Veränderungen von Nanopartikeln in ihrem Lebenszyklus und Veränderung der lokalen Umgebung von Nanopartikeln

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Baumann
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 172114680

Synthetische anorganische Nanopartikel (EINP) unterliegen in der Umwelt Veränderungen, die ihre Mobilität und Toxizität beeinflussen. So wird in Anwesenheit von Huminstoffen (NOM) die kolloidale Stabilität erhöht, während sulfidische Überzüge die Freisetzung von ionischem Silber aus Silbernanopartikeln (Ag NP) reduzieren. Nach der Freisetzung in die aquatische Umwelt scheinen NOM einen stabilen Überzug um Ag NP zu bilden. Die oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (SERS) liefert Hinweise darauf, dass NOM den ursprünglichen Stabilisator (z. B. Citrat) verdrängen kann. Allerdings liefert die aktuell verfügbare Messtechnik, mit Ausnahme von SERS, nur einen sehr eingeschränkten Zugang zu den organischen Überzügen von EINP und so gut wie keine zeitliche Auflösung. Ein systematisches Monitoring der Veränderungen der Nanopartikel und ihrer Überzüge erfolgte auf Grund der analytischen Limitierung noch nicht. In der ersten Projektphase konnten mit SERS unterschiedliche, umweltrelevante Überzüge (Huminstoffe, Bodenextrakt) differenziert werden. Änderungen der spektralen Attribute legen eine Alterung der Überzüge und eine Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen nahe. Die Ergebnisse der Projekte MASK und PORESURFACE lassen darauf schließen, dass die Überzüge in einen ziemlich fest anhaftenden primären Teil (SERS Signal), und einen sekundären Teil (Fluoreszenzverstärkung), der durch Waschschritte entfernt werden kann, beschrieben werden müssen.Das Arbeitsprogramm der zweiten Phase basiert auf den folgenden Annahmen: Die Ausbildung eines Überzugs und dessen Veränderung liegen auf unterschiedlichen Zeitskalen und sind abhängig von den Sorptionskoeffizienten; höhere Konzentrationen von EINP können das lokale chemische Gleichgewicht verändern; abgesehen von sehr hohen Konzentrationen von EINP sind die Reaktionen an EINP lokal. Die Dynamik und die lokalen Reaktionen müssen erfasst werden, um den durch EINP ausgelösten Stress zu bewerten.Aufbauend auf der ersten Projektphase werden zeitaufgelöste Messungen der Stabilität und dynamischen Änderung von organischen Überzügen auf Ag NP und Au NP mittels SERS durchgeführt. Ein zeitaufgelöstes 3D Raman mapping von Modellsystemen und Umweltproben soll den Verbleib von EINP und die durch EINP ausgelösten Veränderungen erschließen. Die in der Forschergruppe vorhandenen, komplementären analytischen Methoden werden in einem gemeinsamen Experiment zur Klärung der Interaktion zwischen verschiedenen potenziellen Überzügen und Ag NP eingesetzt. Die Veränderung der Überzüge von Ag NP während des Transports in Bodensäulen wird an Modellsystemen im Labor und im Feldversuch untersucht. Um die Überzüge auf TiO2 NP, die an sich mit SERS nicht zugänglich sind, zu untersuchen sollen mikrostrukturierte, SERS-aktive Substrate eingesetzt werden.Die Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt stellen einen Eckpfeiler für das Verständnis der Funktion von EINP und dessen Bewertung im Rahmen der Forschergruppe INTERNANO dar.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1536: INTERNANO: Mobility, aging and functioning of engineered inorganic nanoparticles at the aquatic-terrestrial interface
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Reinhard Nießner