Charakterisierung bioorganischer/anorganischer Nanoteilchen

Nanopartikeln sind stets in natürlicher und industrieller Umwelt präsent. Im luftgetragenen Zustand spricht man von Nanoaerosolen, oder auch Bio-Nanoaerosolen, abhängig davon ob die Teilchen anorganischen, oder bioorganischen Ursprungs sind. Die nanometergroßen Teilchen sind mit Makromolekülen vergleichbar, nehme man etwa deren Masse. Es ist daher einsichtig jene Messmethoden, welche für ultrafeine Aerosole entwickelt wurden, für Charakterisierung von aerosolisierten sehr kleinen Partikeln, oder sehr großen Molekülen weiter zu entwickeln und zu verbessern. Die erste Phase des beantragten Projektes ist der Konstruktion von einem verbesserten, ausgereiften Parallelen Differentiellen Mobilitätsanalysator gewidmet und zwar auf der Basis eines den Antragstellern zuerkannten Patentes. Dieses Messsystem arbeitet unter dem atmosphärischen Druck und ist dadurch insbesondere zur Charakterisierung, Separation und Anreichung von anorganischen und bioorganischen Nanopartikeln / Biopolymeren geeignet. Überdies hinaus eignet sich die Anordnung zur Untersuchung von Struktur und konformative Veränderungen von makromolekularen Komplexen in physiologisch nahen Situationen. Die Primärstruktur von Biopolymeren ist von großer Bedeutung, deren biologische Aktivität jedoch ist durch relativ schwache nicht-kovalente Verbindung bedingt. Parameter wie etwa Acidität, Temperatur oder Bestrahlung können die Denaturierung und Verlust der biologischen Aktivität verursachen. Bisherige Beobachtungen dieser Prozesse unter dem atmosphärischen Druck sind sehr limitiert. Die vorgeschlagene Messtechnologie im Zusammenspiel mit Massenspektrometrie, Elektronen- und Atomkraftmikroskopanalyse öffnet weite Möglichkeiten im Bereich der Identifizierung, Charakterisierung und Quantifizierung von diversen Nanopartikeln, Biopolymeren, inklusive Viren. Weiters ist es möglich das Reaktionsverhalten zu studieren, weil diese Nanoaerosol-Messmethode die Stoichiometrie nicht beeinflusst. Abschließend, wird der Schwerpunkt auf die elektrostatische Mobilitätsgrößenanalyse von nicht-kugelförmigen Nanoteilchen gelegt. Die Anwendung von spezifischen Nanoröhrchen, etwa in der Elektronikindustrie ist mit deren Klassifizierung auf der Basis der Größe, oder chemischen Eigenschaften verbunden. Die Größenklassifizierung und Anreicherung wäre daher von hoher praktischer Bedeutung. Die Handhabung von elongierten Nanoteilchen (Nanoröhrchen, Dendrimeren, oder Gold-Nanostäbchen) und Messung mit den Mobilitätsanalysatoren ist nicht ausreichend erforscht und wird daher untersucht inwiefern diese Methode als industrielle Analyse- und Präparationtechnik geeignet ist.

Aerosolnanoteilchen, d.h. feinste Partikel im luftgetragenen Zustand sind ein steter und erheblicher Umweltbestandteil, wobei sie des natürlichen oder anthropogenen Ursprungs sein können. Luftqualitätsstudien und die potenziellen Gefahren für die Umwelt und Gesundheit finden zunehmend Interesse akademischer und nicht-akademischer Kreise. Darüber hinaus waren Nanomaterialien sowie die Erzeugung und Charakterisierung von Bio-Nanoteilchen im Fokus, da diese eine steigende Bedeutung im Bereich der Biotechnologie, Medizin, Lebensmitteltechnologie und Pharmaindustrie haben. Es ist daher einsichtig, dass eine Messmethode und ein Instrumentarium, welche die Charakterisierung von aerosolisierten, sehr kleinen Partikeln (sehr großen Molekülen bzw. funktionalen Aggregaten) erlauben, dringend benötigt sind. Dies wurde im Rahmen dieses Projektes getan, wobei das Gerät den Namen Paralleler Differentieller Mobilitätsanalysator (PDMA) trägt. Die erste Phase des Projektes wurde der Konstruktion eines verbesserten, ausgereifteren PDMA gewidmet auf der Basis eines den Antragstellern zuerkannten Patentes. Das Messprinzip beruht auf der Bestimmung der Mobilität von Nanoteilchen in einem elektrischen Feld, wobei hier als Voraussetzung eine wohldefinierte elektrostatische Beladung von den zu untersuchenden Nanoteilchen nötig ist. Zu dem Zweck wurden die Teilchen mittels eines Elektrosprays in den luftgetragenen Zustand gebracht und dabei auch elektrostatisch konditioniert. Für diesen Prozess werden bipolare Ionen benötigt. Wir untersuchten einerseits verschiedene Quellen für die Ionenproduktion, als auch die Effizienz der elektrostatischen Partikelbeladung. Dank dieser Vorgangsweise konnten wir die Partikelgröße bis in den einstelligen Nanobereich mit höchster Genauigkeit bestimmen. Das Messsystem arbeitet unter atmosphärischen Druck und ist dadurch insbesondere zur Separation, Charakterisierung und Anreichung/Sammlung von anorganischen und bioorganischen Nanopartikeln/Biopolymeren geeignet. Wir untersuchten die Struktur und konformative Veränderungen von makromolekularen Komplexen in physiologisch-nahen Situationen. Die Primärstruktur von Biopolymeren ist von großer Bedeutung, deren biologische Aktivität jedoch ist oft durch relativ schwache, nicht-kovalente Wechselwirkungen bedingt. Parameter wie etwa Acidität oder Temperatur können die Denaturierung und Verlust der biologischen Aktivität verursachen. Die bisherigen Beobachtungen dieser Prozesse unter dem atmosphärischen Druck waren recht limitiert. Im Zusammenspiel mit der nativen Massenspektrometrie ist es uns gelungen, die Charakterisierung und Quantifizierung von diversen Nanopartikeln, Biopolymeren, inklusive intakten Viren, durchzuführen. Der exakte Durchmesser und die molekuare Masse z.B. des intakten (also mit der kompletten genetischen Information) humanen Rhinoviruses wurde zum ersten Mal im luftgetragenem Zustand gemessen. Weiters war es auch möglich die Bindung von Antikörpern bzw. Fragmenten davon an Virionen zu studieren.