Moderne Analysemethoden zur Charakterisierung funktioneller Nanomaterialien

The core of this dissertation is concerned with the various measurement methods for the characterization of synthesized nanoparticles and nanofilms, above all with the atomic force microscope. The latter is a popular and useful tool for determining the electrical, electrostatic, magnetic, mechanical and topographic properties of a sample or a selected sample range with an edge length of up to 150 µm. Using the atomic force microscope, it is furthermore possible to achieve resolutions in the sub-nanometer range and thus to visualize individual atoms. The measuring principle of this microscope consists of a sharp tip which is moved over the sample surface at a small distance and deflected from its vertical rest position due to interactions with this surface. This deflection is detected, for example, by a laser reflected on the back of the cantilever. The measurement signal can be used to determine the forces acting between the sample and the tip. Simple sample preparation and the possibility of measuring in vacuum, air and liquid make atomic force microscopy a versatile tool in nanotechnology and bionanotechnology. In addition, other measuring methods will be presented, including the electron microscopy, which provides information on the shape and composition of a sample complementary to that obtained by atomic force microscopy. Two projects from several scientific papers that were developed in the course of the doctoral period are described in more detail here. In a first project, nanoparticles were synthesized by directing a pulsed laser beam at a piece of metal (target) located in a liquid. As a result, nanoparticles were formed which dissolved in the liquid. This method for the synthesis of soluble nanoparticles is known as Pulsed Laser Ablation in Liquids (PLAL). The nanoparticles are composed of components of the target and the solvent matrix. Concretely, gold was used as target, while the liquid consisted of distilled water, small amounts of sodium chloride and small amounts of sodium water glass. The nanoparticles could be characterized as core-shell nanoparticles, whereby the gold core was coated with a thin silicate shell. The synthesis of the nanoparticles was optimized by screening the laser pulse properties and composition of the solution. Subsequently, the electrostatic, topographic and mechanical properties and composition of the nanoparticles were investigated. In order to determine the mechanical properties, a software was developed within the scope of this dissertation which evaluates the recorded force-distance curves using current contact mechanics models. Afterwards, the toxicity of the particles to different cell types was investigated in vitro. At the Chinese Academy of Sciences, Ningbo, People's Republic of China, these particles were furthermore used to investigate cell toxicity in vitro on other types of cells as well as histology and determination of the biodistribution of nanoparticles in vivo on a mouse. In addition, the effectiveness of the conversion of laser radiation into heat was determined. The results provided valuable information on the application of nanoparticles in photothermal cancer therapy. They could serve as a starting point for further work in the future. In addition, the potential of this synthesis method for medical applications has been confirmed. In the second project, described in more detail here, an attempt was made to produce a monolayer of purple membrane (PM) on a thin substrate. The membrane can pump protons light-driven from one side to the other. A uniformly oriented monolayer could serve as a large, thin proton pump. The samples were characterized by atomic force microscopy and electron microscopy. The purple membrane was first diluted in buffer or distilled water and allowed to dry on various substrates. Both topography and electrostatic properties were analysed to determine the orientation of the membrane. To improve the result, an electric field was applied to deposit the PM on the substrate via electrosedimentation and electrophoretic sedimentation. After changing from the wild type of PM to a his-tagged variant, the electrophoretic sedimentation produced large fields in which the PM merged. The formation of these fields was investigated under variation of the experimental conditions. A possible mechanism was derived from these measurements.
Diese Dissertation befasst sich im Kern mit den verschiedenen Messmethoden zur Charakterisierung synthetisierter Nanopartikel und -filme, allem voran mit dem Rasterkraftmikroskop. Bei letzterem handelt es sich um ein beliebtes und nützliches Werkzeug zur Bestimmung der elektrischen, elektrostatischen, magnetischen, mechanischen und topographischen Eigenschaften einer Probe oder eines gewählten Probenbereichs mit bis zu 150 µm Kantenlänge. Mit dem Rasterkraftmikroskop ist es zudem möglich, Auflösungen im Sub-Nanometerbereich zu erreichen und somit einzelne Atome abbilden zu können. Das Messprinzip dieses Mikroskops bildet eine spitze Nadel, die in geringem Abstand über die Probenoberfläche gefahren und aufgrund von Wechselwirkungen mit dieser Oberfläche aus ihrer vertikalen Ruheposition ausgelenkt wird. Diese Auslenkung wird beispielsweise über einen auf der Rückseite des Cantilevers reflektierten Laser detektiert. Aus dem Messsignal kann auf die wirkenden Kräfte zwischen Probe und Spitze geschlossen werden. Die einfache Probenvorbereitung sowie die Möglichkeit, in Vakuum, an Luft und in Flüssigkeit messen zu können, machen die Rasterkraftmikroskopie zu einem vielfältigen Werkzeug in der Nanotechnologie und der Bionanotechnologie. Daneben werden weitere Messverfahren vorgestellt, darunter das Elektronenmikroskop, das komplementär zur Rasterkraftmikroskopie Informationen über das Aussehen und die Zusammensetzung einer Probe liefert. Aus mehreren wissenschaftlichen Arbeiten, die im Laufe der Promotionszeit entstanden sind, wird hier auf zwei Projekte näher eingegangen. In einem ersten Projekt wurden Nanopartikel synthetisiert, indem ein gepulster Laserstrahl auf ein Metallstück (Target) geschossen wurde, das sich in einer Flüssigkeit befand. In der Folge entstanden Nanopartikel, die sich in der Flüssigkeit lösten. Diese Methode zur Synthese von löslichen Nanopartikeln ist als Pulsed Laser Ablation in Liquids (PLAL) bekannt. Die Nanopartikel bestehen letztendlich aus Bestandteilen des Targets und der Lösungsmittelmatrix. Konkret wurde als Target Gold verwendet, während die Flüssigkeit aus destilliertem Wasser, geringen Mengen an Natriumchlorid und geringen Mengen an Natronwasserglas bestand. Die Nanopartikel konnten als Kern-Schale-Partikel (Core-Shell-Partikel) charakterisiert werden, wobei der Goldkern mit einer dünnen Silikatschale überzogen war. Die Synthese der Nanopartikel wurde mittels Screening-Verfahrens über Laserpuls-Eigenschaften und Zusammensetzung der Lösung optimiert. Anschließend wurden die Nanopartikel auf ihre elektrostatischen, topographischen und mechanischen Eigenschaften sowie ihre Zusammensetzung untersucht. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wurde im Rahmen dieser Dissertation eine Software entwickelt, die aufgenommene Kraft-Abstands-Kurven unter Einbeziehung aktueller Kontaktmechanik-Modelle auswertet. Anschließend wurde die Toxizität der Partikel auf verschiedene Zellarten in vitro untersucht. An der Chinese Academy of Sciences, Ningbo, Volksrepublik China, wurden mit diesen Partikeln außerdem sowohl die Zelltoxizität in vitro an weiteren Zellen untersucht als auch eine Histologie und eine Bestimmung der Biodistribution der Nanopartikel in vivo an einer Maus durchgeführt. Außerdem wurde die Effektivität der Umwandlung der Laserstrahlung in Wärme bestimmt. Aus den Ergebnissen ließen sich wertvolle Informationen bezüglich der Anwendung der Nanopartikel in der photothermalen Krebstherapie gewinnen. Sie können zukünftig als Ausgangspunkt für weitere Arbeiten dienen. Außerdem konnte das Potenzial dieser Synthesemethode für medizinische Anwendungen bestätigt werden. Im zweiten Projekt, das hier näher beschrieben wird, wurde versucht, eine Monoschicht an Purpurmembran (PM) auf einem dünnen Substrat zu erzeugen. Dabei handelt es sich um eine Membran, die lichtgetrieben Protonen von einer Seite auf die andere Seite pumpen kann. Eine einheitlich orientierte Monoschicht könnte als große, dünne Protonenpumpe dienen. Die Proben wurden mittels Rasterkraftmikroskopie und Elektronenmikroskopie charakterisiert. Dabei wurde die Purpurmembran zuerst in Puffer bzw. in destilliertem Wasser verdünnt und auf verschiedenen Substraten trocknen gelassen. Es wurden sowohl Topografie als auch elektrostatische Eigenschaften zur Bestimmung der Orientierung der Membran bestimmt. Zur Verbesserung des Ergebnisses wurde ein elektrisches Feld angelegt, um die PM über Elektrosedimentation und elektrophoretische Sedimentation auf dem Substrat abzuscheiden. Nach Wechseln vom Wildtyp der PM zu einer his-getaggten Variante entstanden durch die elektrophoretische Sedimentation große Felder, in denen die PM fusioniert ist. Die Bildung dieser Felder wurde unter Variation der experimentellen Bedingungen untersucht. Aus diesen Messungen wurde ein möglicher Mechanismus abgeleitet.