PEGilált nanorészecskék kolloid kölcsönhatásának vizsgálata  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
129578
típus KH
Vezető kutató Deák András
magyar cím PEGilált nanorészecskék kolloid kölcsönhatásának vizsgálata
Angol cím Colloidal interactions of PEGylated nanoparticles
magyar kulcsszavak kolloid kölcsönhatás, arany nanorészecskék, mikrospektroszkópia
angol kulcsszavak colloidal interactions, gold nanoparticles, microspectroscopy
megadott besorolás
Kolloidkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
zsűri Kémia 1
Kutatóhely Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet (HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont)
résztvevők Hajnal Zoltán
Nagy Norbert
Pothorszky Szilárd
Szekrényes Dániel Péter
Zolnai Zsolt
projekt kezdete 2018-09-01
projekt vége 2021-02-28
aktuális összeg (MFt) 19.380
FTE (kutatóév egyenérték) 3.12
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
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.
angol összefoglaló
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.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
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.
kutatási eredmények (angolul)
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.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=129578
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Szekrényes, D. P.; Pothorszky, S.; Zámbó, D.; Deák, A.: Detecting spatial rearrangement of individual gold nanoparticle heterodimers, Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21 (19), 10146–10151., 2019
Zámbó, D.; Szekrényes, D. P.; Pothorszky, S.; Nagy, N.; Deák, A.: SERS Activity of Reporter-Particle-Loaded Single Plasmonic Nanovoids., The Journal of Physical Chemistry C 2018, 122 (41), 23683–23690., 2019
Piszter, G.; Kertész, K.; Molnár, G.; Pálinkás, A.; Deák, A.; Osváth, Z.: Vapour Sensing Properties of Graphene-Covered Gold Nanoparticles., Nanoscale Adances., 2019,1, 2408-2415, 2019
SZEKRÉNYES Dániel P., POTHORSZKY Szilárd, ZÁMBÓ Dániel, HAJNAL Zoltán, OSVÁTH Zoltán, DEÁK András: Surface chemical patch formation and self-assembly studied at the single-nanoparticle level, 25th International Conference on Chemistry, 2019
D.P. Szekrényes, S. Pothorszky, D. Zámbó, Z. Osváth, Z. Zolnai and A. Deák: Nanoscale inhomogeneities characterized by the optical scattering spectra of individual gold nanoparticles, 33rd Conference of the European Colloid and Interface Society, 2019
András DEÁK: Self-assembly and microspectroscopic characterization of nanoparticles (in Hungarian), Invited Seminar - ELTE Department of Materials Physics 10.03.2019, 2020
Rita Némedi: Self-assembly of electric double-layer stabilized nanospheres (in Hungarian), BME VBK Scientific Students' Associations Conference, 2019
Szekrényes, D. P.; Kovács, D.; Zolnai, Z.; Deák, A.: Chemical Interface Damping as an Indicator for Hexadecyltrimethylammonium Bromide Replacement by Short-Chain Thiols on Gold Nanorods, J. Phys. Chem. C 2020, 124 (36), 19736–19742., 2020
Szekrényes, D. P.; Pothorszky, S.; Zámbó, D.; Deák, A.: Detecting spatial rearrangement of individual gold nanoparticle heterodimers, Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21 (19), 10146–10151., 2019
Szekrényes, D. P.; Kovács, D.; Zolnai, Z.; Deák, A.: Chemical Interface Damping as an Indicator for Hexadecyltrimethylammonium Bromide Replacement by Short-Chain Thiols on Gold Nanorods, J. Phys. Chem. C 2020, 124 (36), 19736–19742., 2020
Dániel, P. Szekrényes, Zámbó Dániel, Zolnai Zsolt, Nagy Norbert, and Deák András: Detecting Short-Chain Thiol Binding on CTAB-Stabilised Gold Nanorods at Single Particle Level., Proceedings of Anyagtudományi Szimpózium, 34–36. (2020) ISBN:9789634492368, 2020
Dániel, Péter Szekrényes, Pothorszky Szilárd, Zámbó Dániel, Nagy Norbert, Hajnal Zoltán, Osváth Zoltán, Zolnai Zsolt, and Deák András: Single-Nanoparticle Spectroscopy in Colloid Chemistry, Proceedings of Anyagtudományi Szimpózium, 34–36. (2020) ISBN:9789634492368, 2020, 2020
András Deák: Felületmódosított arany nanorészecskék önszerveződése és optikai tulajdonságai, EK-MFA Seminar/MTA Colloid Chemistry Workgroup Meeting, 2021.03.10 (on-line meeting, in Hungarian)., 2021




vissza »