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Goldnanopartikel

Stabilisierte Goldnanopartikel als Marker

| Autor/ Redakteur: Sabine Kosmella*, Joachim Kötz*,
Anja Köth* und Dietmar Appelhans** / Marc Platthaus

Nanopartikel werden immer häufiger in der Medikamentenentwicklung eingesetzt. Goldnanopartikel gehören aufgrund ihrer hohen Elektronendichte zu den bevorzugten Substanzen. Lesen Sie, wie wichtig es ist, hier auf eine enge Teilchengrößenverteilung zu achten.

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Hilfreiches Element Gold: Aufgrund ihrer hohen Elektronendichte eignen sich Goldnanopartikel sehr gut als Marker in der Histo- und Cytochemie.
Hilfreiches Element Gold: Aufgrund ihrer hohen Elektronendichte eignen sich Goldnanopartikel sehr gut als Marker in der Histo- und Cytochemie.
( Archiv: Vogel Business Media )

Wird von Nanopartikeln gesprochen, handelt es sich prinzipiell um Teilchen mit einer Größe zwischen 1 und 500 nm. Nach Wolfgang Ostwald [1] können diese Kolloide prinzipiell den dispersen Systemen zugeordnet werden. Generell gibt es zwei Strategien, solche kleinteiligen Systeme herzustellen. Dies geschieht entweder durch den Top-down-Ansatz, bei dem von der Mikrotechnik ausgehend, Strukturen und Komponenten immer weiter miniaturisiert werden oder durch den Bottom-up-Ansatz, bei dem immer komplexere Strukturen gezielt aus atomaren bzw. molekularen Bausteinen aufgebaut werden. Charakteristisch beim Übergang auf die Nanometerskala ist neben der zunehmenden Dominanz quantenphysikalischer Effekte, dass Oberflächen- bzw. Grenzflächeneigenschaften gegenüber Volumeneigenschaften des Materials eine immer größere Rolle spielen. Die Verkleinerung von Strukturen in den Nanometerbereich hinein führt oft zu charakteristischen, für neue Anwendungen nutzbaren Stoffeigenschaften. Dazu gehören z.B. eine hohe chemische Selektivität der Oberflächenstrukturen, eine deutlich vergrößerte Oberflächenenergie und die Ausbildung zusätzlicher elektronischer Zustände. Das Verständnis der molekularen Grundlagen neuer Materialien eröffnet Perspektiven für die Herstellung neuer „schaltbarer“ Werkstoffe, die mit konventionellen Methoden nicht realisierbar sind. Aufgrund ihrer hohen Elektronendichte sind Goldnanopartikel für den Einsatz als Marker in der Histochemie und Cytochemie sehr geeignet. Werden z.B. die Partikel mit spezifischen Schichten aus organischen Molekülen (Protein-Markern) ummantelt, können diese dann durch bestimmte Biomoleküle, die diesen Markern zugeordnet sind, mittels entsprechender Analysemethoden „erkannt“ werden. Viren und Zelltypen können so aufgrund von Oberflächeneigenschaften identifiziert werden, die sie an bestimmte Nanostrukturen haften lassen [5]. Spezifisch ummantelte Goldteilchen können darüber hinaus aufgrund ihrer Größe biologische Barrieren, z.B. Zellmem-branen, verhältnismäßig leicht durchdringen, ohne diese zu verletzen. An die Nanopartikel angefügte Substanzen, z.B. ein medizinischer Wirkstoff, kann so die inneren flüssigen Bestandteile der Zelle erreichen. Sowohl für die gezielte Verabreichung von Medikamenten direkt in die Zelle als auch für die Erklärung biologischer Prozesse im Körper sind solche Innovationen von großem Nutzen.

Herstellung von Goldnanopartikeln

Die Reduktion hochverdünnter Goldchloridlösungen (Tetrachloroaureat) zu Goldnanopartikeln ist heute ein weitgehend gut verstandener Prozess. Als Reduktionsmittel kommen dabei die unterschiedlichsten Komponenten wie Tannin, Zitronensäure, Oxalssäure oder Borhydrid in Betracht. Aber auch durch photolytische Reduktion, wie die Bestrahlung mit gepulstem oder kontinuierlichem UV-Licht, können Goldnanopartikel erzeugt werden.

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Reduziert man beispielsweise eine hochverdünnte Goldchloridlösung nach Erhitzen auf 100 °C mit Zitronensäure (Na-Zitrat), so bildet sich eine rubinrot gefärbte Dispersion, welche aus 15 bis 17 nm großen Goldpartikeln besteht. Prinzipiell läuft dieser Keimbildungs-Prozess in zwei Schritten ab [6]: Zunächst findet die Nukleierung statt, bei der Primärpartikel von etwa 3 nm gebildet werden. In einem zweiten Schritt, dem Wachstums-Prozess, wachsen diese dann zu Teilchen von 15 bis 17 nm. Nur wenn die Reaktion innerhalb einer kurzen Zeitspanne abläuft, können monodisperse Nanopartikel definierter Größe erhalten werden. Bekannt ist auch die Langzeitstabilität dieser kolloidalen Dispersionen. Die einzelnen Nanopartikel sind elektrostatisch durch die Carboxylgruppen des Na-zitrat an der Partikeloberfläche stabilisiert, sodass eine Aggregation durch elektrostatische Abstoßungskräfte verhindert wird. Es handelt sich demzufolge um ein metastabiles kolloidales System, welches durch Salzzusatz destabilisiert werden kann. Aus anwendungstechnischer Sicht bedeutet dies unter anderem eine Einschränkung des Applikationsspektrums vor allem in Hinblick auf Anwendungen in ionenhaltigen Umgebungen.

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