4.1 Nachweis von Nanopartikeln in komplexen Umgebungen

4.1 Nachweis von Nanopartikeln in komplexen Umgebungen

Nanopartikel gibt es überall, von Medtech-Produkten bis hin zu Kosmetika oder Lebensmitteln. Deshalb ist es wichtig, Instrumente zu haben, um sie vor Ort zu überwachen. Die derzeitigen Methoden zum Nachweis und zur Charakterisierung von Nanopartikeln sind auf bestimmte Umgebungen (z.B. Flüssigkeiten) beschränkt oder erfordern eine aufwendige und teure Probenvorbereitung. Aus diesem Grund entwickeln wir in Zusammenarbeit mit dem Adolphe-Merkle-Institut der Universität Freiburg neue, auf Thermographie basierende Methoden zum Nachweis von auf Reize ansprechenden Nanopartikeln in komplexen Umgebungen.

Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer: M. Bonmarin Adolphe-Merkle-Institut der Universität Fribourg Innosuisse und Stiftungen seit 2012

Nanopartikel sind winzige Partikel mit einer Grösse von 1 bis 100 nm (zum Vergleich: die Dicke eines Blattes Papier beträgt etwa 100'000 nm). Nanopartikel werden heute in vielen Produkten wie Verbundwerkstoffen oder medizinischen Geräten, aber auch in Kosmetika oder Lebensmitteln verwendet. Der Einsatz von Nanopartikeln wird vor allem in Europa zunehmend reguliert. Deshalb ist es von besonderer Bedeutung, über akkurate Instrumente zu verfügen, um sie nachzuweisen. Für den Nachweis und die Charakterisierung von Nanopartikeln stehen mehrere Methoden zur Verfügung, die jedoch oft Einschränkungen in Bezug auf das Medium, in dem die Partikel untersucht werden können, oder die Vorbereitung der Probe und die damit verbundenen Kosten aufweisen. Viele Nanopartikel reagieren auf Stimuli, d.h. sie haben die Fähigkeit, Wärme zu erzeugen, wenn sie stimuliert werden (durch Licht oder ein wechselndes Magnetfeld). Die resultierende Infrarotstrahlung kann leicht mit einer Wärmekamera erfasst werden. Mit Hilfe dieses Prinzips haben wir zusammen mit dem Adolphe-Merkle-Institut in Fribourg eine neue Methode entwickelt, um Nanopartikel in komplexen Umgebungen wie Zellkulturen, Gewebe oder Kompositmaterialien mit sehr hoher Genauigkeit zu charakterisieren. Wir haben mehrere Instrumente für magnetische Nanopartikel wie SPIONs oder plasmonische Partikel wie Gold entwickelt. Die Technologie wurde geschützt (2 Patente) und das Startup-Unternehmen NanoLockin GmbH mit Sitz in Fribourg vermarktet die Forschungsergebnisse. Wir sind überzeugt, dass die Thermografie eine vielversprechende Methode ist zur Untersuchung von Nanopartikeln, die gut auf Stimuli reagieren. Wir untersuchen derzeit das weitere Potenzial dieser Technik für viele Anwendungen im Bereich der Nanowissenschaften. Die Wahrscheinlichkeit, bis ans Lebensende ein Lymphödem zu entwickeln, liegt nach einer Brustkrebsbehandlung bei ca. 30 % –und das ist nur einer der möglichen Risikofaktoren. Millionen von Menschen müssen daher mit einem erhöhten Risiko rechnen, an einem Lymphödem zu erkranken. Bei dieser Krankheit ist die Funktion des Lymphsystems dauerhaft gestört, wodurch z. B. die Arme irreversibel anschwellen, wenn nicht rechtzeitig eine geeignete Behandlung eingeleitet wird. Diese verlangsamt die Schwellung oder stoppt sie sogar komplett. Eine frühe Diagnose der Krankheit ist somit zentral. Dennoch gibt es zurzeit keine standardisierte, breit verfügbare Methode, die bei Menschen mit erhöhtem Risiko ein regelmässiges und zuverlässiges Monitoring erlaubt.

Abb. 1: Bild des Calorsito VIS-NIR Gerätes, das von der Firma NanoLockin GmbH entwickelt wurde. Die Firma ist eine Spin-off des Adolphe-Merkle-Instituts und des Instituts für Computational Physics der ZHAW.

Referenzen:

[1] Journal of Physical Chemistry C, 124(2):1575-1584 (2020) [2] Particle & Particle Systems Characterization Journal, 36:1900224 (2019). [3] Journal of Physical Chemistry C, 121(48):27164-27175 (2017). [4] Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 427:206- 2011 (2017). [5] Nanoscale Journal, 8(27):13321-13332 (2016). [6] www.nanolockin.com