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PolymeranalytikGold-Nanopartikel

Charakterisierung in komplexer biologischer Matrix
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Polymeranalytik: Gold-Nanopartikel
Der zunehmende Einsatz von Nanopartikeln wirft Fragen und Probleme auf. So müssen unter anderem Risiken für die Umwelt durch emittierte Partikel eingeschätzt werden oder mögliche gesundheitliche Gefahren für Personen, die Nanopartikeln ausgesetzt sind. Dazu bedarf es vor allem einer umfassenden, genauen Charakterisierung der Partikel. Weil diese aber je nach Anwendungsgebiet oftmals in einer komplexen Matrix vorliegen, gestaltet sich das mitunter äußerst schwierig.

In den letzten Jahren hat sich das allgemeine Interesse an Nanopartikeln deutlich verstärkt, denn ihr Einsatzgebiet weitet sich stetig aus. Inzwischen findet man Nanopartikel in den verschiedensten Produkten – so etwa in Pflegesprays, kosmetischen Cremes, Beschichtungen von Oberflächen oder in elektronischen Bauteilen. Aber auch im Bereich von Medizin und Pharmazie kommen sie diagnostisch oder therapeutisch zur Anwendung. Ihre Bestandteile sind häufig Metalle wie beispielsweise Silber oder Gold oder Oxide (z.B. Titandioxid und Siliziumdioxid). Daneben findet man auch ausgewählte Kohlenstoff-Formen.

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Meist besteht der erste Analysenschritt in der Auftrennung der Matrix, welche die Nanopartikel enthält. Das Standardverfahren, welches häufig zur Analyse der Nanopartikel eingesetzt wird, ist die Hydrodynamische Chromatographie (HDC). Diese Methode stößt allerdings vielfach an ihre Grenzen, weil ihre Kapazität und Selektivität gering sind. Zudem interagieren die Analyten oft mit dem Säulenfüllmaterial, und es muss häufig eine spezielle mobile Phase verwendet werden. Aus diesen Gründen ist eine Kalibrierung nur schwer oder gar nicht durchführbar.

Hier kann die Asymmetrische Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung (AF4) für Abhilfe sorgen. Dieses Trennverfahren arbeitet ohne Säule, so dass entsprechende Wechselwirkungen ausgeschlossen sind. Die Trennung findet in einem Kanal statt und wird ausschließlich durch Strömungskräfte bewerkstelligt. Die Größenbestimmung der Nanopartikel erfolgt mittels Mehrwinkel-Lichtstreuungsmessung (Englisch: Multi Angle Light Scattering, MALS). MALS ist ein Verfahren, das die absolute Messung von Molmassen ohne den Einsatz von Standards ermöglicht.


Matrix: humanes Serum

Im vorliegenden Applikationsbericht zeigen wir Messungen von Gold-Nanopartikeln (Größe 10 nm) in humanem Serum, also in einer sehr komplexen Matrix. Die Daten wurden mit Hilfe der in Tabelle 1 gezeigten instrumentellen Konfiguration gewonnen, wobei alle Instrumente online miteinander gekoppelt waren.

Detektiert werden hier zunächst die aufgetrennten Serumproteine (wahrscheinliche Reihenfolge: Albumin bei 5 min, Antikörper bei 11 min, Lipoproteine nach 15 min) [siehe Referenz]. Die Gold-Nanopartikel eluieren etwa ab der 20. Minute und sind bei der ausgewählten Wellenlänge van 525 nm (rot) gut nachweisbar.

Das Detergenz SDS in der mobilen Phase bildet vermutlich eine micellare Struktur um die Nanopartikel. Dies erleichtert die Auftrennung und die Quantifizierbarkeit, während sich Elutionszeit und Radius etwas erhöhen.


Schlussfolgerungen

In diesem Applikationsbericht beschreiben wir die Messung von Gold-Nanopartikeln in humanem Serum. Mithilfe der AF4 konnten sowohl die in hoher Konzentration im Blut enthaltenen Proteine (Albumin, Antikörper, Lipoproteine) als auch die Nanopartikel getrennt und identifiziert werden. Darüber hinaus wurde mittels Mehrwinkel-Lichtstreuung der Gyrationsradius der Nanopartikel bestimmt. Vermutlich bildet das Detergens SDS micellare Strukturen um die Partikel, so dass die Radien bei ca. 25 nm beginnen und bis über 60 nm reichen.

Die Messungen wurden in den Labors von Wyatt Technology Europe GmbH, Dernbach, durchgeführt und ausgewertet.


Referenz

Tae Joon Cho, Vincent A. Hackley: Fractionation and characterization of gold nanoparticles in aqueous solution: asymmetric-flow field flow fractionation with MALS, DLS, and UV–Vis detection. Anal. Bioanal. Chem. DOI 10.1007/s00216-010-4133-6.

Petra Krystek*), Dierk Roessner und Thomas Jocks**)

*)Institute for Environmental Studies (IVM), VU University, Amsterdam, The Netherlands; petra.krystek@ivm.vu.nl.
**)Wyatt Technology Europe, Dernbach.

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