Charakterisierung von Nanopartikel-Assemblies

Anbieter zum Thema

Aerzener Maschinenfabrik GmbH

Glatt GmbH

SEMATRACK GmbH

Universität Hamburg

Dynamische Lichtstreuung

Um die Assoziation und Aggregatbildung detailliert untersuchen zu können, finden vor allem Streumethoden und abbildende mikroskopische Methoden Verwendung. Streumethoden nutzen die Interferenz von Licht-, Röntgen- und Neutronen-Strahlen, um charakteristische Strukturmerkmale einer Probe zu erfassen. Besonders geeignet für eine schnelle Charakterisierung der Größenverteilung von Partikeln in Lösung ist die dynamische oder quasi-elastische Lichtstreuung. Entsprechende Geräte werden als particle sizer vertrieben. Mit solchen Geräten lässt sich schnell (innerhalb weniger Minuten) und quantitativ die Größenverteilung von Partikeln in einem Größenbereich von Nanometern bis Mikrometern bestimmen.

Abbildung 2 zeigt die gemessenen Größenverteilungen von einzelnen und assoziierten Nanopartikeln. Bei einer dichten Belegung mit Polyethylenglykol wird die Aggregation vollständig unterdrückt und die Nanopartikel liegen einzeln in Lösung vor. Die gemessene Größenverteilung besitzt einen Mittelwert von 15 nm. Dies entspricht dem Gesamtdurchmesser eines Nanopartikels mit zugehöriger Polymerschicht. Durch sukzessive Verringerung der Belegungsdichte mit Polymer setzt in kontrollierter Weise eine Aggregation ein. Dies ist an der Verschiebung der Größenverteilung auf 100 nm zu erkennen. Eine weitere Verringerung der Belegungsdichte führt zur Bildung noch größerer Aggregate. Die dynamische Lichtstreuung gibt somit einen ersten quantitativen Überblick über das Vorliegen von Aggregaten in Lösung.

Cryo-Transmissions-EM

Welche Struktur die gebildeten Aggregate in Lösung haben, lässt sich mithilfe der dynamischen Lichtstreuung nur im Fall sehr einheitlicher Aggregate sagen. Da sich häufig eher polydisperse und polymorphe Strukturen bilden, muss auf abbildende Charakterisierungsmethoden zurückgegriffen werden. Für Nanostrukturen ist die Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) eine sehr geeignete Methode, da auch hier ein Größenbereich von Nanometern bis Mikrometern erfasst werden kann. Ein Nachteil der Elektronenmikroskopie ist, dass üblicherweise nur feste Proben untersucht werden können; die Untersuchungen werden unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt. Bei Lösungsproben muss deshalb das Lösungsmittel entfernt werden. Durch das Eintrocknen können sich die in Lösung vorliegenden Strukturen stark verändern.

Die mittlerweile in vielen Labors etablierte Cryo-Elektronenmikroskopie (cryo-TEM) bietet die Möglichkeit, Strukturen in Lösung abzubilden. Dies ist insbesondere bei wässrigen Lösungen möglich. Dazu wird die Lösung auf einen porösen Träger aufgebracht und mit hoher Geschwindigkeit in flüssiges Ethan am Schmelzpunkt (-183 °C) eingeschossen. Dadurch werden extrem hohe Abkühlungsraten erreicht, die Wasser vitrifizieren und die Bildung von kristallinem Eis unterdrücken. Vitrifiziertes Eis ist in Schichten bis zu über 100 nm für Elektronenstrahlen transparent und erlaubt die Untersuchung der tatsächlich in Lösung vorliegenden Strukturen.

Abbildung 3 zeigt cryo-TEM-Aufnahmen von wässrigen Nanopartikel-Lösungen im nicht-aggregierten und aggregierten Bereich. Es ist zu erkennen, dass Nanopartikel mit abnehmender Stabilisierung sich systematisch zu definierten Multiplets, Clustern, Ketten und Netzwerken aggregieren. Dies ist erstaunlich, da Aggregate üblicherweise recht undefinierte Strukturen bilden. Die kontrollierte Aggregation über die Belegungsdichte mit Polymeren konnte in den Untersuchungen erstmals gezeigt werden. Im Fall der aggregierten Nanopartikel sind die gebildeten Ketten- und Netzwerkstrukturen so stabil, dass sie auch nach dem Eintrocknen der Lösungen erhalten bleiben. Somit können die Strukturen auch mit konventionellen TEM-Verfahren im Hochvakuum abgebildet werden (s. z.B. Abb. 5).

Bildung von Vesikeln

Bei weiterer Verringerung der Polymerbelegungsdichte wird die Bildung von Vesikeln beobachtet. Vesikelbildung ist von Lipiden und amphiphilen Polymeren bekannt. Im Falle von Nanopartikeln wurde dies von der Hamburger Arbeitsgruppe erstmals beobachtet. Wie bei den von Lipiden bekannten Liposomen werden auch von Nanopartikeln Mikrometer große giant vesicles gebildet. Diese Strukturen sind zu groß für eine Abbildung im cryo-TEM. Auf Größenskalen von Mikrometern sind Verfahren der optischen und Fluoreszenz-Mikroskopie sehr viel besser geeignet. Insbesondere die konfokale Laserscanning-Mikroskopie (CLSM) ist in den letzten Jahren stark verbessert worden. Die fluoreszierenden Nanopartikel können gut mithilfe der Konfokalmikroskopie abgebildet werden. Abbildung 4 zeigt von Nanopartikeln gebildete giant vesicles mit Durchmessern von mehreren Mikrometern. Durch Abrastern können dreidimensionale Rekonstruktionen der Vesikel hergestellt und damit die Topologie genauer bestimmt werden.

• Seite 2 beschreibt die dynamische Lichstreuung und die Cryo-Transmissions-EM
• Auf Seite 3 geht es um den Bildungsmechanismus der Nanopartikel-Aggregate

(ID:325772)