DE60130757T2

DE60130757T2 - Silizium beschichtete nanopartikel

Info

Publication number: DE60130757T2
Application number: DE60130757T
Authority: DE
Inventors: Weihong Gainesville TAN; Swadeshmukul Gainesville SANTRA; Peng Dr. Clearwater ZHANG; Rovelyn Dr. Gainesville TAPEC; Jon Dobson
Original assignee: University of Florida
Current assignee: University of Florida
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2021-05-15
Also published as: JP2003533363A; WO2001088540A1; US6548264B1; US6924116B2; EP1287359A1; EP1867993A1; EP1287359A4; AU6184101A; DE60130757D1; AU2001261841B2; NZ523078A; EP1287359B1; CA2410023A1; US20060228554A1; US20020098529A1; US7332351B2; CA2410023C; ATE374946T1

Description

Anwendungsbereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich von Nanopartikeln und Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln. Genauer ausgedrückt betrifft die Erfindung quarzbeschichtete Nanopartikel, die unter Verwendung von Mikroemulsionen hergestellt wurden.
Hintergrund der Erfindung
Nanopartikel sind sehr kleine Partikel, die in ihrer Größe typischerweise im Bereich von so klein wie einem Nanometer bis zu so groß wie mehrere Hundert Nanometer im Durchmesser liegen. Ihre kleine Größe ermöglicht die Nutzung von Nanopartikeln zur Herstellung einer Vielfalt von Produkten wie zum Beispiel Färbemitteln und Pigmenten; von ästhetischen oder funktionellen Überzügen; Werkzeugen für biologische Entdeckungen, medizinische Bilderzeugung und Therapeutik; Magnetaufzeichnungsmedien; Quantenpunkten; und sogar gleichförmigen und Nanogrößenhalbleitern.
Nanopartikel können einfache Ansammlungen von Molekülen sein oder sie können in zwei oder mehr Schichten von unterschiedlichen Substanzen strukturiert sein. So können einfache, aus Magnetit oder Maghemit bestehende Nanopartikel in Magnetanwendungen verwendet werden (zum Beispiel MRI-Kontrastmittel, Zellabscheidungswerkzeuge oder Datenspeicherung). Siehe zum Beispiel "Scientific and Clinical Applications of Magnetic Microspheres", U. Hafeli, W. Sell-Litt, J. Teller, und M. Zborowslci (eds.) Plenum Press, New York, 1997; Sjøren et al., Magn. Reson. Med. 31:268, 1994; und Tiefenauer et al., Bioconjugate Chem. 4:347, 1993. Komplexere Nanopartikel können aus einem Kern bestehen, der aus einer Substanz hergestellt ist, und aus einem Mantel, der aus einer anderen hergestellt ist.
Viele unterschiedliche Arten kleiner Partikel (Nanopartikel oder Partikel in Mikrongröße) sind im Handel von mehreren unterschiedlichen Herstellern erhältlich, die Folgende umfassen: Bangs Laboratories (Fishers, Indiana); Promega (Madison, WI); Dynal Inc. (Lake Success, New York); Advanced Magnetics Inc. (Surrey, Großbritannien); CPG Inc. (Lincoln Park, New Jersey); Cortex Biochem (San Leandro, Kalifornien); European Institute of Science (Lund, Schweden); Ferrofluidics Corp. (Nashua, New Hampshire); FeRx Inc.; (San Diego, Kalifornien); Immunicon Corp.; (Huntingdon Valley, Pennsylvania); Magnetically Delivered Therapeutics Inc. (San Diego, CA); Miltenyi Biotec GmbH (LISA); Microcaps GmbH (Rostock, Deutschland); PolyMicrospheres Inc. (Indianapolis, IN); Scigen Ltd. (Kent, Großbritan nien); Seradyn Inc.; (Indianapolis, Indiana); und Spherotech Inc. (Libertyville, Illinois). Die meisten dieser Partikel werden unter Verwendung herkömmlicher Techniken wie zum Beispiel Schleifen und Mahlen, Emulsionspolymerisation, Block-Copolymerisation und Mikroemulsion hergestellt.
Es wurde auch über Verfahren zur Herstellung von Quarznanopartikeln berichtet. Die Prozesse beinhalten Kristallitkernaggregation (Philipse et al., Langmuir, 10:92, 1994); Festigung von superparamagnetischen Polymernanopartikeln mit eingebettetem Quarz (Gruttner, C and J Teller, „Journal of Magnetism and Magnetic Materials," 194:8, 1999); mikrowellenvermittelte Selbstmontage (Correa-Duarte et al., Langmuir, 14:6430, 1998). Unglücklicherweise haben sich diese Techniken nicht als besonders wirksam für die gleichmäßige Herstellung von Nanopartikeln mit einer bestimmten Größe, Form und Größenverteilung erwiesen.
SONG-YUAN CHANG-ETAL („JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY", Band 116, Nr. 15, 1994, Seiten 6739–6744) beschreibt die Herstellung und die Eigenschaften von anwendungsspezifisch angefertigter Morphologie, monodispersen kolloiden Quarz-Kadmiumsulfid-Nanoverbundwerkstoffen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln, die einen von einem Quarz(SiO₂)-Mantel umhüllten Kern aufweisen.
Bei dem Verfahren wird eine Mikroemulsion, d. h. ein isotropes und thermodynamisch stabiles Einphasensystem zur Herstellung von Nanopartikelkernen von einer zuvor festgelegten, sehr einheitlichen Größe und Form verwendet. Unter Verwendung von Mikroemulsionen hergestellte Kerne werden dann unter Verwendung eines Silikatisierungsmittels mit Quarz überzogen. Die so ausgebildeten Nanopartikel können für eine bestimmte Anwendung durch die Derivatisierung unterschiedlicher chemischer Gruppen auf dem Quarzüberzug angepasst werden.
Dementsprechend weist die Erfindung als Merkmal Nanopartikel auf, die einen Kern und einen den Kern umhüllenden Quarzmantel aufweisen. Die Nanopartikel weisen einen mittleren Durchmesser von weniger als 1 Mikron auf (zum Beispiel zwischen 1 nm und 300 nm, oder zwischen 2 nm und 10 nm). Bei einigen Varianten umfasst der Kern ein Pigment, welches ein anorganisches Salz wie zum Beispiel Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Nickelsulfat, Kobaltdichlorid, Eisen(III)chlorid oder Kupfernitrat sein kann. Auf ähnliche Weise kann der Kern ein Färbemittel wie zum Beispiel Ru/Bpy, Eu/Bpy oder dergleichen oder ein Metall wie zum Beispiel Ag und Cd aufweisen.
Die Erfindung umfasst auch Nanopartikel mit einem Quarzmantel, der mit einer funktionellen Gruppe wie zum Beispiel einem Protein (zum Beispiel ein Antikörper); einer Nukleinsäure (zum Beispiel Oligonukleotid); Biotin oder Streptavidin derivatisiert wird.
Ebenfalls in der Erfindung enthalten ist ein Verfahren zur Herstellung beschichteter Nanopartikel. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellung einer Mikroemulsion; Bereitstellung einer ersten wässrigen Lösung eines ersten Reaktanten und einer zweiten wässrigen Lösung mit einem zweiten Reaktanten (wobei der erste und der zweite Reaktant so ausgewählt werden, dass sich nach dem Mischen des ersten und des zweiten Reaktanten miteinander in einer wässrigen Umgebung ein Feststoffniederschlag ausbildet); Zugabe der ersten wässrigen Lösung zu einer ersten Aliquote der Mikroemulsion, und der zweiten wässrigen Lösung zu einer zweiten Aliquote der Mikroemulsion; Zusammenmischen der ersten und zweiten Aliquoten, um eine Reaktionsmischung auszubilden, die so reagiert, dass sie Nanopartikelkerne mit dem Pigment ausbildet; und Zugabe eines Überzugsmittels zu den Kernen, um quarzbeschichtete Nanopartikel auszubilden.
Die Mikroemulsion kann eine Wasser-in-Öl-Mikroemulsion sein, die aus dem Zusammenmischen von Wasser, einer relativ polaren Flüssigkeit wie zum Beispiel Isooktan, n-Hexan oder Zyklohexan; einem Tensid wie zum Beispiel AOT, TX-100 und CTAB; und in einigen Fällen einem Co tensid wie zum Beispiel n-Hexanol hergestellt sein kann. Das Überzugsmittel kann ein reaktiver Quarz wie zum Beispiel TEOS und APTS sein. Bei einigen Varianten umfasst das Verfahren einen Schritt der Derivatisierung des Quarzmantels mit einer funktionellen Gruppe wie zum Beispiel einem Protein (zum Beispiel ein Antikörper), einer Nukleinsäure (zum Beispiel ein Oligonukleotid); Biotin oder Streptavidin. Daher kann das Verfahren der Erfindung zur Herstellung von proteinderivatisierten, quarzbeschichteten Nanopartikeln verwendet werden, die Kerne aufweisen, die ein Metall wie zum Beispiel Magnetit, Maghemit oder Greigit umfassen.
Bei einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Identifikation von Zellen, die ein vorausgewähltes Molekül ausdrücken. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Bereitstellung einer Vielzahl von quarzbeschichteten Nanopartikeln, die mit einer funktionellen Gruppe beschichtet sind, die sich mit einem vorausgewählten Molekül verbindet; Bereitstellung einer Vielzahl von Zellen, wovon mindestens einige das vorausgewählte Molekül ausdrücken; Mischen der Vielzahl von quarzbeschichteten Nanopartikeln mit der Vielzahl von Zellen, um eine Mischung auszubilden; Positionierung der Mischung unter Bedingungen, die es ermöglichen, dass sich die Nanopartikel mit Zellen verbinden, die das vorausgewählte Molekül ausdrücken; und Analyse der Zellen auf gebundene Nanopartikel. Bei einer Variante dieses Verfahrens ist die funktionelle Gruppe ein Antikörper, der sich mit dem vorausgewählten Molekül verbindet. Bei einer anderen Variante sind die quarzbeschichteten Nanopartikel mit Leuchtfarbstoff versehen.
Wie in diesem Dokument verwendet, ist mit dem Wort „Nanopartikel" ein Partikel gemeint, der einen Durchmesser zwischen etwa 1 und 1000 nm aufweist. Auf ähnliche Weise ist mit dem Begriff „Nanopartikel" eine Vielzahl von Partikeln gemeint, die einen mittleren Durchmesser zwischen etwa 1 und 1000 nm aufweisen.
Für den hierin genannten Zweck wird eine Mikroemulsion als eine thermodynamisch stabile, optisch isotrope Dispersion von zwei unvermischbaren Flüssigkeiten definiert, die aus Domänen in Nanogrößen von einer oder beiden Flüssigkeiten in der anderen bestehen, stabilisiert durch einen Grenzflächenfilm von oberflächenaktiven Molekülen.
Unter Bezugnahme auf die „Größe" eines Nanopartikels ist die Länge der größten geraden Abmessung des Nanopartikels gemeint. So ist zum Beispiel die Größe eines vollkommen kugelförmigen Nanopartikels sein Durchmesser.
Mit dem Satz „bindet insbesondere", ist gemeint, dass ein Molekül ein zweites bestimmtes Molekül in einem Muster erkennt und sich damit verbindet, jedoch im Wesentlichen nicht andere Moleküle in dem Muster erkennt oder sich damit verbindet. Im Allgemeinen ist ein Antikörper, der sich „besonders" an ein zuvor ausgewähltes Antigen „bindet", einer, der das Antigen mit einer Bindeaffinität bindet, die größer als etwa 105 bis 106 Liter/Mole ist.
Wie in diesem Dokument verwendet, ist mit dem Satz „funktionelle Gruppe" eine chemische Gruppe gemeint, die eine besondere Funktion auf einen Gegenstand (zum Beispiel Nanopartikel) überträgt, der die chemische Gruppe trägt. So können funktionelle Gruppen zum Beispiel Substanzen wie Antikörper, Oligonukleotide, Biotin oder Streptavidin umfassen, von denen bekannt ist, dass sie bestimmte Moleküle binden; oder kleine chemische Gruppen wie zum Beispiel Amine, Karboxylate und dergleichen.
Wenn nicht anders definiert, haben alle in diesem Dokument verwendeten technischen Begriffe dieselbe Bedeutung, wie sie von gewöhnlichen Fachleuten auf diesem Gebiet verstanden wird, wozu diese Erfindung gehört. Obwohl Verfahren und Werkstoffe verwendet werden können, die den in diesem Dokument beschriebenen ähnlich oder gleichwertig sind, werden unten geeignete Verfahren und Werkstoffe beschrieben. Alle Veröffentlichungen, Patentanmeldungen, Patente und andere, in diesem Dokument erwähnten Referenzen sind in diesem Dokument in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme integriert. Im Konfliktfalle gilt die vorliegende Spezifikation einschließlich Definitionen. Zusätzlich sind die unten abgehandelten Ausführungsformen lediglich veranschaulichend, und sollen nicht begrenzend sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird insbesondere in den dazugehörigen Ansprüchen hervorgehoben. Die oben erwähnten, und weiteren Vorteile dieser Erfindung können besser verstanden werden, indem auf die folgende Beschreibung Bezug genommen wird, wenn diese gemeinsam mit den dazugehörigen Zeichnungen betrachtet wird, wobei:
1 eine Querschnittsansicht eines Nanopartikels der Erfindung ist.
2 ein Ablaufdiagramm ist, welches allgemeine Schritte veranschaulicht, die bei einem Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln der Erfindung beteiligt sind.
3A–D schematische Ansichten sind, die ein Verfahren der Erfindung veranschaulichen.
Detaillierte Beschreibung
Die Erfindung basiert auf einem Verfahren zur Herstellung von quarzbeschichteten Nanopartikeln unter Verwendung einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion. Das Verfahren bringt einheitlich bemessene Partikel hervor, die aus einem Kern bestehen, der von einem Quarzmantel umhüllt ist. Die Mikroemulsion wird durch die Kombination einer relativ polaren Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser, einer relativ nicht polaren Flüssigkeit wie zum Beispiel einem flüssigen Alkan, und einem oder mehreren Tensiden hergestellt, um ein isotropes, thermodynamisch stabiles Einphasensystem auszubilden. Dieses System besteht aus einer Vielzahl sehr kleiner Wasservorlagen (d. h. umgekehrte Mizellen), die als Reaktoren zur Erzeugung von Nanopartikelkernen dienen. Nach der Herstellung der Kerne werden diese unter Verwendung eines Quarzbildungsmittels wie zum Beispiel Tetraethylorthosilikat (TEOS) mit Quarz beschichtet. Bei einigen Anwendungen wird die Quarzbeschichtung mit einer oder mehreren funktionellen Gruppen derivatisiert, um Nanopartikel zu ergeben, die insbesondere für spezifische Anwendungen geeignet sind. Die unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen veranschaulichen unterschiedliche Anpassungen der Erfindung. Trotzdem können an Hand der Beschreibung dieser Ausführungsformen andere Aspekte der Erfindung leicht hergestellt werden, indem leichte Anpassungen oder Abänderungen an den unten abgehandelten Komponenten vorgenommen werden.
Nanopartikelmerkmale
In Form einer kurzen Übersicht unter Bezugnahme auf 1 weist ein bevorzugter Nanopartikel 10 der Erfindung einen Kern 12, einen den Kern 12 umhüllenden Mantel 14 und eine oder mehrere funktionelle Gruppen 16 auf, die auf dem Mantel 14 derivatisiert sind. Obwohl der Durchmesser von Nanopartikel 10 in dem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 1000 nm oder größer liegen kann, sollte er vorzugsweise für viele Anwendungen zwischen etwa 10 nm bis etwa 300 nm liegen (zum Bei spiel etwa 10, 15, 20, 25, 30, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250 oder 300 nm). In einer Dispersion einer Vielzahl von Nanopartikeln 10 weist die Größenverteilung vorzugsweise eine Normabweichung von nicht mehr als etwa 25% auf (zum Beispiel 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20 und 25%) des mittleren Durchmessers (oder der größten geraden Abmessung) der Vielzahl von Nanopartikeln 10.
Der in 1 veranschaulichte Nanopartikel 10 ist fest (d. h. im Wesentlichen ohne Poren). Obwohl diese Form für viele Anwendungen bevorzugt wird, können Nanopartikel innerhalb der Erfindung auch feinporig sein. Fest Formen können wie unten beschrieben durch eine gleichförmige Beschichtung von Kern 12 mit dem Mantel 14 hergestellt werden. Feinporige Formen können durch den Abbau eines festen Nanopartikels mit einem Korrosionsmittel hergestellt werden (zum Beispiel eine sehr grundlegende Lösung, wobei der Mantel 14 aus Quarz besteht), und optional Neubeschichtung des Kernes 12 mit Quarz. Im Allgemeinen werden feste Formen dann bevorzugt, wenn es gewünscht wird, einen Kern 12 von der äußeren Umgebung abzusondern, um den mit der äußeren Umgebung in Kontakt befindlichen Oberflächenbereich des Mantels 14 zu erhöhen (zum Beispiel dann, wenn der Nanopartikel 10 als Katalysator verwendet wird), oder manchmal, wenn der Nanopartikel 10 zur Isolation unterschiedlicher Substanzen verwendet wird (zum Beispiel zum „Einfangen" von Substanzen in den Poren). Poren in dem Nanopartikel 10 können jede geeignete Größe unterhalb des Durchmessers von Nanopartikel 10 aufweisen. So können solche Poren einen Grö ßenmittelwert von etwa 0,2, 0,5, 1, 2, 3, 5, 10, 20, 50 oder 100 nm aufweisen.
Der Kern 12 kann aus jeder beliebigen Substanz zusammengesetzt sein, die mit dem Mantel 14 kompatibel ist. Da der Kern 12 funktionelle Merkmale auf den Nanopartikel 10 überträgt, können Fachleute auf diesem Gebiet die Zusammensetzung des Kernes 12 so auswählen, das sie zu der besonderen Anwendung passt, die für den Nanopartikel 10 auf der Grundlage bekannter Zusammensetzungen vorgesehen ist. Als Beispiel kann der Kern 12 für die Produktion von Färbemittel- oder Pigmentnanopartikeln anorganische Salze enthalten, die bei der Herstellung „pigmentfreier" Pigmente verwendbar sind, zum Beispiel Europiumsalze, tris(2,2'b-bipyridyl)dichlorruthenium, Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Nickelsulfat, Kobaltdichlorid, Eisen(III)chlorid, Kupfernitrat usw..
Der Kern 12 kann auch aus einer Mischung von unterschiedlichen Substanzen zusammengesetzt sein. Wenn zum Beispiel die Herstellung eines magnetischen, färbemitteldotierten Nanopartikels gewünscht wird, kann der Kern 12 sowohl aus einem magnetischen Metall als auch aus einem als Pigment verwendbaren anorganischen Salz bestehen. Wenn der Kern 12 aus einem Werkstoff zusammengesetzt ist, der in gemeinsamen Lösungsmitteln sehr löslich ist (zum Beispiel solche, die typischerweise in Farben und farbigen Beschichtungen verwendet werden), ist es insbesondere wünschenswert, dass solche Kerne mit einer Substanz beschichtet werden, die gegen die Auflösung oder den Abbau in solchen Lösungsmitteln beständig ist.
Der Kern 12 kann jede Größe aufweisen, die kleiner als die Größe von Nanopartikel 10 ist. Daher kann der Kern 12 einen Durchmesser von zwischen weniger als 1 und 1000 nm aufweisen. Für viele Anwendungen weist der Kern 12 vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von etwa 1 bis etwa 200 nm auf. Als ein Beispiel, weil Tiere in der Lage sind, Nanopartikel mit einer Größe von weniger als etwa 100 nm auszuscheiden, jedoch Partikel zurückhalten, die größer als 100 nm sind (in erster Linie in der Leber und in der Milz), werden Kerne, die klein genug sind, um in Nanopartikeln mit einer Größe von weniger als 100 nm integriert zu werden, bei Diagnose- oder Therapieanwendungen bevorzugt, bei denen es gewünscht wird, dass die Nanopartikel nicht in einem Gegenstand zurückgehalten werden.
Wenn er unter Verwendung einer Mikroemulsions-Nanopartikelherstellungstechnik (siehe unten) hergestellt wurde, weist der Kern 12 im Allgemeinen eine Kugelform auf (herkömmliche umgekehrte Mizellen sind kugelförmig). Der Kern 12 ist jedoch nicht auf eine Kugelform begrenzt. So kann der Nanopartikel zum Beispiel anstatt vollkommen rund, länglich oder rohrförmig sein, wobei es sich um eine bei vielen magnetischen Anwendungen bevorzugte Form handelt. Wenn der Kern 12 eine kristalline Form aufweist, kann der Nanopartikel 10 eine regelmäßige oder unregelmäßige Polyederform wie zum Beispiel eine Quaderform aufweisen.
Der Mantel 14 besteht teilweise oder vollständig aus Quarz. Quarz wird in unterschiedlichen Anwendungen bevorzugt, da er in vielen Umgebungen relativ träge ist, biokompatibel ist, Agglomeration mit anderen Nanopartikeln in einer Dispersion verhindert und leicht mit vielen unterschiedlichen Funktionsgruppen derivatisiert werden kann. Und obwohl der Mantel 14 in 1 in einer einzelnen Schicht ausgestaltet dargestellt ist, kann er auch mehrschichtig sein. So kann der Mantel 14 zum Beispiel eine erste Schicht von Quarzbeschichtung unmittelbar an den Kern 12 angrenzend, und eine die Quarzschicht beschichtende zweite Schicht umfassen. Die zweite Schicht kann aus jeder Substanz zusammengesetzt sein, die auf die erste Schicht beschichtet ist. So kann die zweite Schicht zum Beispiel aus einem biologisch abbaubaren Werkstoff (zum Beispiel ein Zucker oder Polymer) bestehen, der mit einer Droge imprägniert ist. Wenn sie einem Tier zur Einnahme gegeben werden, werden der biologisch abbaubare Werkstoff und die Droge nach und nach in dem Tier aufgelöst. Bei anderen Anwendungen kann der Mantel 14 aus 3, 4, 5 oder mehr getrennten Schichten zusammengesetzt sein.
Bei der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist ein den Kern 12 vollständig umhüllender Mantel 14 dargestellt, wodurch der Kern 12 von der äußeren Umgebung abgesondert wird. Diese Form wird bevorzugt, während es gewünscht wird, die Wechselwirkung des Kernes 12 mit äußeren Faktoren zu verhindern. So kann zum Beispiel eine Quarzbeschichtung die Korrosion eines Kernes auf Eisenbasis verhindern. Auf ähnliche Weise kann eine vollständige Quarzbeschichtung die Lagerzeit eines Pigmentes auf Nanopartikelbasis steigern, indem sie den Abbau oder die Auflösung des Pigmentes in einer Lösung oder durch Oxidation verhindert. Bei einigen Varianten weist der Nanopartikel 10 keinen Mantel 14 auf oder ist nur teilweise mit einem Mantel 14 überzogen (zum Beispiel da, wo der Mantel 14 teilweise von dem Kern 12 abgelöst oder abgebaut wurde).
Der Mantel 14 kann jede beliebige Dicke aufweisen (d. h. eine Länge von der Außenfläche von Kern 12 zu der Außenfläche von Mantel 14), die mit den Verfahren der Herstellung von Nanopartikel 10 kompatibel ist. Unter Verwendung bevorzugter Verfahren der Erfindung kann der Mantel 14 derart hergestellt werden, dass er eine Dicke im Bereich von weniger als etwa 1 nm bis größer als etwa 300 nm aufweist. In Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung, bei welcher der Nanopartikel 10 zu verwenden ist, werden sich die bevorzugten Dicken von Mantel 14 verändern. So wird zum Beispiel ein relativ dicker Mantel dann bevorzugt, wenn eine Verringerung der Agglomeration von Nanopartikeln (wo die Kerne einander anziehen) oder des Abbaus des Mantels (zum Beispiel in einem ätzenden Lösungsmittel) gewünscht wird. Andererseits wird im Allgemeinen ein relativ dünnerer Mantel dann bevorzugt, wenn es gewünscht wird, die Eigenschaften des Kernes (zum Beispiel Farbe eines Pigmentes) zu stärken.
Wie in 1 dargestellt, können funktionelle Gruppen 16 auf der Oberfläche des Mantels 14 derivatisiert werden. Funktionelle Gruppen 16 können die Form jeder chemischen oder biologischen Gruppe annehmen, die über den Mantel 14 an dem Nanopartikel 10 angefügt werden kann. So können funktionelle Gruppen 16 zum Beispiel eines oder mehrere Proteine wie zum Beispiel Antikörper sein (monoklonal, polyklonal), Enzyme, Biotin und Streptavidin; Nukleinsäuremoleküle (zum Beispiel RNA, DNA); Chemosensoren wie zum Beispiel Leuchtfarbsonden; und biochemische Gruppen wie zum Beispiel Amine und Karboxylate.
Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln
Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 2 umfasst ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln Folgendes: Einen Schritt 50 der Bereitstellung einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion; einen Schritt 52 der Bereitstellung von wässrigen Lösungen von Reaktanten; einen Schritt 54 der Zugabe von wässrigen Lösungen zu separaten Aliquoten der Mikroemulsion; einen Schritt 56 des Zusammenmischens der Aliquoten, um eine Reaktionsmischung auszubilden, die so reagiert, dass sie Nanopartikelkerne ausbildet; und einen Schritt 58 der Zugabe eines Überzugsmittels zu den Kernen, um quarzbeschichtete Nanopartikel auszubilden.
Die Mikroemulsion von Schritt 50 kann durch Zusammenmischen von mindestens zwei unvermischbaren Flüssig keiten bei Vorhandensein von mindestens einem Tensid hergestellt werden, um eine thermodynamisch stabile, optisch isotrope Dispersion aus Tropfen in Nanogrößenbereichen von einer oder beiden Flüssigkeiten in der anderen auszubilden. Die Dispersion wird durch das Tensid stabilisiert, welches die Oberflächenspannung an der Grenzfläche der zwei Flüssigkeiten verringert. Mikroemulsionen können entweder Wasser-in-Öl (d. h. umgekehrte Mizellen oder in Wasser verteilte Öltropfen), oder ein bikontinuierliches System sein, welches vergleichbare Mengen von zwei unvermischbaren Flüssigkeiten enthält. In einigen Fällen können Mikroemulsionen durch Zusammenmischen von zwei nichtwässrigen Lösungen mit unterschiedlicher Polarität mit vernachlässigbarer gegenseitiger Löslichkeit hergestellt werden. Zur Verwendung der Erfindung werden gegenwärtig Wasser-in-Öl-Mikroemulsionen bevorzugt, da sie mit sehr vielen bekannten chemischen Reaktionen zum Niederschlagen von Feststoffen in wässrigen Lösungen kompatibel sind.
Die unvermischbaren Flüssigkeiten, die in Schritt 50 verwendbar sind, umfassen typischerweise eine relativ polare (d. h. hydrophobe) Flüssigkeit und eine relativ nicht polare (d. h. hydrophile) Flüssigkeit. Während eine große Vielfalt polarer/nicht polarer Flüssigkeitsmischungen zur Ausbildung einer bei der Erfindung verwendbaren Mikroemulsion verwendet werden kann, wird die Auswahl bestimmter verwendeter Flüssigkeiten von der Art der hergestellten Nanopartikel abhängig sein. Fachleute auf diesem Gebiet können spezifische Flüs sigkeiten für bestimmte Anwendungen auswählen, indem sie bekannte Verfahren zur Herstellung von Mikroemulsionen zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung anpassen. Die gegenwärtig bevorzugte, relativ polare Flüssigkeit ist Wasser, obwohl andere polare Flüssigkeiten auch verwendbar sein könnten. Wasser wird bevorzugt, weil es preiswert, leicht erhältlich, nicht giftig, leicht handhabbar und lagerbar, mit einer großen Anzahl unterschiedlicher Niederschlagsreaktionen kompatibel, und in einer großen Anzahl nicht polarer Lösungsmittel vermischbar ist. Beispiele geeigneter nicht polarer Flüssigkeiten umfassen Alkane (zum Beispiel jede flüssige Form von Hexan, Heptan, Oktan, Nonan, Dekan, Undekan, Dodekan usw.), Zykloalkane (zum Beispiel Zyklopentan, Zyklohexan usw.), aromatische Kohlenwasserstoffe (zum Beispiel Benzol, Toluol) und Mischungen der Vorangegangenen (zum Beispiel Erdöl und Erdölderivate). Im Allgemeinen kann jede der nicht polaren Flüssigkeiten verwendet werden, solange sie mit den anderen Komponenten kompatibel ist, die zur Ausbildung der Mikroemulsion verwendet werden, und nicht mit der beteiligten Niederschlagsreaktion kollidiert.
Schritt 50 erfordert es, dass mindestens ein Tensid eine Mikroemulsion ausbildet. Tenside sind oberflächenaktive Mittel, welche die sehr kleinen verteilten Mizellen oder umgekehrten Mizellen in der Mikroemulsion thermodynamisch stabilisieren. Typischerweise besitzen Tenside eine amphiphatische Struktur, die es ihnen ermöglicht, Filme mit sehr niedriger Grenzflächenspannung zwischen den öligen und wässrigen Phasen auszubilden. Daher kann jede Substanz, welche die Oberflächenspannung an der Grenzfläche der relativ polaren und relativ nicht polaren Flüssigkeiten verringert und mit anderen Aspekten der Erfindungen kompatibel ist, zur Ausbildung der zur Herstellung von Nanopartikeln verwendeten Mikroemulsion verwendet werden. Die Auswahl eines Tensids wird von den verwendeten besonderen Flüssigkeiten und von der Art der hergestellten Nanopartikel abhängig sein. Spezifische Tenside, die für besondere Anwendungen geeignet sind, können von bekannten Verfahren zur Herstellung von Mikroemulsionen oder bekannten Merkmalen von Tensiden ausgewählt werden. So werden im Allgemeinen nichtionogene Tenside bevorzugt, wenn ein ionischer Reaktant in dem Mikroemulsionsprozess verwendet wird, und sich ein ionisches Detergens an den ionischen Reaktanten binden oder ansonsten damit kollidieren würde.
Es sind zahlreiche geeignete Tenside bekannt. Eine nicht erschöpfende Auflistung umfasst Seifen wie zum Beispiel Kaliumoleat, Natriumoleat usw.; anionische Detergens wie zum Beispiel Aerosol^® OT, Natriumcholat, Natriumcaprylat usw.; kationische Detergens wie zum Beispiel Cetylpyridiniumchlorid, Alkyltrimethylammoniumbromide, Benzalkoniumchlorid, Cetyldimethylammoniumbromid usw.; zwitterionische Detergens wie zum Beispiel N-alkyl-N,N-dimethylammonio-1-propanesulfonat und CHAPS; und nicht ionogene Detergens wie zum Beispiel Polyoxyethylenester, Polyoxyethylenether, Polyoxyethylensorbitanester, Sorbitanester und unterschiedliche Tritone (zum Beispiel (TX-100, TX-114) usw.
Die Konzentration von in Schritt 50 verwendetem Tensid wird von vielen Faktoren abhängig sein, einschließlich von dem besonderen ausgewählten Tensid, verwendeten Flüssigkeiten und der Art von herzustellenden Nanopartikeln. Geeignete Konzentrationen können empirisch bestimmt werden, d. h. indem unterschiedliche Konzentrationen von Tensid ausprobiert werden, bis die Konzentration herausgefunden wird, die bei einer bestimmten Anwendung die beste Leistung bringt. Bereiche geeigneter Konzentrationen können auch an Hand kritischer Mizellenkonzentrationen bestimmt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird bis (2-Ethylhexyl) sulfosuccinatnatriumsalz (Aerosol^® OT, AOT) zur Erzeugung einer Mikroemulsion von Wasser und Isooktan verwendet; Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) wird zur Erzeugung einer Mikroemulsion von n-Hexan, n-Hexanol und Wasser verwendet; und Triton X-100 (TX-100) wird zur Erzeugung einer Mikroemulsion von Zyklohexan, n-Hexanol und Wasser verwendet.
Obwohl bei den meisten Anwendungen der Erfindung bei Schritt 50 nur ein Tensid zur Stabilisierung der Mikroemulsion verwendet wird, können auch eines oder mehrere Cotenside verwendet werden. Die Verwendung eines Cotensids ist manchmal vorteilhaft für die Stabilisierung von umgekehrten Mizellensystemen. So ergibt zum Beispiel die Zugabe eines wässrigen Tensids wie zum Beispiel Seife zu einer Mischung aus Öl und Wasser eine milchige Emulsion. Die Zugabe eines Cotensids wie zum Beispiel eines Alkohols von Zwischenkettenlänge verursacht, dass sich die milchige Emulsion auf Grund der Ausbildung von sehr kleinen Kugeln von in Öl verteilten Wassertropfen spontan aufklärt. Solche Cotenside funktionieren, indem weiterhin die Grenzflächenspannung zwischen den Phasen verringert wird, um die Ausbildung sehr kleiner Partikel von verteilten Phasen zu erleichtern. Zur Verwendung in der Erfindung geeignete Cotenside umfassen Hexanol, Butanol, Pentanol, Oktanol und ähnliche Alkohole mit Zwischenkettenlängen.
Die Mikroemulsion von Schritt 50 wird hergestellt, indem einfach eine relativ polare Flüssigkeit, eine relativ unpolare Flüssigkeit und eines oder mehrere Tenside zusammengemischt werden. Zur Herstellung einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion (die wässrige umgekehrte Mizellen aufweist), überschreitet das Volumen der relativ nicht polaren Flüssigkeit in großem Umfang dasjenige der relativ polaren Flüssigkeit (zum Beispiel Verhältnis nicht polare Flüssigkeit:polare Flüssigkeit zwischen etwa 10000:1 zu 100:1). Obwohl die Zugabe des Tensids manchmal verursachen kann, dass sich eine Mikroemulsion ohne weitere Agitation ausbildet, wird die Mischung mechanisch (zum Beispiel magnetisch) gerührt oder ultraschallbehandelt, um die Mikroemulsion auszubilden. Viele Mikroemulsionen, die in der Erfindung verwendbar sind, können bei Raumtemperatur (d. h. etwa 20°C) ohne die Zugabe von Wärme hergestellt werden. In anderen Fällen wird die Mischung zur Beschleunigung der Mikroemulsionsausbildung durch Erhöhung der Löslichkeit des Tensids in den Flüssigkeiten manchmal auf 25–80°C erwärmt (zum Beispiel unter Verwendung einer heißen Platte).
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 können Schritt 52 der Bereitstellung von wässrigen Lösungen von Reaktanten, und Schritt 54 der Zugabe der wässrigen Lösungen von Schritt 52 zur Abscheidung von Aliquoten einer Mikroemulsion unter Verwendung einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion ausgeführt werden, die wie oben beschrieben hergestellt wird. Die Schritte 52 und 54 können verwirklicht werden, indem zuerst ein erster wasserlöslicher Reaktant (Reaktant A) und ein zweiter wasserlöslicher Reaktant (Reaktant B) bereitgestellt wird, und dann durch die Zugabe von Reaktant A zu einer ersten Aliquote einer wasserlöslichen Mikroemulsion und von Reaktant B zu einer zweiten Aliquote einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion. Die zwei Aliquoten werden separat gemischt, bis der Reaktant A eine Gleichgewichtsverteilung in jeder umgekehrten Mizelle erreicht (umgekehrte Mizellen bilden ununterbrochen Koaleszenz, und brechen in der Mikroemulsion auseinander, wodurch es jedem darin enthaltenen Reaktanten ermöglicht wird, gleichmäßig unter den umgekehrten Mizellen) der ersten Aliquote verteilt zu werden, und der Reaktant B er reicht die Gleichgewichtsverteilung in jeder umgekehrten Mizelle der ersten Aliquote. In Schritt 56 werden die zwei Aliquoten, nachdem zugelassen wurde, dass sich die Verteilung der aufgelösten Spezies ausgleicht, miteinander vermischt. Auf Grund der Kollision und Koaleszenz der umgekehrten Mizellen berühren die Kationen von Reaktant A und die Anionen von Reaktant B einander und reagieren so, dass sie Niederschläge ausbilden, die als Nanopartikelkerne dienen.
Die Reaktanten A und B werden im Allgemeinen so ausgewählt, dass sie so reagieren können, dass sie einen Niederschlag innerhalb der umgekehrten Mizellen der Mikroemulsionen ausbilden. Sie sind typischerweise in den wässrigen umgekehrten Mizellen löslich und können Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reaktant A ein Salz (zum Beispiel mit der hypothetischen Formel A⁺X^–, welches sich in lösliche Kationen (zum Beispiel mit der hypothetischen Formel A^+'s) innerhalb der umgekehrten Mizellen der ersten Aliquote der Mikroemulsion auflöst, und der Reaktant B ist ein anderes Salz (zum Beispiel mit der hypothetischen Formel B⁺Y^–), welches sich in lösliche Anionen (zum Beispiel Y^–'s) innerhalb der umgekehrten Mizellen der zweiten Aliquote der Mikroemulsion auflöst. Die Kationen von Reaktant A und die Anionen von Reaktant B werden so ausgewählt, dass sie so reagieren können, dass sie einen Niederschlag ausbilden (A⁺Y^–), wenn sie in einer wässrigen Lösung miteinander vermischt werden.
Während das Vorangegangene ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung veranschaulicht, liegen weitere Verfahren zur Herstellung von Nanopartikelkernen ebenfalls innerhalb der Erfindung. Viele davon können ausgeführt werden, indem an dem soeben beschriebenen Verfahren leichte Veränderungen vorgenommen werden. So kann die Kernausbildungsreaktion zum Beispiel anstatt durch Zusammenmischen von zwei unterschiedlichen Aliquoten unter Verwendung einer einzelnen Aliquote einer Mikroemulsion ausgeführt werden. In diesem Fall kann der einzelnen Aliquote ein Reaktant zugegeben werden, und es kann zugelassen werden, dass er sich auflöst und unter den umgekehrten Mizellen der Mikroemulsion ausgleicht. Nachfolgend wird ein Niederschlagsmittel (zum Beispiel(Reduktions- oder Oxidations)-mittel in Form einer Flüssigkeit oder eines Gases (zum Beispiel Wasserstoff, Hydrazin, NH₄OH) der einzelnen Aliquote zugegeben, um den in den umgekehrten Mizellen aufgelösten Reaktanten niederzuschlagen.
Nanopartikelkerne können von einer Mikroemulsion isoliert werden, indem ein Lösungsmittel wie zum Beispiel Azeton oder Ethanol zu der Mikroemulsion zugegeben wird, und dann durch Filtern und/oder Zentrifugieren der Mischung, um die Nanopartikel zu isolieren. Zur Filterung weisen Filter Poren mit Größen auf, die kleiner als die Nanopartikel sind. Zum Zentrifugieren kann die Mischung bei 10.000 U/min. oder mehr in einer Mikrozentrifuge für eine Zeitdauer von 15 Minuten oder mehr gedreht werden, um die Nanopartikel zu pelletie ren, und der Überstand kann dekantiert werden. Auf diese Weise isolierte Nanopartikel können eines oder mehrere Male mit Azeton oder einer Ethanol-Wasserlösung gewaschen werden, um jedes Tensid oder andere Mikroemulsionskomponente zu entfernen. Die isolierten und gewaschenen Nanopartikel können über Azeton getrocknet werden. Vor der Verwendung oder Funktionalisierung können die Nanopartikel in einer geeigneten Flüssigkeit erneut schwebend gehalten werden.
Unter Verwendung der Wasser-in-Öl-Mikroemulsionstechnik ist die Nanopartikelkerngröße in hohem Maße steuerbar. Obwohl die Kerngröße im Allgemeinen mit der Größe der umgekehrten Mizelle in Zusammenhang steht, ist dies nicht notwendigerweise eine strenge Beziehung, da die Kerngröße nicht immer mit der Menge an Reaktant(en) korreliert, die in jeder umgekehrten Mizelle vorhanden sind. Wenn zum Beispiel kleine Nanopartikelkerne (zum Beispiel mit Durchmessern von 2 nm bis 5 nm) etwa 300 bis 1000 Atome enthalten, was in den meisten Fällen merklich größer als die Anzahl von in jeder Mizelle vor der Reaktion vorhandenen Reaktantenmolekülen ist. Dies zeigt an, dass Nanopartikelkern-Zellkerne zuerst einen kleinen Bruchteil von Mizellen ausbilden; diese dann die Reaktant(en) Kollisions-Koaleszenzprozesse in anderen Mizellen vernichten.
Ein Faktor, der bei der Nanopartikelkernherstellung zu berücksichtigen ist, ist die Rate, mit der sich Nanopartikelkerne ausbilden. Die Rate, mit der sich Nano partikelkerne ausbilden, steht direkt mit der Rate in Zusammenhang, mit der die umgekehrten Mizellen koaleszieren. Daher beeinflusst das spezifische ausgewählte Tensid die Kernausbildungsrate bedeutend, wobei die Rate der Koaleszenz der umgekehrten Mizellen gesteuert wird. Das heißt, dass Tenside, die eine relativ starre Grenzfläche zwischen den zwei unvermischbaren Flüssigkeiten zum Ergebnis haben, die Kernbildungsrate verringern, während Tenside, die eine flüssige Grenzfläche zum Ergebnis haben, die Rate erhöhen. Andere Eigenschaften der Mikroemulsion, wie zum Beispiel Ionenstärke, pH-Wert und Temperatur können auch so manipuliert werden, dass die Rate der Kernausbildung gesteuert wird.
Durch eine empirische Einstellung von anfänglichen Reaktantenkonzentrationen und Zusammensetzungsparametern von Mikroemulsionen bilden sich Nanopartikelkerne mit homogener Größenverteilung (zum Beispiel liegt die prozentuale Standardabweichung bei der Kerngröße zwischen etwa 1 und 5% (zum Beispiel 1, 2, 3, 4 und 5%)), und mittlere Durchmesser im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 300 nm oder mehr. Kerne von größerer Größe (zum Beispiel 1 etwa 1 Mikron) können hergestellt werden durch: (i) Zugabe einer größeren Konzentration von Reaktant(en) zu dem Reaktionsmedium (zum Beispiel umgekehrte Mizellen der Mikroemulsion), und/oder (ii) ultraschallchemisch (d. h. durch Ultraschallbehandlung), wobei isolierte Kerne in einer geeigneten Lösung außer Mikroemulsion so verteilt werden, dass sie eine einheitliche Kernsuspension ausbilden, und dann Zugabe eines zusätzlichen Reaktanten zu der Dispersion. Bei dem letzteren Verfahren schmelzen einzelne Kerne oftmals.
In den meisten Fällen weisen Nanopartikelkerne, die gemäß der oben beschriebenen Wasser-in-Öl-Mikroemulsionstechnik hergestellt wurden, eine Kugelform auf (herkömmliche umgekehrte Mizellen sind kugelförmig). Durch die Veränderung unterschiedlicher Parameter in dem Kernausbildungsprozess ist es möglich, Kerne zu produzieren, die andere Formen aufweisen. So können zum Beispiel längliche oder rohrförmige Kerne durch die Zugabe von sehr hohen Konzentrationen von Natriumdodecylsulfat zu der Mikroemulsion hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel können da, wo Recktanten so ausgewählt werden, dass die ausgebildeten Kerne eine kristalline Struktur aufweisen, Nanopartikelkerne mit einer regelmäßigen oder unregelmäßigen Polyederform hergestellt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 umfassen Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln innerhalb der Erfindung einen Schritt 58 der Zugabe eines Überzugsmittels zur Ausbildung von beschichteten Nanopartikeln. Das in Schritt 58 verwendete Beschichtungsmittel kann jedes beliebige sein, welches die Ablagerung von Quarz (oder jeder anderen Substanz) auf der Oberfläche der Nanopartikelkerne verursacht. Aktuell bevorzugte Reaktanten umfassen reaktive Quarze wie zum Beispiel Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Aminopropyltrimethoxysilan (APTS) (beide von Sigma, St. Louis, er hältlich). Zur Beschichtung von Kernen werden solche reaktiven Quarze einfach einer Lösung von Nanopartikelkernen zugegeben (zum Beispiel Mikroemulsion, wobei die Kerne hergestellt wurden), und zwar zusammen mit einem Reduktionsmittel wie zum Beispiel Ammoniumhydroxid oder NaOH. Die Mischung kann für einen geeigneten Zeitbetrag gerührt werden um zuzulassen, dass die Kerne mit Quarz beschichtet werden.
Die Dicke der Quarzbeschichtung und die Reaktionsrate der Ausbildung der Quarzbeschichtung sind von der Menge an zugegebenem reaktivem Quarz, der Reaktionszeit, der Menge an zugegebenem Reduktionsmittel und der Größe der umgekehrten Mizellen abhängig (wenn die Beschichtung in einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion ausgeführt wird). Die Erhöhung der Konzentration des Reduktionsmittels (zum Beispiel [NH₄OH]) zur reaktiven Quarzkonzentration (zum Beispiel [TEOS]) hat im Allgemeinen die Ausbildung einer dickeren Beschichtung nach einer gegebenen Reaktionszeit zum Ergebnis. Die Erhöhung der Konzentration von polarer Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser) zur reaktiven Quarzkonzentration hat im Allgemeinen die Ausbildung einer dünneren Beschichtung nach einer gegebenen Reaktionszeit zum Ergebnis. Die präzisen Reaktionsbedingungen zur Steuerung der Dicke der Beschichtung werden gemäß dem bestimmten verwendeten Mittel, dem Kernwerkstoff usw. variieren. Diese können jedoch empirisch durch einfache Versuche unter Veränderung der Konzentrationen von Reaktanten und Reaktionszeiten und -bedingungen bestimmt werden.
Verfahren innerhalb der Erfindung können auch einen Schritt der Funktionalisierung (d. h. der Derivatisierung mit einer oder mehreren funktionellen Gruppen) beschichteter Nanopartikel umfassen, die wie oben beschrieben hergestellt wurden. Es können zahlreiche Verfahren zur Befestigung funktioneller Gruppen an Quarz zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung angepasst werden. Siehe zum Beispiel Ralph K. Iler, The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Collid and Surface Properties, and Biochemistry, Wiley-Interscience, NY, 1979; VanDerVoort, P. und Vansant, E. F., Journal of Liquid Chromatography and Related Technologies, 19:2723–2752, 1996; und Immobilized Enzymes,. Antigens, Antibodies, and Peptides: Preparation and Characterization, Howard H. Weetall (ed.), M. Dekker, NY, 1975. Ein typischer Prozess zur Zugabe funktioneller Gruppen zu quarzbeschichteten Nanopartikeln umfasst die Behandlung der Nanopartikel mit einem Silanisierungsmittel, welches mit einer chemischen Gruppe reagiert und diese mit der Quarzoberfläche der Nanopartikel verbindet. Die chemische Gruppe kann selbst die funktionelle Gruppe sein, oder sie kann als Substrat dienen, mit dem die funktionellen Gruppen verbunden werden können.
So werden zum Beispiel bei einem beispielhaften Verfahren quarzbeschichtete Nanopartikel wie oben beschrieben hergestellt, und die Partikeloberflächen werden unter Verwendung von Trimethylsilylpropyldiethylentriamin (DETA), einem Silanisierungsmittel, silanisiert, welches primäre Amingruppen an Quarzober flächen befestigt. Antikörper oder andere Proteine können dann konvalent unter Verwendung des Dizyanbromid(CNBR)-Verfahrens an der silanisierten Oberfläche befestigt werden. Als ein Beispiel kann die indirekte CNBR-Verbindung durch die Suspension von quarzbeschichteten Nanopartikeln erreicht werden, die zuvor mit DETA in einem 2 M Natriumkarbonatpuffer silanisiert wurden, und dann durch Ultraschallbehandlung der Mischung, um eine Partikelsuspension zu erzeugen. Eine Lösung von CNBR (zum Beispiel 2 g CNBR/1 ml Azetonitril) wird dann der Partikelsuspension zugegeben, um die Nanopartikel zu aktivieren. Nach dem Waschen der Nanopartikel mit einem neutralen Puffer (zum Beispiel PBS, pH-Wert 8) wird eine Antikörperlösung zu der aktivierten Nanopartikelsuspension zugegeben, welche die Antikörper dazu veranlasst, mit den Nanopartikeln verbunden zu werden. Den antikörperbeschichteten Nanopartikeln kann auch eine Glyzinlösung zugegeben werden, um alle verbleibenden unreagierten Stellen zu blockieren.
Verfahren zur Verwendung von Nanopartikeln
Nanopartikel der Erfindung zur Isolierung von Zellen (zum Beispiel eukariotische oder prokaryotische Zellen). Ein solches Verfahren wird in 3 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 3A werden antikörperderivatisierte magnetische Nanopartikel 10 mit Zielzellen 20 und Nicht-Zielzellen 21 in Behälter 30 gemischt veranschaulicht. Die Zielzellen 20 drücken ein Zielantigen 22 auf ihrer Oberfläche aus, während dies bei den Nicht-Zielzellen 21 nicht der Fall ist. Bei den dargestellten Nanopartikeln umfasst der Kern 12 einen Eisenwerkstoff wie zum Beispiel Magnetit oder Maghemit, und funktionelle Gruppen 16 umfassen einen Antikörper, der das Zielantigen 22 spezifisch binden kann. Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 3B ist der Nanopartikel 10 derart dargestellt, dass er eine Zielzelle 20 physikalisch über die Wechselwirkung von funktionellen Gruppen 16 und Zielantigen 22 bindet. Diese Bindung ist spontan dann ein Ergebnis, wenn der Nanopartikel 10 und die Zielzelle 20 in dem Behälter 30 unter Bedingungen zusammengemischt werden, die eine Bindung von Antikörper-Antigen ermöglichen (zum Beispiel etwa Raumtemperatur, neutraler bis leicht basischer pH-Wert in einem niedrigen Salzpuffer). Nicht-Zielzellen 21 binden Nanopartikel 10 nicht spezifisch, da sie kein Zielantigen 22 ausdrücken. Wie in 3C dargestellt, veranlasst die Aufbringung eines Magnetfeldes auf die Nanopartikel-Zellenmischung durch die Einführung eines Magneten 32 in den Behälter 30, die Nanopartikel 10 und die gebundenen Zielzellen 21 dazu, sich mit dem Magneten 32 zu verbinden. Unter Bezugnahme auf 3D können Zielzellen 20 durch Entfernen von Magnet 32 von dem Behälter 30 isoliert werden. Die Zellen 20 können unter Verwendung eines Überschusses an löslichem Antigen von den Nanopartikeln 10 abgeschieden werden.
Es werden viele weitere Anwendungen spezifisch anvisiert, einschließlich zum Beispiel Zellenetikettierung (siehe Beispiel 8 unten), gezielte Drogen- oder Genausgabe, Biosensoren, Magnetaufzeichnungsmedien, Magnetresonanzbilderzeugung und Verwendung in Maschinen mit Mikro- oder Nanogrößen. So können zum Beispiel zytotoxische Drogen oder Virusvektoren, die therapeutische Gene tragen, an den funktionellen Gruppen der Oberfläche von Nanopartikeln befestigt werden. Diese Nanopartikel können dann in einem pharmazeutisch annehmbaren Träger verteilt werden (zum Beispiel Infusionslösung mit USP-Grad), und einen Patienten verabreicht werden (zum Beispiel mittels intravenöser Injektion). Magnetfelder können dann verwendet werden, um den Virus oder die Droge auf der Ausgabeseite zu konzentrieren, um eine stellenspezifische Aufnahme zu steigern (zum Beispiel indem ein Magnet an der Stelle positioniert wird). Drogen, die auf Nanopartikel beschichtet werden, können weiterhin innerhalb einer Beschichtung mit zeitverzögerter Freigabe (zum Beispiel ein biologisch abbaubarer Zucker) enthalten sein, so dass sich die Droge an der Stelle ansammeln kann, bevor sie aktiv wird.
Bei anderen anvisierten Beispielen können Biosensoren auf Leuchtfarbstoffbasis an diesen Partikeln befestigt werden. Die sich ergebenden Partikel können durch Magneteinrichtungen in spezifische Zielstellen (spezifische Standorte in isolierten Zellen) manipuliert, und zur Überwachung von biochemischen Prozessen in situ verwendet werden. Von den Nanopartikeln der Erfindung wird außerdem angenommen, dass sie zur Steigerung von Magnetresonanzbildern (MRI) nützlich sind. So können zum Beispiel wie oben beschrieben, antikörper- oder ligandbeschichtete Nanokugeln veranlasst werden, sich an Stellen in dem Körper anzusammeln, an denen sich das Zielantigen oder der Rezeptor konzentriert oder angeordnet ist. Im Vergleich zu nicht als Ziel dienenden MRI-Kontrastmitteln wird die erhöhte Konzentration von Partikeln an einer als Ziel dienenden Stelle den Kontrast bei einem MRI steigern.
Nanopartikel, die in einem stabilen, Eindomänengrößenbereich hergestellt werden, der eine Beibehaltung eines Restmagnetismus ermöglicht, werden als nützlich bei binären Magnetaufzeichnungsanwendungen angesehen, wo sie als Ersatz für die einfachen Eisenpartikel verwendet werden können, die bei herkömmlichen Magnetspeichervorrichtungen verwendet werden. So könnten zum Beispiel Anordnungen von ferritdotierten Quarzpartikeln für minimale magnetostatische Wechselwirkungen anwendungsspezifisch angefertigt werden um zu ermöglichen, dass einzelne Nanopartikel entweder parallel oder antiparallel zu ihrer leichten Magnetisierungsachse für binäre Datenspeicheranwendungen magnetisiert werden. Und da stabile Eindomänengrößenbereichspartikel in der Lage sind, aufgebrachte Magnetfelder in mechanische Bewegung umzuwandeln (d. h. ein Moment kann auf den Partikel ausgeübt werden, wenn ein Magnetfeld in einem Winkel auf die leichte Magnetisierungsachse aufgebracht wird), könnten Anordnungen dieser Nanopartikel der Erfindung eine Verwendung als mechanische Mikro- oder Nanomaschinen finden. Ein besonderes Beispiel wäre die mikromechanische Gatteraktivierung eines äußeren Magnetfeldes.
Beispiele
VERGLEICHSBEISPIEL 1 – Herstellung von quarzbeschichteten Magnetit-Nanopartikeln durch Mikroemulsion:

(A) Ein 0,27 M bis (2-Ethylhexyl) sulfosuccinatnatriumsalz (Aerosol OT oder AOT)-Lösung wurde durch Auflösen von 12 g AOT in 10 ml Isooktan hergestellt. Eine Aliquote aus hochreinem Wasser wurde für die Dauer von einer Stunde mit N₂-Gas gespült. Eine Stamm- bzw. Vorratslösung von 1 M Fe(II) wurde durch Auflösen von 0,278 g FeSO₄ 7H₂O in 1 ml des stickstoffgespülten Wassers hergestellt. Auf ähnliche Weise wurde eine Stofflösung von 1,5 M Fe(III) durch Auflösen von 0,4055 g FeCl₃ 6H₂O (0,4055 gm) in 1 ml des stickstoffgespülten Wassers hergestellt. In einem Glasbehälter wurden 25 μl der 1 M Fe(II)-Lösung und 25 μl der 1,5 M Fe(III)-Lösung zu einer 5 ml Aliquote der AOT-Lösung unter einer Stickstoffatmosphäre zugegeben, wobei die sich ergebende Fe/AOT-Mischung für die Zeitdauer von 1 Stunde magnetisch gerührt wurde, um eine Fe/AOT-Lösung auszubilden. In einem anderen Behälter wurden 100 NH₄OH (28–30 Gewichts-%) einer anderen 5 ml-Aliquote der AOT-Lösung zugegeben, wobei die sich ergebende NH₄OH/AOT-Mischung für die Zeit dauer von 1 Stunde magnetisch gerührt wurde, um eine NH₄OH/AOT-Lösung auszubilden. Bei Nichtvorhandensein eines Magnetfeldes wurde die NH₄OH/AOT-Lösung tropfenweise der Fe/AOT-Lösung mit heftigem mechanischem Rühren für die Zeitdauer von 1 Stunde zugegeben. Anfangs wurde eine hellgelbe Lösung ausgebildet. Diese Lösung verwandelte sich in braun (ohne jede Niederschlagsausbildung), als sich Magnetitnanopartikel ausbildeten. 50 μl von Tetraethylorthosilikat (TEOS) wurden dann der sich ergebenden braunen Lösung zugegeben und mechanisches Rühren wurde für weitere 24 Stunden fortgeführt. Es wurden quarzbeschichtete Nanopartikel mit einheitlicher Größe in Pulverform durch Koagulation der kolloiden Mikroemulsion mit Azeton, und dann Filtern und Waschen der Partikel mit Azeton und Ethanol mehrere Male mit jeder Lösung erhalten. In einigen Fällen wurde auch eine 50% (v/v)-Lösung von Ethanol/Wasser zum Waschen verwendet.
(B) 1,78 g AOT wurden in 20,0 ml Isooktan aufgelöst. Die sich ergebende Lösung wurde unter Verwendung eines Sonikators gemischt und mit Stickstoff gespült. 100 μL jeweils von N₂-gespültem 0,10 M FeSO₄ und 0,15 M FeCl₃ (beide in Wasser hergestellt), wurden dann zugegeben und in die Lösung gemischt, um eine Mikroemulsion auszubilden. 100 μL von N₂-gespülter Lösung von 2,0 M NaOH wurden dann zugegeben, wobei die sich ergebende Mikroemulsion für die Zeitdauer von 1 Stunde ultraschallbehandelt wurde, wobei, während sie ununterbrochen mit N₂ gespült wurde, 10 μL TEOS zu der ultraschallbehandelten Mikroemulsion zugegeben wurden, und wobei zugelassen wurde, dass die Mischung über Nacht reagieren konnte. Das in der Mikroemulsion enthaltene Isooktan wurde dann verdampft, und das verbleibende Gel wurde in Ethanol aufgelöst. Diese Lösung wurde zentrifugiert, um die Nanopartikel zu pelletieren, wobei der Überstand entsorgt wurde. Nach dem Waschen 3 oder 4 weitere Male mit Ethanol durchliefen die Nanopartikel eine TEM, die zeigte, dass Nanopartikel mit einem Durchmesser von annähernd 3–5 nm erzeugt wurden. Ein Quarzmantel wurde als ein durchsichtiger Halo beobachtet, der etwa 2–3 nm dick war und den dichteren Kern umgab.
(C) Eine Mikroemulsion I (ME I) wurde hergestellt, indem zuerst 8,89 g AOT in 40,0 ml Isooktan aufgelöst wurden, um eine erste Lösung auszubilden. 1,2 ml H₂O und 6,0 ml FeSO₄ wurden dann zugegeben und die Mischung wurde ultraschallbehandelt, um ME I auszubilden. Bei anderem Glas wurde auf ähnliche Weise eine Mikroemulsion II (ME II) hergestellt, indem zuerst 8,89 g AOT aufgelöst wurden, und in 40,0 ml Isooktan aufgelöst wurden, um eine zweite Lösung auszubilden. 3,2 ml H₂O und 4,0 ml NH₄OH wurden der zweiten Lösung zugegeben, die dann für etwa 30 Minuten gemischt wurde, um ME II auszubilden, wobei dann zugelassen wurde, dass die Mischung für etwa 2 Stunden reagieren konnte. Unter Verwendung einer Glasspritze wurde ME II dann langsam ME I zugegeben, und die so ausgebildete Reaktionsmischung wurde für 24 Stunden ultraschallbehandelt. Wie in (B) oben beschrieben, wurde dann Isooktan verdampft, das verbleibende Gel wurde in Ethanol aufgelöst und zentrifugiert, um die ausgebildeten Nanopartikel wiederzugewinnen, die 3 oder 4 mal mit zusätzlichem Ethanol gewaschen wurden. Die TEM zeigte, dass Nanopartikel mit einem Durchmesser von annähernd 25 nm produziert wurden. Ein Quarzmantel wurde als ein durchsichtiger Halo beobachtet, der etwa 5 nm dick war und den dichteren Kern umgab.

Beispiel 2 – Herstellung von färbemitteldotierten quarzbeschichteten Nanopartikeln

(A) Herstellung von Eu/Bpy (Eu³⁺/2,2'-dipyridyl)dotierten Quarznanopartikeln in Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB)/n-Hexan/n-Hexanol (Cotensid)/Wasser Wasser-in-Öl-Mikroemulsion. 90 ml einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsions-Stofflösung wurden durch Zusammenmischen von 2,916 g CTAB, 75 ml n-Hexan, 15 ml n-Hexanol und 880 μl Wasser unter Verwendung eines magnetischen Rührers hergestellt. 10 ml der Stofflösung wurden gleichmäßig in zwei 5 ml Aliquoten aufgeteilt. 50 μl TEOS und 5 μl 0,1 M Eu/Bpy (wässrige Lösung) wurden einer der 5 ml Aliquoten zugegeben und die Mischung wurde dann für 1 Stunde gerührt, um eine TEOS/Eu/Bpy-Lösung auszubilden. 137 μl NH₄OH wurden dann der anderen 5 ml Aliquote zugegeben und die Mischung wurde dann für 1 Stunde gerührt, um eine NH₄OH-Lösung auszubilden. Die NH₄OH-Lösung wurde dann tropfenweise der TEOS/Eu/Bpy-Lösung zugegeben und die sich ergebende Lösung wurde über Nacht gerührt. Das molare Verhältnis von Wasser zu Tensid war 15 (Wasser:Tensid). Eu/Bpy-dotierte Quarznanopartikel wurden in Pulverform isoliert, indem 25 ml Azeton zu der Mikroemulsion der gemischten Lösung zugegeben wurden, wobei die sich ergebende Mischung für 15 Minuten bei 10.00 U/min. in einer Mikrozentrifuge zum Pelletieren der Nanopartikel zentrifugiert wurden, wobei der Überstand entfernt, und die verbleibenden Nanopartikel mehrere Male mit Azeton oder einer Ethanol-Wassermischung gewaschen wurden, um weiterhin Tenside und andere Mikroemulsionskomponenten zu entfernen. Die gewaschenen Nanopartikel wurden dann über Azeton getrocknet.
(B) Ru/Bpy [Run(Bpy)₃]-dotierte Quarznanopartikel in Triton X-100 (TX-l00)/Zyklohexan/n-Hexanol (Cotensid)/Wasser Wasser-in-Öl-Mikroemulsion. 10 ml einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion wurden durch Zusammenmischen von 7,5 ml Zyklohexan, 1,8 ml n-Hexanol, 1,77 ml TX-100, 340 μl Wasser und 140 μl 0,1 M Ru^II(Bpy)₃ (wässrige Lösung) für 1 Stunde mit einem magnetischen Rührer gerührt. Die sich ergebende Lösung wurde dann in zwei 5 ml Aliquoten unterteilt. 100 μl TEOS wurden einer Aliquote zugegeben und die Mischung wurde für 30 Minuten gerührt, um eine TEOS-Lösung auszubilden. 60 μl NH₄OH wurden der anderen 5 ml Aliquote zugegeben, und die Mischung wurde für 30 Minuten gerührt, um eine NH₄OH-Lösung auszubilden. Die NH₄OH-Lösung wurde dann der TEOS-Lösung tropfenweise für eine Zeitdauer von 10 Minuten zugegeben, und die sich ergebende Lösung wurde über Nacht gerührt. Ru/Bpy-dotierte Nanopartikel wurden wie oben in (A) beschrieben isoliert.

VERGLEICHSBEISPIEL 3 – Herstellung von metalldotierten quarzbeschichteten Nanopartikeln
10 ml einer TX-100/Zyklohexan/n-Hexanol (Cotensid)/Wasser Wasser-in-Öl-Mikroemulsions-Stofflösung wurden wie in Beispiel 2(A) beschrieben hergestellt. Die Stofflösung wurde gleichmäßig in zwei 5 ml Aliquoten aufgeteilt. 30 μl einer 1 M wässrigen Lösung von Silbernitrat (AgNO₃) wurden einer der 5 ml Aliquoten zugegeben, und die Mischung wurde für etwa 30 Minuten gerührt, um eine AgNO₃-Lösung auszubilden. 11 μl einer 2 M wässrigen Lösung von Natriumborhydrid (NaBH₄) wurden der anderen 5 ml Aliquote zugegeben, und die Mischung wurde für etwa 30 Minuten gerührt, um eine NaBH₄-Lösung auszubilden. Die NaBH₄-Lösung wurde dann der TEOS-Lösung tropfenweise für eine Zeitdauer von 15 Minuten zugegeben, um eine Reaktionslösung auszubilden. Nach 5 Minuten wurden 10 μl von TEOS zugegeben und die sich ergebende Mischung für weitere 15 Minuten gerührt. 10 μl einer NH₄OH-Lösung wurden dann zugegeben, und das Rühren über Nacht fortgeführt. Die Agdotierten Quarznanopartikel wurden ähnlich wie der in Beispiel 2(A) beschriebene Vorgang isoliert, d. h. durch Zugabe von 25 ml von Azeton zu der Mikroemulsion, Filtern, mehrmaliges Waschen mit der Ethanol-Wasserlösung, um Tensid zu entfernen, und schließlich Trocknen über Azeton.
Unter Verwendung einer Variante dieses Verfahrens wurden auch kadmiumsulfid-(CDs)-dotierte Quarznanopartikel hergestellt. In diesem Fall wurden Kadmiumnitrat und Ammoniumsulfit jeweils anstatt Silbernitrat und Borhydrid verwendet.
Beispiel 4 – Herstellung von Pigmenten
Eine neue Klasse von Pigmenten wurde unter Verwendung regelmäßiger anorganischer Salze einschließlich Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Nickelsulfat, Kobaltdichlorid, Eisen(III)chlorid und Kupfernitrat hergestellt. Obwohl diese Salze hoch wasserlöslich sind, werden sie vollständig unlöslich, wenn sie mit Quarz beschichtet werden, und verhielten sich somit als Pigmente. Alle waren beschichtet und photostabil.
Diese Pigmente wurden wie für die oben in Beispiel 2(B) beschriebenen Ru/Bpy-dotierten Quarznanopartikel beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine 0,1 M Salzlösung (zum Beispiel Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Nickelsulfat, Kobaltdichlorid, Eisen(III)chlorid und Kupfernitrat) anstatt der 0,1 M Ru^II(Bpy)₃-Lösung verwendet wurde, und dass zusätzliche 100 μl TEOS und 60 μl NH₄OH zu der gemischten Lösung 12 Stunden nach der 10 μl-Zugabe von NH₄OH zugegeben wurden. Pigmentpartikel wurden nach 24 Stunden von der Mischung abgeschieden.
Beispiel 5 – Charakterisierung der Nanopartikel
Die Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und andere Analysen wurden zur Charakterisierung der Größe von unterschiedlichen Nanopartikeln verwendet, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden. Als ein Beispiel wurden Ru^II(Bpy)₃-Nanopartikel wie in Beispiel 2(B) beschrieben hergestellt und der TEM unterzogen. Durch die Analyse von Fotos der TEM-Bilder wurde festgestellt, dass die Ru^II(Bpy)₃-Nanopartikel eine Kerngröße von etwa 20 nm (Normabweichung = +/– 2 nm) und eine Gesamtpartikelgröße von etwa 100 nm (Normabweichung = +/– 10 nm) aufwiesen. Kleinere und größere quarzbeschichtete Nanopartikel wurden ebenfalls durch Variieren der oben spezifizierten Herstellungsbedingungen hergestellt. So wurden zum Beispiel diejenigen mit Kerngrößen sogar so klein wie 2 nm (zum Beispiel derart bemessen, um Quantenpunkte herzustellen) mit konstanter oder unterschiedlicher Dicke (so groß wie 300 nm) der äußeren Quarzbeschichtung hergestellt. Als Pigmente verwendbare Nanopartikel (siehe Beispiel 5) wurden auch der TEM unterzogen, die zeigte, dass solche Partikel eine Größe zwischen 0,2 und 0,3 μm aufwiesen. In anderen Analysen erwiesen sich färbemitteldotierte Nanopartikel, die gemäß der Erfindung hergestellt waren, im Vergleich ^{^^^^} als extrem widerstandsfähig in Bezug auf Bleichen, selbst nach starker Erregung von einer Laserquelle. Auf ähnliche Weise wurde bei mit einem Leuchtfarbstoff versehenen, färbemitteldotierten Nanopartikeln keine Fluoreszenzlöschung in mit Leuchtfarbstoffen versehenen, färbemitteldotierten Nanopartikeln beobachtet.
Beispiel 6 – Herstellung eines Chemosensors auf Nanopartikelbasis
Färbemitteldotierte quarzbeschichtete Nanopartikel wurden unter Verwendung einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsionstechnik hergestellt. Die Wasser-in-Öl-Mikroemulsion wurde zuerst durch Mischen von Triton X-100 (TX-100), Zyklohexan, n-Hexanol (4,2:1:1 VN) und einer angemessenen Menge an Wasser hergestellt. Eine wässrige Färbemittellösung Ru^II(Bpy)₃; (siehe Beispiel 3B oben) wurde dann so zu der Mikroemulsion zugegeben, dass das Molarverhältnis von Wasser zu Tensid konstant bei 10 gehalten wurde. Die endgültige Färbemittelkonzentration in der Mischung betrug 0,1 M. TEOS wurde dann der Mischung zugegeben. Eine Polymerisationsreaktion wurde durch die Zugabe von NH₄OH initiiert (Volumenverhältnis von TEOS zu NH₄OH betrug 1,7), und es wurde zugelassen, dass die Reaktion für 12 Stunden weiterging. Nachdem die Reaktion vollständig war, wurden färbemitteldotierte Quarznanopartikel durch Zugabe von Azeton zu der Reaktion isoliert, woraufhin Zentrifugieren und mehrmaliges Waschen mit Ethanol und Wasser folgte. Die Nanopartikel wurden dann zur späteren Verwendung in einer wässrigen Lösung gelagert.
Die färbemitteldotierten Quarznanopartikel waren in ihrer Größe einheitlich, wie durch die Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und die Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) charakterisiert. Eine TEM-Abbildung der färbemitteldotierten Quarzpartikel zeigte, dass die Partikel eine Größe von 60 ± 10 nm aufwiesen und einheitlich waren. Bei einer höheren Auflösung war der Leuchtkomplex der RuBpy-Aggregate auch als dunklere Punkte sichtbar, die innerhalb der Quarzkugel auf Grund des Vorhandenseins von Schwermetallatomen in diesen Färbemittelmolekülen eingebettet waren. Diese einzelnen Färbemittelaggregate waren so klein wie 1 nm.
Um zu untersuchen, ob die innerhalb des Quarznetzwerkes dotierten RuBpy-Moleküle als ein Sauerstoffsensor funktionieren könnten, wurden die Fluoreszenzemissionsspektren freier RuBpy-Moleküle mit denjenigen der RuBpy-dotierten Nanopartikel bei unterschiedlichen Luftdrücken verglichen. Bei den freien RuBpy-Färbemittelmolekülen wurde die Intensität der Emission stark verringert, wenn sich der Luftdruck von 1 auf 14 psi erhöhte. Im Gegensatz dazu wurde keine bedeutende Veränderung in den Emissionsspektren für die färbemit teldotierten quarzbeschichteten Nanopartikel beobachtet, wodurch gezeigt wurde, dass das Quarznetzwerk im Wesentlichen für Sauerstoffmoleküle durchdringbar war. Bei anderen Versuchen zeigten die färbemitteldotierten quarzbeschichteten Nanopartikel auch hervorragende Photostabilität selbst nach intensiver Laserbeleuchtung.
Beispiel 7 – Funktionalisierte quarzbeschichtete Nanopartikel
Die färbemitteldotierten quarzbeschichteten Nanopartikel von Beispiel 6 wurden mit Antikörpern derivatisiert, indem zuerst die Partikeloberflächen mit DETA silanisiert wurden, einem Silanisierungsmittel, welches die primäre Amingruppe an Quarzoberflächen befestigt. Unter Verwendung von Fluorescamin, einem nicht fluoreszierenden Molekül, welches hoch fluoreszent wird, nachdem es mit der primären aliphatischen Amingruppe reagiert hat (Cordek, J. Wang, X und Tan W., Anal Chem, 71, 1529–1533, 1999; Chung, L. A. Anal Biochem. 1997,248,195), wurde das Vorhandensein von Amingruppen auf der Oberfläche der Nanopartikel bestätigt.
Nach der Oberflächensilanisierung mit DETA wurde ein Antikörper „Mouse anti-human CD10" auf der silanisierten Quarzoberfläche unter Verwendung des Dizyanbromid(CNBR)-Verfahrens immobilisiert. Färbemitteldotierte Partikel (26 g) wurden wie in Beispiel 6 beschrieben hergestellt, getrocknet und dann in 9,0 ml 2 M Natriumkarbonatlösung (Aktivierungspuffer) unter Verwendung von Ultraschallbehandlung schwebend gehalten. Eine Lösung von CNBR in Azetonitril (1,0 gm von CNBR in 0,5 ml Azetonitril aufgelöst) wurde dann tropfenweise zu der Partikelsuspension (19 mg/ml) zugegeben, und zwar unter Rühren für 5 Minuten bei Raumtemperatur. Die sich ergebenden CNBR-aktivierten Partikel wurden dann zwei Mal mit eiskaltem Wasser und zwei Mal mit PBS-Puffer (pH-Wert 8,0) gewaschen.
40 μl des in dem PBS-Puffer (pH-Wert 8,0) verdünnten Antikörpers wurden dann zu den oberflächenmodifizierten Partikeln zugegeben, und das Rühren wurde für 24 Stunden bei 4°C fortgesetzt. Die sich ergebenden antikörperderivatisierten Nanopartikel wurden dann mit 10 ml von 0,03 M Glyzinlösung für 30 Minuten behandelt, um alle verbleibenden reaktiven Stellen zu blockieren. Das Endprodukt wurde gewaschen, erneut in dem PBS-Puffer schwebend gehalten (pH-Wert 8,0) und bei 4°C zur weiteren Verwendung gelagert. Es wurde keine Veränderung bei den optischen und spektroskopischen Eigenschaften der Nanopartikel beobachtet.
Beispiel 8 – Zellenetikettierung
Mononukleare Lymphzellen (etwa 2 Millionen Zellen/ml) wurden als eine Suspension in dem Zellkulturmedium erhalten. Die Zellsuspension wurde für 2 Stunden mit den in Beispiel 7 beschriebenen immobilisierten anti-CD10-Nanopartikeln inkubiert. Nach der Inkubation wurde die Zellsuspension sowohl mit optischer Mikroskopie als auch mit Fluoreszenzmikroskopie abgebildet. Die mikroskopische Analyse offenbarte, dass die meisten der Zellen etikettiert waren (angezeigt durch die helle Emission der färbemitteldotierten Partikel). Die optischen Bilder korrelierten gut mit den Fluoreszenzbildern. Bei Kontrollversuchen unter Verwendung von nicht-antikörperderivatisierten, färbemitteldotierten Nanopartikeln wurde keine Etikettierung von Zellen beobachtet. Bei den etikettierten Zellen lag das Signal-Rauschverhältnis (d. h. das Verhältnis zwischen den Intensitäten der hellen und der dunklen Bereiche in dem Fluoreszenzbild) bei über 500.
Weitere Ausführungsformen
Obwohl die obige Spezifikation viele Besonderheiten enthält, sollten diese nicht als Begrenzungen des Umfanges der Erfindung angesehen werden, sondern als Beispiele bevorzugter Ausführungsformen davon. Viele andere Varianten sind möglich. Dementsprechend sollte der Umfang der Erfindung nicht durch die verschaulichten Ausführungsformen, sondern durch die dazugehörigen Ansprüche definiert werden.

Claims

Vielzahl von Nanopartikeln mit einer mittleren Größe von weniger als 1 Mikrometer, wobei jeder der Nanopartikel einen Kern mit einem Pigment und einen den Kern umhüllenden Quarzmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Pigment ein aus Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Nickelsulfat, Kobaltdichlorid, Eisen(III)chlorid und Kupfernitrat ausgewähltes anorganisches Salz ist.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Größe zwischen 1 nm und 300 nm beträgt.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Größe zwischen 2 nm und 10 nm beträgt.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzmantel mit einer funktionellen Gruppe derivatisiert wird.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe ein Protein ist.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe ein Antikörper ist.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe eine Nukleinsäure ist.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe eine aus der aus Biotin und Streptavidin bestehenden Gruppe ausgewählte Substanz ist.
Verfahren zur Herstellung quarzbeschichteter Nanopartikel mit einer mittleren Größe von weniger als 1 Mikrometer, die einen Kern mit einem Pigment aufweisen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellung einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion; Bereitstellung einer ersten wässrigen Lösung eines ersten Reagens mit einem Pigment, dadurch gekennzeichnet, dass das Pigment ein aus Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Nickelsulfat, Kobaltdichlorid, Eisen(III)chlorid und Kupfernitrat ausgewähltes anorganisches Salz ist, und eine zweite wässrige Lösung eines zweiten Reagens, wobei das erste und das zweite Reagens so ausgewählt werden, dass sich nach dem Mischen des ersten und des zweiten Reagens miteinander in einer wässrigen Umgebung ein Feststoffniederschlag ausbildet; Zugabe der ersten wässrigen Lösung zu einem ersten Aliquot der Mikroemulsion, und der zweiten wässrigen Lösung zu einem zweiten Aliquot der Mikroemulsion; Zusammenmischen des ersten und zweiten Aliquot, um eine Reaktionsmischung auszubilden, die so reagiert, dass sie Nanopartikelkerne mit dem Pigment ausbildet; und Zugabe eines Überzugsmittels zu den Kernen, um quarzbeschichtete Nanopartikel auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasser-in-Öl-Mikroemulsion Wasser; eine aus der aus Isooktan, n-Hexan und Zyklohexan bestehenden Gruppe ausgewählte, relativ polare Flüssigkeit; und einen aus der aus einem anionaktiven Detergens, einem kationaktiven Detergens, einem Zwitteriondetergens und einem nichtionogenen Detergens bestehenden Gruppe ausgewähltes Tensid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasser-in-Öl-Mikroemulsion weiterhin ein Cotensid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Cotensid n-Hexanol ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Überzugsmittel ein aus der aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) und Aminopropyltrimethoxysilan (APTS) bestehenden Gruppe ausgewähltes reaktives Silikat aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzmantel mit einer funktionellen Gruppe derivatisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe ein Protein ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe ein Antikörper ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe eine Nukleinsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe eine aus der aus Biotin und Streptavidin bestehenden Gruppe ausgewählte Substanz ist.
Verfahren zur Identifikation von Zellen, die ein vorausgewähltes Molekül ausdrücken, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellung einer Vielzahl von Zellen, wovon mindestens einige das vorausgewählte Molekül ausdrücken; Bereitstellung einer Vielzahl von quarzbeschichteten Nanopartikeln, die mit einer funktionellen Gruppe beschichtet sind, die sich mit dem vorausgewählten Molekül verbindet, wobei jeder der Nanopartikel eine mittlere Größe von weniger als 1 Mikrometer, und einen Kern mit einem Pigment, und einen den Kern umhüllenden Quarzmantel aufweist, wobei das Pigment ein aus Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Nickelsulfat, Kobaltdichlorid, Eisen(III)chlorid und Kupfernitrat ausgewähltes anorganisches Salz ist; die Vielzahl von quarzbeschichteten Nanopartikeln mit der Vielzahl von Zellen gemischt wird, um eine Mischung auszubilden; die Mischung unter Bedingungen positioniert wird, die es ermöglichen, dass sich die Nanopartikel mit Zellen verbinden, die das vorausgewählte Molekül ausdrücken; und die Zellen auf gebundene Nanopartikel analysiert werden, um die Zellen zu identifizieren, die das vorausgewählte Molekül ausdrücken.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe ein sich mit dem vorausgewählten Molekül verbindender Antikörper ist.
Vielzahl von Nanopartikeln mit einer mittleren Größe von weniger als 1 Mikrometer, wobei jeder der Nanopartikel einen Kern mit einem Leuchtfarbstoff; und einen den Kern umhüllenden Quarzmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtfarbstoff aus Ruthenium-tris(2,2'-bipyridyl)dichlorid und Europiumbis(2,2'bipyridyl)trichlorid ausgewählt wird.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Größe zwischen 1 nm und 300 nm beträgt.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Größe zwischen 2 nm und 10 nm beträgt.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzmantel mit einer funktionellen Gruppe derivatisiert ist.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe ein Protein ist.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe ein Antikörper ist.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe eine Nukleinsäure ist.
Vielzahl von Nanopartikeln nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe eine aus der aus Biotin und Streptavidin bestehenden Gruppe ausgewählte Substanz ist.