestellt.

Nanothermometrie

Unter „Nanothermometrie“ versteht man die Verwendung nanoskaliger thermosensitiver Materialien zur Temperaturinformation über die lokale Umgebung im Nano- oder Mikromaßstab. Nanopartikelbasierte thermische Sonden haben großes Potenzial in einem breiten Spektrum von Sensoranwendungen; zahlreiche progressive „Nanothermometer“ wurden berichtet. Verschiedene konventionelle Nanomaterialien zeigen thermosensitive lumineszente Eigenschaften: Polymere, Nanokristalle, seltene-Erd-dotierte Nanopartikel, Metallnanopartikel.

Nanothermosensoren sind nicht-invasive, berührungslose, präzise Thermometer im Nanomaßstab mit hoher Sensitivität und Auflösung. Thermische Sensorik mittels Nanomaterialien wird durch Manipulation ihrer optischen Eigenschaften erreicht. Fluoreszenz-Nanothermometrie lässt sich in Klassen einteilen, je nach Parameter der thermischen Messung: Signalintensität, Bandform, Fluoreszenzlebensdauer, Bandverschiebung, Polarisierung der Anregungswellenlänge, Spektralverschiebung. Im ersten Fall ändert sich Fluoreszenz mit der Temperatur und kann als absoluter Anstieg oder Abfall detektiert werden.

Kontaktlose Lumineszenz-Nanothermometrie, die lumineszente Nanomaterialien mit temperaturabhängiger Emission nutzt, ist besonders für biologische Anwendungen geeignet. Dazu gehören fluoreszierende Polymere, metallische Nanopartikel, seltene-Erd-dotierte Nanopartikel und Nanodiamanten mit thermosensitiven Eigenschaften im physiologischen Bereich. Diese Pionierarbeiten lieferten Durchschnittstemperaturen einzelner Zellen. Temperatursensitive lumineszente Sonden basierend auf organischen Farbstoffen (z. B. Rhodamin 6G) und Polymeren (z. B. Poly(N-isopropylacrylamid)) zeigen jedoch oft schlechte Photostabilität und ausgeprägte Querempfindlichkeit gegenüber Sauerstoff – unerwünscht für Lebendzellarbeit. Zudem besteht starke pH-Abhängigkeit der Fluorophor-Lebensdauer, was präzise pH-Kontrolle der untersuchten Umgebung erfordert.

Eine weitere Klasse basiert auf reinen und dotierten Halbleiter-Nanokristallen, prominenteste Kandidaten: CdSe, ZnS, InP, PbSe. Halbleiter-Quantenpunkte (SQDs) sind Kandidaten für nanoskalige Thermometer dank hoher Quantenausbeute, langer Lebensdauer vor Photobleichen und ausreichender Biokompatibilität nach Oberflächenmodifikation. Sie lassen sich leicht an Proteine und DNA konjugieren für Sensorik und Bildgebung. Die Herausforderung liegt in der Vereinbarkeit von Helligkeit, Photostabilität, Sensitivität und Präzision bei T = 20–40 °C bei der Sondierung subzellulärer Mikroumgebungen. SQDs wurden umfangreich zu Synthese, physikochemischen Eigenschaften, Lumineszenz und potenziellen Anwendungen rezensiert. Im Vergleich zu organischen Farbstoffen bieten SQDs überlegene Helligkeit, breiteres Anregungsprofil für Multiplexing und bessere Photostabilität für Langzeitstudien. Zudem sind SQDs als Temperatursensoren resistent gegen pH- und andere Umgebungsvariationen, die in Zellen vorherrschen.

Generell führt in SQDs eine Temperaturerhöhung durch Kombination verschiedener Prozesse zu Fluoreszenzabnahme (Quenching), begleitet von Spektralverschiebung. Diese Verschiebung ist im biophysikalischen Bereich annähernd linear. Die Stärke beider Effekte (Lumineszenz-Quenching und Spektralverschiebung) hängt stark vom QD-Material und der Größe ab.

Jede Gruppe lumineszierender Nanomaterialien hat neben Vorteilen auch Limitationen. SQDs werden fluoreszierenden Polymeren und organischen Farbstoffen vorgezogen. SQDs punkten bei Photostabilität, Quanteneffizienz und einstellbarer Fluoreszenz, aber ihr inhärentes Blinken verhindert langfristiges Single-Molecule-Tracking. Der Hauptnachteil ist ihre Toxizität durch Schwermetalle (Cadmium), was biologische und Umweltanwendungen limitiert. Zudem sind Vorläuferelemente in der Natur begrenzt verfügbar, weshalb SQDs teuer sind.

Kohlenstoffpunkte als Nanothermometer

Um Probleme nicht-kohlenstoffbasierter Nanothermometer zu überwinden, wurden kohlenstoffbasierte Nanomaterialien mit einzigartigen Eigenschaften hergestellt: geringe Toxizität, einfache Herstellung, kostengünstige Vorstufen, Photostabilität, Biokompatibilität. Diese zeigten empfindliche thermische Sensor-Eigenschaften. Die Entwicklung metallfreier Nanopartikel ist aufgrund Umweltgefahren toxischer Materialien für biologische Anwendungen wichtig und dringend. Unter den kohlenstoffbasierten Nanomaterialien wurden fluoreszierende Nanodiamanten zuerst als Nanothermometer berichtet. Sie besitzen intrinsische Biokompatibilität durch chemisch robuste, inerte Oberflächen. Andere Nanodiamanten dienten kürzlich der intrazellulären thermischen Sensorik mit Subgrad-Genauigkeit. Die thermische Sensitivität basiert auf Stickstoff-Vakanzen-Farbzentren – Punktdefekte aus einem Stickstoffatom, das ein Gitterkohlenstoffatom ersetzt, und einer benachbarten freien Gitterstelle. Das Stickstoff-Vakanzen-Zentrum fluoreszierender Nanodiamanten ist intensiv untersucht und gut charakterisiert für Photophysik und biologische Anwendungen. Das Funktionsprinzip beruht auf präziser Messung dieses Farbzentrums, das optisch mit hoher räumlicher Auflösung detektierbar ist. Allerdings behindern geringe Fluoreszenzeffizienz und schlechte Kontrollierbarkeit die Anwendung fluoreszierender Nanodiamanten erheblich.

Eine neuere Klasse der kohlenstoffbasierten Nanomaterialien sind hochlumineszente Kohlenstoffpunkte (CDs) mit außergewöhnlich heller Photolumineszenz, photochemischer Stabilität, Wasserlöslichkeit, hoher Biokompatibilität und Nicht-Toxizität. CDs sind null-dimensionale, kugelförmige Nanopartikel mit Durchmessern unter 10 nm. Verschiedene Ansätze wurden zur Herstellung diverser CD-Typen angewendet: Laserablation, solvotherm, hydrotherm, mikrowellenunterstützt, Lichtbogenentladung, saure Oxidation und weitere chemische/physikalische Methoden. CDs zeigen vielversprechende Perspektiven für biologische Bildgebung, chemische und Biosensorik, gezielte Arzneimittelfreisetzung, pharmazeutische Analytik und Katalyse. CDs wurden umfassend zu Synthese, physikochemischen Eigenschaften und Anwendungen rezensiert.

In jüngster Zeit haben fluoreszente CDs als Temperatursensoren viel Aufmerksamkeit erregt. Grundsätzlich erfordert effektive Temperaturmessung, dass Kohlenstoff-Nanopunkte eine merkliche Variation ihrer Photolumineszenz im relevanten Temperaturbereich aufweisen. Photostabilität, pH-Stabilität und Haltbarkeit sind weitere Anforderungen für praktische Anwendung.

CDs sind vielversprechende Alternativen zu konventionellen Halbleiter-Quantenpunkten (SQDs). Im Vergleich zu QDs bieten CDs viele Vorteile: niedrige Kosten, geringe Toxizität, einzigartige robuste optische/chemische Eigenschaften. Zudem zeigen CDs sehr wenig Photobleichen. Im Vergleich zu anderen fluoreszierenden Rohmaterialien werden CDs aus kostengünstigen, in der Natur reichlich vorhandenen Kohlenstoffquellen hergestellt. Darüber hinaus gibt es mehrere einfache Methoden zur Modifikation und Funktionalisierung des Oberflächenzustands von CDs, um Löslichkeit, Stabilität, physikochemische Eigenschaften und Quantenausbeuten an experimentelle Erfordernisse anzupassen.

In der Literatur gibt es nur wenige Berichte über CDs mit temperaturabhängiger Fluoreszenz (Tabelle 1). Yu et al. (2012) untersuchten erstmals temperaturabhängige Fluoreszenz in Kohlenstoff-Nanopunkten und verglichen sie mit Halbleiter- und Metall-basierten Nanopartikeln. Sie nutzten zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC) zur Messung temperaturabhängiger Photolumineszenz-Lebensdauern. Die Photolumineszenz-Relaxationsdynamik wird bei höheren Temperaturen schneller, was auf nicht-strahlende Zerfallsprozesse zurückgeführt wird. Die Messung der Fluoreszenzspektren des CD-Films als Funktion der Temperatur von kryogen bis Raumtemperatur zeigte: Mit steigender Temperatur nimmt die Fluoreszenzintensität repetitiv ab.

Das PL-Spektrum weist asymmetrische Peaks auf, daher ließen sich die PL-Spektren bei jeder Temperatur gut durch eine Zwei-Gauß-Funktion anpassen: Hochenergieband (Band I), Niedrigenergieband (Band II). Die Energiebandlücke (Bandbreite) der Fluoreszenz wurde als Funktion der Temperatur untersucht. Die Gesamtbandbreite wird durch temperaturunabhängige (Elektron-Elektron-Streuung) und temperaturabhängige (Elektron-Phonon- und Oberflächen/Defekt-Streuung) Prozesse bestimmt. Die Bandbreite von Band I und II ist temperaturunabhängig, was darauf hindeutet, dass Elektron-Elektron-Wechselwirkung in CDs dominiert. Der schwache Temperatureffekt in CDs stimmt damit überein, dass der Hauptwechselwirkungsmechanismus Elektron-Elektron-Wechselwirkungen statt Elektron-Phonon-Kopplung beinhaltet. Ein breites PL-Band (> 100 nm) selbst bei sehr niedriger Temperatur (77 K) deutet auf starke Elektron-Elektron-Wechselwirkung hin. Dieses Ergebnis ähnelt metallischen Nanoclustern und unterscheidet sich von Halbleiter-QDs. Yu und Mitarbeiter spekulierten, dass π-Elektronen in CDs ähnlich wie freie Elektronen in metallischen Nanoclustern agieren.

Kalytchuk et al. synthetisierten hochlumineszente, wasserlösliche N,S-CDs durch einstufige hydrothermale Behandlung von Zitronensäure und L-Cystein. Sie erfassten stationäre Absorptionsspektren über einen weiten Temperaturbereich zur Charakterisierung der temperaturabhängigen PL-Eigenschaften. Die Absorptionsspektren von N,S-CDs in Wasser bei 10–70 °C (5 °C-Schritte) zeigten: Im Gegensatz zu Halbleiter-Nanokristallen änderten sich Position und Intensität des Absorptionsbands nicht mit der Temperatur. Ähnliche Ergebnisse wurden für CDs aus hydrothermaler Glukosebehandlung mit Glutathion berichtet.

Ein Farbplot der PL-Spektren von N,S-CDs bei 2–80 °C (2 °C-Schritte) zeigte: Temperaturerhöhung reduzierte die PL-Emissionsintensität um etwa Faktor 2 ohne detektierbare Verschiebung der PL-Emission. Die Position des PL-Emissionsmaximums, die PL-FWHM und die integrierte PL-Intensität wurden quantitativ bestimmt (Abb. 3c–e). Der PL-Peak-Position von N,S-CDs zeigt schwache Temperaturabhängigkeit, im Gegensatz zu den meisten Halbleiter-Nanokristallen, deren Bandlücke sich mit Temperatur ändert und PL-Emissionsverschiebung induziert. Die PL-FWHM zeigt nur unbedeutende Verbreiterung (1,4 ± 1 nm) über denselben Temperaturbereich – der PL-Peak von N,S-CDs zeigt vernachlässigbare thermische Verbreiterung. Zur Charakterisierung nicht-strahlender Relaxationsprozesse analysierten sie das Quenching der integrierten PL-Intensität als Funktion der Temperatur. Ein Plot der temperaturabhängigen integrierten PL-Intensität (normiert auf Intensität bei 2 °C) zeigt monotonen Abfall über den untersuchten Bereich; bei 80 °C beträgt die Intensität etwa die Hälfte von 2 °C. Daraus wurde die Aktivierungsenergie des thermischen Quenchings für CDs zwischen 2 und 80 °C auf 17,0 ± 0,7 meV geschätzt (Arrhenius-Formel), nahe am Wert von Yu et al.

Zudem untersuchten Kalytchuk et al. die Emissionsdynamik von CDs bei verschiedenen Temperaturen. Abbildung 4a–c zeigt die starke Temperaturabhängigkeit der zeitaufgelösten PL-Emission mit transienten PL-Emissionskarten bei 2, 50 und 80 °C. Ein klarer Rückgang des PL-Abfalls mit steigender Temperatur deutet auf zufriedenstellende Eigenschaften für PL-Lebensdauer-basierte Temperatursensorik hin. Wichtig: Über die gesamten Emissionsprofile der Punkte wurde bei allen untersuchten Temperaturen ein spektral einheitlicher, einfachexponentieller Abfall beobachtet, was darauf hindeutet, dass Rekombination über sehr ähnliche, hochemissive Kanäle im gesamten CD-Ensemble erfolgt. Die PL-Dynamik der CDs ist wohl ihre vielversprechendste Eigenschaft für Temperatursensorik-Anwendungen. Spezifisch macht die Temperatursensitivität der CDs sie zu PL-Lebensdauer-Nanothermometern.

Die Variation der PL-Lebensdauer von CDs bei 2–80 °C wurde gründlich untersucht; Abb. 4d,e zeigt zeitaufgelöste PL-Daten am PL-Emissionsmaximum als Funktion der Temperatur. Ein Farbplot des transienten PL über den Temperaturbereich zeigt, dass Temperaturerhöhung zu monotoner Verkürzung des scheinbaren PL-Abfalls führt. Alle aufgezeichneten Abfallkurven wurden mit einer einfachen Exponentialfunktion angepasst. Daten der extrahierten Lebensdauern in Abb. 4e: Mit Temperaturanstieg von 2 auf 80 °C nimmt die PL-Lebensdauer monoton von 11,0 auf 5,3 ns ab. Der Temperaturbereich (2–80 °C) deckt sowohl physiologisch relevante Temperaturen als auch typische Betriebstemperaturen vieler elektronischer Geräte ab. Die absolute pseudo-lineare Sensitivität dieser PL-Lebensdauer-basierten CD-Thermsonde beträgt 0,08 ns K⁻¹, die maximale relative Sensitivität 1,79 % K⁻¹ bei 62 °C. Die einfachexponentielle Anpassung des PL-Abfalls des CD-basierten lumineszenten Nanoprobens über den Temperaturbereich liefert einen einzelnen Parameter, die PL-Lebensdauer (τ), der direkt mittels Kalibrierkurve in Temperatureinheiten umgerechnet werden kann. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber typischen Halbleiter-Quantenpunkten, die multiexponentiellen Abfall zeigen und ihre Nützlichkeit in PL-Lebensdauermessungen limitieren.

Sie untersuchten auch die Temperaturabhängigkeit der PL-Lebensdauer in Phosphatpufferlösung (PBS) und Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) – ähnliches Verhalten.

Zur Demonstration der Wiederverwendbarkeit von CD-basierten Lumineszenzthermometern wurden PL-Abfallkurven ausgewählter Proben über sieben aufeinanderfolgende Heiz-/Kühlzyklen zwischen 15 und 45 °C gemessen (Abb. 5a). In jedem Messzyklus wurde der PL-Abfall nach 5-minütiger thermischer Gleichgewichtung gemessen. Keine thermische Hysterese wurde beobachtet; die resultierende PL-Lebensdauervariation als Funktion der Zeit (Abb. 5b) demonstriert exzellente thermische Stabilität der PL-Lebensdauer der CDs.

Später wurden mehrere CDs mit temperaturabhängiger Emission mittels verschiedener Synthesemethoden hergestellt: hydrothermal/solvothermal, Hitzereflux, Laserablation (Tabelle 1). Die hergestellten CDs zeigten lineare temperaturabhängige Fluoreszenz im physiologischen Bereich (Tabelle 1). Die Fluoreszenzintensität der CDs nahm mit steigender Temperatur ab. Reversibilität und Wiederherstellbarkeit der Fluoreszenzintensität wurden in allen Artikeln untersucht. Abbildung 6 zeigt einige gemeinsame Eigenschaften von CDs aus verschiedenen Artikeln.

Nguyen et al. synthetisierten CDs mittels Femtosekunden-Laserablation von Graphitpulver in Ethylendiamin. Auf der Oberfläche bildeten sich reichlich Funktionsgruppen, die multiple Oberflächenzustände und Multi-Emission der CDs erzeugen. Sie untersuchten die temperaturabhängige Fluoreszenzsensitivität mittels stationärer Fluoreszenzspektren. Die temperaturabhängigen Emissionsspektren bei 320 nm Anregung zeigen: Beide Fluoreszenzintensitäten der 400- und 465-nm-Peaks nehmen mit Temperaturerhöhung allmählich ab aufgrund thermischer Aktivierung nicht-strahlender Zerfallspfade. Die Peakintensitäten ändern sich linear mit Temperatur von 5 bis 85 °C. Temperatursensitive CDs zeigten Fluoreszenzintensitätsänderungen von 3,3 und 2,1 % pro °C für 400- und 465-nm-Peaks – sie eignen sich als konventionelle intensitätsbasierte Temperatursensoren mit hoher Sensitivität.

Bemerkenswert macht die einzigartige Multi-Emission die CDs zu vielversprechenden Fluorophoren für ratiometrische fluoreszente Temperatursensoren. Das Verhältnis der zwei Fluoreszenzintensitäten bei 400 und 465 nm (320 nm Anregung) vs. Temperatur zeigt sehr gute lineare Beziehung im weiten Bereich 5–85 °C (R² = 0,998). Thermische Linearität ist vorteilhaft, da sie die Korrelation zwischen Peak-Intensitätsverhältnis und Temperatureinfach macht und konstante thermische Sensitivität über den gesamten Dynamikbereich bietet. Die Temperatursensitivität der CDs beträgt 1,48 % °C⁻¹, vergleichbar mit anderen Materialien. Der Temperaturantwortbereich der CDs ist viel breiter als bei anderen dual-emissiven Temperatursensoren und deckt sowohl physiologische Temperaturen für Biologiestudien als auch Arbeitstemperaturen vieler elektronischer Geräte ab. Neben 320 nm funktionieren CDs auch bei 340 und 365 nm Anregung mit gleicher Sensitivität – nutzbar für Temperatursensorik in vielen praktischen Anwendungen durch Auswahl unterschiedlicher Arbeitswellenlängen.

Der ratiometrische Temperatursensor war reversibel zwischen 20 und 50 °C (vier Zyklen) und photostabil (bei Änderung der Lichtquellenintensität). Dies deutet auf Stabilität und Robustheit des CD-Sensorsystems hin gegenüber Änderungen in Probenkonzentration, Anregung oder Detektionseffizienz.

Steigende Temperatur führt nicht immer zu PL-Quenching; PL-Verstärkung ist ebenfalls möglich. Macairan et al. zeigten PL-Verstärkung dual-fluoreszierender CDs mit steigender Temperatur. Sie bereiteten biokompatible dual-fluoreszierende CDs in einem einstufigen mikrowellenunterstützten Verfahren aus Formamid und Glutathion her. Nach Anregung bei 640 nm stieg Fluoreszenzintensität und integrierter PL-Bereich über 5–60 °C um Faktor 3,5 (Abb. 8a). Abb. 8b zeigt lineare Antwort (R² = 0,999) über den gesamten Bereich; Temperatursensitivität bis zu 3,71 % °C⁻¹.

Temperaturabhängige Fluoreszenz wurde auch bei Anregung 405 nm untersucht. Interessanterweise reagieren blaue und rote Fluoreszenzbänder nicht gleich empfindlich auf Temperaturänderungen. Mit steigender Temperatur zeigt die blaue Komponente nur leichten Abfall, die rote Komponente signifikanten Anstieg (Abb. 8c). Über 5–60 °C nimmt blaue Emission um Faktor 1,3 ab, rote Emission um Faktor 3,0 zu. Das Verhältnis rot/blau nimmt mit Temperatur zu, hochlineare Antwort (R² = 0,998), tripliziert an 3 einzigartigen Proben. Thermische Sensitivität variierte über den gesamten Bereich von 1,33 bis 4,81 % °C⁻¹ – Verbesserung gegenüber früheren CD-Nanothermometrie-Systemen und anderen dual-emittierenden Nanomaterialien wie Quantenpunkten und MOF-Farbstoff-Kompositen. Thermische Auflösung der CDs berechnet zu 0,048 K⁻¹ – Messung kleiner thermischer Änderungen ist möglich.

Zhang et al. synthetisierten CDs mit temperaturresponsiven Eigenschaften im Bereich 25–95 °C, exzellenter Sensitivität und bemerkenswerter Reversibilität/Erholbarkeit (Abb. 9a). CD/Epoxy-Komposite wurden durch gleichmäßiges Dotieren von CDs in Epoxidharz hergestellt. 5 µg CDs in 50 µL Triethylentetramin (TETA) gelöst, 350 µL Epoxidharz hinzugefügt, hochgeschwindigkeitsgerührt. Das resultierende Komposit zeigte signifikant verbesserte Temperaturantwort.

Epoxidharz ist ein gängiges Duroplast, weit verbreitet zur Verkapselung von LED-Chips. Abb. 9b zeigt optische Mikrographien von CD/Epoxy-Komposit-Scheiben (~2 cm Durchmesser, 8–10 mm Dicke). Ausgehärtete Komposite sind transparent, Fluoreszenz-Emissionsspektren in Abb. 9c. Emissionspeak des Komposits ist blauverschoben um ~10 nm gegenüber CD-Lösung. Temperaturantwort des Komposits signifikant verbessert: Im Bereich 25–95 °C nimmt Fluoreszenzintensität um 35 % mit Temperaturerhöhung ab – mehr als doppelt so viel wie im Lösungszustand, lineare Ergebnisse stabiler. Lineare Gleichung: I₀/I = 0,0074 [°C] + 0,80454 (R² = 0,99724), wobei I₀ und I Fluoreszenzintensität vor/nach Temperaturanstieg sind, Anregung 360 nm. Blauverschiebung und verbesserte Temperaturantwort könnten auf Änderungen der Dielektrizitätskonstante der CD-Umgebung zurückzuführen sein. Das Komposit hat breiten Temperaturdetektionsbereich, exzellente Sensitivität und Stabilität – geeignet als Temperatursensor basierend auf fluoreszierendem Nanomaterial in verschiedenen Umgebungen.

Mechanismus der Thermosensorik

Bisher gibt es keinen etablierten Mechanismus zur Erklärung des Thermosensorverhaltens von Kohlenstoffpunkten. Einige Berichte führen den Mechanismus auf thermische Aktivierung nicht-strahlender Kanäle von Oberflächen (Fallen/Defekt-) Zuständen zurück. Das allgemeine Bild: Bei niedrigen Temperaturen waren nicht-strahlende Kanäle nicht aktiviert, angeregte Elektronen konnten strahlend Photonen emittieren. Bei Temperaturerhöhung werden mehr nicht-strahlende Kanäle aktiviert, angeregte Elektronen kehren über nicht-strahlende Prozesse in den Grundzustand zurück, was Fluoreszenzabnahme bewirkt. Der Mechanismus der CD-Emission bei Heizung/Kühlung ist in Abbildung 10 schematisch dargestellt.

Um die Thermodynamik der CD-Emissionsprozesse besser zu verstehen, korrelierten Kalytchuk et al. die strahlende (τᵣ⁻¹) und nicht-strahlende (τₙᵣ⁻¹) Rekombinationsrate einer CD-Probe mit ihrem PL-Quantenausbeute. Die strahlende Rate ergibt sich aus PL-Quantenausbeute (QY) und gemessener Rekombinationsrate τ⁻¹: τᵣ⁻¹ = QY × τ⁻¹. Die nicht-strahlende Relaxationsrate: τₙᵣ⁻¹ = τ⁻¹ − τᵣ⁻¹. Die PL-QY der CDs bei verschiedenen Temperaturen wurde aus temperaturabhängiger Absorption und integrierter PL-Intensität zusammen mit der bei Raumtemperatur bestimmten PL-QY berechnet. Beide aus zeitaufgelösten PL-Messdaten abgeleiteten Rekombinationsraten sind in Abb. 11 als Funktion der Temperatur aufgetragen. Die strahlende Rekombinationsrate ist bis 70 °C größer als die nicht-strahlende und variiert zwischen 2 und 80 °C kaum (0,74–0,82) × 10⁶ s⁻¹. Im Gegensatz dazu zeigt die nicht-strahlende Rekombinationsrate einen ausgeprägten (fast 7-fachen, von 0,16 × 10⁶ auf 1,12 × 10⁶ s⁻¹) monotonen Anstieg bei Temperaturerhöhung von 2 auf 80 °C. Temperaturabhängiger Crossover der strahlenden und nicht-strahlenden Raten tritt bei 70 °C auf, wo PL-QY 50 % beträgt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Temperaturaktivierung des PL-Quenchings in ihren CDs primär durch Aktivierung nicht-strahlender Relaxationskanäle verursacht wird.

Guo et al. führten thermisches Quenching ihrer CDs nicht nur auf Aktivierung nicht-strahlenden Zerfalls, sondern auch auf nicht-strahlendes Trapping mit steigender Temperatur zurück. Sie maßen temperaturabhängige Abklinglebensdauern (Abb. 12a). Daten bei Emissionsmaximum als Funktion der Temperatur unter 320 nm Laseranregung. PL-Lebensdauer fällt von 15,03 auf 11,70 ns bei Temperaturerhöhung von 283 auf 343 K – zurückzuführen auf nicht-strahlende Zerfallsprozesse. PL-Relaxationsdynamik zeigt mit steigender Temperatur multiexponentiellen Abfall, was komplexe Relaxationsprozesse photoangeregter Ladungsträger nahelegt. Nicht-strahlendes Trapping nimmt mit steigender Temperatur zu, quantitativ analysierbar via Arrhenius-Plot der integrierten PL-Intensitäten: I = I₀ / [1 + a exp(−Eₐ/kT)].

Eₐ ist Aktivierungsenergie, k Boltzmann-Konstante, a Konstante. Abb. 12a zeigt Plot der Emissionsintensität vs. 1/T, Aktivierungsenergie Eₐ = 0,329 ± 0,02 eV. Um den Grund für thermisches Quenching der CD-Emission zu untersuchen, wurden strahlende (Vᵣ) und nicht-strahlende (Vₙᵣ) Rekombinationsraten aus Lebensdauer (τ*) und Quantenausbeute (QY) bestimmt: τ* = 1/(Vᵣ+Vₙᵣ); QY = Vᵣ/(Vᵣ+Vₙᵣ). QY bei verschiedenen Temperaturen aus temperaturabhängiger Absorption und integrierter PL-Intensität mit QY bei Raumtemperatur. Strahlende Raten zeigen leichten Rückgang bei Temperaturerhöhung 283–343 K; nicht-strahlende Rekombinationsraten steigen graduell um ~2-fach. Dies bestätigt, dass temperaturaktiviertes PL-Quenching in CDs hauptsächlich auf Aktivierung nicht-strahlender Relaxationskanäle zurückzuführen ist.

Weitere Gruppen nutzten mikroskopische und spektroskopische Techniken zum Verständnis des Thermosensor-Mechanismus von CDs.

Wang et al. nutzten TEM und UV-Vis-Spektren zur Untersuchung temperaturresponsiven PL-Verhaltens. Abb. 13a: CDs zeigen keine Änderung in UV-Vis-Spektren bei Temperaturerhöhung 20–80 °C. Durchschnittlicher Durchmesser der CDs stieg jedoch von 2,6 ± 0,2 nm (Raumtemperatur) auf 4,4 ± 0,2 nm (80 °C) (Abb. 13b). Temperaturerhöhung verursacht Aggregation der CDs, was offensichtliches Fluoreszenz-Quenching bewirkt.

He et al. berichteten, dass hydratisierter Partikeldurchmesser ihrer CDs mit Temperaturerhöhung zunimmt (Abb. 14a) – Temperaturanstieg führt zu CD-Aggregation, resultierend in Fluoreszenz-Quenching. Bei Temperaturabnahme nimmt hydratisierter Partikeldurchmesser ab (Abb. 14b) – Kühlung kann Depolymerisation der CDs bewirken.

Cui et al. führten Fluoreszenz-Quenching ebenfalls auf CD-Aggregation zurück. Sie versuchten undotierte CDs (nur Acrylsäure als Vorstufe) für Temperatursensoren. Leider zeigten undotierte CDs schwächere Quenching-Effekte bei gleicher Temperaturerhöhung als dotierte CDs.

Yang et al. schlugen zwei Schlüsselfaktoren für temperaturabhängige PL-Eigenschaften von N-CDs vor: (i) Oberflächenfunktionalgruppen, (ii) Wasserstoffbrückenwechselwirkungen. Zur Untersuchung des ersten Faktors (oberflächenhaltige O-Gruppen) behandelten sie N-CDs (4,0 mL) mit starkem Reduktionsmittel NaBH₄ (1,0 mL, 0,1 mol L⁻¹) zur Entfernung von C=O-Spezies auf CD-Oberfläche. Erhaltene reduzierte N-CDs (r-N-CDs) zeigen schwächere Fluoreszenzintensität als N-CDs (Abb. 15a). Fluoreszenzintensität von r-N-CDs nimmt nur um 13 % ab bei Temperaturerhöhung 20–80 °C (Inset Abb. 15a) – deutlich geringere Temperatursensitivität, zugeschrieben verringerten O-haltigen Gruppen.

Zweiter Faktor: Einfluss von Wasserstoffbrücken mit Lösungsmittel auf Fluoreszenzverhalten von N-CDs. N-CDs-Lösung (1,0 mL) auf Filterpapier getropft, an Luft getrocknet – festes Sample emittiert weiter helle Fluoreszenz. Keine offensichtliche Änderung der Fluoreszenzintensität des festen N-CDs mit Temperaturerhöhung. Fluoreszenz von N-CDs in Ethanol gemessen: Intensität in C₂H₅OH niedriger als in Wasser, geringe PL-Intensitätsvariation bei 20–80 °C (Abb. 15b). Starke Wasserstoffbrücken spielen Schlüsselrolle in temperaturabhängiger PL-Eigenschaft von N-CDs. Abb. 15c zeigt schematischen Mechanismus.

Unsere Gruppe nutzte gleiche experimentelle Strategie wie Yang-Gruppe; in beiden Fällen wurden r-CDs- und e-CDs-Emissionen linear mit steigender Temperatur gequenched, genauso wie ursprüngliche CDs (Abb. 16). Unsere Ergebnisse schließen synergistische Effekte reichlicher sauerstoffhaltiger Funktionalgruppen und Wasserstoffbrücken aus.

Bioimaging in lebenden Zellen (Thermisches Imaging)

In der Literatur untersuchten nur wenige Artikel temperaturresponsive fluoreszierende Eigenschaften von CDs in biologischer Bildgebung. Vor solchen Experimenten ist in-vitro-Zytotoxizitätsanalyse essenziell, um CD-Toxizität in lebenden Organismen abzuschätzen. In-vitro-Zytotoxizität bewertet Einfluss des Nanomaterials auf kultivierte Zellen.

Yang et al. verifizierten CDs als effektives Thermometer in lebenden Zellen: HeLa-Zellen nach 6 h CD-Behandlung mit PBS gewaschen. Helle blaue Fluoreszenz der CDs in HeLa-Zellen bei 25 °C (Abb. 17a). Bei 37 °C wird blaue Fluoreszenz schwächer (Abb. 17b), bei Rückkühlung auf 25 °C erholt sich Fluoreszenz (Abb. 17c). Als Thermos-Imaging in vivo: Fluoreszenzbilder von Mäusen unmittelbar nach N-CD-Injektion bei verschiedenen Temperaturen. Fluoreszenzintensität bei 28 °C als Referenz (I₀), I/I₀ im Injektionsbereich variiert von 1,0 auf 0,87 bei Temperaturerhöhung 28–34 °C (Abb. 17d,e). Bei weiterer Erhöhung auf 43 °C fällt I/I₀ auf 0,52, Fluoreszenz kaum detektierbar (Abb. 17f). I/I₀ reversibel steigerbar von 0,66 auf 1,0 bei Temperatursenkung 39–28 °C (Abb. 17g–i). Alle Ergebnisse zeigen: N-CDs als effektives in-vitro und in-vivo Nanothermometer.

In einem explorativen Experiment testeten Kalytchuk et al. die Kapazität von CDs für intrazelluläre Temperaturüberwachung in menschlichen Zervixkrebs-HeLa-Zellen. Abb. 18 zeigt gemessene intrazelluläre Temperaturen von HeLa-Zellen inkubiert mit CDs (500 µg/mL). PL-Abfallkurven bei jeder Temperatur hochreproduzierbar, an allen Temperaturen mit einfacher Exponentialfunktion anpassbar. Abb. 18a: Aufgezeichnete PL-Abfallkurven für 25–50 °C (5 °C-Schritte) als Symbole, einfachexponentielle Fits als durchgezogene Linien. PL-Signal in PL-Lebensdauermessungen stammte exklusiv von CDs bei CD-Konzentration ≥ 100 µg/mL. Intrazelluläre Temperatur pro Messung bestimmt aus Kalibrierkurve zwischen PL-Lebensdauern bei Temperaturerhöhung 2–80 °C. So bestimmte Temperaturen (T_meas) als Funktion der PL-Lebensdauer in Abb. 18b. Unabhängig wurde Zelllösungstemperatur mit kalibriertem Referenzthermometer bestimmt (T_set in Abb. 18b). Temperaturen des lumineszenten CD-Probes und Referenzdetektors stimmen gut überein. PL-Lebensdauer von CD-basierten Nanoprobens kann zuverlässig intrazelluläre Temperaturen messen.

Zur Bewertung des Potenzials lumineszierter CD-Nanoproben für langfristige Echtzeit-Temperaturüberwachung wurden PL-Abfallprofile von HeLa-Zellen mit CDs (500 µg/mL) alle 15 min über 24 h aufgezeichnet. Extrahierte PL-Lebensdauern als Funktion der Zeit (Abb. 18c). Temperaturverlauf über Zeit via Kalibrierkurve (Abb. 18d). Proben-Temperatur pro Messpunkt mit Referenzthermometer (Reproduzierbarkeit 60 mK) bestimmt (Abb. 18e) – exzellente Übereinstimmung zwischen gemessenen und Referenztemperaturen. Hohe Genauigkeit der PL-basierten Temperaturmessungen durch statistische Analyse der Differenzen (Abb. 18f). Absoluter durchschnittlicher Genauigkeit der Temperatursensorik: 0,27 °C. Experiment bestätigt Potenzial CD-basierter Thermalsonden in biologischen Systemen.

Macairan et al. zeigten, dass ihre CDs für thermische Sensorik in Zellen mittels Intensitäts- und ratiometrischem Ansatz nutzbar sind. HeLa-Zellen mit CDs inkubiert, equilibriert bei 32, 37, 42 °C (Abb. 19). Anregung 640 nm zur selektiven Überwachung roter Fluoreszenz in Zellen. Thermische Änderungen könnten auf intrazelluläre Konzentrationsänderungen zurückzuführen sein oder nicht mit Intensitätsänderung korrelieren (λex = 640 nm) – könnte auf Konzentrationsänderungen oder Lokalisierung der CDs bei höheren Temperaturen zurückzuführen sein. Einfaches Verlassen auf Fluoreszenzintensitätsänderungen führt nicht zu präziser intrazellulärer thermischer Sensorik.

Diese Limitationen werden durch ratiometrischen Ansatz ausgeschlossen. CDs behalten duale blaue und rote Fluoreszenz in Zellen nach Anregung 405 nm, wie zuvor für kolloidale Dispersionen beobachtet (Abb. 19). Rot-zu-blau-Verhältnis steigt mit Temperatur: 1,8 (32 °C), 2,0 (37 °C), 2,3 (42 °C). Ratiometrische Beziehung der rot-blauen Fluoreszenz unterstreicht Vorteil ratiometrischer Temperatursensorik für fluoreszente Nano-Thermometriesonden. Relatives Rot-Blau-Emissionsverhältnis unbeeinflusst von CD-Menge in Zellen (beeinflusst durch Konfluenz, nicht konzentrationsabhängig). CDs zeigten Fluoreszenzreversibilität bezüglich intrazellulärer Temperaturänderungen. Nach Inkubation in HeLa-Zellen Heiz-/Kühlzyklus 32/42/32 °C – betont Robustheit des CD-Nanothermometers und demonstriert Fluoreszenzreversibilität.

Confocal-Laserscanning-Mikroskopie zum thermischen Imaging von Kolonkrebszellen HT-29 mit N,S,I-dotierten CDs (Abb. 20). Fluoreszenzspots temperaturabhängig (Abb. 20g–i): intensivster bei 15 °C, schwächster bei 35 °C. Fluoreszenzspots reversibel, sehr photostabil nach 20 min kontinuierlicher Anregung. Shin et al. nutzten ebenfalls Confocal-Mikroskopie für HeLa-Zellen (Abb. 20e–g).

Li et al. bereiteten Nanokomposit MnOx-CDs als nano-thermoresponsives Fluorophor für biologische Umgebungen. HepG2-Zellen inkubiert mit MnOx-CDs bei verschiedenen Kulturtemperaturen. Confocal-Laserscanning-Mikroskopie (Anregung 405 nm): Blaue Lumineszenz von MnOx-CDs in HepG2-Zellen schwach bei 40 °C (Abb. 21a), nimmt bei 30 °C (Abb. 21b) und 20 °C (Abb. 21c) zu. Aufgrund temperaturresponsiver Eigenschaften als Nanokomposit in biomedizinischen Feldern wie Bioimaging und photothermischer Therapie bei Krebstherapie anwendbar.

Schlussfolgerungen und zukünftige Perspektiven

Kohlenstoff-Nanopunkte weisen einzigartige Eigenschaften für Nanothermometrie auf: thermische Sensitivität, niedrige Kosten, Photostabilität. Flexible Oberflächenmodifikation und einfache Herstellung ebnen Weg für enorme Anzahl thermosensitiver Nanomaterialien für vielfältige Anwendungen. Gesamte Trends in thermosensiblen Nanomaterialien zielen auf verbesserte Photostabilität und thermische Auflösung mit kostengünstigen, sicheren Materialien. CDs lassen sich als neue Generation von Thermometern klassifizieren, die diese Anforderungen erfüllen und für biomedizinische Thermometrieanwendungen nutzbar sind – z. B. Temperaturüberwachung während Hyperthermiebehandlung. Einfache Herstellungsprotokolle, Biokompatibilität und leichte Funktionalisierung machen CDs zu vielversprechenden alternativen Nanothermometer-Materialien der nächsten Generation. Mehr Anstrengungen nötig für Grundlagenforschung. Limitationen überwinden: CD-basierte Nanothermometer mit verbesserter thermischer Sensitivität und breiterem Temperaturarbeitsbereich produzieren. Besseres Verständnis des Fluoreszenz-Thermosensor-Mechanismus ist weiterer Schlüsselaspekt, um CD-Struktur zu designen/manipulieren und thermische Auflösung zu verbessern. Mehr Experimente und theoretische Modellierung nötig, um Korrelation zwischen CD-Fertigungsmethoden und thermischem Verhalten zu verstehen.