Synthese und Charakterisierung der optischen Eigenschaften lasergenerierter Gold-Platin-Nanopartikel für die Biodiagnostik

Die Point-of-Care-Diagnostik bietet herausragende Möglichkeiten, schnell, kostengünstig und ohne spezifische Fachkenntnisse oder Laborausrüstung die verschiedensten Analyte in Proben nachzuweisen. Ihr Einsatzgebiet erstreckt sich von Lebensmitteltechnologie über Qualitätskontrolle bis hin zum Gesundheitswesen. Wichtige Vertreter auf diesem Gebiet sind die Lateral-Flow-Assays, deren bekanntestes Beispiel der Schwangerschaftstest ist. Die Sensitivität des Nachweises hängt in großem Maße von den eingesetzten Markern ab. Aufgrund ihrer herausragenden optischen Eigenschaften sind Gold-Nanopartikel ein beliebtes Material, das oft industriell verwendet wird.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Optimierung des optischen Signals auf den Lateral-Flow-Assays, das das positive oder negative Ausfallen des Tests anzeigt. Ausgangspunkt sind dabei sphärische Gold-Nanopartikel, deren Signalintensität durch die Legierung mit Platin verbessert werden soll. Die Arbeit deckt dabei den kompletten Produktionsprozess von der Herstellung des Targets, welches als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Nanopartikel über Laserablation dient, bis zur Charakterisierung der finalen Testbande auf dem Lateral-Flow-Assay ab.

Zu Beginn wurde gezeigt, über welche Prozessschritte Gold-Platin-Targets bestmöglich hergestellt werden können, sodass sich durch gepulste Laserablation in Flüssigkeit Nanopartikel mit der den Targets entsprechenden Zusammensetzung synthetisieren ließen. Im nächsten Schritt wurde über die Mie-Theorie berechnet, bei welcher Größe und Zusammensetzung die Partikel die besten optischen Eigenschaften in Bezug auf Absorption, Streuung und Extinktion aufwiesen. Aus diesen Ergebnissen wurden die Zielparameter festgelegt. Untersuchungen zur Größenkontrolle der Gold-Platin-Partikel fanden zunächst im diskontinuierlichen Betrieb statt, während die eigens für die Arbeit angefertigte Durchflusskammer bezüglich ihrer Verweilzeiten charakterisiert wurde. Die gewonnenen Informationen wurden kombiniert und bei der Partikelgrößenkontrolle über Delayed Conjugation im Durchfluss angewandt. Über Variation der Durchflussrate und Zugabeposition von NaCl und PEG als Quencher konnten Legierungsnanopartikel in gewünschter Größe synthetisiert werden. Die Möglichkeit zur Optimierung der Partikelmorphologie und Größenverteilung wurde über Nachbestrahlung der Partikel mit einem weiteren Laser untersucht. Die Berechnung der Laserparameter erfolgte über das Heating-Melting-Evaporation-Modell. Im letzten Schritt wurden die Partikel im fertigen Produktprototyp auf dem Lateral-Flow-Assay getestet und mit den bisherigen Gold-Nanopartikeln verglichen. Hierzu wurden zusätzlich zur Standardcharakterisierungsmethode mit kommerziellen kolorimetrischen Readern weitere entwickelt, die einen fairen Vergleich zweier unterschiedlicher Materialien möglich machten. Es konnte gezeigt werden, dass die neu entwickelten Gold-Platin-Legierungsnanopartikel den zuvor verwendeten Gold-Nanopartikeln in allen Bereichen ebenbürtig oder sogar überlegen waren.

Point-of-care diagnostics offer outstanding possibilities to detect the most diverse analytes in samples quickly, cost-effectively and without specific expertise or laboratory equipment. Their applications range from food technology to quality control and health care. Important representatives in this field are the lateral flow assays, whose best-known example is the pregnancy test. The sensitivity of the detection depends to a large extent on the markers used. Due to their outstanding optical properties, gold nanoparticles are a popular material that is often used in industry.

This thesis deals with the optimization of the optical signal on lateral flow assays, which indicates the positive or negative failure of the test. The starting point is spherical gold nanoparticles whose signal intensity is to be improved by alloying them with platinum. The work covers the complete production process from the production of the target, which serves as the starting material for the production of the nanoparticles via laser ablation, to the characterization of the final test band on the lateral flow assay.

At the beginning, it was shown which process steps can be used to produce gold-platinum targets in the best possible way so that optimal nanoparticles can be synthesized by laser ablation in liquid with the composition of the targets. In the next step, the Mie theory was used to calculate the size and composition of the particles with the best optical properties in terms of absorption, scattering and extinction. The target parameters were determined from these results. Studies on the size control of the gold-platinum particles were initially carried out in discontinuous operation, while the residence time of the flow chamber specially prepared for the work were characterized. The information obtained was combined and applied to the particle size control via Delayed Conjugation in Flow. By varying the flow rate and the addition position of NaCl and PEG as quencher, alloy nanoparticles of the desired size could be synthesized. The possibility to optimize particle morphology and size distribution was investigated by irradiation of the particles with another laser. The laser parameters were calculated using the Heating-Melting-Evaporation-Model. In the final step, the particles were tested in the finished product prototype on the lateral flow assay and compared with the previous gold nanoparticles. In addition to the standard characterization method with commercial colorimetric readers, further methods were developed which made a fair comparison of two different materials possible. It was shown that the newly developed gold-platinum alloy nanoparticles were equal or even superior to the previously used gold nanoparticles in all areas.

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