Plasmonische Nanopartikel sind aufgrund ihrer besonderen optischen Eigenschaften und der Entwicklung optischer und photonischer Technologien zu wichtigen Materialien geworden. In verschiedenen Anwendungsbereichen, wie der plasmonischen Sensorik, sind die formanisotropen Nanopartikel von großem Interesse. Daher steht die Synthese solcher Strukturen häufig im Fokus der Forschung. Goldnanopartikel sind dafür bekannt, dass sie eine geringe Zytotoxizität, hohe Stabilität und einzigartige optische Eigenschaften mit der Fähigkeit zur Signaltransduktion biologischer Erkennungsereignisse mit verbesserter analytischer Leistung aufweisen. Die Oberflächenmodifizierung solcher Nanomaterialien macht sie zu einem integralen Bestandteil verschiedener biomedizinischer Nachweisgeräte und Nanotherapeutika für die klinische Diagnostik und Krankheitsbekämpfung.

Die Synthese kolloidaler Nanomaterialien erweist sich häufig als ein komplizierter Prozess, der ein feines Gleichgewicht zwischen zahlreichen Parametern erfordert, z. B. Temperatur, Inkubationszeit, verwendete Reagenzien und deren Konzentration. Die Berücksichtigung aller Faktoren ermöglicht die Bildung komplexer Strukturen. Solche Studien wurden in letzter Zeit von vielen Forschungsgruppen durchgeführt, um Goldnanopartikel mit verschiedenen anisotropen Formen, wie Stäben, Würfeln, Sternen, Dreiecken usw., zu erhalten. Den meisten Verfahren mangelt es jedoch an Reproduzierbarkeit oder sie sind aufwändig und zeitraubend, was eine breite Produktion und damit die Anwendung von Nanomaterialien behindert.

Kürzlich haben Forschende am Leibniz-IPHT die Synthese von Gold-Nanodreiecken untersucht. Durch den Einsatz der Online-Überwachungstechnik mit UV-Vis-Spektroskopie in Verbindung mit der Kenntnis der ablaufenden chemischen Prozesse konnten die für eine erfolgreiche Reproduktion des Verfahrens erforderlichen Zeitintervalle rationell bestimmt werden. Im Ergebnis konnte das früher berichtete Verfahren von drei Tagen auf nur einen Tag verkürzt werden. Dies macht das Verfahren für ein breites Spektrum von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler leichter zugänglich und kann als Ausgangspunkt für die Rationalisierung der Nanopartikelproduktion dienen, ohne dass die Formausbeute und die Reproduzierbarkeit darunter leiden. Letzteres wurde durch die Charakterisierung der resultierenden Proben mittels UV-Vis-Spektroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bewiesen.

Starke elektromagnetische Feldverstärkungen in unmittelbarer Nähe des Goldnanopartikels können zur Verstärkung von Signalen, z. B. für metallverstärkte Fluoreszenz- oder Raman-Spektroskopie, genutzt werden. Noch stärkere Feldverstärkungen können mit scharfkantigen Nanopartikeln wie Nanowürfeln erzielt werden. Chemische Oberflächenmodifizierung und weitere Biokonjugation werden üblicherweise eingesetzt, um die Zytotoxizität zu verringern, Nanopartikel gegen Aggregation zu stabilisieren und die Biokompatibilität sowie die Spezifität für analytische Anwendungen zu erhöhen.

Die jüngste Veröffentlichung stellt ein Protokoll zur Konjugation von CTAC-verkappten Goldnanowürfeln mit Thiol-modifizierten DNA-Oligonukleotiden vor. Die Funktionalisierung unter milden, biokompatiblen Bedingungen ermöglicht die Verwendung solcher Konjugate für bioanalytische Anwendungen mit hoher Biokompatibilität und einer Ausbeute von 25 %. Die vorgestellte Methode kombiniert eine Ligandenaustauschreaktion (unter Verwendung von BSPP als intermediärem Capping-Agens) mit einer salzhaltigen Biokonjugationsmethode (folgende Abbildung).

 Das Zeta-Potenzial und LSPR-Verschiebungsmessungen der funktionalisierten Nanowürfel wurden durchgeführt, um die erfolgreiche Oberflächenmodifikation zu bestätigen. Der kolorimetrische Test zeigte eine erhöhte kolloidale Stabilität der Konjugate gegen Aggregation in Gegenwart von NaCl und MgCl₂ dank der zusätzlichen Aufladung des DNA-Rückgrats und der sterischen Abschirmung von der äußeren Umgebung. Die genannten Salze sind in Puffern für den Aufbau von DNA-Superstrukturen häufig unverzichtbar, die ein großes Potenzial für intelligente Biosensing-Anwendungen haben.

Gefördert durch:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG),
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Im Bild oben:
Entwicklung der Form von Nanopartikeln während der Synthese von Gold-Nanoprismen.