Synthese und Charakterisierung von ultrakleinen Silber- und Platinmetall-Nanopartikeln
Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese von in Wasser dispergierbaren ultrakleinen Nanopartikeln. Durch den Einsatz von Glutathion als Liganden in einer Synthese mit direkter Oberflächenbeladung ist es gelungen, Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 2 nm zu synthetisieren.
Der erste Teil der Arbeit fokussierte sich auf die Charakterisierung der Silber-Glutathion Nanopartikel. Dabei wurde sowohl der Metallkern als auch die Ligandenhülle umfassend charakterisiert. Zunächst konnte die Partikelgröße sowohl in kolloidaler als auch in getrockneter Form durch mehrere Analysemethoden bestätigt werden. Dabei konnten monodisperse Partikelgrößenverteilungen ermittelt werden, die die Abwesenheit von größeren Partikeln belegten. Durch die Kombination von XRD- und HRTEM-Analysen konnte eine Verzwillingung der Partikel nachgewiesen werden, die wie das Bulksilber in einer fcc Struktur kristallisieren. Für den Gitterparamater a konnte mit 4,05 ± 0,01 Å ein kleinerer Wert als für das Bulksilber ermittelt werden, was eine Komprimierung der Zelle zeigt. An jedem dieser Partikel sind etwa 155 Glutathion-Moleküle gebunden, wodurch bei einem Partikeldurchmesser von 2 nm in etwa Ag250GSH155 Partikel erzeugt wurden. Das entspricht einem molekularen Fußabdruck von 0,08 nm2, was überraschend gering ist. Einen tieferen Einblick in die Bindungsverhältnisse am Partikel bietet die XPS-Methode. Anhand der Bindungsenergie des Schwefels wird deutlich, dass das Glutathion über den Schwefel an den Partikel gebunden ist. In den XP-Spektren des Silbers ist zu erkennen, dass das Silber lediglich aus einer Spezies besteht, die Ag(+I) zugeordnet werden kann. Da der Schwefel lediglich an die Oberflächenatome gebunden sein kann, muss die Ladung von den Oberflächen-Atomen auf die inneren Atome übertragen werden. Nach der umfassenden Charakterisierung des Metallkerns wurde mit NMR-Spektroskopischen Methoden die Ligandenhülle analysiert. Im 1H-NMR konnte die spektroskopische Reinheit der Partikel bewiesen werden. Die Signale zeigten für ultrakleine Nanopartikel typische von der Distanz zum Metallkern abhängige Verbreiterungen, wobei sowohl die 1H als auch die 13C-Signale mit Hilfe von 2D-NMR-Experimenten zweifelsfrei zugewiesen werden konnten. Im 1H-13C-HSQC-Spektrum offenbarte sich ein zweites 13C-Signal für das direkt an den Schwefel gebundene Kohlenstoffatom. Dieses Signal konnte mittels isotopenmarkierten Glutathions ebenfalls in einem 13C-NMR-Spektrum detektiert werden. Somit liegen mindestens zwei nicht äquivalente Bindungsarten für das Glutathion an den Partikel vor. Im temperaturabhängigen NMR-Spektrum spalteten sich ebenfalls die 1H- und 13C-Signale dieses Kohlenstoffs bei 85°C auf, sodass die zweite Spezies auch im 1H-NMR sichtbar wurde. Durch das Erhitzen der NMR-Probe veränderte sich im Spektrum nahezu nichts, was zeigt, wie stabil die Bindung vom Glutathion zum Partikel ist.
Bei in-vitro-Studien konnte gezeigt werden, dass die ultrakleinen Nanopartikel im Vergleich zu größeren Partikeln eine höhere Zytotoxizität aufweisen. Außerdem können die Partikel problemlos von HeLa-Zellen aufgenommen werden.
Nach der Etablierung der Synthese für die Silber-Nanopartikel, konnte sie auf die Platinmetalle angewendet werden. Dafür mussten die einzelnen Reaktionsparameter wie Temperatur und molare Verhältnisse von Präkursor zu Glutathion angepasst werden. Dadurch konnte für alle Platinmetalle Partikel mit Durchmessern kleiner als 2 nm synthetisiert werden. Diese wurden äquivalent zu den Silber-Nanopartikeln in Bezug auf den Metallkern und die Ligandenhülle charakterisiert. Im Vergleich zum Silber neigen die Platinmetalle zu etwas kleineren Partikeln, wobei die Metallkerne entweder komplett oxidiert (Ru, Ir), zum Teil oxidiert (Rh, Pt) oder nicht oxidiert (Os) vorliegen. Im Gegensatz zum Silber sind mit Ausnahme für Osmium Oxidpartikel entstanden. Ein interessanter Unterschied zum Silber ergab sich für die Schwefel und Stickstoff-Spezies in den Platinmetall-Partikeln. Dort tauchten neben den erwarteten Signalen zusätzliche Peaks auf. Das ist ein Hinweis auf kompliziertere Bindungsverhältnisse am Partikel, was die erhaltenen geringen molekularen Fußabdrücke erklären könnte. In den NMR-Spektren konnten indes nur stark verbreiterte Signale ermittelt werden, in denen nur weiter vom Partikelkern entfernte Kerne detektiert werden konnten. Das deutet auf andere elektronische Eigenschaften der Platinmetalle hin, die für eine starke Verzerrung verantwortlich sind. Somit konnten auch keine differenzierbaren Signale für die 1H oder 13C Kerne des Cysteinteils vom Glutathion ermittelt werden.
Im dritten Teil der Arbeit wurden legierte Silber-Platin-Nanopartikel charakterisiert. Die legierten Partikel zeigten vergleichbare Partikeldurchmesser zu den monometallischen Partikeln. Die Kristallitgröße stimmt eher mit der des Silbers überein, was für verzwillingte Partikel spricht.
Bei den NMR-Spektren konnte gezeigt werden, dass der verzerrende Effekt des Platins auf das Silber übertragen werden konnte. Dabei konnte erst für einen Silberanteil von 80 % ein 1H-Signal für die CH2 Gruppe des Cysteinteils erhalten werden. Durch den Vergleich der Spektren des legierten Silbers mit den Spektren eines Gemischs aus monometallischem Platin und Silber konnte gezeigt werden, dass es sich um legierte Partikel handelt. Diese legierten Partikel besitzen einen sehr geringen molekularen Fußabdruck, die eher zu dem des Platins passen.
Insgesamt konnten für alle Metalle reine ultrakleine Nanopartikel mit einer monodispersen Partikelgrößenverteilung synthetisiert werden. Aufbauend auf dieser Arbeit sind intensivere Untersuchungen der Ursache der stark verbreiterten NMR-Signale der Platinmetalle denkbar. Außerdem ist eine Untersuchung der biologischen Effekte der legierten Partikel eine sinnvolle Erweiterung, da bimetallische Partikel bereits von den monometallischen Partikeln abweichende Eigenschaften zeigten.
The aim of this work was the synthesis of water-dispersible ultra-small nanoparticles. By using glutathione as a ligand in a synthesis with direct surface loading, a successful synthesize of nanoparticles with a diameter of about 2 nm was achieved.
The first part of this thesis focused on the characterization of the silver glutathione nanoparticles. Both the metal core and the ligand shell were comprehensively characterized. First of all, the particle size could be confirmed both in colloidal and in dried form by several analytical methods. In this way, monodisperse particle size distributions could be determined, which proved the absence of larger particles. By combining XRD and HRTEM analyses, it was possible to detect twinning of the particles, which crystallize in an fcc structure like bulksilver. With the lattice parameter a of 4.05 ± 0.01 Å, a smaller value than for the bulksilver could be determined, which shows a compression of the cell. Approximately 155 glutathione molecules are bound to each of these particles, producing Ag250GSH155 particles with a particle diameter of 2 nm. This corresponds to a molecular footprint of 0.08 nm2, which is surprisingly small. The XPS method offers a deeper insight into the bonding conditions on the particle. Based on the binding energy of the sulfur in the particle, it becomes clear that the glutathione is bound to the particle via the sulfur.
The XP spectra of the silver reveal that the silver consists only of one species that can be assigned to Ag(+I). Since the sulfur can only be bound to the surface atoms, the charge must be transferred from the surface atoms to the inner atoms. After extensive characterization of the metal core, the ligand shell was analysed using NMR spectroscopic methods. The spectroscopic purity of the particles could be proven in 1H-NMR. For ultra-small nanoparticles, the signals showed typical broadening depending on the distance to the metal core, whereby both the 1H and the 13C signals could be assigned unequivocally with the aid of 2D-NMR-Experiments. In the 1H-13C-HSQC spectrum, a second 13C-signal was revealed for the carbon directly bound to the sulfur. This signal could also be detected in a 13C-NMR spectrum using isotope-labeled glutathione. Thus, there are at least 2 non-equivalent types of binding for the glutathione to the particle. In the temperature-dependent NMR spectrum, the 1H- and 13C-signals of this carbon also split at 85 ° C, so that the second species was also visible in the 1H NMR. By heating the NMR sample, the spectrum changed almost nothing, which shows how stable the bond between the glutathione and the particle is.
In in-vitro-studies it could be shown that the ultra-small nanoparticles have a higher cytotoxicity compared to larger particles. In addition, the particles can easily be taken up by HeLa cells.
After the establishment of the synthesis for the silver nanoparticles, it could be applied to the platinum metals. For this, the individual reaction parameters such as temperature and molar ratios of precursor to glutathione had to be adjusted. This made it possible to synthesize particles with diameters below 2 nm for all platinum metals. These were characterized as equivalent to the silver nanoparticles with regard to the metal core and the ligand shell. Compared to silver, the platinum metals tend to have somewhat smaller particles, with the metal cores either completely oxidized (Ru, Ir), partially oxidized (Rh, Pt) or non-oxidized (Os). In contrast to silver, oxide particles were created with the exception of osmium. An interesting difference to silver was found for the sulfur and nitrogen species in the platinum metal particles. In addition to the expected signals, additional peaks appeared there. This is an indication of more complex bonding conditions on the particle, which could explain the small molecular footprints. In the NMR spectra, however, only strongly broadened signals could be determined, in which only nuclei further away from the metal could be detected. This also points to other electronic properties of the platinum metals, which are responsible for a strong distortion. Thus, no differentiable signals could be determined for the 1H or 13C nuclei of the cysteine part of glutathione.
In the third part of the thesis, alloyed silver platinum nanoparticles were characterized. The alloyed particles showed particle diameters comparable to those of the other particles. The crystallite size is more similar to that of silver, which indicates twinned particles.
The NMR spectra showed that the distorting effect of the platinum could be transferred to the silver. A 1H signal for the CH2 group of the cysteine part could only be obtained for a silver content of 80 %. The platinum seems to transfer its electronic properties to the silver. By comparing the spectra of the alloyed silver with the spectra of a mixture of monometallic platinum and silver, it was possible to show that the particles are alloyed. These have a very small molecular footprint that is more in line with that of platinum.
Overall, pure ultra-small nanoparticles with a monodisperse particle size distribution could be synthesized for all metals. Building on this work, more intensive investigations into the cause of the strongly broadened NMR signals of the platinum metals are conceivable. In addition, an investigation of the biological effects of the alloyed particles is a useful extension to this work, since bimetallic particles already showed properties that differ from monometallic particles.