Nano-Gold - Swiss Nano Cube
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<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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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 />
© <strong>Swiss</strong> <strong>Nano</strong>-<strong>Cube</strong>/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch 24/26
Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />
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Experimentieranleitung <strong>Nano</strong>gold<br />
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