Charakterisierung von Nanomaterialien: DLS, TEM, Zetapotential

Ein Nanomaterial ist nur so gut definiert wie seine Messung. Ob ein Schnelltest zuverlässig funktioniert, ob ein Arzneimittel zugelassen wird oder ob ein Stoff unter die EU-Definition für Nanomaterial fällt, hängt davon ab, dass Größe, Form, Oberfläche und Zusammensetzung belastbar bestimmt werden. Diese Seite stellt die wichtigsten Methoden vor und zeigt, warum immer mehrere davon nötig sind.

Was gemessen werden muss

Für Nanomaterialien in Biologie und Medizin sind vor allem diese Eigenschaften wichtig:

• Größe und Größenverteilung, im trockenen Zustand und in Lösung,
• Form, etwa Kugel, Stäbchen oder Plättchen,
• Oberflächenladung, meist als Zetapotential angegeben,
• Oberflächenchemie und Beschichtung, zum Beispiel die Menge gebundener Antikörper,
• chemische Zusammensetzung und Kristallstruktur,
• Aggregationszustand und Stabilität über die Zeit,
• optische und magnetische Eigenschaften.

Keine Methode erfasst alles. Jede hat ein eigenes Messprinzip, eigene Probenvorbereitung und eigene Fehlerquellen. Deshalb werden Ergebnisse verschiedener Methoden kombiniert und miteinander verglichen.

Größe in Lösung: dynamische Lichtstreuung

Die dynamische Lichtstreuung (DLS) ist die am häufigsten genutzte Methode zur Größenbestimmung. Ein Laser beleuchtet die Probe, ein Detektor misst die Schwankungen des Streulichts. Diese Schwankungen entstehen, weil Partikel sich durch die Brownsche Molekularbewegung bewegen, kleine schneller als große. Aus der Geschwindigkeit der Schwankungen berechnet das Gerät über die Stokes-Einstein-Gleichung den hydrodynamischen Durchmesser.

Die DLS ist schnell, misst in Lösung und braucht wenig Probe. Ihre wichtigste Eigenheit: Die Streuintensität kleiner Partikel steigt etwa mit der sechsten Potenz des Durchmessers. Wenige große Partikel oder Aggregate können das Ergebnis deshalb stark dominieren. Angegeben werden meist der intensitätsgewichtete Mittelwert (Z-Average) und der Polydispersitätsindex.

Ergänzend nutzt man die Partikel-Tracking-Analyse (NTA), die einzelne Partikel unter dem Mikroskop verfolgt und eine anzahlbasierte Verteilung liefert, sowie Verfahren wie Kleinwinkel-Röntgenstreuung oder analytische Ultrazentrifugation.

Größe und Form im Bild: Elektronenmikroskopie

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchstrahlt eine sehr dünne Probe mit Elektronen. Weil die Wellenlänge der Elektronen viel kleiner ist als die von Licht, lassen sich Strukturen bis unter einen Nanometer auflösen. Man sieht Größe, Form und bei Metallpartikeln sogar Kristallgitter einzelner Partikel. Aus vielen ausgemessenen Partikeln entsteht eine anzahlbasierte Größenverteilung.

Grenzen der TEM sind die Probenvorbereitung im Vakuum und im trockenen Zustand, bei der Partikel zusammenrücken oder sich verändern können, und die kleine Zahl untersuchter Partikel. Organische Hüllen und Biomoleküle sind ohne Kontrastierung kaum sichtbar. Varianten wie die Kryo-Elektronenmikroskopie bilden schockgefrorene Proben in nahezu natürlichem Zustand ab und sind besonders für Liposomen und Lipid-Nanopartikel wichtig. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigt Oberflächen, die Rasterkraftmikroskopie (AFM) tastet Partikel mit einer feinen Spitze ab und misst ihre Höhe.

Oberflächenladung: Zetapotential

Partikel in Wasser tragen meist eine elektrische Ladung, um die sich eine Wolke entgegengesetzt geladener Ionen bildet. Das Zetapotential ist das elektrische Potential an der Grenze, an der diese Ionenwolke beim Bewegen des Partikels abschert. Gemessen wird es meist mit der elektrophoretischen Lichtstreuung: Ein elektrisches Feld bewegt die Partikel, die Geschwindigkeit verrät die Ladung.

Hohe positive oder negative Werte bedeuten starke gegenseitige Abstoßung und damit eine stabile Dispersion. Werte nahe null deuten auf Aggregationsneigung hin, sofern keine Polymerhülle die Partikel auf Abstand hält. Das Zetapotential hängt stark von pH-Wert und Salzgehalt ab, deshalb gehören diese Angaben immer zum Messergebnis. Nach einer Biokonjugation ändert sich das Zetapotential typischerweise, was als Hinweis auf eine erfolgreiche Beschichtung dient.

Optische Eigenschaften und Zusammensetzung

Mit der UV-Vis-Spektroskopie misst man, welche Wellenlängen eine Probe absorbiert. Bei Goldpartikeln liegt das Plasmonmaximum für kleine Kugeln bei etwa 520 Nanometern. Lage und Breite des Maximums verraten Größe, Form und Aggregation, außerdem lässt sich die Partikelkonzentration abschätzen. Fluoreszenzspektroskopie charakterisiert Quantenpunkte und markierte Partikel.

Die chemische Zusammensetzung bestimmen Verfahren wie die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS), die Metalle bis in den Spurenbereich quantifiziert. In der Einzelpartikel-Variante (spICP-MS) misst sie sogar Masse und Größe einzelner Metallpartikel. Röntgenbeugung (XRD) zeigt die Kristallstruktur, energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) im Elektronenmikroskop die Elementverteilung, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) die Chemie der obersten Atomlagen.

Methoden im Vergleich

Standards und Vergleichbarkeit

Weil Messergebnisse stark von Gerät und Vorgehen abhängen, gibt es internationale Normen. Das Normungskomitee ISO/TC 229 erarbeitet Begriffe und Messverfahren für Nanotechnologien, die OECD hat Leitfäden zur Prüfung von Nanomaterialien veröffentlicht, und Referenzmaterialien mit bekannter Partikelgröße erlauben den Vergleich zwischen Laboren. Für die Regulierung, etwa die Frage, ob ein Stoff unter die EU-Definition fällt, verlangen Behörden anzahlbasierte Größenverteilungen und gut dokumentierte Methoden, mehr dazu unter Nanosicherheit und Regulierung.

Für die Praxis gilt: Ergebnisse immer mit Methode, Probenvorbereitung, Medium und Gewichtung angeben. Nur so lassen sich die Eigenschaften der Nanopartikel aus verschiedenen Laboren und Veröffentlichungen sinnvoll vergleichen.