Analytische Chemie
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Biosensoren gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. So erfolgt die Identifizierung des Analyten mit Biosensoren deutlich schneller und unkomplizierter als mit herkömmlichen analytischen Methoden. Aufgrund des Schlüssel-Schloss-Prinzips ist zudem die Detektion von Biosensoren äußerst selektiv. Die Herstellung dieser Sensoren erfolgt häufig trotz der Unzuverlässigkeit der Silanchemie über die Silanisierung der Si-H- bzw. Si-OH-Bindungen an der Silizium-Oberfläche. Die Abhängigkeit von Temperatur- und pH-Wert, sowie die Veränderung der Filmdicke bei nur kleinen Schwankungen des Wassergehalts während der Umsetzung werden oft vernachlässigt. Seltener wird die Si-NHx-Bindung genutzt, um dünne organische Filme zu erzeugen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Funktionalisierungsstrategie entwickelt, die die Silanchemie vermeidet. Die Idee basiert auf der Herstellung einer Azid-terminierten Oberfläche erzeugt aus Oberflächenaminen des materialintrinsischen Stickstoffs von Siliziumnitrid (Si3N4). Diese Azidgruppen bildeten die Grundlage für die Click-Chemie mit geeigneten Alkin-terminierten (Bio)molekülen und die anschließende Immobilisierung von ausgewählten Analyten. Die Funktionalisierungsstrategie umfasst die Erzeugung von NHx-terminierten Si3N4-Oberflächen durch Flusssäureätzung gefolgt von deren Umwandlung in Azidgruppen durch verschiedene Methoden. Im Anschluss wurden Alkine durch die Kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC, Click-Chemie) an die Azid-terminierte Oberfläche immobilisiert. Der Erfolg der einzelnen Reaktionsschritte wurde durch oberflächenanalytische Methoden, durch XPS, NEXAFS und ToF-SIMS, überprüft. Die Charakterisierung der gebildeten Triazolringe erfolgte anhand des N 1s-XP-Spektrums sowie der NEXAFS C K-Kante. Die CF3-Gruppe wurde anhand der C 1s und F 1s-XP-Spektren, sowie der NEXAFS F K-Kante identifiziert. ToF-SIMS Untersuchungen bestätigten ebenfalls die Bindung des Alkins an die Si3N4-Oberfläche. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die direkte Anbindung eines Biomoleküls an die Si3N4 Oberfläche getestet. Hierfür wurde das Biotin/Streptavidin-System durch eine Click-Reaktion an der Oberfläche verankert. Die erfolgreiche Biotin/Streptavidin-Interaktion wurde ebenfalls mit XPS, NEXAFS und ToF-SIMS nachgewiesen. Der Erfolg der Click-Reaktionen war sowohl bei der Methodenentwicklung als auch bei der Immobilisierung des Modellfilms vom genutzten Lösungsmittel abhängig.
Neben der direkten Immobilisierung von (Bio)molekülen an die Si3N4-Oberfläche durch die Click-Chemie gelang es auch einen Kupfer(II)trifluormethoxyphenanthrolin-Komplex als künstliche Nuklease über Amid-Kopplung an die Si-NHx-Oberfläche zu binden. Hierbei diente ein OCF3-Substituent des Kupfer(II)trifluormethoxyphenanthrolin-Komplexes als XPS-Sonde. Die Identifizierung des Komplexes erfolgte anhand der OCF3-Komponente im C 1s- und F 1s-XP-Spektrum und der NEXAFS F K-Kante, sowie des Cu 2p-XP-Spektrums. Die ToF-SIMS-Massenspektren bestätigten ebenfalls die Bindung des Komplexes. Die Kupfermenge wurde mit der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) zu 0.08 µg/cm2 bestimmt, was 87 x 1012 Kupferatome pro cm2 entspricht. Nach der Verifizierung des immobilisierten Komplexes erfolgte die Untersuchung der Spaltaktivität der auf der Si3N4-Oberfläche gebundenen künstlichen Nuklease gegenüber Plasmid-DNA. Hierbei wurde eine Zunahme der Spaltaktivität mit zunehmender DNA-Inkubationszeit festgestellt. Weiterhin ist bemerkenswert, dass der verwendete Kupfer(II)trifluormethoxyphenanthrolin-Komplex erst auf der Oberfläche seine Spaltaktivität entfaltet. Kontrollproben in Lösung zeigten im Gegensatz zu dem immobilisierten Komplex keine Spaltaktivität.
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.
Nanomaterials are a relatively new class of materials for which a regulatory framework still has to be established and regulators require comprehensive datasets of well characterized nanomaterials for the implementation. Especially information about the surface chemistry of nanoparticles is crucial, since it largely determines their biological and environmental fate. How the surface chemistry changes under relevant ageing conditions is of particular interest, because exposure will normally occur not to the pristine material but to a nanoform that underwent some kind of transformation.
In this talk, first a short overview about the contributions of division 6.1 to multiple European-funded projects will be presented, in which surface analytical techniques are used to improve the physical-chemical characterization of nanomaterials. Secondly, a study investigating the surface-chemical transformations of a representative set of titanium dioxide nanoparticles is discussed in more detail. The ageing has partly been performed at the BAM division 7.5, and the surface chemistry was analyzed using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). By analyzing the complex mass spectra with principal component analysis (PCA), it was possible to identify even subtle changes that occur upon ageing.