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Maßgeschneiderte formanisotrope bi-metallische Nanopartikel für die Bioanalytik

Maßgeschneiderte formanisotrope bi-metallische Nanopartikel für die Bioanalytik

Antragsteller: Prof. Dr. J. M. Köhler, TU Ilmenau; PD Dr. W. Fritzsche, IPHT Jena

Funktionelle Nanomaterialien werden in Zukunft für die Lösung aktueller Probleme der Medizin, der Biotechnologie und des Umweltmanagements – darunter die Beherrschung neuer und multiresistenter Keime, die personalisierte Medizin und die Entwicklung nachhaltiger biotechnischer Verfahren eine immer größere Rolle spielen. Sie versprechen eine empfindliche Diagnostik auf dem Einzelzell-Niveau oder für kleine Molekülensemble und gegebenenfalls bis herab zum Einzelmolekül-Niveau. Dazu werden Materialien benötigt, die eine selektive Erkennung mit einem allgemein einsetzbaren Transduktionsprinzip und einer hohen Transduktionsrate verbinden. Optische Sensorik basierend auf nanoskaligen Transducern (LSPR-Sensing - lokalisierte Oberflächenplasmonen-Resonanz) zeigt ein hohes Potential zur breiten Anwendung in der Bioanalytik mit deutlichen Vorteilen (technisch einfachere Detektion, Miniaturisierung, Parallelisierung) gegenüber der etablierten SPR (propagierenden Oberflächenplasmonen-Resonanz). Zur Erschließung dieses Potentials werden im geplanten Projekt neuartige und sensitivere plasmonische Nanopartikel entwickelt. Diese sollen durch die Kombination zweier Sensitivitäts-erhöhender Effekte gekennzeichnet sein: Formanisotropie (Silber-Prismen) und bi-metallischen Partikelaufbau. Bei anisotropen Partikeln ist eine Verstärkung des elektromagnetischen Feldes in bestimmten Regionen des Partikels (Ecken etc.) zu beobachten, wodurch eine höhere Sensitivität für Brechungsindexveränderungen durch dort anbindende Analyte erwartet wird. Dieser Effekt soll erstmals mit der beobachteten Sensitivitätserhöhung durch dünne Sekundärmetall-Schichten auf plasmonischen Nanostrukturen [1] kombiniert werden.
Um die Vorteile derartiger Partikel bioanalytisch nutzen zu können, ist eine schmale Verteilung der Größe (und damit der resultierenden spektroskopischen Eigenschaften) notwendig, was durch die Entwicklung und den Einsatz einer mikrofluidischen Synthese dieser Partikel realisiert wird. Dabei spielt neben chemisch und thermisch homogeneren Keimbildungsbedingungen in kleinen Volumenkompartimenten insbesondere die Selbstassemblierung von primären Metallclustern zu wachstumsfähigen Partikeln in der Seed-Phase der Synthese eine Rolle. Neben der so zu erwartenden verbesserten primären Keimbildung erlaubt ein mikrofluidischer Syntheseansatz eine von dieser Keimbildung getrennte Beeinflussung der Anordnung der Cluster, was die Bildung neuartiger bimetallischer Partikel mit signifikant verbesserten biosensorischen Eigenschaften ermöglicht. Damit soll das Forschungsvorhabens am Beispiel formanisotroper plasmonischer Nanopartikel exemplarisch klären, wie durch Mikroreaktionstechnik der gezielte und effektive Aufbau von neuartigen funktionellen Nanomaterialien erreicht werden kann.
[1] Steinbrück, A., et al., Sensoric potential of gold-silver core-shell nanoparticles. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2011. 401(4): p. 1241 - 1249

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Geschäftszeichen KO 1403/45-1 gefördert.