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Nano-Gold - Swiss Nano Cube

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Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen<br />

<strong>Nano</strong>-<strong>Gold</strong><br />

Optik & Phasentransfer<br />

Experimentieranleitungen<br />

Dezember 2010<br />

Stephan Knébel, Marianne Dietiker, Christoph Meili<br />

Modulsponsor:<br />

Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung<br />

der Metrohm Stiftung Herisau realisiert.


Kontakt:<br />

Die Innovationsgesellschaft St. Gallen<br />

Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen<br />

Tel. +41 (0) 71 274 72 66<br />

Mail: info@innovationsgesellschaft.ch<br />

www.swissnanocube.ch<br />

Version Dezember 2010<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Dieses Modul wurde von der Innovationsgesellschaft St. Gallen im Rahmen des Projektes<br />

<strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong> realisiert. Autoren: Stephan Knébel, Marianne Dietiker, Christoph Meili.<br />

Bild Titelseite: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong><br />

© <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch Kontakt


Inhalt<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

1. <strong>Nano</strong>-Kontext ........................................................................................................................ 2<br />

2. Beschreibung des Experiments .......................................................................................... 2<br />

2.1. Teil 1: Optische Eigenschaften von <strong>Gold</strong>nanopartikeln ................................................................ 2<br />

2.2. Teil 2: Phasentransfer von <strong>Gold</strong>nanopartikeln ............................................................................. 2<br />

3. Teil 1: Optische Eigenschaften von <strong>Gold</strong>nanopartikeln ................................................... 3<br />

3.1. Chemikalien/Substanzen Teil 1 ..................................................................................................... 3<br />

3.2. Versuchsanordnung/Materialien Teil 1 ........................................................................................ 3<br />

3.3. Versuchsdurchführung und Musterresultate Teil 1 ...................................................................... 4<br />

4. Teil 2: Phasentransfer von <strong>Gold</strong>nanopartikeln .................................................................. 7<br />

4.1. Chemikalien/Substanzen Teil 2 ..................................................................................................... 7<br />

4.2. Versuchsanordnung/Materialien Teil 2 ........................................................................................ 7<br />

4.3. Versuchsdurchführung und Musterresultate Teil 2 ...................................................................... 8<br />

5. Theoretische Grundlagen .................................................................................................. 11<br />

5.1. Chemische Grundlagen ............................................................................................................... 11<br />

5.2. Physikalische Grundlagen: Oberflächenplasmonen ................................................................... 12<br />

6. Anhang 1: Literaturnachweis ............................................................................................ 18<br />

7. Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung .............................................................. 19<br />

7.1. Allgemeine Hinweise .................................................................................................................. 19<br />

7.2. Links Zu den Sicherheitsdatenblättern ....................................................................................... 19<br />

7.3. Rechtsgrundlagen/Haftung ......................................................................................................... 19<br />

7.4. Details zu den verwendeten Chemikalien .................................................................................. 20<br />

Begleitvideo zur Experimentieranleitung<br />

© <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch 1/26


1. <strong>Nano</strong>-Kontext<br />

� Veränderung der optischen Eigenschaften bei nanoskaligem <strong>Gold</strong><br />

� Löslichkeit von <strong>Nano</strong>partikeln aufgrund ihrer funktionalen Oberfläche<br />

� Anwendung von <strong>Gold</strong>kolloiden zum Beispiel in Schwangerschaftstests<br />

2. Beschreibung des Experiments<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

� Bei diesem Experiment werden <strong>Gold</strong>nanopartikel (= <strong>Gold</strong>kolloide) aus <strong>Gold</strong>chlorid Aquat<br />

hergestellt, um in zwei Teilversuchen einerseits ihre optischen Eigenschaften sowie<br />

andererseits ihr Löslichkeitsverhalten zu untersuchen.<br />

� <strong>Gold</strong>kolloide sind 2 bis 100 nm grosse <strong>Nano</strong>partikel aus elementarem <strong>Gold</strong> [1].<br />

� Die <strong>Gold</strong>kolloide sind im Lösungsmittel fein verteilt und bilden eine Dispersion, auch <strong>Gold</strong>sol<br />

genannt [1].<br />

� Eine Dispersion darf nicht mit einer Lösung verwechselt werden, in der einzelne Moleküle<br />

oder Atome vollständig gelöst sind [1].<br />

� Zur Herstellung der Kolloide wird <strong>Gold</strong>chlorid Aquat in wässriger Lösung zu elementarem<br />

<strong>Gold</strong> reduziert. Als Reduktionsmittel wird Tri-Natriumcitrat verwendet.<br />

2.1. Teil 1: Optische Eigenschaften von <strong>Gold</strong>nanopartikeln<br />

� Die Grösse von <strong>Nano</strong>partikeln liegt im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichts.<br />

� <strong>Nano</strong>partikel können daher mit sichtbarem Licht wechselwirken. Dadurch verändern sich ihre<br />

optischen Eigenschaften drastisch.<br />

� Die Farbe der Dispersion ist daher abhängig von der Grösse der Partikel. Im Bereich von 20<br />

bis 30 nm erscheint die Dispersion rötlich [1].<br />

2.2. Teil 2: Phasentransfer von <strong>Gold</strong>nanopartikeln<br />

� Die Stabilität der Dispersion ist abhängig von der funktionalen Oberfläche der <strong>Nano</strong>partikel.<br />

� Je nach den chemischen Eigenschaften der Oberflächenfunktionalisierung können die<br />

<strong>Nano</strong>partikel in hydrophilen oder hydrophoben Umgebungen eine stabile Dispersion bilden.<br />

� Durch Veränderung der funktionalen Oberfläche lassen sich <strong>Gold</strong>nanopartikel von einer<br />

hydrophilen (wässrigen) Phase in ein e hydrophobe Phase transferieren.<br />

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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

3. Teil 1: Optische Eigenschaften von <strong>Gold</strong>nanopartikeln<br />

3.1. Chemikalien/Substanzen Teil 1<br />

Details sind im Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung zu finden.<br />

� Tetrachlorogold(III)-Säure (<strong>Gold</strong>chlorid Aquat)/AuHCl4 �3H2O (Carl Roth GmbH)<br />

� Tri-Natriumcitrat Dihydrat/C6H5Na3O7 �2 H2O (Carl Roth GmbH)<br />

� Natriumchlorid (Kochsalz)/NaCl (Carl Roth GmbH)<br />

� destilliertes Wasser<br />

3.2. Versuchsanordnung/Materialien Teil 1<br />

Abbildung 1: Versuchsanordnung/Materialien Teil 1, Optische<br />

Eigenschaften von <strong>Gold</strong>nanopartikeln (Bild: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

3.2.1. Materialien zur Vorbereitung durch die Lehrperson<br />

� 3 Messzylinder 100 ml (Skalierung: Mind. 1 ml)<br />

� 1 Stabpipette 10 ml mit Pipettierhilfe (Skalierung: Mind. 0.1 ml)<br />

� 3 verschliessbare Glasflaschen mit 250 ml Fassungsvermögen<br />

� 1 Waage (Genauigkeit bis mind. 10 mg)<br />

� 3 Wäge-Papiere (alternativ: Wäge-Schale)<br />

� 1 Spatel<br />

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3.2.2. Materialien zur Durchführung in der Klasse<br />

Materialangaben für jeweils 2 Schülerinnen und Schüler (Zweierteam)<br />

� 2 Bechergläser 100 ml<br />

� 1 feuerfestes Reagenzglas (Ø mind. 10 mm, Länge mind.150 mm)<br />

� Siedesteinchen<br />

� 1 Bunsenbrenner (inkl. Feuerzeug)<br />

� 1 Holzklammer (Reagenzglashalterung)<br />

� 4-6 graduierte Plastik-Pasteurpipetten (ca. 5 ml)<br />

3.3. Versuchsdurchführung und Musterresultate Teil 1<br />

Tipp für die Lehrperson:<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Aus Zeit- und Sicherheitsgründen soll die Lehrperson die Lösungen für alle Schüler vorab<br />

herstellen. Die Lösungen können auch einige Tage vor dem Gebrauch hergestellt werden.<br />

Dabei sollte beachtet werden, dass die <strong>Gold</strong>chloridlösung möglichst unter Lichtausschluss<br />

aufbewahrt wird. Die Schülerinnen und Schüler sollen wenn möglich in Zweierteams arbeiten.<br />

Mit Tabelle1 lassen sich die benötigten Mengen einfach berechnen. Die mit der Tabelle<br />

errechneten Werte sollen erst zum Schluss gerundet werden, je nach Genauigkeit der<br />

verwendeten Waage. Direkt vor der Lektion kann die <strong>Gold</strong>chloridlösung in Reagenzgläser<br />

portioniert werden.<br />

3.3.1. Vorbereitung durch die Lehrperson: Herstellung der Lösungen<br />

Berechnungen<br />

Anzahl Schüler = N (Bei einer ungeraden Anzahl Schüler sollte N+1 als N genommen werden)<br />

Anzahl Zweierteams = (N/2) = n<br />

Reserve: „Rot markiert“<br />

Tabelle 1: Berechnungs-Schlüssel zur Ermittlung der Chemikalienmengen<br />

Lösungen Pro Experiment Pro Klasse (inkl. Reserve) 24 Schüler<br />

0.88 mM AuHCl4<br />

(H2O)<br />

3 ml [(3 ml)*N]+(6 ml) 84 ml<br />

AuHCl4 � 3H2O 0.9 mg [(0.9 mg)*N]+(1.8 mg) 25.2 mg<br />

Dest. Wasser 3 ml [(3 ml)*N]+(6 ml) 84 ml<br />

1% C6H5Na3O7<br />

(H2O)<br />

4.95 ml (5 g) [(4.95 ml)*n]+(9.9 ml) 69.3 ml (70 g)<br />

C6H5Na3O7 �<br />

3H2O<br />

0.05 g [(0.05 g)*n]+(0.1 g) 0.7 g<br />

Dest. Wasser 4.95 ml [(4.95 ml)*n]+(9.9 ml) 69.3 ml<br />

4% NaCl (H2O) 4.8 ml(5 g) [(4.8 ml)*n]+(9.6 ml) 67,2 ml(70 g)<br />

NaCl 0.2 g [(0.2 g)*n]+(0.4 g) 2.8 g<br />

Dest. Wasser 4.8 ml [(4.8 ml)*n]+(9.6 ml) 67.2 ml<br />

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Durchführung<br />

Dauer ca. 15 min<br />

Sicherheitshinweis: Schutzbrille, Handschuhe!<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Wichtig: Jeweils für jede Lösung einen neuen, sauberen Messzylinder verwenden oder den<br />

bereits gebrauchten vorher gut auswaschen (Entsorgungshinweise für Chemikalien in Anhang 2<br />

beachten).<br />

Herstellung 0.88 mM <strong>Gold</strong>chlorid Lösung<br />

Dauer ca. 5 min<br />

Menge: 100 ml<br />

1. Eine verschliessbare 250 ml Glasflasche beschriften (Chemikalien, Konzentration, Datum,<br />

Sicherheitshinweis „ätzend“) und diese mit 100 ml dest. Wasser auffüllen. Dazu einen<br />

Messzylinder (100 ml Fassungsvermögen/1 ml Skalierung) verwenden.<br />

2. Anschliessend 30 mg <strong>Gold</strong>chlorid Aquat abwägen und vorsichtig zum dest. Wasser in die<br />

Flasche geben. Die Flasche verschliessen und leicht schütteln, bis das <strong>Gold</strong>chlorid Aquat<br />

vollständig gelöst ist. Wichtig: Beim Abwägen schnell arbeiten, weil das <strong>Gold</strong>chlorid Aquat<br />

in feuchter Luft rasch zerfliesst und sich dann nur noch mühsam vom Wäge-Papier in die<br />

Flasche transferieren lässt.<br />

Herstellung 1%ige Tri-Natriumcitrat Dihydrat Lösung<br />

Dauer ca. 5 min<br />

Menge: 99 ml (100g)<br />

3. Eine verschliessbare 250 ml Glasflasche beschriften (Chemikalien, Konzentration, Datum)<br />

und diese mit 90 ml dest. Wasser auffüllen. Dazu einen Messzylinder (100 ml<br />

Fassungsvermögen/1 ml Skalierung) verwenden. Die restlichen 9 ml sollen der<br />

Genauigkeit halber mit einer Stabpipette (10 ml Fassungsvermögen/0.1 ml Skalierung)<br />

dazu gegeben werden.<br />

4. Anschliessend 1 g Tri-Natriumcitrat Dihydrat abwägen und vorsichtig zum dest. Wasser in<br />

die Flasche geben. Die Flasche verschliessen und leicht schütteln, bis das Tri-Natriumcitrat<br />

Dihydrat vollständig gelöst ist.<br />

Herstellung 4%ige Natriumchlorid-Lösung<br />

Dauer ca. 5 min<br />

Menge: 96 ml (100g)<br />

5. Eine verschliessbare 250 ml Glasflasche beschriften (Chemikalien, Konzentration, Datum)<br />

und diese mit 90 ml dest. Wasser auffüllen. Dazu einen Messzylinder (100 ml<br />

Fassungsvermögen/1 ml Skalierung) verwenden. Die restlichen 6 ml sollen der<br />

Genauigkeit halber mit einer Stabpipette (10 ml Fassungsvermögen/0.1 ml Skalierung)<br />

dazugegeben werden.<br />

6. Anschliessend 4 g Natriumchlorid abwägen und vorsichtig zum dest. Wasser in der<br />

Flasche geben. Die Flasche verschliessen und leicht schütteln, bis das Natriumchlorid<br />

vollständig gelöst ist.<br />

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3.3.2. Durchführung in der Klasse: Farbe von <strong>Gold</strong>nanopartikeln<br />

Tipp für die Lehrperson:<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Direkt vor der Lektion kann die <strong>Gold</strong>chlorid Lösung in Reagenzgläser portioniert werden. Die<br />

Tri-Natriumcitrat Lösung sowie die Natriumchlorid Lösung soll den Zweierteams in den<br />

(beschrifteten) Bechergläsern zur Verfügung gestellt werden (je ca. 5-10 ml). Wenn die<br />

Schülerinnen und Schüler in Zweierteams arbeiten, soll der/die eine das Reagenzglas mit der<br />

Klammer über den Bunsenbrenner halten und der/die andere die jeweiligen Lösungen dazu<br />

pipettieren sowie die Beobachtungen (Farbumschläge im Reagenzglas) notieren.<br />

Dauer ca. 15 min<br />

Menge für ein Zweierteam<br />

Sicherheitshinweis: Schutzbrille, Handschuhe!<br />

1. C.a. 3 ml 0.88 mM <strong>Gold</strong>chlorid Lösung mit einer sauberen Plastik-Pasteurpipette in ein<br />

feuerfestes Reagenzglas pipettieren und einen Siedestein hinzugeben.<br />

2. Das Reagenzglas mit einer Holzklammer über den Bunsenbrenner halten und die<br />

<strong>Gold</strong>chlorid Lösung zum Sieden bringen. Die Lösung kann beim Erhitzen trotz des<br />

Siedesteins aus dem Reagenzglas herausschwappen. Daher sollte das Reagenzglas<br />

jeweils nur kurz und nicht zu nahe über die Flamme des Bunsenbrenners gehalten werden.<br />

Dabei ist es wichtig, das Reagenzglas immer vorsichtig zu schütteln.<br />

3. 3-4 Tropfen der 1%igen Tri-Natriumcitrat Dihydrat Lösung mit einer Plastik-Pasteurpipette<br />

zur siedenden <strong>Gold</strong>chloridlösung hinzu pipettieren (tropfenweise) und weiter erhitzen, bis<br />

die Lösung eine rötliche Farbe annimmt (siehe Abb. 2.a und Abb. 2.b).<br />

2.a 2.b 2.c<br />

ΔT<br />

+C6H5Na3O7 +NaCl<br />

Abbildung 2: (a) 0.88 mM AuHCl4.(b) Stabile wässrige <strong>Nano</strong>gold-Dispersion. (3) <strong>Nano</strong>gold-Dispersion nach<br />

Zugabe von Natriumchlorid. (Bilder: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

4. Lösung abkühlen lassen (dies dauert ein paar Minuten).<br />

5. Einige Tropfen der 4%igen Natriumchlorid-Lösung mit einer neuen Plastik-Pasteurpipette<br />

zur abgekühlten, roten Lösung hinzu pipettieren (tropfenweise), bis die Lösung blau wird<br />

(siehe Abb. 2.c).<br />

3.3.3. Entsorgung der Lösungen und Chemikalien Teil 1<br />

Hinweise zur Entsorgung im Anhang 2 beachten! Die Natriumchlorid-Lösung kann im Ausguss<br />

entsorgt werden. Die Tri-Natriumcitrat- und die <strong>Gold</strong>chloridlösung sowie die <strong>Gold</strong>kolloid-<br />

Dispersion müssen bei den dafür vorgesehenen Giftsammelstellen entsorgt werden.<br />

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4. Teil 2: Phasentransfer von <strong>Gold</strong>nanopartikeln<br />

4.1. Chemikalien/Substanzen Teil 2<br />

Details zu den Chemikalien finden sich im Anhang 2<br />

� <strong>Gold</strong>chlorid Lösung aus Teil 1 (Abs. 3.3.1)<br />

� Tri-Natriumcitrat Lösung aus Teil 1 (Abs. 3.3.1)<br />

� Natriumchlorid (Kochsalz)/NaCl (Carl Roth GmbH)<br />

� Dodecan/C12H26/(Sigma Aldrich)<br />

� Kaliumoleat/C18H33KO2/(Sigma Aldrich)<br />

� destilliertes Wasser<br />

4.2. Versuchsanordnung/Materialien Teil 2<br />

Abbildung 3: Versuchsanordnung/Materialien Teil 2, Phasentransfer<br />

von <strong>Gold</strong>nanopartikeln. (Bild: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

4.2.1. Vorbereitung durch die Lehrperson<br />

� 1 Heizplatte mit Magnetrührfunktion<br />

� 1 Rührfisch<br />

� 1 Becherglas (100 ml oder mehr)<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

� 1 verschliessbare Glasflasche 100 ml (oder einige Schnappdeckelgläser 25 ml)<br />

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4.2.2. Durchführung in der Klasse<br />

Materialangaben für jeweils 2 Schüler (Zweierteam)<br />

� 2 Stabpipetten 10 ml mit Pipettierhilfe (Skalierung: 0.1 ml)<br />

� 1 Magnetrührer mit Rührfisch<br />

� 1 Schnappdeckelglas 25 ml<br />

� 2 (kleine) Wäge-Schalen<br />

� 1 Eisenspatel<br />

� 1 Stoppuhr<br />

4.3. Versuchsdurchführung und Musterresultate Teil 2<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

4.3.1. Vorbereitung durch die Lehrperson: Herstellung der <strong>Nano</strong>gold-Dispersion<br />

Dauer ca. 20 min<br />

Sicherheitshinweis: Schutzbrille, Handschuhe!<br />

Wichtig: Jeweils für jede Lösung einen neuen, sauberen Messzylinder verwenden oder den<br />

bereits gebrauchten vorher gut auswaschen (Entsorgungshinweise für Chemikalien in Anhang 2<br />

beachten).<br />

Herstellung 0.88 mM <strong>Gold</strong>chlroid Lösung<br />

Dauer ca. 5 min<br />

Menge: 100 ml<br />

(Herstellung gemäss Abs. 3.3.1)<br />

Herstellung 1%ige Tri-Natriumcitrat Dihydrat Lösung<br />

Dauer ca. 5 min<br />

Menge: 99 ml (100g)<br />

(Herstellung gemäss Abs. 3.3.1)<br />

Herstellung <strong>Nano</strong>gold-Dispersion<br />

Tipp für die Lehrperson:<br />

Die hier hergestellte Menge kann für 5 Phasentransfer-Experimente verwendet werden. Je nach<br />

Klassengrösse soll entweder die Gruppengrösse (2-4 Schülerinnen und Schüler pro Gruppe)<br />

oder die hergestellte Menge der <strong>Nano</strong>gold-Dispersion angepasst werden.<br />

Dauer ca. 10 min<br />

Menge für 5 Experiemte<br />

1. 24 ml der 0.88 mM <strong>Gold</strong>chloridlösung in ein 100 ml Becherglas geben. Dazu eine<br />

Stabpipette (10 ml Fassungsvermögen/0.1 ml Skalierung) verwenden.<br />

2. Die <strong>Gold</strong>chlorid Lösung mit der Heizplatte unter intensivem Rühren zum sieden bringen.<br />

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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

3. Sobald die <strong>Gold</strong>chlorid Lösung siedet, 2 ml der 1%ige Tri-Natriumcitrat Dihydrat Lösung<br />

mit einer sauberen Stabpipette (10 ml Fassungsvermögen/0.1 ml Skalierung) zur<br />

siedenden <strong>Gold</strong>chlorid Lösung hinzugeben.<br />

Tipp für die Lehrperson:<br />

Für Abweichungen von der hier hergestellten Menge gilt: Verhältnis <strong>Gold</strong>chlorid Lösung zu<br />

1%ige Tri-Natriumcitrat Dihydrat Lösung: 12:1.<br />

4. Weiter heizen und rühren, bis die Farbe des Gemisches dunkelrot wird (Abb. 4).<br />

Anschliessend die entstandene wässrige <strong>Nano</strong>gold-Dispersion abkühlen lassen und zu<br />

jeweils 5 ml auf Schnappdeckelgläser verteilen oder zur Aufbewahrung in eine<br />

verschliessbare Glasflasche transferieren.<br />

Abbildung 4: Wässrige <strong>Nano</strong>gold-Dispersion.<br />

(Bild: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

4.3.2. Durchführung in der Klasse: Phasentransfer von <strong>Gold</strong>nanopartikeln<br />

Tipp für die Lehrperson:<br />

Vor der Lektion soll die Lehrperson die <strong>Nano</strong>gold-Dispersion in 5 ml Portionen auf<br />

Schnappdeckelgläser verteilen und jeder Gruppe (2-4 Schülerinnen und Schüler) eines zur<br />

Verfügung stellen. Sollte nicht genügend Material zur Durchführung in der Klasse vorhanden<br />

sein, so kann die Lehrperson dieses Experiment auch gut als Vorführexperiment durchführen.<br />

Um Zeit zu sparen, kann auch bereits das Kaliumoleat sowie das Natriumchlorid vor der Lektion<br />

durch die Lehrperson den Schülern in kleinen Wäge-Schalen bereitgestellt werden.<br />

Dauer ca. 20 min<br />

Menge für ein Experiment<br />

Sicherheitshinweis: Schutzbrille, Handschuhe!<br />

1. 5 ml <strong>Nano</strong>gold-Dispersion (im 25 ml Schnappdeckelglas mit Rührfisch) vorsichtig mit 5ml<br />

Dodecan überschichten. Dazu eine Stabpipette (10 ml Fassungsvermögen/0.1 ml<br />

Skalierung) verwenden. Das Schnappdeckelglas danach verschliessen (Abb. 5.a).<br />

2. 5 mg Kaliumoleat mit einem Eisenspatel zugeben und 10 min heftig rühren bis die<br />

Wässrige Phase trüb geworden ist (Abb. 5.b).<br />

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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

3. Nach 10 min unter weiterem Rühren so viel Natriumchlorid mit einem Eisenspatel<br />

dazugeben, bis das trübe Gemisch eine dunkelblaue Farbe annimmt. Danach für 2-3 min<br />

weiterrühren.<br />

4. Anschliessend den Magnetrührer ausschalten und warten, bis sich die blauen <strong>Nano</strong>partikel<br />

in der oberen, organischen Phase (Dodecan) sammeln (Abb. 5.c).<br />

5.a 5.b 5.c<br />

Abbildung 5: (a) <strong>Nano</strong>goldpartikel mit Citrat Oberflächenbeschichtung in der wässrigen Phase.(b) Austausch<br />

von Citrat Oberflächenbeschichtung mit Oleat Oberflächenbeschichtung nach der Zugabe von Kaliumoleat.<br />

(c) Dunkelblaue <strong>Nano</strong>goldpartikel mit Oleat Oberflächenbeschichtung in der organischen Phase (Dodecan).<br />

(Bilder: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

4.3.3. Entsorgung der Lösungen und Chemikalien Teil 2<br />

Hinweise zur Entsorgung im Anhang 2 beachten! Die Natriumchlorid-Lösung kann im Ausguss<br />

entsorgt werden. Die Tri-Natriumcitrat- und die <strong>Gold</strong>chloridlösung sowie die <strong>Gold</strong>kolloid-<br />

Dispersion müssen bei den dafür vorgesehenen Giftsammelstellen entsorgt werden.<br />

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5. Theoretische Grundlagen<br />

5.1. Chemische Grundlagen<br />

5.1.1. Herstellung der <strong>Gold</strong>nanopartikel<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Zur Herstellung der Kolloide wird <strong>Gold</strong>chlorid Aquat in wässriger Lösung während der Erhitzung<br />

zu elementarem <strong>Gold</strong> reduziert. Als Reduktionsmittel dient Tri-Natriumcitrat (C6H5O7 Na3),<br />

3-<br />

welches zu Aceton-Dicarbonsäure (C6H5O7 ) unter Abspaltung von CO2 oxidiert wird [2]. Aus<br />

dem elementaren <strong>Gold</strong> entstehen in der Reaktionslösung die roten <strong>Gold</strong>-<strong>Nano</strong>partikel<br />

(=<strong>Gold</strong>kolloide). Dabei dient Aceton-Dicarbonsäure, das Nebenprodukt der Oxidation von Tri-<br />

Natriumcitrat, als Komplexbildner bei der Disproportionierungsreaktion [3].<br />

Stöchiometrie:<br />

AuCl3 + HCl HAuCl4<br />

3- +<br />

C6H5O7Na3 C6H5O7 + 3 Na<br />

Redoxreaktion:<br />

Oxidation: [O2C +II -C +II OH-C4H4O4] 3- [OC +II -C4H4O4] 2- + H + + C +IV O2 + 2 e -<br />

Reduktion: HAu +III Cl3 + 2 e - Au +I Cl + 2 Cl - (3x)<br />

Disproportionierung 3 AuCl<br />

2-<br />

3 C5H4O5<br />

2 Au 0 + AuCl3<br />

3- 2- +<br />

Gesamt: 2 AuCl3 + 3 C6H5 O7 3 C5H4O5 + 3 H + CO2 + 6 Cl - + 2 Au 0<br />

Bei diesem Versuch ist es wichtig, dass eine genügend hohe Menge an Citrat vorhanden ist.<br />

Jene Citrat Moleküle, welche nicht mit dem <strong>Gold</strong>chlorid reagieren, dienen nämlich zur Bildung<br />

einer Oberflächenhülle rund um die <strong>Nano</strong>goldpartikel, welche notwendig ist, um die Dispersion<br />

zu stabilisieren (Abs. 5.1.2). Die Stöchiometrie der Reaktion zeigt, dass 2 <strong>Gold</strong>chlorid Moleküle<br />

mit 3 Citrat Molekülen reagieren. Um eine vollständige Umsetzung zu erreichen, muss daher<br />

mindestens 1.5-mal mehr Citrat vorhanden sein [3]. Bei hohen Temperaturen wird in einer<br />

Nebenreaktion jedoch Aceton-Dicarbonsäure zu Aceton umgesetzt. Wenn man also eine<br />

vollständige Umsetzung des <strong>Gold</strong>chlorids erreichen möchte und zudem noch genügend Citrat<br />

zur Stabilisierung der Dispersion vorhanden sein soll, muss das Verhältnis von <strong>Gold</strong>chlorid zu<br />

Citrat entsprechend gewählt werden.<br />

5.1.2. Oberflächenfunktionalisierung<br />

Das nicht umgesetzte Citrat dient zur Oberflächenfunktionalisierung und schützt die Partikel vor<br />

Aggregation [4]. Dadurch entsteht eine stabile <strong>Gold</strong>nanopartikel-Dispersion. Die negativ<br />

geladenen Citrat-Anionen bilden eine Hülle um die <strong>Gold</strong>partikel, so dass diese sich gegenseitig<br />

abstossen und nicht aggregieren können [1] (Abb. 6). Durch Zugabe von Natriumchlorid wird<br />

die Schutzhülle aufgelöst. Es bilden sich <strong>Gold</strong>-Aggregate und die Farbe der Dispersion ändert<br />

sich von rot zu blau. Die Na + -Ionen stören dabei das Ionengleichgewicht in der Lösung. Sie<br />

lösen die negativ geladene „Schutzhülle“ der <strong>Gold</strong>nanopartikel auf und sorgen so dafür, dass<br />

ihre gegenseitige Abstossung aufgehoben wird [1].<br />

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6.a 6.b<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Abbildung 6: (a) Stabile <strong>Nano</strong>gold Dispersion mit sich gegenseitig abstossenden <strong>Nano</strong>partikeln. (b) <strong>Gold</strong>-<br />

<strong>Nano</strong>partikel mit Cirtrat <strong>Nano</strong>sphäre. Die Grössenverhältnisse sind willkürlich gewählt. (Abbildung: <strong>Swiss</strong><br />

<strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>).<br />

5.1.3. Phasentransfer<br />

Beim Phasentransfer wird die Oberflächenfunktionalisierung der <strong>Nano</strong>partikel geändert. In der<br />

polaren Phase dient das Citrat als Oberflächenfunktionalisierung, während in der organischen<br />

Phase (hier Dodecan) Oleat zur Stabilisierung verwendet wird. Durch einen solchen Austausch<br />

können die Löslichkeitseigenschaften der Partikel verändert werden. Je nach<br />

Oberflächenfunktionalisierung lassen sich die Partikel in hydrophilen (polaren) oder organischen<br />

Lösungsmitteln dispergieren (Abb. 7, siehe auch Abb. 5).<br />

Abbildung 7: <strong>Gold</strong>nanopartikel mit Oleat <strong>Nano</strong>sphäre.<br />

(Abbildung: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

5.2. Physikalische Grundlagen: Oberflächenplasmonen<br />

Im Unterschied zu vollständigen Lösungen kann ein Lichtstrahl mit den Partikeln einer<br />

Dispersion wechselwirken und wird von ihnen gestreut (Mie-Streuung, Tyndall Effekt). So wird<br />

beispielsweise der Strahl eines Laserpointers in einer Dispersion sichtbar, weil er von den<br />

sphärischen <strong>Nano</strong>partikeln seitlich gestreut wird [5].<br />

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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Die Farbe der Dispersion ist abhängig von der Geometrie und dem Umgebungsradius<br />

(Partikelradius plus Dicke der „Schutzhülle“) der Partikel. Die hier hergestellten<br />

<strong>Gold</strong>nanopartikel sind 20 bis 30 nm gross. Die Farbe kommt durch Wechselwirkungen der<br />

<strong>Nano</strong>partikel mit sichtbarem Licht zu Stande. Das zu Grunde liegende Phänomen nennt sich<br />

„lokalisierte Oberflächen-Plasmonenresonaz“ (Abs. 5.2.3).<br />

5.2.1. Farbe und Energie von Lichtwellen<br />

Weisses Licht ist eine Mischung von verschiedenfarbigen Lichtwellen. Das Farbspektrum reicht<br />

von 400-700 nm, also von blau bist rot.<br />

Farbspektren elektromagnetischer Wellen werden üblicherweise in Abhängigkeit der<br />

Wellenlänge angegeben. Dies kann irreführend sein. Wenn Licht nämlich in ein optisch<br />

dichteres Medium (zum Beispiel Glas) eindringt, ändert sich seine Geschwindigkeit, während<br />

Farbe und Frequenz gleich bleiben. Da die Lichtgeschwindigkeit proportional zum Produkt von<br />

Frequenz und Wellenlänge ist, muss sich somit die Wellenlänge beim Eindringen in das optisch<br />

dichtere Medium verändern. Weil sich die Farbe dabei aber nicht ändert, heisst dies, dass die<br />

Farbe nur von der Frequenz abhängig ist, nicht von der Wellenlänge.<br />

Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen, welche einen bestimmten Energieanteil besitzen.<br />

Um dies zu verstehen, muss man sich die Welle als Energieteilchen vorstellen, ein sogenanntes<br />

Photon. Die Energie eines Photons ist abhängig von seiner Frequenz, seiner Wellenlänge und<br />

der Lichtgeschwindigkeit. Je höher die Frequenz, oder je tiefer die Wellenlänge, desto höher die<br />

Energie. Blaues Licht besitze eine hohe Frequenz sowie eine tiefe Wellenlänge und ist somit<br />

energiereicher als rotes Licht, welches eine tiefere Frequenz und eine höhere Wellenlänge<br />

besitzt.<br />

5.2.2. Streuung von Licht<br />

Lichtstreuung bedeutet, dass Lichtwellen beim Auftreffen auf Moleküle (oder <strong>Nano</strong>partikel) aus<br />

ihrer ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt werden. Wenn die streuenden Partikel nun<br />

in etwa gleich gross sind, wie die Wellenlänge des Lichtes (400-700 nm), dann geht bei der<br />

Streuung gleichzeitig ein Teil der Energie des Lichtstrahls verloren. In diesem Fall spricht man<br />

von inelastischer Streuung. Das streuende Partikel wird dabei vom gestreuten Lichtstrahl<br />

angeregt, das heisst, es nimmt die Energie des Lichtstrahls auf und gibt sie teilweise wieder als<br />

Lichtstrahl mit tieferer Energie ab (Emission). Die Ausbreitungsrichtung des emittierten Strahls<br />

entspricht dabei nicht mehr jener des eintreffenden Strahls. Der restliche Energieanteil wird<br />

absorbiert.<br />

Absorption von Licht bedeutet, dass die Energie des Lichtes von einem Molekül (oder<br />

<strong>Nano</strong>partikel) aufgenommen wird und nicht wieder in Form von Licht abgegeben wird.<br />

Streuung und Absorption haben einen Einfluss auf die wahrgenommene Farbe des Mediums,<br />

welches vom Licht durchdrungen wird. Die absorbierten Lichtwellenlängen werden aus dem<br />

Lichtspektrum herausgefiltert, während die gestreuten Wellenlängen nur noch schwach<br />

wahrgenommen werden, da sie in alle Richtungen abgelenkt werden.<br />

5.2.3. Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen bei Edelmetallen<br />

Bei Edelmetallen wie <strong>Gold</strong> liegt die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen (beispielsweise<br />

von sichtbarem Licht) im Bereich von 50 bis 100 nm. Sie ist abhängig vom jeweiligen Metall,<br />

vom umgebenden Medium und von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes [6]. Die<br />

Grössenordnung der Eindringtiefe liegt bei etwa 1/4 bis 1/10 der Wellenlänge des einfallenden<br />

Lichtes. Der Durchmesser der im hier hergestellten <strong>Gold</strong>sol vorkommenden <strong>Nano</strong>partikel liegt<br />

im Bereich von 20 bis 30 nm. Somit können die Wellen des sichtbaren Spektralbereiches die<br />

Partikel vollständig durchdringen.<br />

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5.2.4. Lokalisierte Oberflächen-Plasmonen<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Das vollständige Eindringen von Lichtwellen in <strong>Gold</strong>partikel führt dazu, dass das Partikel<br />

Energie aufnehmen kann (= Anregung). Die Anregung erzeugt in den Partikeln ein elektrisches<br />

Wechselfeld, wodurch die Elektronen des Partikels kollektiv polarisiert werden (Abb. 8). Die<br />

dadurch entstehende Dichteschwankung der Ladungsträger wird als Plasmon bezeichnet. Bei<br />

<strong>Nano</strong>partikeln erstreckt sich diese Dichteschwankung auf Grund ihrer geringen Grösse über<br />

das ganze Partikel hinweg. Man spricht von Partikelplasmonen oder lokalisierten Oberflächen-<br />

Plasmonen [7].<br />

Abbildung 8: Partikelplasmon bei <strong>Gold</strong>nanopartikeln. (Abbildung: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

Die aus der Dichteschwankung der Ladungsträger resultierende Anziehungskraft (=<br />

Rückstellkraft) lenkt die Elektronen anschliessend wieder in den Ausgangszustand zurück,<br />

wobei das Plasmon zerfällt (= Dämpfung). Dabei wird ein gewisser Anteil der zuvor<br />

aufgenommenen Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung freigesetzt. Dieser<br />

elektromagnetische Dämpfungsanteil kommt daher durch inelastische Streuung zustande [7].<br />

Nebst der Streuung kann die elektromagnetische Strahlung auch absorbiert werden. Die<br />

Absorption entspricht jenem Energieanteil der aufgenommenen Welle, welche nicht in Form von<br />

elektromagnetischer Strahlung abgegeben wird. Das Verhältnis von Absorption zu Streuung ist<br />

abhängig von der Partikelgrösse: Kleine Partikel (< 30 nm) absorbieren stark, während grössere<br />

Partikel weniger stark absorbieren, dafür stärker streuen [8].<br />

Abwechselnde Anregung und Dämpfung erzeugt eine Schwingung der Ladungsverteilung im<br />

Partikel. Wenn die Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung in Resonanz mit<br />

der Eigenschwingung des polarisierten Partikels ist, wird die maximale Menge an Energie<br />

aufgenommen. Diese Frequenz wird Resonanzfrequenz genannt. Üblicherweise wird von einem<br />

Partikel vorwiegend diejenige Energie aufgenommen, deren Frequenz der Resonanzfrequenz<br />

entspricht. Die Resonanzfrequenz ist abhängig von der Stärke der Rückstellkraft im<br />

polarisierten Partikel. Die Rückstellkraft wiederum ist abhängig von der Grösse der Partikel, von<br />

dessen Umgebung sowie von der Oberflächenbeschaffenheit der Partikel [8]. Je nach Grösse<br />

werden die Partikel also von Lichtwellen mit unterschiedlicher Frequenz angeregt. Da nun die<br />

Farbe der Lichtwellen abhängig ist von ihrer Frequenz (siehe oben), erscheinen die<br />

absorbierten und gestreuten Lichtwellen der Resonanzfrequenz nicht mehr im Farbspektrum<br />

des transmittierten Lichtes, also jenem Licht, das nicht mit den Partikeln in der Dispersion<br />

wechselwirken kann und einfach „durchgelassen“ wird. Dementsprechend gestaltet sich die<br />

wahrgenommene Farbe der Dispersion.<br />

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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Schlussfolgernd kann man sagen, dass die intensive Farbe von <strong>Gold</strong>nanopartikeln dadurch<br />

zustande kommt, dass sie sichtbares Licht stark absorbieren und inelastisch streuen (Abb. 9).<br />

Bei kleinen Partikeln kommt die intensive Farbe durch starke Absorption und Extinktion<br />

(Auslöschung) zu Stande. Ihre Resonanzfrequenz liegt im Bereich von blauem Licht (hohe<br />

Frequenz). Sie absorbieren daher blaues Licht und transmittieren rotes Licht (niedrige<br />

Frequenz). Zudem ist der Anteil des absorbierten Lichtes grösser als der Anteil des gestreuten<br />

Lichtes. Eine Dispersion mit kleinen Partikeln erscheint also intensiv rot (Abb.9.a) Grössere<br />

Partikel werden durch Licht mit tieferen Frequenzen (rotes Licht) angeregt und transmittieren<br />

blaues Licht. Sie erscheinen daher violett bis blau, jedoch mit abnehmender Intensität, da sie<br />

weniger stark absorbieren (Abb. 9.b). Werden die Partikel allerdings „von hinten“ (die<br />

dispergierten Partikel befinden sich vor dem Betrachter und der Lichtquelle) bestrahlt, so ist die<br />

Farbe der grossen Partikel viel Intensiver, da dann vorwiegend die diffuse, inelastische<br />

Rückstreuung der Partikel wahrgenommen wird, deren Intensität bei kleinen Partikeln viel<br />

geringer ist [8].<br />

Abbildung 9: Selektive, grössenabhängige Absorption, Streuung und<br />

Transmission von Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlängen durch<br />

<strong>Gold</strong>nanopartikel. (Abbildung: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

5.2.5. Anwendung in der biomolekularen Sensorik (Schwangerschaftstest)<br />

Die heute gängigen Methoden der biomolekularen Sensorik zum Nachweis von bestimmten<br />

Proteinen, Viren oder Bakterien in Probeflüssigkeiten (zum Beispiel Blut oder Urin) sind<br />

klassische Immunoassays (Abb. 10). Dabei macht man sich zu Nutze, dass Antikörper ihr<br />

jeweiliges Antigen mit sehr hoher Affinität und Spezifität binden können. Die Funktionsweise<br />

eines Immunoassays basiert auf der Verwendung eines primären (PAK) und eines sekundären<br />

Antikörpers (SAK), wobei beide das gleiche Antigen an jeweils unterschiedlichen Stellen<br />

erkennen können. Der PAK ist auf einem Substrat immobilisiert (Abb. 10/1) und kann das<br />

Antigen aus der über das Substrat laufenden Probeflüssigkeit binden (Abb. 10/1 und 2).<br />

Anschliessend wird ein SAK, meist mit einem Farbstoff verbundener Antikörper auf das<br />

Substrat gegeben, welcher dann an einer zweiten Stelle auf dem Antigen binden kann<br />

(Abb. 10/3). Falls in der ursprünglichen Probeflüssigkeit das gesuchte Antigen vorhanden war,<br />

kommt es zu einer Bindung des Farbstoffes an das Substrat, welcher nach dem Wegwaschen<br />

haften bleibt und detektiert werden kann (Abb. 10/4). Das Antigen funktioniert dabei als Linker<br />

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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

zwischen Substrat und Farbstoff. Falls in der Probeflüssigkeit kein Antigen vorhanden wäre,<br />

würde kein Farbstoff am Substrat binden können.<br />

Abbildung 10: Klassischer Immunoassay: 1.: Die Probeflüssigkeit gleitet über das Substrat,<br />

wobei das nachzuweisende Antigen den am Substrat immobilisierten Antikörper bindet und<br />

dadurch selber am Substrat immobilisiert wird. 2.: Die Probeflüssigkeit mit nicht gebundenem<br />

Antigen wird weggewaschen. 3.: Der sekundäre Antikörper mit dem Farbstoff wird dazugegeben<br />

und kann das Antigen an einer anderen Stelle ebenfalls binden. 4.: Überschüssiger sekundärer<br />

Antikörper wird weggewaschen. Falls das Antigen in der Probe vorhanden war, bleibt nun der<br />

gebundene Farbstoff nach dem Waschen zurück und kann detektiert werde. (Abbildung: <strong>Swiss</strong><br />

<strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

Dieses Prinzip wird auch bei Schwangerschaftstests angewendet, wobei als Antigen ein<br />

bestimmtes, nur während der Schwangerschaft vorkommendes Hormon (hCG) im Urin der Frau<br />

nachgewiesen wird. Die meisten Schwangerschaftstests basieren auf der Chromatographie<br />

Technik (Abb. 11).<br />

Abbildung 11: Chromatographie-Schwangerschaftstest mit anti-hCG Antikörpern (α-hCG).<br />

PAK: Primärer Antikörper, SAK: Sekundärer Antikörper. (Abbildung: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

Dabei befindet sich zuoberst auf dem Teststreifen ein Reservoir mit anti-hCG Antikörpern<br />

(SAK), welche mit einem Farbstoff verbunden sind. Sobald Flüssigkeit (Urin) auf den<br />

Teststreifen gelangt, beginnen die Antikörper zu wandern. Falls hCG im Urin vorhanden ist,<br />

binden die markierten Antikörper das Hormon. Weiter unten auf dem Teststreife ist ein weiterer<br />

anti-hCG Antikörper (PAK), oder alternativ eine bestimmte molekulare Untereinheit von hCG,<br />

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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

welche hCG aus dem Urin hochspezifisch bindet, auf einer Linie immobilisiert. Die SAK-<br />

Farbstoff-hCG Komplexe können dann dort binden und hinterlassen bei hCG positivem Urin<br />

einen Farbstreifen. Ganz unten auf dem Teststreifen befinden sich immobilisierte Antikörper<br />

gegen den SAK, welche dort binden und einen zweiten Streifen hinterlassen. Dieser dient als<br />

Kontrollstreifen. Als Farbstoff werden unter anderen auch <strong>Gold</strong>nanopartikel verwendet. Ihr<br />

grosser Vorteil liegt darin, dass sie chemisch innert sind [9] und daher kaum unerwünschte<br />

Bindungen mit dem Substrat eingehen können, welche das Ergebnis verfälschen würden.<br />

Solche klassischen Immunoassays besitzen allerdings einige Nachteile: Dazu gehören die eher<br />

geringe Empfindlichkeit sowie die Tatsache, dass die Probeflüssigkeit vor der Verwendung<br />

entsprechend behandelt werden muss (Verdünnung, Puffer usw.). Zudem kann das Antigen nur<br />

indirekt mit der Verwendung von zwei Antikörpern (primär, sekundär) nachgewiesen werden.<br />

Somit ist diese Technik nicht in der Lage, sehr geringe Mengen an Antigen in der<br />

Probeflüssigkeit zu detektieren und erfordert zudem ein mühsames und zeitraubendes<br />

Vorgehen.<br />

Um diese Probleme zu überwinden, kann man sich die optischen Eigenschaften von<br />

<strong>Gold</strong>nanopartikeln (oder auch anderen Edelmetall <strong>Nano</strong>partikeln) in der biomolekularen<br />

Sensorik zu Nutze machen. Die das Partikel umgebende Matrix (<strong>Nano</strong>sphäre) hat nämlich<br />

einen wichtigen Einfluss auf seine optischen Eigenschaften. Je nach Polarisierbarkeit der<br />

<strong>Nano</strong>sphäre ändert sich auch die entstehende Rückstellkraft des Partikelplasmons (Abs. 5.2.3)<br />

und damit seine Resonanzfrequenz. Eine Veränderung der <strong>Nano</strong>sphäre führt daher zu<br />

verändertem Absorptions- und Streuverhalten der <strong>Nano</strong>partikel.<br />

Werden <strong>Gold</strong>nanopartikel mit Antikörpern bestückt, können sie die entsprechenden Antigene<br />

binden. Diese Bindung verändert die Oberflächenbeschaffenheit des Partikels und führt zu einer<br />

Umgestaltung der das Partikel umgebenden <strong>Nano</strong>sphäre. Die neue <strong>Nano</strong>sphäre weist nun<br />

veränderte Polarisierbarkeits-Eigenschaften auf und beeinflusst dadurch die Rückstellkraft des<br />

Partikelplasmons. Dies wiederum ändert die Schwingungs-Frequenz des Partikelplasmons [7],<br />

[8] und führt somit zu einer Verschiebung des Resonanzmaximums. Ein neues<br />

Resonanzmaximum bedeutet, dass die Partikel mit einer anderen Lichtfrequenz als zuvor<br />

wechselwirken und ihre Farbe sich verändert.<br />

Man spricht in diesem Fall von einem Echtzeit-Immounoassay (Abb. 12). Die Vorteile sind eine<br />

bedeutend höhere Empfindlichkeit sowie das Wegfallen der mühsamen Behandlung mit dem<br />

sekundären Antikörper [7]. Ein solcher Immonoassay liesse sich zudem auch einfacher in vivo,<br />

das heisst im lebenden Organismus, durchführen und würde somit die zeitaufwändige<br />

Probenaufbereitung überflüssig machen. Dies ist insbesondere für die Medizin, beispielsweise<br />

bei der Detektion von Krankheitserregern im Blut des Patienten, von grosser Bedeutung.<br />

Abbildung 12: Echtzeit-Immunoassay mit Antikörper bestückten <strong>Gold</strong>nanopartikeln.<br />

(Abbildung: <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>)<br />

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6. Anhang 1: Literaturnachweis<br />

[1] http://nanoyou.eu<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

[2] Wagner F., Wiegand S., und Holfeld M., Untersuchung von <strong>Nano</strong>goldpartikeln<br />

hinsichtlich Stabilität und Farbe durch Einsatz verschiedener Liganden – neue<br />

Möglichkeiten zur Herstellung von Farben und Lacken, Arbeit im Rahmen von Jugend<br />

Forscht, Gymnasium: Bundespräsident Theodor Heuss Schule Homberg<br />

[3] Kumar S., Gandhi K.S., and Kumar R., Modeling of Formation of <strong>Gold</strong> <strong>Nano</strong>particles by<br />

Citrate Method, Industrial and Engineering Chemistry Research (ACS Publications) 46,<br />

2007, 3128-3136<br />

[4] Becht S., Ernst S., Bappert R und Feldmann C., Do-it-yourself! <strong>Nano</strong>materialien zum<br />

Anfassen, Chemie in unserer Zeit 44, 2010, 14-23<br />

[5] http://www.scienceinschool.org<br />

[6] Jackson J.D., Klassische Elektrodynamik, de Gruyter, Berlin, 1983<br />

[7] Raschke G., Molekulare Erkennung mit einzelnen <strong>Gold</strong>-<strong>Nano</strong>partikeln, Dissertation an<br />

der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München 2005<br />

[8] Sönnichsen C., Plasmons in metal nanostructures, Dissertation an der Fakultät für<br />

Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München 2001<br />

[9] Jungblut A., Krauss M., Benizing C. und Vielfort A., Informationsserie: Wunderwelt der<br />

<strong>Nano</strong>materialienFonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie<br />

e.V. 2008<br />

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7. Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung<br />

7.1. Allgemeine Hinweise<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Vor der Verwendung der Chemikalien müssen in allen Fällen die Sicherheitsdatenblätter<br />

studiert werden!<br />

Diese werden vom Hersteller mit den Chemikalien mitgeliefert oder können auf den Webpages<br />

der Hersteller kostenlos heruntergeladen werden. Die Links zu den Sicherheitsdatenblättern<br />

sind im Abschnitt 7.2 zu finden.<br />

Weitere Informationen zu den Chemikalien können auch in der GESTIS-Stoffdatenbank<br />

abgerufen werden. Die gesuchten Chemikalien lassen sich in Datenbanken am besten finden,<br />

wenn nach der CAS Nummer gesucht wird. Die jeweiligen Nummern sind in diesem Dokument<br />

vermerkt.<br />

Alle R- & S-Sätze sind auf der Webpage des Bundesamtes für Gesundheit BAG zu finden.<br />

Weitere Hinweise zum Umgang mit Chemikalien finden Sie auf der Infowebpage des Bundes.<br />

7.2. Links Zu den Sicherheitsdatenblättern<br />

� Tetrachlorogold(III)-Säure (Carl Roth GmbH)<br />

� Tri-Natriumcitrat Dihydrat (Carl Roth GmbH)<br />

� Natriumchlorid (Carl Roth GmbH)<br />

� Dodecan (Sigma Aldrich)<br />

� Kaliumoleat (Sigma Aldrich)<br />

7.3. Rechtsgrundlagen/Haftung<br />

Als verbindlich gelten ausschliesslich die Informationen aus den Sicherheitsdatenblättern der<br />

Chemikalien-Hersteller.<br />

Die Sicherheitsdaten für die verwendeten Chemikalien sowie die Sicherheitshinweise zur<br />

Durchführung der Experimente wurden sorgfältig recherchiert. Trotzdem wird keine Haftung für<br />

die Richtigkeit, Vollständigkeit und Aktualität der Informationen übernommen.<br />

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7.4. Details zu den verwendeten Chemikalien<br />

7.4.1. Tetrachlorogold(III)-Säure/AuHCl4 � 3H2O/339.83 g*mol -1<br />

Link zum Sicherheitsdatenblatt<br />

Hersteller Carl Roth GmbH (Art.-Nr. 3867.1)<br />

CAS-Nummer 16961-25-4<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Tetrachlorgold(III)-Säure erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem<br />

Aggregatszustand und in Form von zitronengelben Kristallnadeln. Die Substanz ist leicht<br />

wasserlöslich, hygroskopisch und bei feuchter Luft leicht zerfliesslich.<br />

Von der Substanz gehen akute oder chronische Gesundheitsgefahren aus!<br />

Gefahrensymbole Warnsymbole Gebotszeichen<br />

C ätzend Vorsicht ätzend Schutzbrille tragen<br />

R 34 Verursacht Verätzungen.<br />

R 43 Sensibilisierungen durch Hautkontakt möglich.<br />

Handschuhe tragen<br />

S 26 Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt<br />

konsultieren.<br />

S 36/37/39 Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und<br />

Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.<br />

S 45 Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich, das Etikett<br />

der Substanz vorzeigen).<br />

Hinweise zur Entsorgung<br />

Bei der Giftsammelstelle entsorgen. Nie im Ausguss, in der Toilette oder im Haushaltsabfall<br />

entsorgen! Hinweise im Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten. Lokale Vorschriften<br />

beachten.<br />

Quellen<br />

� GESTIS-Stoffdatenbank<br />

� Carl Roth GmbH<br />

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7.4.2. Tri-Natriumcitrat Dihydrat/C6H5Na3O7 � 2 H2O/294.10 g*mol -1<br />

Link zum Sicherheitsdatenblatt<br />

Hersteller Carl Roth GmbH (Art.-Nr. 4088.3)<br />

CAS-Nummer 6132-04-3<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Tri-Natriumcitrat Dihydrat erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem<br />

Aggregatszustand und in Form von weissem kristallinem Pulver.<br />

Gemäss Hersteller gehen von der Substanz keine akuten Gesundheitsgefahren aus. Details zu<br />

allgemeinen Sicherheitshinweisen sind auf der Webpage der Carl Roth GmbH zu finden.<br />

Gefahrensymbole<br />

Xn gesundheitsschädlich<br />

R 36/37/38 Reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut.<br />

R 43 Sensibilisierungen durch Hautkontakt möglich.<br />

S 26 Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt<br />

konsultieren.<br />

S 36 Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen.<br />

Hinweise zur Entsorgung<br />

Bei der Giftsammelstelle entsorgen. Nie im Ausguss, in der Toilette oder im Haushaltsabfall<br />

entsorgen! Hinweise im Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten. Lokale Vorschriften<br />

beachten.<br />

Quellen<br />

� Uni Hamburg<br />

� Carl Roth GmbH<br />

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7.4.3. Natriumchlorid/NaCl/58.44 g*mol -1<br />

Link zum Sicherheitsdatenblatt<br />

Hersteller Carl Roth GmbH (Art.-Nr. 9265.1)<br />

CAS-Nummer 7647-14-5<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Natriumchlorid erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem Aggregatszustand<br />

und in Form von weissem kristallinem Pulver.<br />

Gemäss Hersteller gehen von der Substanz keine akuten Gesundheitsgefahren aus. Details zu<br />

allgemeinen Sicherheitshinweisen sind auf der Webpage der Carl Roth GmbH zu finden.<br />

Hinweise zur Entsorgung<br />

Keine besonderen Angaben. Hinweise im Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten.<br />

Lokale Vorschriften beachten.<br />

Quellen<br />

� Carl Roth GmbH<br />

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7.4.4. Dodecan/C12H26 /170.34 g*mol -1<br />

Link zum Sicherheitsdatenblatt<br />

Hersteller Sigma Aldirch (Art.-Nr. 297879)<br />

CAS-Nummer 112-40-3<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Dodecan erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in flüssigem Aggregatszustand mit<br />

benzinartigem Geruch. Die Substanz ist nicht wasserlöslich, aliphatisch und leicht entzündlich,<br />

der Flammpunkt liegt zwischen 55 und 100°C.<br />

Von der Substanz gehen akute oder chronische Gesundheitsgefahren aus!<br />

Die Substanz ist leicht entzündlich!<br />

Gefahrensymbole Warnsymbole Gebotszeichen<br />

Xn gesundheitsschädlich Vorsicht gesundheitsschädlich Schutzbrille tragen<br />

D leichtentzündlich Vorsicht entzündlich Handschuhe tragen<br />

Atemschutz tragen<br />

R 65 Gesundheitsschädlich: Kann beim Verschlucken Lungenschäden verursachen.<br />

S 65 Bei Verschlucken kein Erbrechen herbeiführen. Sofort ärztlichen Rat einholen<br />

und Verpackung oder dieses Etikett vorzeigen.<br />

Hinweise zur Entsorgung<br />

Bei der Giftsammelstelle entsorgen. Nie im Ausguss, in der Toilette oder im Haushaltsabfall<br />

entsorgen! Hinweise im Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten. Lokale Vorschriften<br />

beachten.<br />

Quellen<br />

� GESTIS-Stoffdatenbank<br />

� Sigma Aldirch<br />

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7.4.5. Kaliumoleat/C18H33KO2 /320.55 g*mol -1<br />

Link zum Sicherheitsdatenblatt<br />

Hersteller Sigma Aldirch (Art.-Nr. 60420)<br />

CAS-Nummer 143-18-0<br />

Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

Kaliumoleat erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem Aggregatszustand und<br />

in Form von beigem Pulver.<br />

Von der Substanz gehen akute oder chronische Gesundheitsgefahren aus!<br />

Gefahrensymbole Warnsymbole Gebotszeichen<br />

Xi reizend Vorsicht reizend Schutzbrille tragen<br />

R 36/37/38 Reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut.<br />

Handschuhe tragen<br />

S 26 Bei Berührung mit den Augen sofort mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.<br />

S 36 Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen.<br />

Hinweise zur Entsorgung<br />

Bei der Giftsammelstelle entsorgen. Nie im Ausguss, in der Toilette oder im Haushaltsabfall<br />

entsorgen! Hinweise im Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten. Lokale Vorschriften<br />

beachten.<br />

Quellen<br />

� Sigma Aldirch<br />

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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />

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