EU-Projekt Nanodetector Innovative Methode zur Messung einzelner Nanopartikel

Gemeinsam mit Experten aus sechs europäischen Ländern arbeitet die BTU Cottbus-Senftenberg unter der Leitung von Prof. Dr. Mirsky (Fachgebiet Nanobiotechnologie) im Projekt "Nanodetector" an der Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur hochempfindlichen Messung einzelner Nanopartikel auf Basis der Oberflächenplasmonen-Resonanz.

Neben der Koordinierung des EU-Projekts forscht das interdisziplinäre Arbeitsgruppe an der Entwicklung Nanopartikel-spezifischer Sensoroberflächen. Ziel ist es, mit einer innovativen Messtechnologie natürliche und künstlich hergestellte Nanomaterialien qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Dazu wird die dünne Goldschicht des Sensors mit verschiedenen Substanzen beschichtet, um das Bindungsverhalten der Nanopartikel zu untersuchen. Folgende Strategien werden eingesetzt:

  • spezifische Beschichtungen für definierte Nanopartikel,
  • strukturierte Beschichtung für die gleichzeitige Bindung verschiedener Nanopartikel und
  • biomimetische Oberflächen zur Untersuchung der Nanotoxizität der synthetischen Nanopartikel.

Mit Hilfe der Oberflächenplasmonen-Resonanz werden unter bestimmten Bedingungen die Oberflächenplasmonen (Elektronenwolke) einer dünnen Goldschicht durch Laserlicht zum Schwingen angeregt. Diese Schwingungen verlaufen parallel auf der Oberfläche als sogenanntes evaneszentes Feld. Befindet sich ein Nano-Objekt auf oder nahe der Oberfläche, wird das gleichmäßige Wellenmuster gestört und ein Signal kann gemessen werden.

Natürliche und künstliche Nanopartikel

Nanopartikel sind eine heterogene Gruppe von Partikeln im Nanometerbereich, die sowohl einen natürlichen als auch künstlichen Ursprung haben können. Natürliche Nanopartikel sind zum Beispiel Viren oder ultrafeine Stäube aus Vulkanausbrüchen oder Waldbränden. Synthetische Nanopartikel werden häufig zur Verbesserung der Materialeigenschaften oder Leistungsfähigkeit industrieller Produkte oder für den zielgerichteten Transport von Wirkstoffen im Körper verwendet. Der zunehmende Einsatz synthetischer Nanopartikel erfordert die Entwicklung zuverlässiger, sensitiver Messmethoden, um ihre Verbreitung in der Umwelt oder am Arbeitsplatz zu kontrollieren und das Gefährdungspotenzial zu ermitteln.

Die Entwicklung eines solchen Analyse-Gerätes erfordert ein komplexes Zusammenwirken verschiedenster anwendungsorientierter Disziplinen. Das Messprinzip  wurde zunächst als optisches Phänomen entdeckt. Die Entwicklung der Theorie zu diesem Effekt und die Modellierung bestätigten und erklärten die experimentellen Befunde und führten zur Weiterentwicklung der plasmonischen Theorie, aber auch zu Vorhersagen über das Potenzial der Technologie: Welche Leistungsparameter können erreicht werden und welche Informationen über die Nanopartikel sind in den Messwerten enthalten.

Aktueller Projektstand

Die experimentellen Befunde der neuen Messtechnologie konnten theoretisch erklärt und bestätigt werden und führten zur Weiterentwicklung der plasmonischen Theorie. Experten für Mikrofluidik, Oberflächenbeschichtung und Mess-, Steuer- und Regeltechnik entwickeln eine verlässlich funktionierende und hochempfindliche Sensoreinheit. Das optische System bestehend aus Lichtquelle, Lichtweg und Detektion wurde designt und wird optimiert. Die Software zur Auswertung der Messergebnisse, aber auch zur Steuerung und Kontrolle des Gerätes wird erstellt. Als Ergebnis dreijähriger Entwicklungszeit steht der Labor-Prototyp zur Testung und Optimierung bereit. Nanopartikel-Produzenten als potenzielle Anwender der neuartigen Technologie erproben das Gerät in der Inustrie und erstellen Standard-Betriebsanweisungen, um die Nanopartikelkonzentration am Arbeitsplatz zu ermitteln.

Das Verbundprojekt hat eine Laufzeit von 3,5 Jahren (1. Juni 2012 bis 30. November 2015).

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