Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)
Participants
Hajnal, Zoltán Nagy, Norbert Pothorszky, Szilárd Szekrényes, Dániel Péter Zolnai, Zsolt
Starting date
2018-09-01
Closing date
2021-02-28
Funding (in million HUF)
19.380
FTE (full time equivalent)
3.12
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatás során egyedi nanorészecske párok közötti kolloid kölcsönhatások erősségére következtetünk mikrospektroszkópiai mérések alapján. Ennek lehetőségét arany nanorészecske dimerek távolságfüggő plazmoncsatolásából adódó szórási spektrum változás teremti meg, amely egyedi dimerek szintjén egy optikai mikroszkóppal kombinált nagyérzékenységű képalkotó spektrográf segítségével nagy pontossággal detektálható. A mérésekhez különböző (egymástól eltérő) felületi tulajdonságú 100 nm-nél kisebb gömb alakú nanorészecskéket használunk, melyek között vonzó kölcsönhatás ébred diszperziós és elektromos kettősréteg kölcsönhatások következtében. Az egyik - szilárd hordozóra rögzített - részecske típus ugyanakkor egy széleskörű gyakorlati relevanciával is bíró modell polimer (polietilén-glikol - PEG) bevonattal is rendelkezik, ami sztérikus taszításhoz vezet a másik típusú részecske bekötődése szempontjából. Ezt a hordozót folyadékcellába integrálva in-situ vizsgálható a plazmoncsatoláson keresztül a polimer bevonattal nem rendelkező részecsketípussal a folyadékfázisban (a hordozó felületen lejátszódó) dimerizáció során kialakuló egyensúlyi részecske-részcse távolság, illetve annak függése a polimer pontos típusától (neutrális, vagy töltött csoporttal rendelkező PEG, molekulaméret), valamint környezeti paraméterektől (ionerősség, pH).
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatómunka alapkérdése, hogy egy PEG-el bevont és bevonat nélküli részecske kölcsönhatása során a PEG molekulatömeg, illetve felületi sűrűség függvényében hogyan értelmezhető a részecskék kölcsönhatása az elektromos kettősréteg és diszperzió egyidejű figyelembevételével. Kérdés, hogy a PEG réteg milyen mértékben képes kompenzálni a vonzó kölcsönhatásokat; a részecskeméret növekedésével, felületi borítottság változásával milyen következtetés vonható le a polimer réteg komprimálódására, mobilitására vonatkozóan, valamint hogy a részecskepár vonatkozásában kísérleti úton megállapított effektív taszítás hogyan viszonyul az elméleti megfontolásokhoz.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A kutatás során közvetlen információ nyerhető arra vonatkozólag, hogy egy valós anyagi rendszerben a nanorészecskék felületén kialakított PEG réteg milyen mértékben tud effektív taszító funkciót betölteni olyan kolloid részecskékkel szemben, amelyek felületén nem található polimer bevonat. Ez alkalmazások szempontjából releváns, például nanorészecskés többkomponensű rendszerben (pl. nanorészecskés "tinták"), vagy ahol adott esetben a nanorészecskék csak kisebbségi komponensek (pl. biomolekulák, sejtek jelölése, ill. kölcsönhatása részecskékkel). A kutatómunka fő erőssége és egyedisége, hogy a vizsgálatokat egyedi részecskék szintjén valósítja meg. A mérések alapján lehetséges ugyanis konkrét részecske dimer-konfigurációhoz tartozóan az egyensúlyi részecske-részecske távolságok kinyerése a részecskék jellemző paramétereinek függvényében (méret, borítottság, felületi töltéssűrűségek), ami gyakorlati szempontból, és általánosan is fontos információ a részecske-részecske kölcsönhatások tervezése szempontjából.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A nanoméretű objektumok közötti kölcsönhatások alapvető fontosságúak nem csak az egyre növekvő számú nanotechnológia alkalmazás, de például a hagyományos élelmiszeripar, orvosbiológia területén is. Ezek a kölcsönhatások szabják meg, hogy a rendszerben előforduló nanoméretű objektumok egymáshoz mekkora affinitással rendelkeznek, legyen az makromolekulák asszociációja, vagy fehérjék kitapadása felületeken. A kutatás során azt vizsgáljuk, hogy egy polimer réteggel bevont nanorészecske hogyan lép kölcsönhatásba más típusú részecskékkel, milyen könnyen kapcsolódnak egymáshoz vizes közegben, és ez hogyan függ a kölcsönható részecskék felületi tulajdonságaitól és környezeti paraméterktől, mint például a vízben jelenlévő ionok, vagy a közeg pH-ja.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. In the proposed research we conclude on the colloidal interaction between nanoparticle pairs from optical microspectroscopic measurements. The approach is based on the separation-dependent change in the scattering spectrum of gold nanoparticle dimers due to plasmon coupling, which can be detected at the level of individual dimers using a high sensitivity imaging spectroscope. For the measurements different sub-100 nm spherical gold particles will be employed, which experience attractive colloidal force sue to electric double layer and dispersion interactions. One of the particles forming the dimer will be deposited at a solid substrate and is grafted by a model polymer (PEG), which is responsible for the buildup of repulsive steric interaction during the dimer formation. Integrating the substrate into a flow-cell arrangement one can investigate its interaction in-situ in aqueous environment with a particle that has no surface attached polymer graft and derive the equilibrium particle-particle separation microspectroscopic measurements, and its dependence on the particle surface parameters.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main research question of the proposed work is how the interaction of a PEG grafted and a plain nanoparticle can be interpreted as a function of polymer molecular weight, surface charge densities, taking at the same time electric double layer and dispersion interactions also into account. The question is to which extent the PEG layer can compensate for the attractive interactions; which conclusions can be drawn on the compression of the polymer layer as a function of surface charge density and particle sizes, and how the effective repulsion derived from experimental data correlates with theoretical predictions.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. From the measurement data one can obtain direct information on how effective a surface grafted polymer layer on a nanoparticle acts as a repellant in terms of the attachment of another particle with no surface graft. This has relevance for applications related to multicomponent systems containing nanoparticles (e.g. nanoparticle inks), or in systems where the nanoparticles are only minority components (e.g. biomolecule or cell labelling). The strength and uniqueness of the proposed research is that it realizes the measurements at the level of individual particles. Based on the measurements it is possible to extract for a given particle dimer the equilibrium distance as a function of the characteristic parameters of the particles (size, surface coverage, surface charge density), which is of general importance for the design of particle-particle interactions for applications.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Interactions between nanosized objects is of profound importance not only for the increasing number of nanotech driven applications, but also for the traditional food pharma and biomedical industry. These interactions determine in a given system the affinity of its constituents (nanoparticles, polymer molecules, peptides, etc.) to each other. In the research project it is investigated, how a nanoparticle coated with a thin polymer layer interacts with other particle, how easily they combine in an aqueous environment, and how this depends on the surface properties of the nanoparticles and environmental parameters, like the presence of ions or the pH.
Final report
Results in Hungarian
A pályázat fő célja PEGilált arany nanorészecskék kölcsönhatásának vizsgálata. Az önszerveződésük során a kialakuló szerkezet alapján pontosabb képet kaphatunk a felületi polimer réteg stabilizáló szerepéről, mely orvosbiológiai, élelmiszeripari, és nano-anyagokkal kapcsolatos területek szemponjából nagy jelentőségű. Sikeresen állítottunk elő olyan modellrészecskéket, melyek alkalmasak az önszerveződési folyamat tanulmányozására: az arany nanorészecskék felületét i) permanens pozitív töltésű, illetve ii) pH-függő negatív töltésű PEG-láncokkal felületmódosítottuk. A tömbi folyadékfázisban végzett spektroszkópiai mérések a plazmoncsatolás jelenségén keresztül igazolták a sikeres heteroaggregációt. Folyadékcellában megvalósított mikrospektroszkópiai mérésekkel sikeresen mutattuk ki in-situ a dimerek létrejöttését. A mérések, valamint az optikai szimulációkból megállapított „plazmon-vonalzó” alapján meghatároztuk a heterodimerben a észecskék közötti egyensúlyi távolságot.
Results in English
The main goal of the project was to study the colloidal interaction determined structure formation of PEGylated gold nanoparticles, from which more detailed picture about the stabilizing effect of surface polymer layers could be obtained – a phenomenon crucial for sever real world application in the medical, food, and other nano-related fields. We have successfully prepared prototypical nanoparticle types, that were proven to be suitable for the model experiments. The particle types were synthesized by grafting i) molecules with permanent surface charge and ii) pH-responsive PEG chains to the particle surface. Ensemble spectroscopy measurements relying on plasmon coupling confirmed the pH and concentration dependent heteroaggregation of the particles. We were able to detect individual dimer formation events and by using the optical simulation derived plasmon ruler effect we could determine the equilibrium particle-particle distance.
András DEÁK: Self-assembly and microspectroscopic characterization of nanoparticles (in Hungarian), Invited Seminar - ELTE Department of Materials Physics 10.03.2019, 2020
