28.02.2019 - Ruhr-Universität Bochum (RUB)

Silber-Nanopartikel in natürlichen Umgebungen untersuchen

Neue spektro-elektrochemische Methode charakterisiert einzelne Nanopartikel

Wegen ihrer antibakteriellen Eigenschaften sind die Partikel in vielen Produkten im Einsatz. Ihre Wirkung auf die Umwelt ist weitestgehend unerforscht. Vor allem weil bislang geeignete Verfahren fehlten.

Eine Methode, um das Verhalten von Silber-Nanopartikeln in natürlichen Gewässern zu untersuchen, haben Forscher des Exzellenzclusters Resolv an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. Aus Produkten wie Sportkleidung oder Lebensmittelverpackungen gelangen die Partikel regelmäßig ins Meer. Was dort mit ihnen passiert, ist weitgehend unbekannt.

Mit einer Kombination aus elektrochemischen und spektroskopischen Verfahren können die Chemiker die Reaktion individueller Partikel in Lösung verfolgen, auch wenn diese Salze oder Algen enthält. Herkömmliche Verfahren kommen mit diesen Störfaktoren nicht zurecht und funktionieren meist nur im Hochvakuum. Über die Arbeiten von Prof. Dr. Kristina Tschulik und ihrer Forschungsgruppe für Elektrochemie und Nanoskalige Materialien berichtet das Wissenschaftsmagazin Rubin der Ruhr-Universität.

Bislang nicht messbar

Aufgrund ihrer antibakteriellen und entzündungshemmenden Wirkung sind Silberteilchen in der Industrie beliebt. Sie finden sich nicht nur im Meer wieder, sondern auch im Prozessabwasser von Produktionsfirmen. „Solange es jedoch keine etablierten Messmethoden und folglich keine gesetzliche Pflicht gibt, solche Partikel nachzuweisen, tun die Firmen das natürlich auch nicht“, sagt Kristina Tschulik. Die Bochumer Chemiker entwickelten daher einen Sensor, mit dem sich Silberpartikel auch in komplexen Umgebungen spezifisch untersuchen lassen.

Fjord-Wasser mit Anti-Mundgeruch-Spray im Test

Dass das Verfahren robust gegenüber Störquellen ist, zeigten sie im ersten Schritt mit Wasserproben aus einem unberührten kanadischen Fjord. In diesem Wasser waren zwar Salze, Algen und andere Störfaktoren enthalten, aber keine industriellen Verunreinigungen. Diese fügten die Wissenschaftler mit einem handelsüblichen Silbernanopartikel-Spray selbst hinzu, das für die Desinfektion von Besteck und als Mittel gegen Mundgeruch bei Hunden im Internet erhältlich war. Anschließend zeigten sie, dass sie die Partikel in dieser komplexen Umgebung elektrochemisch detektieren konnten.

Partikel verklumpen und sinken

Mit der kombinierten spektro-elektrochemischen Methode analysierten sie in weiteren Studien, was mit Silberpartikeln in salzhaltigem Wasser passiert. „Bislang war man davon ausgegangen, dass sich die Silberpartikel im Wasser auflösen“, erklärt Tschulik. Das bestätigte sich nicht. Die Partikel verklumpten und reagierten zu Silberchlorid, sie würden im Meer vermutlich zu Boden sinken und sedimentieren „Dann sind sie zwar aus dem Wasser entfernt, aber man müsste überlegen, welche langfristigen Folgen diese Schwermetallablagerungen für Meeresbewohner haben könnten, die in Bodennähe leben“, so Tschulik.

„Basierend auf einem solchen einzelnen Ergebnis sollte man nicht in Panik verfallen“, ergänzt die Chemikerin. Denn verschiedene Nanopartikel können sich sehr unterschiedlich verhalten. Man könne daher nicht aus wenigen Studien auf sämtliche Partikel schließen. „Aber je mehr wir Nanopartikel einsetzen, desto wichtiger ist es, dass wir ihre Auswirkungen abschätzen können“, sagt Tschulik.

Über die Methode

Für das Verfahren tauchen die Forscher eine hauchdünne Elektrode in die Partikellösung ein und legen eine Spannung an die Elektrode an. Da sich kleine Partikel in Flüssigkeiten ungerichtet bewegen, schlagen einige von ihnen im Lauf der Zeit auf der Elektrode ein. Ist die Spannung richtig gewählt, reagieren diese Partikel auf der Elektrodenoberfläche, zum Beispiel Silber zu Silberchlorid. Jedes Mal, wenn ein Silberatom zu einem einfach positiv geladenen Silberion reagiert, wird ein Elektron frei, das als Strom durch die Elektrode abfließt. Der Stromfluss erlaubt somit Rückschlüsse auf die Anzahl der Atome, die reagiert haben, und somit auf die Größe des Partikels.

Dieses elektrochemische Verfahren, das Kristina Tschulik ab 2012 in Oxford mit entwickelte, brachte ihr Bochumer Team mit der sogenannten Dunkelfeldmikroskopie zusammen. Letztere erlaubt den Chemikern, die Partikel in Echtzeit als farbige Bildpunkte sichtbar zu machen. Anhand der Farbänderung der Punkte, genauer gesagt anhand der spektralen Information, können sie verfolgen, was mit den Partikeln an der Elektrodenoberfläche passiert, zum Beispiel, ob sie sich auflösen oder umwandeln, etwa in Silberchlorid.

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    Henning Steinert

    Henning Steinert, Jahrgang 1993, studierte an der Carl‑von‑Ossietzky Universität Oldenburg Chemie, wo er sich unter anderem mit der Aktivierung von Si–H-Bindungen an Titankomplexen beschäftigte. Aktuell promoviert er an der Ruhr-Universität Bochum am Lehrstuhl für Anorganische Chemie II von ... mehr

    Prof. Dr. Viktoria Däschlein-Gessner

    Viktoria Däschlein-Gessner, Jahrgang 1982, studierte Chemie an den Universitäten Marburg und Würzburg und promovierte im Jahr 2009 an der TU Dortmund. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der University of California in Berkeley (USA) leitete sie eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an der Univers ... mehr

    Kevin Wonner

    Kevin Wonner, Jahrgang 1995, studierte Chemie mit dem Schwerpunkt der elektrochemischen Untersuchung von Nanopartikeln an der Ruhr-Universität Bochum und ist seit 2018 Doktorand am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik im Rahmen des Graduiertenkollegs 2376. Er ... mehr