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SPP 2045 Teilprojekt „Fraktionierung von Nanopartikeln durch präparative Gelelektrophorese“

Projektbearbeiter: Matthäus Barasinski, Prof. Georg Garnweitner (TU Braunschweig, iPAT)

Monodisperse Nanopartikel mit völlig einheitlichen Eigenschaften hinsichtlich ihrer Größe und Morphologie sind bereits heute für optische (plasmonische) Anwendungen essentiell. In Zukunft werden solche Partikel für weitere Bereiche notwendig werden, wie z.B. in der Medizin oder bei Selbstanordnungsprozessen, wo einheitliche Nanopartikel eine hochgenaue Wirkungsweise bzw. eine hochgeordnete Struktur versprechen.
Da die benötigte enge Partikelgrößenverteilung bzw. Monodispersität nicht durch konventionelle Verfahren erreicht werden kann, soll in diesem Teilprojekt die präparative Gelelektrophorse zur Fraktionierung dieser synthetisierten Partikel genutzt werden. Dabei können Nanopartikel in einem geeigneten Gel aufgrund unterschiedlicher elektrophoretischer Mobilitäten (µ_E) räumlich separiert werden. Diese Mobilität lässt sich grundsätzlich mittels Messung des Zetapotenzials und Nutzung der Henry-Formel berechnen (s. Gl. 1).

Dieses Verfahren ist in der Biochemie zur Auftrennung von Makromolekülen bekannt (DNA-, Proteinaufreinigung) und soll hier auf Metalloxid-Nanopartikel übertragen werden. Als Modellsysteme werden SiO2- und ZnO-Nanopartikel in den Größen von 10 bis 200 nm verwendet. Als Trägermaterial für das Gel können Agarose oder Polyamid genutzt werden, welche durch Variation der Konzentration eine gezielte Einstellung der Porengröße erlauben. Wichtig dabei ist eine stets hoch definierte und reproduzierbare Porenstruktur.
Abbildung 1 zeigt beispielhaft die Wanderung von SiO2-Nanopartikeln mit einem mittleren volumetrischen Durchmesser von 25 nm in einem Agarosegel (1D-Gelelektrophorese) in Abhängigkeit von der Zeit.

Abbildung 1: Wanderstrecke der SiO2-Nanopartikel in Abhängigkeit der Zeit.

Um Einfluss auf die Wanderungsgeschwindigkeit der Partikel zu nehmen sind Modifikationen der Partikeloberfläche durch Anbindung von Liganden sowie des Gels (z.B. pH-Gradient, Passivierung) geplant.
Im weiteren Verlauf des Projekts soll eine zweidimensionale Gelelektrophoresekammer konzipiert werden (s. Abb. 2), welche eine Auftrennung der Nanopartikel nach Größe und Morphologie in zwei Dimensionen ermöglichen soll. Durch diese Apparatur sollen Partikelfraktionen im großen Maßstab und kurzer Zeit präparativ getrennt werden, was bedeutet, dass die Partikel in Form einer Dispersion in getrennten Fraktionen austreten. Dies macht diesen Prozess auch für spätere Anwendungen in größeren Maßstäben interessant. Die Konstruktion soll durch eine Farbkamera und eine in-situ UV/Vis-Messung an den Messpunkten ergänzt werden. Dafür wird das Multiplexingverfahren genutzt, welches es ermöglicht mit einem faseroptischen Photometer nahezu gleichzeitig an den verschiedenen Messpunkten zu messen. Durch die Annahme einer definierten Morphologie und der vorherigen Kalibrierung kann dadurch die Partikelgröße der bereits aufgetrennten Partikelfraktionen, errechnet werden.

Abbildung 2: 2-D Gelelektrophorese zur Auftrennung von Nanopartikeln

Der Trennerfolg soll mittels des oben angesprochenen UV/Vis-Messverfahrens nachverfolgt werden, wobei für ZnO-Nanopartikel eine online-Messung der Partikelgröße und Partikelmorphologie etabliert werden soll. Weitere wichtige Methoden zur Nachverfolgung des Trennerfolgs sind die dynamische Lichtstreuung (DLS) sowie die Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS). Stichprobenartig werden Methoden der Elektronenmikroskopie (TEM und Cryo-REM) zum Einsatz kommen. Dabei stellt die Isolierung der Nanopartikel aus dem Gel eine wesentliche Herausforderung dar.
Schlussendlich soll das Wanderungsverhalten der Nanopartikel durch das Gel im elektrischen Feld modelliert und simuliert werden. Dies ermöglicht eine Vorhersage über das Gel sowie die Parameter, die benötigt werden um ein bestimmtes Partikelsystem aufzutrennen.


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