26.11.2018 - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Goldene Zeiten für Partikelanalyse

Forscher entwickeln Verfahren zur schnellen und zuverlässigen Vermessung von Nanostäbchen

Verfahrenstechniker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben eine Methode entwickelt, mit der sich Größe und Form von Nanopartikeln in Dispersionen deutlich schneller als bisher analysieren lassen. Am Beispiel von Goldnanostäbchen demonstrieren sie die zuverlässige Bestimmung der Längen- und Durchmesserverteilungen in nur einem Schritt – bislang waren dafür viele aufwendige elektronenmikroskopische Aufnahmen notwendig. Nanopartikel aus Edelmetallen werden beispielsweise als Katalysatoren und als Kontrastmittel in der Krebsdiagnostik eingesetzt.

Bereits im Mittelalter wurden Goldpartikel genutzt, um kräftige rote und blaue Farben, etwa für die Darstellung biblischer Szenen in Kirchenfenstern, zu erzeugen. Dieser Effekt entsteht durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Felder des einfallenden Licht mit den Elektronen des Metalls, die in kollektive Schwingungen versetzt werden. Nanopartikel aus Gold oder Silber sind heute für Anwendungen in der Biotechnologie und Katalyse interessant, doch auch ihre optischen Eigenschaften werden nach wie vor genutzt – zum Beispiel für bildgebende Verfahren in der Medizin, etwa als Kontrastmittel bei der Diagnose von Tumoren. Für die verschiedenen Einsatzfelder werden die Partikel gezielt synthetisiert, denn ihre Eigenschaften hängen von der Größe, Form, Oberfläche, inneren Struktur und Zusammensetzung ab.

Die Überwachung dieses Syntheseprozesses ist sehr aufwendig: Zwar kann die Größe mit optischen Messverfahren vergleichsweise leicht bestimmt werden, Aussagen zur Partikelform jedoch erfordern umfangreiche und langwierige Auswertungen vieler elektronenmikroskopischer Aufnahmen. Dies erschwert die Entwicklung neuer Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse, weil Größenskalierung und Änderungen der Partikeleigenschaften nur durch zeitaufwendige Messungen verfolgt werden können.

Bestimmung von Größe und Form in einem Schritt

Gemeinsam mit Arbeitsgruppen der Mathematik um Dr. Lukas Pflug und Prof. Dr. Michael Stingl, Professur für Mathematische Optimierung, und der Physikalischen Chemie um Prof. Dr. Carola Kryschi, Professur für Physikalische Chemie, haben Verfahrenstechniker der FAU um Simon Wawra und Prof. Dr. Wolfgang Peukert, Lehrstuhl für Fest- und Grenzflächenverfahrenstechnik, eine neue Methode entwickelt, mit der die Längen- und Durchmesserverteilung plasmonischer Goldnanostäbchen in einem einzigen Experiment gemessen werden können. Dafür werden die Partikel zunächst in einem Ultraschallbad in Wasser dispergiert und durch Zentrifugation zum Absinken gebracht. Zugleich werden sie mit Lichtblitzen beschossen und ihre spektralen Eigenschaften mithilfe eines Detektors erfasst. „Durch die Kombination von Multiwellenlängenabsorptionsoptik und analytischer Ultrazentrifugation können die optischen und die Sedimentationseigenschaften der Nanostäbchen simultan gemessen werden“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Peukert. Bei ihrer Analysemethode machen sich die Forscher zunutze, dass sowohl die Sedimentationsgeschwindigkeit als auch die Stärke der Lichtabsorption vom Durchmesser und von der Länge der Nanostäbchen abhängen. „Die Verteilung von Länge, Durchmesser, Aspektverhältnis, Oberfläche und Volumen sind daraus direkt ableitbar“, erklärt Wolfgang Peukert.

Verfahren auf andere Partikelformen anwendbar

Das an der FAU entwickelte Verfahren ist nicht nur auf Nanopartikel aus Edelmetallen beschränkt. Es kann auf viele plasmonisch aktive Materialien und auch auf andere geometrische Formen ausgedehnt werden – denn bei der Synthese entstehen neben Nanostäbchen auch kugelförmige Partikel, deren Verteilung und Massenanteil in der Probe ebenfalls exakt bestimmt werden kann. Peukert: „Unsere neue Methode erlaubt eine umfassende und quantitative Analyse dieser hoch interessanten Partikelsysteme. Wir glauben, dass unsere Arbeit zur schnellen und zuverlässigen Charakterisierung plasmonischer Nanopartikel während der Synthese und in zahlreichen Anwendungen beitragen wird.“

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