Optische Sonden für die Bildgebung auf Grundlage des pH-Wertes sind für die Wissenschaft von großem Interesse, da es sich beim pH-Wert um eine entscheidende Kenngröße für viele Prozesse in der Biotechnologie, Biologie, medizinische Diagnostik, biomedizinische Forschung und Materialkorrosion handelt. Optische pH-Sensoren, deren Funktionsprinzip auf dem photophysikalischen Prozess Fluoreszenz basieren, sind dabei von besonderem Interesse, da die Fluoreszenz eine sehr hohe Empfindlichkeit, welche sogar die Auflösung einzelner Moleküle ermöglicht, bietet. Dies ermöglicht den Einsatz von molekularen über nanoskaligen Sensorformaten bis hin zur Anwendung in planaren Optoden oder faseroptischen Sensoren, und gilt, neben der nicht-invasiven, zerstörungsfreien und kontaktlosen Natur optischer Fluoreszenzmessungen, als anwendungsfreundliche Eigenschaft dieser optischen Sensoren. Der Informationsgehalt fluoreszenzintensität-basierender Sensoren ist normalerweise unspezifisch auf die An- oder Abwesenheit des Fluorophors und des Analyten beschränkt. Weiterhin kann er durch Schwankungen der Intensität des Anregungslichts und Änderungen der Fluorophorkonzentration, z.B. durch Photodegradation, beeinflusst werden. Daher werden Fluoreszenzsensoren oftmals in referenzierten Systemen verwendet. Diese Systeme ermöglichen, durch die Einführung einer analyt-inerten Referenz, ein duales, ratiometrisches Auslesen der Fluoreszenzintensitäten von zwei spektral unterscheidbaren Komponenten. In dieser Arbeit wird das konzeptionelle Design einer modular variierbaren, auf mehreren Komponenten basierenden Plattform für die ratiometrische optische Analytmessung vorgestellt. Dazu wurden fluoreszente, leicht zugängliche und analyt-sensitive Boron-Dipyrromethene (BODIPYs) mit durch nahes Infrarot (NIR) anregbare, mehrfarbig emittierende Aufkonvertierungs-Nanopartikel (UCNPs) kombiniert. Das Sensorprizip beruht dabei auf einem inneren Filter-Effekt der spektral abgestimmten Komponenten. / Optical probes for monitoring, imaging, and sensing of pH are of great interest for the scientific community as pH is a crucial marker for many processes in biotechnology, biology, medical diagnostics, biomedical research, and material corrosion. Thereby, optical pH sensors based on fluorescence have attracted interest in particular as fluorescence offers a high sensitivity down to the single molecule level, can be read out with relatively simple and readily miniaturized instrumentation, and allows online in situ measurements. Also the versatility ranging from molecular and nanosensor formats to planar optodes and fiber-optic sensors, and the non-invasive, non-destructive, and contactless nature of the measurement are application-friendly features. The information content, which is offered by a fluorescence intensity-based sensor, is usually unspecific and limited on the presence or the absence of the chromophore or analyte and can additionally be hampered by fluctuation of the excitation light intensity and changes in fluorophore concentration, e.g., due to photobleaching. Therefore, many fluorescence sensors are utilized in referenced systems, which enable twowavelength ratiometric measurements of the fluorescence intensity by the introduction of an analyte-inert reference with a spectrally distinguishable emission. This work presents the rational design of a versatile, modular, multi-component-based platform for ratiometric optical analyte sensing that can be simply adapted to different formats and measurement geometries. Therefore, readily available analyte-responsive fluorescent boron-dipyrromethene (BODIPY) dyes and near infrared (NIR)-excitable multicolouremissive upconversion nanoparticles (UCNPs) were combined utilizing an inner filter-based strategy with spectrally matched moieties.

In dieser Arbeit wird die Solvatationsdynamik einer solvatochromen molekularen Sonde diskutiert, und zwar als Methode für den Erhalt von lokalen IR-THz-Spektren von komplexen Systemen. Durch Femtosekundenanregung wird die Ladungsverteilung der Sonde verändert, und als Folge davon wird ein elektrisches Feld induziert. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die im Lösungsmittel gelöste Sonde als Lichtquelle mit THz-Frequenzen. Da durch die Anregung das Gleichgewicht des Systems gestört wird, reorganisieren sich die Lösungsmittelmoleküle, sodass ein neues Gleichgewicht im angeregten Zustand entsteht. Die Bewegung der Lösungsmittelmoleküle ist (in gemittelter Form) als Stokes-Verschiebung des Fluoreszenz-Bandes beobachtbar. Durch eine geeignete Transformation der zeitaufgelösten Stokes-Verschiebung erhält man ein lokales IR-THz-Spektrum. Das Sondenmolekül wirkt daher auch als ein Detektor. Der Vorteil eines solchen "molekularen Spektrometers" ist sein mikroskopischer Aufenthaltsort, der u.a. sehr wichtig wird, wenn Messungen in Wasser durchgeführt werden: In diesem Fall macht eine intensive Absorption durch das Lösungsmittel das Eindringen von externen THz Strahlen tief in die Probe unmöglich. / Solvation dynamics of a solvatochromic molecular probe is discussed as a method to yield local IR-THz spectra of complex systems. After femtosecond excitation, the charge distribution of the probe is altered and, as a consequence, an electric field is generated. At this stage the solute acts as a light source with THz frequencies. Since by excitation the equilibrium of the system is perturbed, solvent molecules reorganize such that a new equilibrium is created in the excited state. This motion of solvent molecules can be seen (in an averaged form) by recording the Stokes shift of the fluorescence band. By an appropriate transformation of the time-resolved Stokes shift, a local IR-THz spectrum is obtained. The probe molecule therefore also acts as a detector. The advantage of such a “molecular spectrometer” is its locality, which becomes important when measurements are made in water. In this case, intense absorption by the solvent makes impossible the penetration of external THz beams deep into the sample.

Aufkonvertierungs-Nanokristalle (UCNPs), wie NaYF4 Kristalle, welche mit Yb3+ and Er3+ Ionen dotiert sind, emittieren höher energetisches Licht im ultravioletten/sichtbaren und nahinfraroten Bereich, nachdem sie mit weniger energiereichem nahinfraroten Licht angeregt wurden. Damit besitzen sie einzigartige optische Eigenschaften, wie verschiedenfarbige Emissionsbanden, verringerte Hintergrundfluoreszenz, größere Eindringtiefen in organisches Probenmaterial und eine hohe Lichtstabilität. Diese Eigenschaften sind besonders in der optischen Bioanalyse, in medizinischen und technischen Anwendungen von Vorteil. In dieser Arbeit werden die photophysikalischen und spektralen Eigenschaften von UCNPs im Ensemble und an Einzelpartikeln untersucht. Ein dafür entwickeltes konfokales Mikroskop ermöglicht Einzelpartikelmessungen bis in den Sättigungsbereich der UCNPs bei hohen Laser Anregungsleistungsdichten (P). Die erste Studie dieser Arbeit umfasst Ensemble- und Einzelpartikelmessungen an Kern und Kern-Schale 𝛽-NaYF4 Kristallen, welche mit 20% Yb3+ und 1% bis 3% Er3+ Ionen dotiert sind, wobei die optischen Eigenschaften P-abhängig über sechs Größenordnungen untersucht wurden. Die zweite Studie diskutiert die Einflüsse bei starker Änderung der Yb3+/Er3+ Ionen Dotierung anhand von drei verschiedenen Probensystemen. Diese unterscheiden sich sowohl in der Partikelgröße als auch in der Synthesevorschrift. Bei der dritten Studie wurde die direkte Anregung von Yb3+ mit der von Nd3+ Ionen an Nd/Yb/Er dotierten NaYF4 Partikeln bezüglich des aufkonvertierten Lumineszenz Verhaltens in Wasser verglichen. In weiteren Messungen wurde sowohl der Lumineszenz Resonanz Energie Transfer (LRET) ausgehend von einem UCNP zu dem Farbstoff Sulforhodamine B, als auch plasmonische Wechselwirkungen von Au-Schale UCNPs bei Einzelpartikelmessungen untersucht. / Upconversion nanoparticles (UCNPs), such as, NaYF4 crystals co-doped with Yb3+ and Er3+ ions, emit higher energetic light in the UV/vis and NIR range under lower energetic NIR excitation. This generates unique optical properties, for example, multi-colour band emissions, reduced background fluorescence, deeper tissue penetration depths and high photostability rendering UCNPs attractive options for bioimaging, medicinal and engineering applications. In this thesis the influence of multi-factor parameters on the photo-physical and spectroscopic properties of UCNPs are investigated under ensemble and single particle (SP) condition. For this purpose, a confocal laser scanning microscope was constructed to enable the characterisation of individual UCNPs up to their saturation conditions at high laser power densities (P). At first, ensemble and SP studies of core- and core-shell 𝛽-NaYF4 crystals co-doped with 20% Yb3+ and 1% to 3% Er3+ are performed over a P-range of six orders of magnitude. The second part of this thesis discusses influences in a wide variation in Yb3+/Er3+ ion doping concentration. Thereby, three different sample sets of varying size have been studied, using different synthesis approaches. A comparison of the Nd- and Yb-excitation of Nd/Yb/Er triple-doped NaYF4 UCNPs regarding their upconversion luminescence performance in water is provided in the third section of the thesis. In further studies, the process of luminescence resonance energy transfer (LRET) from an UCNP to the sulforhodamine B dye and the plasmonic interaction of an Au-shelled UCNP have been examined at the SP level.