Über anzahlbasierte Referenzmaterialien für die Charakterisierung von nanoskaligen Partikeln
Herausforderung Nanopartikelanalytik
Die hier genutzten besonderen Effekte und auch potenzielle Gefahren von Nanomaterialien resultieren aus derselben Eigenschaft: ihrer Größe. Bei Materialien mit Teilchengrößen unter 1 000 Nanometern können sich ihre physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften im Vergleich zu ihren makroskopischen Pendants erheblich verändern. Das Hauptmerkmal von Nanomaterialien ist ihr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wodurch ein großer Teil ihrer Atome oder Moleküle an der Oberfläche liegt und leicht mit der Umgebung reagieren kann. Dies führt z. B. zu erhöhter Reaktivität, katalytischer Aktivität, Löslichkeit und funktioneller Vielseitigkeit.
Die besonderen Eigenschaften von Nanopartikeln bergen neben den nutzbaren Vorteilen zugleich ein erhebliches umwelt- und gesundheitliches Gefährdungspotenzial, das bislang nur schwer quantifizierbar ist. In den vergangenen Jahren haben Studien vermehrt auf mögliche toxische Wirkungen hingewiesen. Aufgrund ihrer geringen Größe können Nanopartikel Zellmembranen überwinden, ins Blut gelangen und sogar die Blut-Hirn-Schranke überwinden und in das Gehirn eindringen. Daraus ergibt sich international ein wissenschaftlicher und regulatorischer Handlungsbedarf.
Auf Grund unterschiedlicher Zielsetzungen der jeweiligen Regulierungsbehörden ist die Definitionen von "Nanomaterialien" weltweit nicht einheitlich. Dies schafft in wissenschaftlichen, regulatorischen und industriellen Kontexten erhebliche Unklarheiten. Einige Wissenschaftler bezweifeln, dass es sinnvoll ist, eine konkrete Obergrenze festzulegen, und plädieren dafür, die Definition evidenzbasiert und bedarfsorientiert anzupassen.
Üblicherweise gelten Materialien mit mindestens einer Dimension zwischen einem und 100 Nanometern als Nanomaterialien, manche Definitionen reichen jedoch bis zu einem Mikrometer. Derzeitige Definitionen beinhalten einen quantifizierbaren Begriff, der entweder auf der Zahlenkonzentration oder dem Gewichtsprozentsatz basiert, um die Expositionsrisiken durch reale Partikelsysteme besser zu definieren. Die EU hat eine Definition vorgeschlagen, die auf der Partikelanzahl basiert. Zahlreiche Länder weltweit haben sich dieser Empfehlung angeschlossen und neue Maßstäbe gesetzt, indem sie Nanomaterialien nicht mehr ausschließlich über ihre Größe, sondern auch über ihre Anzahl quantifizieren.
Analytische Methoden zur Bestimmung der Anzahlkonzentration von ENMs wurden in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt. Jedoch sind für die Validierung der Methoden, für die Kalibrierungen der Geräte und somit für die Qualitätssicherung und Vergleichbarkeit von Ergebnissen zwischen verschiedenen Geräten, Laboren und Behörden verlässliche, gut charakterisierte Referenzmaterialien unerlässlich.
Entwicklung eines anzahlbasierten Referenzmaterials
Zusammen mit dem Kooperationspartner Applied Microspheres hat man sich beim Unternehmen Dr. Lerche der Herausforderung gestellt, ein Referenzmaterial zur Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration im Submikrometerbereich zu entwickeln, die den Bereich für viele gesundheits- und umweltrechtliche Überwachungsmaßnahmen angemessen abdecken soll. Ziel war die Entwicklung einer stabilen, homogenen Suspension mit einer geringen Konzentration gut charakterisierter Partikel im Submikrometerbereich. Die Entwicklung erfolgte unter Berücksichtigung der ISO 17034. Sie definiert Referenzmaterialien als ein Material, das in Bezug auf eine oder mehrere spezifizierte Eigenschaften hinreichend homogen und stabil ist und als geeignet für seinen Verwendungszweck im Messprozess erachtet wird.
Die Entwicklung dieses neuen Referenzmaterials mit nanoskaligen Partikeln ist auf Grund des physikalisch-chemischen Verhaltens der Nanopartikel mit einigen Herausforderungen verbunden. Eine Schwierigkeit besteht in der Herstellung einer stabilen, homogenen Suspension mit gut charakterisierten Partikeln. Bei höherer Konzentration neigen Nanopartikel zu Agglomeration insbesondere in wässrigen Medien. Außerdem können Partikel an Gefäßwänden adsorbieren und durch den Einfluss von Licht, Sauerstoff und bei bestimmten pH-Werten abgebaut werden. Solche Prozesse tragen dazu bei, dass sich die Anzahlkonzentration im Laufe der Zeit verändert. Geringfügige Kontaminationen durch Behältermaterialien führen ebenfalls zur Verfälschung der Messergebnisse.
Vorgehensweise
Bei der Auswahl von Material und Konzentration wurde die Kompatibilität des jeweiligen Materials sowie des Konzentrationsbereichs von 10³ bis 10¹² Partikeln/ml mit gängigen Analysemethoden und Messgeräten berücksichtigt.
Als geeignetes Material wurden 400 nm kleine Polystyrol-Partikel ausgewählt. Da Polystyrol einen hohen Brechungsindex aufweist eignet es sich besonders für die Kalibrierung lichtstreuender Messsysteme. Die Partikelgröße ist z. B. relevant für die Simulation kleiner biologischer Strukturen wie Organellen oder Vesikel und somit auch ideal zur Kalibrierung zytometrischer Systeme. Außerdem ist Polystyrol mechanisch und chemisch stabil, wodurch eine zuverlässige Langzeitstabilität gewährleistet wird. Da die Oberfläche der Polystyrol-Partikel funktionelle Gruppen tragen, die für eine elektrostatische Stabilisierung und Dispergierbarkeit im wässrigen Medium sorgen, ist der Einsatz von Tensiden nicht notwendig.
In einer ersten Machbarkeitsstudie wurde für die Bestimmung des optimalen Konzentrationsbereiches eine höher konzentrierte Stammlösung auf 105 bis 109 Partikel/ml verdünnt. Auf Grundlage bestehender Methoden und Geräte zur Messung der Partikelanzahl wurden für die weitere Entwicklung des anzahlbasierten Konzentrationsstandards die Zielkonzentrationen 106 und 108 Partikel/ml ausgewählt.
Die weiteren Messungen des Konzentrationsstandards und die statistischen Auswertungen erfolgten gemäß den Vorgaben der ISO 17034 und ISO Guide 35. Die Bestimmung von Partikelanzahlkonzentration und Partikelgröße erfolgte mit einem Einzelpartikel-Analysesystem basierend auf flowzytometrischer Grundlage (Hersteller: LUM). Die angewandte Methode zur Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration ist beim Unternehmen Dr. Lerche Teil der Akkreditierung nach ISO 17025.
Für jedes Referenzmaterial stellen die Homogenität des relevanten Messwertes über alle hergestellten Einheiten hinweg sowie dessen Stabilität zentrale Qualitätskriterien dar.
Neben der Lagerdauer können auch Faktoren wie die Temperatur, Lichteinwirkung sowie mechanische Belastungen während des Transports eine Rolle spielen. Letztere können dazu führen, dass Partikel irreversibel am Deckel haften oder Luft in das System eindringt, was wiederum Oxidationsprozesse auslösen kann. Mögliche Auswirkungen des Transports wurden im Rahmen von Kurzzeitstabilitätsmessungen untersucht, bei denen typische Belastungen während des Transports simuliert wurden. Die Haltbarkeit des Materials unter konstanten Temperaturbedingungen über einen festgelegten Zeitraum wurde durch Langzeitstabilitätsprüfungen bewertet.
Alle Messergebnisse wurden statistisch ausgewertet. Unter Berücksichtigung aller bekannten Fehlerquellen ergab sich für Anzahlkonzentration der Pilotcharge eine erweiterte Messunsicherheit von 15 %, bezogen auf eine Langzeitstabilität von maximal 12 Monaten.
Zusammenfassung
Technisch hergestellte Nanomaterialien sind immer häufiger anzutreffen und stellen ein unbekanntes Risiko für die Gesundheit und die Umwelt dar. Regulierungsbehörden versuchen zu definieren, was ein Risiko darstellt und wie es zu überwachen ist. Dabei spielt die Quantifizierung der Exposition auf Grundlage der Anzahlkonzentration einer bestimmten Größe eine zunehmend wichtigere Rolle.
Um die verschiedenen Methoden zur Charakterisierung der Anzahlkonzentration und der zahlenbasierten Größenverteilung zu validieren, braucht es geeignete Referenzmaterialien. Damit wird die Kalibrierung analytischer Systeme sowie die Rückführbarkeit von Messergebnissen möglich. Das Referenzmaterial, über dessen Entwicklung hier berichtet wurde, besteht aus 400 nm großen Polystyrol-Partikeln und einer nominalen Konzentration von 106 und 108 Partikeln/ml, und ist unter dem Namen Opti-Count™ erhältlich. Die Suspensionen bestehen aus stabilen, gut charakterisierten Polystyrol-Partikeln mit definierter Oberflächenfunktionalisierung, sind tensidfrei und eignen sich für Anwendungen in der Pharmazie, Zytometrie und Nanotechnologie.
Ausblick
Geeignete Referenzmaterialien, die Anforderungen von Regulierungsbehörden und der Industrie zur Optimierung und Qualitätskontrolle im Bereich der Nanomaterialien entsprechen, sind von großer Bedeutung. Die Praxis zeigt aber auch, dass Nanomaterialien sehr komplexe Eigenschaften haben. So sind beispielsweise Partikelformen nicht nur kugelförmig. Die Größenverteilung kann multimodal oder polydispers sein. Daher müssen für zukünftige Entwicklungen von Referenzmaterialien weitere Partikelgrößen, Materialien, Konzentrationen und verschiedene Zustandsmodalitäten berücksichtigt werden.
Literatur:
MF. Hochella, et al.: Natural, Incidental, and Engineered Nanomaterials and their Impacts on the Earth System. Science, Volume 363, (2019) DOI:10.1126/science.aau8299
Nanomaterials Market Size, Share & Trends Analysis Report By Material (Gold, Silver, Iron, Copper), By Application (Aerospace, Automotive, Medical), By Region, And Segment Forecasts, 2024 – 2030, (https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/nanotechnology-and-nanomaterials-market)
K. Rasmussen, et al.: How Nanoparticles are Counted in Global Regulatory Nanomaterial Definitions. Nat. Nanotechnol, Volume 19, 132–138 (2024). DOI: 10.1038/s41565-023-01578-x
M. Horie, et al.: Cellular Effects of Manufactured Nanoparticles: Effect of Adsorption Ability of Nanoparticles. Arch Toxicol, Volume 87, 771–781 (2013). DOI: 10.1007/s00204-013-1033-5
SL. Abram, et al.: Nanoscale Reference and Test Materials for the Validation of Characterization Methods for Engineered Nanomaterials — Current State, Limitations, and Needs. Anal Bioanal Chem, Volume 417, 2405–2425 (2025). https://doi.org/10.1007/s00216-024-05719-6
M. Hussels, et al. Instrument with An Ultra-Wide Dynamic Detection Range for the Optical Counting and Sizing of Individual Particles in Suspensions. Rev Sci Instrum, Volume 95 (2024) DOI: 10.1063/5.0165811
AUTOREN
Dr. Matthew A. Hood
Dr. Susan Strohschein-Lerche
Dr. Lerche KG, Berlin
Tel.: 030 / 67806050
[email protected]
www.lerche-biotec.com
Das könnte Sie auch interessieren
Neuroregeneration nach Rückenmarksverletzung
Wenn winzige Roboter verletzte Nervenbahnen wieder verbinden
Biohybride Mikroroboter die Stammzellen gezielt ins Rückenmark transportieren und verletzte Nervenbahnen reparieren? Zürcher Forschende zeigen, dass diese Idee mehr ist als eine Zukunftsvision.
mehr...Computer als Versuchstier-Alternative
Weniger Tierversuche dank virtueller Maus?
Empa-Forschende entwickeln eine KI-gestützte virtuelle Maus, die Nanopartikel im Körper simuliert. Das Modell könnte einen Teil der Tierversuche ersetzen und die Medikamentenentwicklung deutlich beschleunigen.
mehr...Die Grenzen des Messbaren verschieben
Bisher verborgene Vorgänge auf Ebene der Atome möchte der Physiker Peter Baum von der Universität Konstanz zusammen mit seinem Team als Film in Raum und Zeit sichtbar machen.
mehr...Internationales Projekt abgeschlossen
32 Labore forschten zum 3D-Druck mit Pulvern
Eines der verbreitetsten industriellen 3D-Druckverfahren ist die Laser-Pulverbettfusion. Mehr als sechs Jahre haben Forschende unter Leitung der Universität Duisburg-Essen an besseren Verfahren und Pulvern geforscht. Das von der DFG geförderte...
mehr...Kleine Teilchen, große Wirkung
Qualität von Sonnenschutzprodukten mittels Laserbeugung prüfen
Für Wirkung und Sicherheit von Kosmetikprodukten mit Nano- und Mikropartikeln spielen deren Partikelgrößen eine entscheidende Rolle. In Tests wird gezeigt, wie Laserbeugung zum präzisen Bestimmen der Partikelgrößenverteilung in Sonnencreme und...
mehr...Standards für die Oberflächenanalyse von Nanopartikeln
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelt im Rahmen eines EU-Projekts mit Projektpartnern standardisierte Messverfahren zur Untersuchung der Oberflächen von Nanopartikeln.
mehr...Defekte Nano-Burger für effizientere Katalysatoren?
Forschende entdecken überraschende Defekte Platin-Rhodium-Nanopartikeln, die die Katalyseleistung verbessern könnten. Einblicke in Aufbau, Funktion und Zukunft der Nano-Burger.
mehr...Materialien erhalten durch laserstrukturierte Oberflächen neue Eigenschaften
Mit laserstrukturierten Oberflächen lassen sich Materialien gezielt verändern – für bessere Leitfähigkeit, geringere Reibung und antibakterielle Eigenschaften. Forschende nutzen dazu direkte Laserstrahlinterferenzstrukturierung (Direct Laser...
mehr...Vom Defekt zum Hightech-Material
Forschung zur Synthese von Nanomaterialien
Ein Forschungsteam hat die gezielte Herstellung von Cadmiumselenid-Nanoplättchen optimiert. Die Erkenntnisse könnten neuartige Materialien für Optik, Sensorik und Elektronik ermöglichen.
mehr...