Überblick über eingesetzte Quantifizierungsmethoden und zugehörige Reportermoleküle. Links: Gesamtanzahl an Amingruppen mittels qNMR (grün), rechts: zugängliche Anzahl an Amingruppen mittels Ninhydrin-Assay (blau), SPDP-Assay (gelb) und 4-NB-Assay (lila).
Quelle: BAM, Fachbereich Biophotonik
Unterschiedlich große organische und anorganische Nano- und Mikropartikel gewinnen immer mehr an Bedeutung für viele Anwendungen in den Material- und Lebenswissenschaften. Solche Partikel werden u.a. als Trägermaterialien für Farbstoffmoleküle in optisch ausgelesenen Assays zum Nachweis von krankheitsrelevanten Biomarkern oder für Medikamente eingesetzt oder dienen als Fluoreszenzmarker und können als optische Sonden für bildgebende optische Verfahren und als Sensoren verwendet werden. Dafür erfolgt oft eine chemische Umsetzung der an der Partikeloberfläche befindlichen Funktionsgruppen wie Amin-Gruppen, an die zum Beispiel Linker, Sensormoleküle oder Target-spezifische Erkennungsstrukturen angebunden werden. Die Oberflächenchemie bestimmt zudem die Wechselwirkung dieser Partikel mit der Umgebung und mit biologischen Systemen und damit auch eine mögliche Toxizität.
Eine effiziente Oberflächenmodifizierung und Charakterisierung der Wechselwirkungen mit der Umgebung erfordert die Kenntnisse über die chemische Natur sowie der insgesamt vorhanden und der für Reaktionen zugänglichen Anzahl an Oberflächengruppen. Daher wurde von der BAM und dem National Research Council Canada (NRC) ein erster bilateraler Ringversuch zur Quantifizierung der Gesamtanzahl und der zugänglichen Anzahl an Amin-Gruppen auf industriell relevanten 20, 50, 80 und 120 nm großen Silika-Partikeln mit gängigen analytischen Methoden durchgeführt. Dabei wurde die quantitative Kernspinresonanz (qNMR) zur Bestimmung der Gesamtanzahl an Amin-Gruppen eingesetzt und drei optische Assays (Ninhydrin-, SPDP-, und 4-NB-Assay) zur Bestimmung der Anzahl an zugänglichen Aminogruppen. Diese Methoden waren zuvor von beiden Laboren unabhängig entwickelt und individuell validiert worden. Die Ziele waren dabei die Ermittlung der Vergleichbarkeit der erhaltenen Messergebnisse, methodenspezifische Limitierungen und die am besten geeignete Methode zu identifizieren. Zusätzlich wurde die Benutzerfreundlichkeit, die Robustheit, Unsicherheit und die Zuverlässigkeit der Ergebnisse bewertet. Dieser Vergleich stellt einen ersten Schritt in Richtung Standardisierung und Normung von Methoden für die Quantifizierung von Funktionsgruppen auf Nanomaterialien dar.
Interlaboratory Comparison on the Quantification of Total and Accessible Amine Groups on Silica Nanoparticles with qNMR and Optical Assays
Filip Kunc, Nithiya Nirmalananthan-Budau, Bastian Rühle, Ying Sun, Linda J. Johnston, Ute Resch-Genger
veröffentlicht in Analytical Chemistry, Band 93, Heft 46, Seiten 15271 - 15278, 2021
BAM Fachbereich Biophotonik