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Mikrofluidik für Nanopartikelsynthese und LOC-Technologie

Die Anwendung mikrofluidischer Syntheseprinzipien für die Herstellung plasmonischer Nanopartikel eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung formanisotroper Nanopartikel mit kontrollierter Geometrie und engster Größenverteilung. Gestützt auf mikrofluidische Techniken gelang es, die bei konventionellen Verfahren parallel verlaufenden Keimbildungs- und Wachstumsprozesse zu entkoppeln und separat zu optimieren. Mit dem dabei generierten Wissen sind Form und Größe exakt vorbestimmbar, wodurch sich ein effizienter Zugang zu Nanopartikeln mit für sensorische Anwendungen optimalen Eigenschaften eröffnet.

Mikrofluidische Nanopartikelsynthese eröffnet Zugang zu Nanopartikeln mit vorbestimmter Geometrie und ausgezeichneter Uniformität.

Von Matthias Thiele // Andrea Csaki // Thomas Henkel // Wolfgang Fritzsche

Als optisch auslesbare Nanosensoren gewinnen plasmonische Nanopartikel zunehmend Bedeutung für die Anwendungsfelder Analytik und Diagnostik. Sowohl Farbe und spektroskopische Eigenschaften, als auch die sensorische Funktion lassen sich über Größe, Form, und molekulare Architektur der Nanopartikel gezielt steuern. Sensorische Nanopartikel mit unterschiedlichen lokalisierten Oberflächenplasmonen-Resonanzen (LSPR) können parallel ausgelesen werden. Multiplexing und paralleles Readout mehrerer analytischer Parameter kann somit durch die Verwendung einer Mischung von Nanopartikeln mit unterschiedlichen spektralen und sensorischen Eigenschaften sowohl auf der Ebene des einzelnen Nanopartikel, als auch durch paralleles Auslesen einer Partikelkollektion erzielt werden. Mit zunehmender Uniformität der optischen und sensorischen Eigenschaften der verwendeten Nanopartikel-Kollektionen steigen Sensitivität und Präzision dieser LSPR-basierten Assays. Daraus resultiert die Notwendigkeit, neue und effiziente Verfahren für die gezielte und reproduzierbare Synthese von plasmonischen Nanopartikeln mit monodisperser Größenverteilung und einheitlicher Geometrie zu entwickeln und einzusetzen.

Die chemische Synthese von formanisotropen plasmonischen Nanopartikeln (wie Gold-Nanowürfeln) ist eine Mehrstufensynthese, bei welcher mehrere Reaktionsschritte nacheinander durchlaufen werden oder parallel stattfinden. In konventionellen Batch-Synthesen laufen diese drei Schritte konkurrierend ab. Für die optimale Steuerung der Synthese und damit der Eigenschaften der erhaltenen Nanopartikel ist eine Entkopplung der Teilschritte sinnvoll. Diese ermöglicht es, jeden der Teilprozesse unter optimalen Bedingungen – zum Teil unter Verwendung anderer Reagenzien und Konzentrationen – durchzuführen und separat zu untersuchen. Dies gelingt mit den in der Forschungsgruppe Mikrofluidik entwickelten mikrofluidischen Chipsystemen.

Für die Synthese plasmonischer Nanopartikel sind folgende Teilprozesse von Bedeutung: Keimbildung, initiales Wachstum und ein nachgeschaltetes Wachstum der Nanopartikel. Diese Teilprozesse unterscheiden sich signifikant in Ihrer Reaktionsgeschwindigkeit. Keimbildung – als extrem schnelle Reaktion ist bereits nach 20 .. 100 Millisekunden abgeschlossen, das initiale Wachstum erfolgt innerhalb weniger Sekunden und für den finalen Wachstumsschritt werden Reaktionszeiten von mehreren Minuten benötigt.

Für die Präparation plasmonischer Nanopartikel mit uniformen Eigenschaften müssen alle verwendeten Reagenzien in der korrekten Konzentration unter Vermeidung lokaler Konzentrationsunterschiede vorliegen. Daher muss die Durchmischung der Ausgangsstoffe abgeschlossen sein, bevor die eigentliche chemische Reaktion startet.

Kritischster Schritt hinsichtlich einer schnellen Durchmischung ist die Keimbildungsreaktion. Durch Verwendung eines Dean-Flow Mischers kann die Durchmischung bei Flussraten von ca. 60 µl/s in weniger als einer tausendstel Sekunde realisiert werden. Im Ergebnis werden Seed-Nanopartikel mit einer Größe von ca. 2 nm erhalten. Für den nachgeschalteten initialen Wachstumsschritte ist eine Durchmischung in weniger als einer Sekunde bei niedrigen Flussraten erforderlich. Hierfür wird ein nach dem am IPHT entwickelten ROSAR-Algorithmus (Rotate-Split-And-Recombine) arbeitender Multilaminationsmischer bei Flussraten im Bereich von 1 µl/s verwendet. Dieser arbeitet bei niedrigen Reynolds Zahlen < 1 und kann damit auch für den finalen Reaktionsschritt eingesetzt werden.

Gestützt auf diese Architektur gelang der Forschungsgruppe Nanobiohotonik die vollständige Entkopplung der Reaktionsschritte und deren separate Optimierung und Erforschung. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Lab-on-a-Chip publiziert [Thiele-2017]. Erstmals konnte dabei nachgewiesen werden, dass die Form der im finalen Wachstumsschritt entstehenden Nanopartikel wesentlich von der Natur des in der Reaktionslösung vorhandenen Halogenid-Ionen abhängt. Durch Auswahl des geeigneten Halogenid-Ions (Chlorid, Bromid oder Jodid) und dessen Konzentraton ist somit die Geometrie der entstehenden Nanopartikel (Würfel, Kugeln, Stäbchen) exakt vorherbestimmt. Gestützt auf dieses Wissen können Form und Größe plasmonischer Nanopartikel exakt eingestellt und damit neuartige Partikeltypen (z.B. Gold-Nanocubes) mit hervorragender Gleichförmigkeit hinsichtlich Form und Größe synthetisiert und für die Forschungen auf dem Gebiet der Nanobiophotonik bereitgestellt werden.

Die Verwendung mikrofluidischen Komponenten bietet auch auf dem Feld der Diagnostik viele Vorteile. So können molekularbiologische Reaktionen wie die DNA-Amplifikation PCR [Singh] sowie der Tropfen-basierte SERS-Nachweis von Krankheitsbiomarker [Hassoun] effizienter, gegenüber klassischen Verfahren durchgeführt werden.

Gefördert von: EU

Zugehörige Publikationen

Thiele, M., Knauer, A., Malsch, D., Csáki, A., Henkel, T., Köhler, J. M., & Fritzsche, W. (2017). Combination of microfluidic high-throughput production and parameter screening for efficient shaping of gold nanocubes using Dean-flow mixing. Lab on a Chip, 17(8), 1487-1495.

Singh G, Vajpayee P, Heinrich E, Csáki A, Urban M, Henkel T, et al. Comparison of qPCR and Miniaturized Chip-Based Detection of Enterotoxigenic Escherichia coli. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2017;17(12):9142-8.

Hassoun M, Rüger J, Kirchberger-Tolstik T, Schie IW, Henkel T, Weber K, et al. A droplet-based microfluidic chip as a platform for leukemia cell lysate identification using surface-enhanced Raman scattering. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2017.

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