Multimodaler Ansatz zur quantitativen Bestimmung von Aminogruppen auf Silika-Nanopartikeln mittels qNMR, Potentiometrie, optischem Assay und XPS.
Quelle: STAR4BBS
Nanomaterialien (NM) finden zunehmend Anwendung in der Photonik, Elektronik, Medizin und Pharmazie, sowie in Konsumgütern und Lebensmitteln. Um NM von der Laborforschung in den industriellen Einsatz zu überführen, werden zuverlässige Methoden zur Messung ihrer wichtigsten physikochemischen Eigenschaften benötigt. Ebenso erforderlich sind geeignete Test- und Referenzmaterialien, sowie Referenzdaten, um Messmethoden zu etablieren und zu validieren. Nur so lassen sich anwendungs- und sicherheitsrelevante Eigenschaften von NM verlässlich vergleichen und eine konsistente Qualitätskontrolle gewährleisten.
Neben Größe und Form bestimmen die chemische Natur und Dichte der Funktionsgruppen (FG) und Liganden an der NM‑Oberfläche maßgeblich Funktion, Interaktionen mit der Umgebung und potenzielle Toxizität. Die Oberflächenchemie, entscheidend für Dispergierbarkeit, Stabilität und Verarbeitbarkeit, ist jedoch oft komplex und schwer zugänglich, und viele analytische Verfahren liefern methodenspezifische, nicht immer direkt vergleichbare Ergebnisse.
Im Rahmen des Projekts SMURFnano haben wir verschiedene Analysemethoden zur Quantifizierung von FG auf NM untersucht, die sich in Komplexität, Chemoselektivität, Signalerzeugung und Messgröße unterscheiden. Darauf aufbauend wurden Arbeitsabläufe entwickelt, die komplementäre Techniken integrieren. Eingesetzt wurden sowohl kostengünstige potentiometrische Titrationen und optische Assays als auch High‑End‑Techniken wie quantitative NMR‑Spektroskopie (qNMR) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS). Letztere ermöglichen eine direkte Quantifizierung von FG oder die Bestimmung von Verhältnissen zwischen NM‑ und FG‑spezifischen Elementen. Das multimethodische Charakterisierungskonzept wurde für NM aus Siliziumdioxid etabliert, die zu den weltweit am häufigsten verwendeten NM zählen und deren Oberfläche mit Aminogruppen funktionalisiert wurde, um eine spätere Anbindung von Sensorfarbstoffen, Erkennungsstrukturen oder Biomolekülen zu ermöglichen.
Wir konnten dabei zeigen, wie wichtig die Kombination unterschiedlicher Messmethoden für die zuverlässige Bewertung sowohl der Funktionalität als auch der Sicherheit von NM ist. Zusammen mit den entwickelten und validierten Messmethoden, den Referenzproben und Referenzdaten der BAM stellt dies einen entscheidenden Schritt hin zur Entwicklung nachhaltiger Nanomaterialien, ihrer sicheren Anwendung und der Standardisierung der Messung ihrer wichtigsten Eigenschaften dar.
Quantifying surface groups on aminated silica nanoparticles of different size, surface chemistry, and porosity with solution NMR, XPS, optical assays, and potentiometric titration Check for updates
Isabella Tavernaro, Isabelle Rajotte, Marie-Pier Thibeault, Philipp C. Sander, Oltion Kodra, Gregory Lopinski, Jörg Radnik, Linda J. Johnston, Andreas Brinkmann, Ute Resch-Genger
Nanoscale Advances, 2025