Untersuchung der Migration und Auftrennung partikulärer Suspensionen mittels Gelelektrophorese
Um eine Vielzahl von innovativen Produkten und neuartigen Anwendungen im Bereich der Partikeltechnologie voranzutreiben, müssen anorganische Nanopartikel mit einheitlichen Eigenschaften hergestellt und eingesetzt werden. Besondere Halbleiter-Nanopartikel, wie die sog. Quantum Dots, zeichnen sich bspw. durch eine größenabhängige Bandlücke aus, folglich werden für optische Anwendungen monodisperse Quantum Dots mit einer äußerst engen Partikelgrößenverteilungen (PGV) benötigt, um bspw. Kontraste von Bildschirmen zu erhöhen. Darüber hinaus werden Nanopartikel mit sehr engen PGV für den Einsatz in Selbstanordnungsprozessen favorisiert, da diese die Bildung von Überstrukturen mit höchster Ordnung ermöglichen. Analog dazu bieten auch andere Eigenschaften, wie die Partikelform, Vorteile durch eine hohe Homogenität innerhalb der partikulären Probe. Zum einen wurde beispielsweise berichtet, dass scheibenförmige Partikel im Vergleich zu Stäbchen eine schnellere zelluläre Aufnahme aufweisen. Zum anderen erscheinen einheitliche Eigenschaften der Oberflächenchemie, wie eine definierte Anzahl bindungsfähiger funktioneller Gruppen an der Partikeloberfläche, als besonders vorteilhaft für Anwendungen in der Biomedizin. Jedoch wird die benötigte Homogenität bzgl. gewisser Partikeleigenschaften (z.B. Partikelgröße, Morphologie oder Oberflächenchemie) im industriellen Maßstab für die allermeisten Partikelsysteme nicht erreicht, sodass klassischerweise eine post-synthetische Aufreinigung eingesetzt wird. Allerdings ist das Auftrennen von partikulären Proben mit herkömmlichen Methoden hin zu Fraktionen mit höherer Homogenität im Submikron- und Nanometerbereich nur unzureichend oder gar nicht durchführbar, sodass eine Notwendigkeit der Entwicklung neuer Trennmethoden besteht, um diese Herausforderung zu bewältigen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation soll die aus der Biochemie bekannte Agarosegelelektrophorese, welche dort zur analytischen Auftrennung von Proteinen oder DNA-Fragmenten genutzt wird, zur präparativen Trennung von Partikeln verwendet werden. Dabei sollen systematische Untersuchungen die einflussnehmenden Parameter auf die Wanderungsgeschwindigkeit der Partikel identifizieren, sodass eine gezielte Steuerung des Trennprozesses ermöglicht wird. Dafür wurden zunächst SiO2, Au und ZnO Nano- und Submikronpartikel unterschiedlicher Größe und Form synthetisiert und deren Oberfläche mit Liganden funktionalisiert, um die Partikel im genutzten wässrigen Puffer zu stabilisieren und ihre Oberflächenladung gezielt zu steuern. Bei der Herstellung des Agarosegels besteht die Möglichkeit die Maschenweite gezielt über die Polymerkonzentration einzustellen, wobei eine höhere Konzentration des Polymers Agarose zu einem dichteren dreidimensionalen Netzwerk und somit zu kleineren Maschenweiten führt. In dieser Arbeit wurden Gele mit Feststoffgehalten von 0,15 – 1,50 Gew.-% hergestellt. Während der Untersuchungen wurden tiefe mechanistische Einblicke in den Prozess der Partikelwanderung aufgrund eines elektrischen Feldes durch solch ein poröses Medium (Gel mit Maßen von 8×10×0,6 cm³) gewonnen, wobei die Migrationsgeschwindigkeit der Partikel im elektrischen Feld als elektrophoretische Mobilität beschrieben wird. Dabei stellte sich heraus, dass neben der Partikelgröße, Oberflächenchemie (Zetapotenzial) und Morphologie der Partikel das Verhältnis von Partikeldurchmesser zu Maschenweite den größten Einfluss auf die hat. Systematische Untersuchungen zeigten, dass man die Migration der Partikel in zwei Wanderungsmechanismen einteilen und eine Trennung gezielt über die Partikel-Gel-Wechselwirkungen steuern kann. Eine Auftrennung binärer Partikelmischungen in ihre einzelnen Ausgangsfraktionen konnte für jeden einzelnen Eigenschaftsparameter (Partikelgröße, Oberflächenchemie und Morphologie) bewerkstelligt und nach Extraktion der partikulären Fraktionen über verschiedene Charakterisierungsmethoden validiert werden. Dabei beeinflussen stets mehrere Parameter die und somit die Wanderung der Proben, auch wenn die Dominanz eines Parameters begünstigt werden kann. Trotz dieser mehrfachen Beeinflussung durch unterschiedliche Parameter konnten auch reale Proben erfolgreich getrennt werden und zugehörige Trenngradkurven der einzelnen Fraktionen aufgestellt werden. Basierend auf diesem Wissen konnte ein prädiktives Modell aufgestellt werden, welches die Partikelmigration mittels eines Migrationsfaktors in Abhängigkeit der Partikelgröße und -form sowie der Maschenweite beschreibt, sodass eine Vorhersage über die Migrationsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Um tiefere Erkenntnisse über einzelne Fraktionen im Gel zu erlangen und eine Nachverfolgung dieser zu ermöglichen, wurde ein glasfaserbasiertes UV/Vis Messsystem aufgebaut und in Betrieb genommen. Dank dieses Systems konnten nanopartikuläre, kugel- und stäbchenförmige Au und Fe3O4 Proben im Gel eindeutig anhand charakteristischer Absorptionssignale identifiziert und ihre Wanderung verfolgt werden. Des Weiteren konnten Quantifizierungen der Partikelverhältnisse von Mischproben über eine Dekonvolution sowie Feststoffgehalte nach einer vorherigen Kalibrierung ermittelt werden. Um die Wirtschaftlichkeit der Trennung mittels Gelelektrophorese zu erhöhen, wurde im weiteren Verlauf ein Scale‑Up untersucht, wobei die Modifikationen der Gelhöhe und die Erhöhung der Feedkonzentration zu Steigerungen des Partikeldurchsatzes um den Faktor 10 (ca. 240 mg Partikelmasse pro Lauf) führten. Zusätzlich wurde ein Prototyp einer 2D-Elektrophoresekammer entworfen und hergestellt, mit welchem in einer Machbarkeitsstudie nachgewiesen werden konnte, dass eine Trennung einer Partikelmischung im semi-kontinuierlichen Betrieb möglich ist, um so eine präparative Partikeltrennung zu erreichen.
To advance a variety of innovative products and novel applications in the field of particle technology, it is essential to produce and utilize inorganic nanoparticles with uniform properties. Special semiconductor nanoparticles, such as so-called quantum dots, are characterized by a size-dependent bandgap. Consequently, monodisperse quantum dots with extremely narrow particle size distributions (PSD) are required for optical applications, such as improving the contrast of displays. Furthermore, nanoparticles with very narrow PSD are favored for use in self-assembly processes, as they enable the formation of superstructures with the highest order. Analogously, other properties, such as particle shape, offer advantages through high homogeneity within the particulate sample. On the one hand, for instance it has been reported that disk-shaped particles exhibit faster cellular uptake compared to rod-shaped particles. On the other hand, uniform surface chemistry properties, such as a defined number of binding functional groups on the particle surface, are particularly advantageous for biomedical applications. However, the required homogeneity regarding certain particle properties (e.g., particle size, morphology or surface chemistry) is not achieved on an industrial scale for most particle systems so that a post-synthetic purification is typically employed. Nonetheless, separating particulate samples into fractions with higher homogeneity using conventional methods in the submicron and nanometer range is either inadequate or not feasible underscoring the need to develop new separation methods to address this challenge effectively. In the context of this dissertation, the agarose gel electrophoresis, commonly used in biochemistry for analytical separation of proteins or DNA fragments, will be adapted for the preparative separation of particles. Systematic investigations aim to identify the parameters influencing particle migration velocity, enabling precise control of the separation process. For this reason, SiO₂, Au, and ZnO nano- and submicron-sized particles of different sizes and shapes were synthesized, and their surfaces were functionalized with ligands to stabilize the particles in the utilized aqueous buffer and to deliberately control their surface charge. During the preparation of the agarose gel, the mesh size can be specifically adjusted via the polymer concentration. A higher concentration of the agarose polymer results in a denser three-dimensional network and consequently smaller mesh sizes. In this study, gels with solid contents ranging from 0.15 to 1.50 wt.-% were produced. The investigations provided deep mechanistic insights into the process of particle migration under an electric field through such a porous medium (gel dimensions: 8×10×0.6 cm³), whereby the migration velocity of particles in the electric field is described as electrophoretic mobility μE. It was found that, in addition to the particle size, the surface chemistry (zeta potential), and the particle morphology, the ratio of the particle diameter to the mesh size had the greatest influence on the μE. Systematic investigations revealed that particle migration could be categorized into two distinct mechanisms, enabling separation to be specifically controlled through particle-gel interactions. Binary particle mixtures were successfully separated into their individual fractions based on each property parameter (particle size, surface chemistry, and morphology) and after extraction the particle fraction were characterized by various methods for validation. Thereby, multiple parameters simultaneously influence the μE and thus particle migration, whereby it is possible to favor the dominance of a specific parameter. Despite the multifactorial influence, as-synthesized samples were successfully separated, and tromp curves for the individual fractions were established. Based on this understanding, a predictive model was developed, describing the particle migration using a migration factor dependent on particle size and shape as well as mesh size, enabling the prediction of migration velocities. To gain deeper insights about individual fractions within the gel and facilitate their tracking, a glass fiber-based UV/Vis measurement system was developed and implemented. This system enabled unambiguous identification and monitoring the migration of nanoparticulate, spherical and rod-shaped Au and Fe₃O₄ samples in the gel based on their characteristic absorption signals. Additionally, the system allowed for quantification of particle ratios in mixed samples through deconvolution and determination of solid content after prior calibration. To improve the cost-efficiency of separation via gel electrophoresis, next the scale-up was investigated, whereby a modification of the gel height and an increasing feed concentration resulted in a tenfold increase in particle throughput (approximately 240 mg of particle mass per run). Furthermore, a prototype of a 2D electrophoresis chamber was designed and fabricated. In a feasibility study, it was demonstrated that the separation of a particle mixture in semi-continuous operation was possible, achieving a preparative particle separation.
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