Nachweis und Charakterisierung von Nanopartikeln in aquatischen Proben
Die Menge der technisch produzierten Nanopartikel, ebenso wie die Zahl ihrer Anwendungen in Materialien mit innovativen Eigenschaften, wächst stetig an. Die Exposition von Mensch und Umwelt und die damit einhergehende potentielle Schädigung von Gesundheit und Ökosystemen können daher nicht mehr ausgeschlossen werden. Nanopartikel finden in vielen alltäglichen Produkten wie zum Beispiel Kosmetika, Oberflächenveredelungen, Textilien und Reinigungsmitteln Anwendungen. Bedingt durch ihre geringe Größe besitzen diese Partikel eine erhöhte Reaktivität, mit der eine erhöhte Toxizität einhergeht. Die verfügbaren Methoden zum Nachweis von NPs in wässrigen Medien sind hinsichtlich ihrer Nachweisgrenze und Spezifität mit erheblichen Einschränkungen verbunden. Die Partikelkonzentrationen, die in wässrigen Umweltproben in der Regel zu erwarten sind, liegen deutlich unter den Nachweisgrenzen der meisten herkömmlichen Verfahren. Die Ziele meiner Arbeiten liegen daher in der Entwicklung neuer Methoden und Sensoren für den NP-Nachweis.
Hierfür wurde eine auf der Brown´schen Molekularbewegung basierende Apparatur zur Größenbestimmung entwickelt und erfolgreich zur Untersuchung des Agglomerationsverhaltens von Nanopartikel und deren Wechselwirkungen mit Proteinen und biologischen Medien angewandt. [1][2]
Im Laufe der Arbeit wurde ausgehend von dieser Apparatur, eine Kombination von Dynamischer Lichtstreuung (DLS) und Brown´scher Molekularbewegung (BM) entwickelt. Dieser neu entwickelte Dynamic-Particle-Sizer (DPS), ermöglicht es auch polydisperse Partikel-Ensembles präzise zu untersuchen. Ebenso befindet sich ein Single-Nano-Particle-Sensors (SNPS), welcher auf Lichtstreumethoden an Einzelpartikeln basiert, in der Entwicklung. Der SNPS soll die simultane Bestimmung von Partikelkonzentration und Partikelgröße, auch in extrem niedrig konzentrierten Suspensionen, ermöglichen.
Nanopartikel können entweder sterisch (z.B. durch eine feste Polymerhülle) oder ladungstabilisiert (durch geladene Moleküle, welche sich auf der Oberfläche befinden) sein. Um das Verhalten dieser Partikel in Umweltgewässern besser einschätzen zu können, wurde ihr Verhalten in Bezug auf verschiedene im Brauchwasser vorhandene Substanzen untersucht.
Zunächst wurde das Verhalten von ladungsstabilisierten Silbernanopartikeln in salzhaltigen wässrigen Medien untersucht. Hierbei zeigt sich das die repulsive Barriere ladungsstabilisierter Partikel durch ionische Komponenten zerstört werden kann und somit die Bildung von Agglomeraten (Verbundsbildung) begünstigt. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Ladung des Anions der ionische Komponente einen signifikanten Einfluss auf die Zerstörung der repulsiven Barriere hat. Bedingt durch den so stattfindenden Ladungstransfer kommt es zu einer Erhöhung der Agglomerationsgeschwindigkeit. Des Weiteren wurde ein neues Verfahren zur Bestimmung von Elementarladungen von Nanopartikeln entwickelt. [3]
Da sich im Brauchwasser allerdings nicht nur ionische Komponenten, sondern auch Biomoleküle wie Proteine oder Huminstoffe befinden, wurde in einer weiteren Messreihe das Verhalten von Citrat-stabilisierten Silbernanopartikeln bezüglich dieser Moleküle untersucht. Hier konnte exemplarisch gezeigt werden, dass Proteine in der Lage sind auf Partikeloberflächen zu absorbieren und diese somit gegen ionische Komponenten zu stabilisieren, wobei es hierbei nicht zu einer Agglomeratbildung kommt. [4]
Im Rahmen meiner Arbeit konnten bereits, mittels der entwickelten Methoden und Techniken, wertvolle Hinweise auf das Verhalten von Nanopartikeln in umweltähnlichen Modellproben gewonnen werden. Zukünftig wird nun das Verhalten von Nanopartikeln in realen Umweltproben untersucht um anschließend wichtige grundlegende Kenntnisse über das Verhalten und Vorhandensein von Nanopartikeln in Gewässern zu gewinnen und somit einen großen Beitrag zur Einschätzungen der Gefährdung von Ökosystemen zu erhalten.
[1] S. Kittler, C. Greulich, J. S. Gebauer, J. Diendorf, L. Treuel, L. Ruiz, J. M. Gonzalez-Calbet, M. Vallet-Regi, R. Zellner, M. Koller and M. Epple, J. Mater. Chem., 512-518 (2010).
[2] L. Treuel, M. Malissek, J. S. Gebauer and R. Zellner, Chem. Phys. Chem., 11, 3093-3099 (2010).
[3] J. S. Gebauer and L.Treuel, J. Col. Inter. Sci., 354, 546-554 (2011).
[4] J. S. Gebauer, M. Malissek, S. Simon, S. K. Knaur, M. Maskos, R. H. Stauber, W. Peukert and L. Treuel, Langmuir 28 (55), 9673-9679 (2012)