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Chemische Oberflächencharak­teri­sie­rung einzelner Nanopartikel

Partikel werden vom optischen Wellenleiter bei Aktivierung des Lasers getrappt. Dabei werden die Partikel entlang des Leiters geschoben, wobei ihr Abstand und ihre Geschwindigkeit von der Chemie der Oberflächen (Wellenleiter und Partikel) und deren Güte abhängt.

Bei der Betrachtung der Eigenschaften von Teilchen ist klar, dass die Bedeu­tung von Oberflächeneigenschaften mit abnehmender Teilchengröße zunimmt. Das Verhalten von Nano­par­­tikeln (NP) wird sogar von den Ei­gen­schaften der Oberfläche dominiert, dennoch gibt es so gut wie keine Tech­nik, die den Zustand von solchen Nano­partikel­oberflächen zuverlässig charak­terisie­ren kann. Ob eine neue Charge von NP nach zwei Wochen aggregiert, ob sie an der Oberfläche von z. B. Glasgefäßen haften, ob sie in eine (Epithel-)Zelle eindringen können, ob sie einen bestimmten Tumor erreichen oder eine Schicht Proteine an ihrer Außenseite akkumulieren, alles hängt von den Oberflächeneigenschaften der Partikel ab. Der vermehrte Einsatz von Nano­par­ti­keln und ihre Anwendung in der Medizin, der Elektronik, in Bat­terien und Haushaltsprodukten schaf­fen einen noch höheren Bedarf an zuverlässigen Verfahren zur Analyse.

Um NP-Dispersionen mit Eigenschaf­ten zu erzeugen, die sowohl chemi­sche Stabilität, als auch kolloidale Lang­­le­bigkeit garantieren, müssen die Ober­flächen-Eigenschaften der NPs genau ver­standen werden.

Die Mög­lichkeiten, einzelne NP be­züg­lich ihrer Oberflächen zu untersuchen und die herrschenden Kräfte an ihren Grenzflächen zu bestimmen werden durch den NanoTweezer von Optofluidics stark erweitert. Das zugrunde liegende Konzept ist einfach und der NanoTweezer kann die Frage beantworten, welche Kraft nötig ist, um ein einzelnes NP in die Nähe einer Oberfläche zu bringen. Stabilisierte NP im Gleichgewicht stoßen einander ab (sonst würden sie aggregieren), und sie werden auch von jeder anderen Oberfläche, die der ihren chemisch gleicht, abgestoßen. Sie zeigen also einen größeren Widerstand gegen eine Anziehungskraft an eine Oberfläche als schlecht stabilisierte NP. Das gilt für viele Arten von Grenzflächen-Ef­fek­ten: elektrostatisch, sterisch usw.

ras_optofluidics_nanotweezer_Potential-wells
Potentialtöpfe können durch Betrachten der Histogramme der einzelnen Partikel bestimmt werden. Durch die Beseitigung der optischen Komponente des Potentialtopfs kann eine Funktion der Oberflächenenergie gewonnen werden. In diesem Beispiel wurde relativ wenig Energie benötigt, um das Partikel bis auf ca. 80 nm an die Oberfläche anzunähern, eine weitere Annäherung würde wesentlich größere Energie benötigen.

Der NanoTweezer basiert auf einer neuartigen Wellenleiter-Technik, die einen Laser nutzt, um Partikel entlang der Oberfläche eines Laserwellen­leiters „entlangzustoßen“.

Hierbei sind die Partikel im evaneszenten Feld am Wellenleiter gefangen. Über das erzeugte Streulicht kann die Wech­sel­wir­kung zwischen den einzelnen Par­tikeln und dem optischen Leiter ge­messen werden. Dabei kann die Ober­fläche des Wellenleiters chemisch verändert werden, um sie den An­­for­derungen der zu messenden Par­ti­kel anzupassen.


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