Surface modification and functionalization of colloidal nanoparticles [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ralph Alexander Sperling

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 32
• Langue: Deutsch
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Extrait

Surface Modification and Functionalization
of Colloidal Nanoparticles



Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)




dem
Fachbereich Physik
der Philipps-Universität Marburg
vorgelegt von
Ralph Alexander Sperling
aus
Wiesbaden
Marburg/Lahn, 2008 Vom Fachbereich Physik der Philipps-Universität
als Dissertation angenommen am:
Erstgutachter: Prof. Dr. W. Parak
Zweitgutachter: Prof. Dr. W. Heimbrodt
Tag der mündlichen Prüfung: 16.12.2008 Zusammenfassung
Thema dieser kumulativen Dissertation ist die Oberflächenmodifikation, Funktionalisierung und
Biokonjugation anorganischer kolloidaler Nanopartikel. Solche Partikel besitzen einen Durchmesser
zwischen ca. 1 und 100 nm und bestehen aus einem anorganischen, kristallinen Kern, der
üblicherweise durch eine Schicht organischer Ligandenmoleküle bedeckt ist. Diese Ligandenmoleküle
kontrollieren einerseits das Wachstum der Nanokristalle bei der Synthese und stabilisieren
andererseits die Partikel in Lösung gegen Aggregation. Neben dem Kernmaterial bestimmt die
Oberfläche maßgeblich die Eigenschaften der Nanopartikel, in Hinsicht auf das Verhalten im
umgebenden Medium sowie die chemische und biologische Funktionalität, die durch chemische
Gruppen und Biomoleküle modifiziert werden kann.
Ziel dieser Arbeit war es, die Oberfläche von kolloidalen Nanopartikeln kontrolliert zu
funktionalisieren und mit Molekülen zu versehen, die die Partikel in biologisch relevanter, wässriger
Umgebung stabil halten und ggf. eine spezifische Wechselwirkung mit biologischen Systemen
ermöglichen.
Zunächst wurden hydrophobe Nanopartikel aus z.B. Gold oder CdSe/ZnS mit Hilfe eines amphiphilen
Polymers von der organischen in die wässrige Phase überführt. Das Polymer besitzt
Carboxylgruppen, die die Partikel durch elektrostatische Abstoßung stabilisieren und als
Ankergruppen für die weitere chemische Funktionalisierung dienen. Neben der direkten
Funktionaliserung des amphiphilen Polymers in organischer Lösung konnten verschiedene Moleküle
an die Nanopartikel mit Polymerhülle in wässriger Lösung angebunden werden, unabhängig vom
Kernmaterial der Partikel. Mit Hilfe von Polyethylenglycol (PEG), einem inerten linearen Polymer,
konnten die Partikel zusätzlich sterisch stabilisiert werden. Ein bifunktionales PEG mit verschiedenen
funktionellen Endgruppen erlaubte es, die Partikel mit neuen chemischen Funktionen zu versehen.
Bei hinreichend großen PEG Molekülen konnte durch Gelelektrophorese eine Trennung von
Partikeln mit genau einer oder zwei reaktiven funktionellen Gruppen erreicht werden. Für die
Größencharakterisierung von Nanopartikeln wurden verschiedene komplementäre Methoden
miteinander verglichen. Das System wurde auf verschiedene Kernmaterialien und funktionale
Moleküle erweitert.
Komplementär dazu wurden citrat-stabilisierte Goldpartikel mit thiol-modifizierter DNA versehen
und durch Gel-Elektrophorese charakterisiert, was über den Partikeldurchmesser Rückschlüsse auf
die DNA Konformation ermöglichte. Zusätzlich wurde im Rahmen einer Kollaboration gezeigt, dass
solche DNA-modifizierte Partikel dazu verwendet werden können, DNA-Oligomere durch Laser-
induziertes Aufschmelzen von Partikelaggregaten nachzuweisen. Abstract
Subject of this cumulative dissertation is the surface modification, functionalization and
bioconjugation of inorganic colloidal nanoparticles. Such particles have a diameter of about 1 – 100
nm and consist of an inorganic, crystalline core that is commonly covered by a shell of organic ligand
molecules. These ligand molecules control the growth of the particles during synthesis and also
stabilize the particles in solution against aggregation. Besides the core material, the particle surface
determines the properties of the particles, as to their interaction with the surrounding medium and
to chemical and biological functionality that can be modified by reactive groups and biomolecules.
This work aimed to functionalize the surface of colloidal nanoparticles in a controlled fashion and to
modify the particles with molecules that provide stability in biological relevant, aqueous
environment and that possibly also provide specific interaction with biological systems.
First hydrophobic nanoparticles, e.g. made of gold or CdSe/ZnS, were transferred from organic to
the aqueous phase by means of an amphiphilic polymer. The polymer consists of carboxylic groups
that stabilize the particles by electrostatic repulsion and provide anchor groups for further chemical
functionalization. Besides the direct functionalization of the amphiphilic polymer in organic solution,
different molecules could be bound to the polymer shell in aqueous solution, regardless to the core
material. By means of poly(ethylene glycol), PEG, an inert linear polymer, the particles could be
sterically stabilized. Bifunctional PEG with different functional groups allows for modification of the
particles with new chemical functions. By means of sufficiently large PEG molecules, a separation of s with exactly one or two reactive functional groups could be achieved by gel
electrophoresis. For the size characterization of nanoparticles, different complementary methods
were compared. The system was applied to particles of different core materials and different
functional molecules.
Complementary to this, citrate-stabilized gold nanoparticles were modified by thiol-modified DNA
and characterized by gel electrophoresis which provided information about the DNA conformation.
In a collaborative work it was demonstrated that such DNA-modified particles can be used for the
detection of DNA oligomers by laser-induced melting of nanoparticle aggregates.



Table of Contents

Table of Contents .................................................................................................................................... 1
Preface ..................................................................................................................................................... 3
1 Introduction ..................................................................................................................................... 3
1.1 Particle synthesis ..................................................................................................................... 4
1.2 Stabilization against aggregation ............................ 7
1.3 Ligand exchange ...................................................................................................................... 9
2 Phase transfer ............................... 11
2.1 Ligand exchange .................................................................................................................... 11
2.2 Ligand modification ............... 13
2.3 Additional coating layers ....................................................................................................... 13
2.4 Polymer coatings ................... 14
2.5 Silanization ............................................................................................................................ 17
2.6 Comparison and remarks ...................................... 17
3 Particle Functionalization .............................................................................. 18
3.1 Chemical functional groups ................................... 18
3.2 Poly(ethylene glycol) ............................................................................. 21
3.3 Biomolecules ......................................................... 23
3.3.1 Biotin, Avidin and Derivatives ....................................................... 25
3.3.2 DNA ................................................................................................ 26
3.3.3 Peptides, Proteins, Enzymes and Antibodies 28
3.4 Fluorescent dyes and other functions, multifunctional particles ......................................... 30
4 Characterization techniques ......................................................................... 32
4.1 Size characterization ............................................. 32
4.2 Stability, surface and conjugates ........................................................................................... 37
1
5 Applications, Outlook .................................................................................................................... 39
5.1 Biological applications ........... 39
5.2 Technical applications ........................................................................................................... 43
5.3 Concerns about toxicity ......... 44
5.4 Conclusion and Outlook ........................................................................................................ 45
6 Publications ................................... 46
6.1 Nanoparticle modification and functionalization .................................................................. 46
6.2 Nanoparticle characterization ............................................................... 47
6.3 Collaborative work ....................................