In einem von der DFG geförderten Forschungsvorhaben entwickeln wir optische Assays für die Detektion anorganischer Anionen in wässriger Umgebung. Diese Assays basieren auf Goldnanopartikeln mit oberflächengebundenen Rezeptoren, deren Wechselwirkung mit Anionen zu Komplexen führt, in denen das Anion zwei Rezeptoreinheiten verbrückt. Die Anionenerkennung führt dementsprechend zu einer Quervernetzung der Nanopartikel. Sind die gebildeten Aggregate löslich, bewirkt die Quervernetzung eine Farbveränderung der Nanopartikellösung von Rot nach Violett oder Blau. Bei Bildung unlöslicher Aggregate, entfärbt sich die Lösung, da die Nanopartikel ausfallen.

In diesem Zusammenhang zeigten wir, dass Goldnanopartikel mit ca. 10 nm Durchmesser, die auf der Oberfläche unser anionenbindendes Cyclopeptid enthalten, in Gegenwart von Sulfatanionen aus der wässrigen Lösung ausfallen.¹ Keines von acht anderen getesteten Anionen verursachte einen analogen Effekt. Außerdem wird der Sulfatnachweis nicht durch die gleichzeitige Gegenwart eines Überschusses anderer Anionen gestört. Die Nachweisgrenze liegt in der Nähe der Grenzkonzentration, ab der Mineralwasser als sulfatreich eingestuft wird.

Goldnanopartikel mit oberflächengebundenen Zink(II)-Dipicolylamin Komplexen erlauben dagegen den Nachweis von Diphosphat- und Triphosphatanionen, wobei diese Nanopartikel aufgrund ihrer Löslichkeit in einem Methanol/Wasser-Gemisch eingesetzt werden müssen.² Auch in diesem Fall stören andere Anionen nicht. Lediglich Phosphat- und Arsenatanionen bewirken bei hohen Konzentrationen das Ausfallen der Nanopartikel. Im Unterschied zu den cyclopeptidhaltigen Nanopartikeln existiert in diesem Fall eine untere Konzentration, bei der die Nanopartikel ausfallen, und eine obere Grenzkonzentration, bei der sie wieder in Lösung gehen. Mit einer Nachweisgrenze von 10 μmol/L könnten mit diesen Nanopartikeln Diphosphatkonzentrationen nachgewiesen werden, die üblicherweise in Urin oder Speichel vorliegen.

Die Nachweisgrenzen dieser Nanopartikel hängen von dem Verhältnis der beiden oberflächengebundenen Liganden ab, wobei der eine Ligand die Löslichkeit der Nanopartikel vermittelt und der andere die Rezeptoreinheiten trägt. Durch Veränderung dieses Verhältnisses können die Eigenschaften der Nanopartikel und somit ihr Verhalten gesteuert werden.

Literatur

1. J. Bartl, L. Reinke, M. Koch, S. Kubik Chem. Commun. 2020, 56, 10457-10460.
2. L. Reinke, J. Bartl, M. Koch, S. Kubik Beilstein J. Org. Chem. 2020, 16, 2687-2700.