Simultane Multiparameterauslesung für Nanopartikelsensoren

Das Projekt SMARTNANO setzt es sich zum Ziel neue Sensorstrategien zu entwickeln, um künstliche Nanopartikel (engl.: engineered nanoparticles ENP) in wässrigen Proben zu detektieren. ENP finden zunehmend Anwendung in verschiedenen Industrien, so auch der Konsumgüterindustrie. Zum Beispiel enthalten viele Kosmetika TiO2-Nanopartikel, so zum Beispiel viele Sonnencremes. Allerdings ist derzeit noch nicht bekannt, wie sich ENP (auf lange Sicht) auf Menschen auswirken. Ebenso gibt es nur sehr wenige Methoden, mit denen sie analysiert werden können. Die meisten Techniken dafür sind vergleichsweise komplex und teuer. SMARTNANO verspricht beide Komponenten eines chemischen Sensors zu verbessern bzw. zu entwickeln, nämlich die Sensorschicht, die das Zielpartikel bindet, und den sogenannten Transducer, also das Bauteil, das diese Bindung detektiert und in ein elektrisches Signal umwandelt. Als Sensorschichten werden neuartige künstliche Rezeptoren auf Basis sogenannter molekular geprägter Polymere (engl. molecularyl imprinted polymers MIP) entwickelt. Diese werden in Gegenwart des späteren Analytpartikels (das hier als Templat fungiert) synthetisiert und wachsen um dieses herum. Nach Entfernen des jeweiligen ENP hinterlässt es in der Polymeroberfläche einen Abdruck, dessen Dimension und Oberflächenchemie genau jener des Partikels entsprechen. Damit können MIP Partikel nach ihrem Durchmesser und der Stabilisierungsschicht an der Oberfläche unterscheiden. Transducer werden drei Signale simultan auslesen, nämlich 1.) Frequenzverschiebungen, die durch Massenänderungen an den Elektroden sogenannter Quarzmikrowaagen (engl. quartz crystal microbalance QCM) auftreten. SMARTNANO wird dafür Bauteile verwenden, die drei Elektrodenpaare beinhalten, die zwei verschiedene ENP detektieren und ein Referenzsignal generieren können. 2. Impedanzmessungen an jeder Elektrode der QCM; und 3.) Messungen des thermischen Übergangswiderstands: wenn ein Partikel eine Kavität des MIP besetzt ändern sich sowohl die Impedanz der Schicht, als auch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung durch die Schicht. Die Messung dieser drei physikalisch unterschiedlichen Größen führt zu zwei Vorteilen: Erstens erlaubt sie auch die Bestimmung des Materials, aus dem NP bestehen: unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Dichte und daher Masse (bei gleichem Durchmesser) und führen auch zu unterschiedlichen Änderungen von Impedanz und thermischem Übergangswiderstand. Daher ermöglicht es die Kombination von MIP und Multiparametermessungen, ENP in einer Probe vollständig zu charakterisieren. Dieser Aufbau wird daher auch für die Optimierung der MIP verwendet werden. Nachdem beide Komponenten Sensorsystem und MIP entwickelt sind, wird das SMARTNANO- Konsortium einen kostengünstigen, MIP-basierten Nanopartikelsensor herstellen, der auf der Messung des thermischen Übergangswiderstands und der Impedanz an einem Mikrodraht basiert. Das Projekt vereint zwei Gruppen, eine an der Universität Wien und eine an der Katholischen Unvierstität Leuven. Erstere spezialisierte sich unter anderem auf die Entwicklung MIP-basierter Sensoren. Zweitere ist an vorderster Front in der Bauteilentwicklung tätig.

Menschliche Aktivitäten emittieren Nanopartikel in die Umwelt, sei es beispielsweise durch unvollständige Verbrennungen, wegen ihrer Verwendung in der Kosmetikindustrie oder durch den Straßenverkehr. Obwohl ihr genauer Einfluss auf die Gesundheit noch Gegenstand der Forschung ist, ist doch klar, dass effiziente Analyseninstrumente notwendig sind, um sie zu detektieren. Das Gemeinschaftsprojekt SMARTNANO verbindet zu diesem Zweck zwei Forschungsgruppen, deren Ziel es ist, gemeinsam ein Sensorsystem für diese Anwendung zu entwickeln: die Gruppe von Peter Lieberzeit an der Universität Wien, die grundlegende Erfahrung in der Entwicklung künstlicher Sensorschichten hat. Diese erkennen verschiedene Spezies von kleinen Molekülen bis hin zu ganzen Zellen. Sowie die Gruppe von Patrick Wagner an der KU Leuven, die weitreichende Expertise in der Entwicklung von Messsystemen für Realproben und im klinischen Bereich hat. Das österreichische Teilprojekt fokussierte sich auf die Entwicklung sogenannter molekular geprägter Polymere, die künstliche Nanopartikel selektive binden sollen. Vereinfacht gesagt generiert molekulares Prägen in diesem Fall Kavitäten auf Polymeroberflächen, welche in Größe und Funktionalität zu den jeweiligen Partikeln komplementär sind. Nach allem, was uns bekannt ist, hat zu einem ähnlichen Thema erst eine Gruppe publiziert, die aber eine völlig andere Synthesestrategie (Elektropolymerisation) verwendet. Das Projekt umfasste zwei Synthesestrategien: die eine war die "klassische" Polymerisation unterschiedlicher Matrices (Urethane, Polystyrene, Polyacrylate). Als dünne Filme auf sogenannten Quarzmikrowaagen (engl. QCM) sind diese tatsächlich in der Lage das jeweilige Zielpartikel wieder zu binden (üblicherweise Ag- oder Au-Partikel mit 75nm Durchmesser), was zu konzentrationsabhängigen Sensorsignalen führt, die zudem selektiv sind: andere Nanopartikel werden nur in geringerem Maß an den Sensor gebunden. Der zweite Syntheseweg nutzte sogenannte kontrollierte radikalische Polymerisationen, um die Sensorschicht direkt auf die jeweilige Bauteiloberfläche aufwachsen zu lassen. Dieser Ansatz erlaubt es, die Schichtdicke über die Polymerisationsdauer einzustellen. Diese Arbeiten verwendeten oxidische Nanopartikel, nämlich Magnetit (relativ leicht handzuhaben, daher gut für Pilotexperimente) und Titandioxid, das beispielsweise in Sonnencremes verwendet wird. Auch dieser Ansatz führt zu selektiven, konzentrationsabhängigen Sensorsignalen. Die Ergebnisse sind ein gutes Fundament, um einerseits den Einfluss verschiedener Partikeleigenschaften auf die Sensorsignale besser zu verstehen. Andererseits werfen sie auch neue Fragen hinsichtlich des Einflusses von Materialeigenschaften der Nanopartikel auf das Sensorsignal auf. Nicht zuletzt bringt es die Projektpartner auf dem Weg zu einem robusten Messystem zu dieser hochaktuellen Fragestellung einen Schritt weiter.