Symbolbild für unterschiedliche, farbige Nanosensoren
Quelle: Isabella Tavernaro (Fachbereich Biophotonik 1.2)
Der Säuregehalt, gekennzeichnet durch den pH-Wert, hat einen entscheidenden Einfluss auf viele chemische und biologische Prozesse und ist relevant in diversen Bereichen der Material-, Lebens- und Umweltwissenschaften. Für die in situ-Ermittlung des pH-Wertes mit hochsensitiven, optischen Methoden werden pH-sensitive Partikel benötigt, die nicht toxisch und klein genug sind, um das Monitoring des pH-Wertes aus nächster Nähe zu erlauben. Typischerweise werden solche Sensorpartikel aus einem Trägermaterial, also der Partikelmatrix, und Analyt-sensitiven Molekülen aufgebaut. Letztere ändern ihre optischen Eigenschaften, z.B. die Farbe ihrer Fluoreszenz, selektiv, schnell, und reversibel in Gegenwart dieses Analyten, und ermöglichen so die optische Detektion des Analyten bzw. Targets, also des pH-Wertes. Als Basis für die Identifizierung möglicher Einflüsse der Partikelmatrix auf die Sensor-Performance wurde ein systematischer Vergleich zwischen zwei etablierten Trägermaterialien für pH-Nanosensoren, Silika und Polystyrol, durchgeführt. Dafür wurde sichergestellt, dass beide Sensorpartikel-Systeme möglichst ähnliche physikochemische und optische Eigenschaften zeigen. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf der Oberflächenchemie der Sensorpartikel, da diese die Interaktion der Partikel mit der Umgebung maßgeblich beeinflusst, und somit auch eine potenzielle Toxizität und den Verbleib der Partikel, z.B. in Zellen, Biofilmen oder anderen biologischen Systemen.
Studien mit Epithelzellen zeigen, dass beide Sensorpartikel aufgenommen werden, wobei dies für die Silika-Sensorpartikel etwas effizienter geschah. Die Silika-Partikel zeigen auch eine bessere Langzeit- und pH-Stabilität als die Polystyrol-Partikel, die sich mit der Zeit zersetzten. Dies unterstreicht die Wichtigkeit von vergleichenden Studien und Stabilitätsuntersuchungen, um die besten Materialien zu identifizieren und mögliche Risiken rechtzeitig zu erkennen, die sich aus der Zersetzung von Nanopartikeln und den dabei entstehenden Abfallprodukten ergeben können. Die BAM, als eine Institution für Materialforschung und -prüfung, spielt hier eine wichtige Rolle, um die sichere Anwendung und Eignung von Sensorpartikeln unterschiedlicher Größe und chemischer Zusammensetzung in den Material- und Lebenswissenschaften zu untersuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse können dabei helfen, die besten, sichersten, umweltfreundlichsten und nachhaltigsten Lösungen für wissenschaftliche Herausforderungen zu identifizieren.
Dual color pH probes made from silica and polystyrene nanoparticles and their performance in cell studies
Priyanka Srivastava, Isabella Tavernaro, Lena Scholtz, C. Genger, P. Welker, Frank Schreiber, Klas Meyer, Ute Resch-Genger
veröffentlicht in: Scientific Reports, 2023, Band 13, Ausgabe 1, Seite 1321 - 1336.
BAM Abteilung Analytische Chemie; Referenzmaterialien
BAM Fachbereich Biophotonik
BAM Fachbereich Prozessanalytik
BAM Abteilung Material und Umwelt
BAM Fachbereich Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen