Abstract

We have prepared and characterized several lanthanide ion complexes of multidentate ligands or chelates in an effort to develop new upconverting luminescent labels that can be immune to autofluorescence and photobleaching. This study has involved the characterization of various chelates of Nd, Er, and Tm with respect to relative luminescent efficiency and excited-state lifetimes and explored various two-photon stepwise excitation mechanisms. Using peak laser powers near 100kW, the upconversion emissions of Nd in Nd(EDTA)25 at 386nm, Er in Er(DPA)33 at 550nm, and Tm in Tm(DPA)33 at 480nm, at levels of 1012  moles can be detected.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. F. E. Auzel, Proc. IEEE 61, 758 (1973).
    [CrossRef]
  2. J. C. Wright, in Radiationless Processes in Molecules and Condensed Phases, F. K. Fong, ed. (Springer-Verlag, 1976), pp. 239–295.
    [CrossRef]
  3. Y. Mita, in Phosphor Handbook, S. Shionoya and W. M. Yen, eds. (CRC Press, 1999), pp. 643–650.
  4. F. Auzel, Chem. Rev. (Washington, D.C.) 104, 139 (2004).
    [CrossRef]
  5. E. Downing, L. Hesselink, J. Ralston, and R. Macfarlane, Science 273, 1185 (1996).
    [CrossRef]
  6. R. Scheps, Prog. Quantum Electron. 20, 271 (1996).
    [CrossRef]
  7. R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
    [CrossRef]
  8. C. Koeppen, G. Jiang, G. Zheng, and A. F. Garito, Opt. Lett. 21, 653 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. C. Reinhard and H. U. Gudel, Inorg. Chem. 41, 1048 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. I. Hemmila, S. Dakubu, V. M. Mukkala, H. Siitari, and T. Lovgren, Anal. Biochem. 137, 335 (1984).
    [CrossRef]
  11. R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
    [PubMed]
  12. G. W. Faris, W. H. Wright, S. Pati, L. V. Schneider, and D. A. Zarling, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, Vol. 3 of OSA Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America, 1996), pp. 225–228.
  13. J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. K. Binnemans, K. V. Herck, and C. Görller-Walrand, Chem. Phys. Lett. 266, 297 (1997).
    [CrossRef]
  15. E. M. Stephens, K. Schoene, and F. S. Richardson, Inorg. Chem. 23, 1641 (1984).
    [CrossRef]
  16. M. T. Devlin, E. M. Stephens, F. S. Richardson, T. C. V. Cott, and S. A. Davis, Inorg. Chem. 26, 1204 (1987).
    [CrossRef]
  17. W. D. Horrocks and D. R. Sudnick, J. Am. Chem. Soc. 101, 334 (1979).
    [CrossRef]

2004

F. Auzel, Chem. Rev. (Washington, D.C.) 104, 139 (2004).
[CrossRef]

2002

C. Reinhard and H. U. Gudel, Inorg. Chem. 41, 1048 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

2001

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

1997

K. Binnemans, K. V. Herck, and C. Görller-Walrand, Chem. Phys. Lett. 266, 297 (1997).
[CrossRef]

1996

C. Koeppen, G. Jiang, G. Zheng, and A. F. Garito, Opt. Lett. 21, 653 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

E. Downing, L. Hesselink, J. Ralston, and R. Macfarlane, Science 273, 1185 (1996).
[CrossRef]

R. Scheps, Prog. Quantum Electron. 20, 271 (1996).
[CrossRef]

1991

R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
[CrossRef]

1987

M. T. Devlin, E. M. Stephens, F. S. Richardson, T. C. V. Cott, and S. A. Davis, Inorg. Chem. 26, 1204 (1987).
[CrossRef]

1984

E. M. Stephens, K. Schoene, and F. S. Richardson, Inorg. Chem. 23, 1641 (1984).
[CrossRef]

I. Hemmila, S. Dakubu, V. M. Mukkala, H. Siitari, and T. Lovgren, Anal. Biochem. 137, 335 (1984).
[CrossRef]

1979

W. D. Horrocks and D. R. Sudnick, J. Am. Chem. Soc. 101, 334 (1979).
[CrossRef]

1977

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

1973

F. E. Auzel, Proc. IEEE 61, 758 (1973).
[CrossRef]

Auzel, F.

F. Auzel, Chem. Rev. (Washington, D.C.) 104, 139 (2004).
[CrossRef]

Auzel, F. E.

F. E. Auzel, Proc. IEEE 61, 758 (1973).
[CrossRef]

Binnemans, K.

K. Binnemans, K. V. Herck, and C. Görller-Walrand, Chem. Phys. Lett. 266, 297 (1997).
[CrossRef]

Carter, S. F.

R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
[CrossRef]

Cooper, D. E.

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Cott, T. C. V.

M. T. Devlin, E. M. Stephens, F. S. Richardson, T. C. V. Cott, and S. A. Davis, Inorg. Chem. 26, 1204 (1987).
[CrossRef]

Dakubu, S.

I. Hemmila, S. Dakubu, V. M. Mukkala, H. Siitari, and T. Lovgren, Anal. Biochem. 137, 335 (1984).
[CrossRef]

Davey, S. T.

R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
[CrossRef]

Davis, S. A.

M. T. Devlin, E. M. Stephens, F. S. Richardson, T. C. V. Cott, and S. A. Davis, Inorg. Chem. 26, 1204 (1987).
[CrossRef]

Devlin, M. T.

M. T. Devlin, E. M. Stephens, F. S. Richardson, T. C. V. Cott, and S. A. Davis, Inorg. Chem. 26, 1204 (1987).
[CrossRef]

Downing, E.

E. Downing, L. Hesselink, J. Ralston, and R. Macfarlane, Science 273, 1185 (1996).
[CrossRef]

Faris, G. W.

G. W. Faris, W. H. Wright, S. Pati, L. V. Schneider, and D. A. Zarling, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, Vol. 3 of OSA Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America, 1996), pp. 225–228.

Garito, A. F.

Görller-Walrand, C.

K. Binnemans, K. V. Herck, and C. Görller-Walrand, Chem. Phys. Lett. 266, 297 (1997).
[CrossRef]

Guarino, V. R.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Gudel, H. U.

C. Reinhard and H. U. Gudel, Inorg. Chem. 41, 1048 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Hall, M. P.

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Hampl, J.

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Hanna, D. C.

R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
[CrossRef]

Hemmila, I.

I. Hemmila, S. Dakubu, V. M. Mukkala, H. Siitari, and T. Lovgren, Anal. Biochem. 137, 335 (1984).
[CrossRef]

Herck, K. V.

K. Binnemans, K. V. Herck, and C. Görller-Walrand, Chem. Phys. Lett. 266, 297 (1997).
[CrossRef]

Hesselink, L.

E. Downing, L. Hesselink, J. Ralston, and R. Macfarlane, Science 273, 1185 (1996).
[CrossRef]

Hindman, D. H.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Horrocks, W. D.

W. D. Horrocks and D. R. Sudnick, J. Am. Chem. Soc. 101, 334 (1979).
[CrossRef]

Jiang, G.

Koeppen, C.

Lefkove, N.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Leif, R. C.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Lovgren, T.

I. Hemmila, S. Dakubu, V. M. Mukkala, H. Siitari, and T. Lovgren, Anal. Biochem. 137, 335 (1984).
[CrossRef]

Macfarlane, R.

E. Downing, L. Hesselink, J. Ralston, and R. Macfarlane, Science 273, 1185 (1996).
[CrossRef]

MacQueen, D. B.

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Mita, Y.

Y. Mita, in Phosphor Handbook, S. Shionoya and W. M. Yen, eds. (CRC Press, 1999), pp. 643–650.

Mufti, N. A.

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Mukkala, V. M.

I. Hemmila, S. Dakubu, V. M. Mukkala, H. Siitari, and T. Lovgren, Anal. Biochem. 137, 335 (1984).
[CrossRef]

Pati, S.

G. W. Faris, W. H. Wright, S. Pati, L. V. Schneider, and D. A. Zarling, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, Vol. 3 of OSA Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America, 1996), pp. 225–228.

Ralston, J.

E. Downing, L. Hesselink, J. Ralston, and R. Macfarlane, Science 273, 1185 (1996).
[CrossRef]

Reinhard, C.

C. Reinhard and H. U. Gudel, Inorg. Chem. 41, 1048 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Richardson, F. S.

M. T. Devlin, E. M. Stephens, F. S. Richardson, T. C. V. Cott, and S. A. Davis, Inorg. Chem. 26, 1204 (1987).
[CrossRef]

E. M. Stephens, K. Schoene, and F. S. Richardson, Inorg. Chem. 23, 1641 (1984).
[CrossRef]

Scheps, R.

R. Scheps, Prog. Quantum Electron. 20, 271 (1996).
[CrossRef]

Schneider, L. V.

G. W. Faris, W. H. Wright, S. Pati, L. V. Schneider, and D. A. Zarling, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, Vol. 3 of OSA Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America, 1996), pp. 225–228.

Schoene, K.

E. M. Stephens, K. Schoene, and F. S. Richardson, Inorg. Chem. 23, 1641 (1984).
[CrossRef]

Siitari, H.

I. Hemmila, S. Dakubu, V. M. Mukkala, H. Siitari, and T. Lovgren, Anal. Biochem. 137, 335 (1984).
[CrossRef]

Smart, R. G.

R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
[CrossRef]

Stephens, E. M.

M. T. Devlin, E. M. Stephens, F. S. Richardson, T. C. V. Cott, and S. A. Davis, Inorg. Chem. 26, 1204 (1987).
[CrossRef]

E. M. Stephens, K. Schoene, and F. S. Richardson, Inorg. Chem. 23, 1641 (1984).
[CrossRef]

Sudnick, D. R.

W. D. Horrocks and D. R. Sudnick, J. Am. Chem. Soc. 101, 334 (1979).
[CrossRef]

Szebesta, D.

R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
[CrossRef]

Thomas, R. A.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Tropper, A. C.

R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
[CrossRef]

Vallarino, L. M.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Watson, B. D.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Wright, J. C.

J. C. Wright, in Radiationless Processes in Molecules and Condensed Phases, F. K. Fong, ed. (Springer-Verlag, 1976), pp. 239–295.
[CrossRef]

Wright, W. H.

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

G. W. Faris, W. H. Wright, S. Pati, L. V. Schneider, and D. A. Zarling, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, Vol. 3 of OSA Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America, 1996), pp. 225–228.

Yao, Y.-M. M.

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Yopp, T. A.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Zarling, D. A.

G. W. Faris, W. H. Wright, S. Pati, L. V. Schneider, and D. A. Zarling, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, Vol. 3 of OSA Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America, 1996), pp. 225–228.

Zheng, G.

Anal. Biochem.

J. Hampl, M. P. Hall, N. A. Mufti, Y.-M. M. Yao, D. B. MacQueen, W. H. Wright, and D. E. Cooper, Anal. Biochem. 288, 176 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

I. Hemmila, S. Dakubu, V. M. Mukkala, H. Siitari, and T. Lovgren, Anal. Biochem. 137, 335 (1984).
[CrossRef]

Chem. Phys. Lett.

K. Binnemans, K. V. Herck, and C. Görller-Walrand, Chem. Phys. Lett. 266, 297 (1997).
[CrossRef]

Chem. Rev. (Washington, D.C.)

F. Auzel, Chem. Rev. (Washington, D.C.) 104, 139 (2004).
[CrossRef]

Clin. Chem.

R. C. Leif, R. A. Thomas, T. A. Yopp, B. D. Watson, V. R. Guarino, D. H. Hindman, N. Lefkove, and L. M. Vallarino, Clin. Chem. 23, 1492 (1977).
[PubMed]

Electron. Lett.

R. G. Smart, D. C. Hanna, A. C. Tropper, S. T. Davey, S. F. Carter, and D. Szebesta, Electron. Lett. 27, 1307 (1991).
[CrossRef]

Inorg. Chem.

C. Reinhard and H. U. Gudel, Inorg. Chem. 41, 1048 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

E. M. Stephens, K. Schoene, and F. S. Richardson, Inorg. Chem. 23, 1641 (1984).
[CrossRef]

M. T. Devlin, E. M. Stephens, F. S. Richardson, T. C. V. Cott, and S. A. Davis, Inorg. Chem. 26, 1204 (1987).
[CrossRef]

J. Am. Chem. Soc.

W. D. Horrocks and D. R. Sudnick, J. Am. Chem. Soc. 101, 334 (1979).
[CrossRef]

Opt. Lett.

Proc. IEEE

F. E. Auzel, Proc. IEEE 61, 758 (1973).
[CrossRef]

Prog. Quantum Electron.

R. Scheps, Prog. Quantum Electron. 20, 271 (1996).
[CrossRef]

Science

E. Downing, L. Hesselink, J. Ralston, and R. Macfarlane, Science 273, 1185 (1996).
[CrossRef]

Other

J. C. Wright, in Radiationless Processes in Molecules and Condensed Phases, F. K. Fong, ed. (Springer-Verlag, 1976), pp. 239–295.
[CrossRef]

Y. Mita, in Phosphor Handbook, S. Shionoya and W. M. Yen, eds. (CRC Press, 1999), pp. 643–650.

G. W. Faris, W. H. Wright, S. Pati, L. V. Schneider, and D. A. Zarling, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, Vol. 3 of OSA Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America, 1996), pp. 225–228.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1
Fig. 1

Energy-level diagram of Er 3 + and its stepwise excitation upconversion mechanism (not all energy levels are shown).

Fig. 2
Fig. 2

Upconversion emission spectra for Nd 3 + , Tm 3 + , and Er 3 + chelates.

Tables (2)

Tables Icon

Table 1 Most Efficient Pathways for Er 3 + , Nd 3 + , and Tm 3 + Chelates

Tables Icon

Table 2 Excited-State Lifetime for Different Er 3 + , Nd 3 + , and Tm 3 + Chelate Compounds

Metrics