Nachweis, Identifizierung und Charakterisierung einzelner Nanopartikel anhand der plasmonischen Visualisierung ihrer elektrochemischen Auflösung

• Antragsteller: Professor Dr. Vladimir M. Mirsky
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399234637

Bisher gelang es nicht, eine hochempfindliche analytische Technik zur Routineanalyse von Nanopartikeln (NP)zu entwickeln. Gleichzeitig erhöhen die stetig wachsende Produktion und Verwendung von NP das Risiko dieser potenziell gefährlichen Materialien für den Menschen.Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer hochempfindlichen Analysen-Methode zum Nachweis, der Charakterisierung und der Identifizierung von NP in flüssigen Medien. Der Nachweis der NP soll mit Hilfe der Oberflächenplasmonen-Mikroskopie (SPM) erfolgen - diese Technologie ermöglicht es, einzelne auf einer Goldoberfläche adsorbierte NP zu erfassen. Die Messungen werden auf Elektroden in makroskopischer Dimension durchgeführt. Dadurch sind eine hohe Empfindlichkeit (weniger als 100 Partikel/µl sind messbar), ein breiter dynamischer Bereich (jeder einzelne NP aus bis zu hunderttausenden Partikeln wird individuell nachgewiesen und analysiert) und eine zuverlässige statistische Analyse möglich. Da die optischen Signale der NP von ihrer Größe und Zusammensetzung bestimmt werden, ist die Untersuchung des elektrochemischen Verhaltens jedes einzelnen NPs ohne die direkte Messung des elektrischen Stroms möglich. Je nach NP-Typ werden die elektrochemische Konversion oder die elektrokatalytische Aktivität analysiert. So erhält man z.B. aus der elektrochemischen Auflösung eines adsorbierten NP bei einem bestimmten, an die Goldschicht des Sensors angelegten elektrischen Potenzial (Auflösung nachweisbar als allmähliches Verschwinden des Abbildes in der SPM) Information über die chemische Zusammensetzung jedes adsorbierten Nanopartikel. Eine kleine Verschiebung des Auflösungspotenzials relativ zu seinem thermodynamischen Wert gibt Aufschluss über die Größe des NPs. Kinetische Einschränkungen bei den elektrochemischen NP-Konversionen werden voraussichtlich Daten über die Dicke der dielektrischen Schicht liefern.Das erste Arbeitspaket des Projektvorschlages konzentriert sich auf die Optimierung der experimentellen Bedingungen für eine schnelle und vollständige elektrochemische Auflösung eines möglichst breiten Spektrums metallischer NP. Die Ergebnisse fließen in das zweite Arbeitspaket ein, in dem die Untersuchung dieser Prozesse mit der SPM im Mittelpunkt steht. Die Hochdurchsatz-Analyse der optischen Daten, um die simultan ablaufenden elektrochemischen Reaktionen jedes der mehrere Tausend NP zu charakterisieren, erfordert die Entwicklung und Programmierung hochkomplexer, anspruchsvoller Bildanalyse-Algorithmen und bildet das Hauptziel des dritten Arbeitspaketes. Im vierten Arbeitspaket sollen die erzielten Ergebnisse auf die Analyse praktisch relevanter Oxid-NP ausgeweitet und das Potenzial-Fenster mit nicht-wässrigen Elektrolyten erweitert werden. Schließlich wird die Methode im fünften Arbeitspaket zur Analyse von Multikomponenten-Systemen aus NP verschiedener Zusammensetzung, Größe und Form und von realen Proben mit NP in komplexen Medien angewendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen