Surface Modification and Functionalization of Colloidal Nanoparticles

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.