Chemie und Prozesstechnik
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Organisationseinheit der BAM
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Organic and inorganic nanoparticles (NPs) are increasingly used as drug carriers, fluorescent sensors, and multimodal labels in the life and material sciences. These applications require knowledge of the chemical nature, total number of surface groups, and the number of groups accessible for subsequent coupling of e.g., antifouling ligands, targeting bioligands, or sensor molecules. To establish the concept of catch-and-release assays, cleavable probes were rationally designed from a quantitatively cleavable disulfide moiety and the optically detectable reporter 2-thiopyridone (2-TP). For quantifying surface groups on nanomaterials, first, a set of monodisperse carboxy-and amino-functionalized, 100 nm-sized polymer and silica NPs with different surface group densities was synthesized. Subsequently, the accessible functional groups (FGs) were quantified via optical spectroscopy of the cleaved off reporter after its release in solution. Method validation was done with inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) utilizing the sulfur atom of the cleavable probe. This comparison underlined the reliability and versatility of our probes, which can be used for surface group quantification on all types of transparent, scattering, absorbing and/or fluorescent particles. The correlation between the total and accessible number of FGs quantified by conductometric titration, qNMR, and with our cleavable probes, together with the comparison to results of conjugation studies with differently sized biomolecules reveal the potential of catch-and-release reporters for surface analysis. Our findings also underline the importance of quantifying particularly the accessible amount of FGs for many applications of NPs in the life sciences.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.