Quantitative Analyse von Nanopartikelwechselwirkungen und deren Verteilungen
Analytische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung einer neuen Methode zur Bestimmung von größen- und formabhängigen Verteilungen von Wechselwirkungskonstanten, Stöchiometrie und Kooperativität des reversiblen Aggregationsprozesses von Nanopartikeln (NPs), ausgehend von isotropen und monodispersen NPs, bis hin zu anisotropen und polydispersen NPs. Dazu wurden kombinierte Verteilungen von Sedimentations- und Diffusionskoeffizienten aus der Analytischen Ultrazentrifugation (AUZ) verwendet. Bei anisotropen Nanopartikeln sollten sowohl flächenabhängige Wechselwirkungen als auch Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen NPs untersucht werden. Frühe Stadien der Prozessentwicklung zeigten gute Ergebnisse für sphärische Polystyrol (PS) NPs. Die Titration der PS NPs in eine NaCl Lösung destabilisierte das System und führte zur Aggregation der NPs. Dieser Prozess konnte sowohl durch dynamische Lichtstreuung (DLS) als auch durch AUZ verfolgt werden. Durch Anpassung der Datenpunkte mit einer Adaption des Hill Adsorptionsmodells für NP–NP-Wechselwirkungen konnten Informationen über den Prozess selbst, die Dissoziationskonstante (KD), den Hill Koeffizienten (n), den Formfaktor und die maximale Anzahl der an ein Monomer gebundenen Partikel gewonnen werden. Die Werte wurden dann durch eine ergänzende Isothermal Titration Kalorimetrie (ITK) Messung verifiziert. Unter der Annahme, dass verschiedene Anpassungsmodelle den Aggregationsprozess am besten beschreiben, wurden die PS NPs anschließend durch einen anderen Mechanismus mit einer Dextranlösung destabilisiert, um die Eignung eines oder mehrerer Modelle zu bestätigen. Weitere untersuchte Systeme waren sphärische Carboxyl Siliziumdioxid Partikel (destabilisiert mit NaCl und Dextran), sphärische Goldpartikel, die mit Cetyltrimethylammoniumbromid (AuNS@CTAB) beschichtet waren, und, um den Formfaktor im Aggregationsprozess der NPs zu berücksichtigen, Gold-Nanostäbchen, die mit CTAB (AuNR@CTAB) beschichtet waren. Die Goldnanopartikel wurden mit Trinatriumcitrat (Na-cit) destabilisiert. Die Ergebnisse der Untersuchung der PS NPs mit AUZ wurden dann für eine 2D Auswertung verwendet, um Informationen über die Gesamtheit der Spezies und ihre Populationsdichte in der Probe und folglich über die hydrodynamische Radiusverteilung (rH) zu erhalten. In allen Fällen konnten die Daten durch eines der angepassten Modelle beschrieben und die Dissoziationskonstanten der interagierenden Teilchensysteme quantitativ bestimmt werden. In dieser Hinsicht stellt diese Arbeit einen ersten Schritt zur Untersuchung von Parametern der Teilchen–Teilchen-Wechselwirkungen dar. Die entwickelten Anpassungsgleichungen können auch auf andere reversible Systeme angewendet werden. Es wurden jedoch eine ganze Reihe von Einschränkungen oder Problemen festgestellt, sowohl bei den Systemen selbst als auch bei den für die Analyse gewählten Methoden.
