Synthese und Funktionalisierung magnetischer Nanopartikel

Magnetische Nanomaterialien sind aufgrund ihrer Anwendungsmöglichkeiten in Biotechnologie, Pharmazie, Katalyse und vielen weiteren Bereichen von Interesse. Die Kombination ihrer besonderen magnetischen Eigenschaften mit einer hohen spezifischen Oberfläche macht diese Materialien besonders für die selektive, magnetische Separation im Down-Stream-Processing biotechnologisch erzeugter Stoffe geeignet. Ziel der Arbeit war die Kontrolle der Partikelgröße und Größenverteilung bei der kontinuierlichen Synthese magnetischer Nanopartikel deren anschließende Funktionalisierung mit SiO2. Der Fokus lag hierbei in der Hochskalierung des Prozesses auf einen industriellen Maßstab. Hierzu wurde unter anderem die Kinetik der Magnetitsynthese durch Kopräzipitation von wässrigen Fe(II) und Fe(III) Lösungen mit gekoppelter Oxidation des Fe(II) untersucht und eine zuverlässige Methode zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung entwickelt. Dabei zeigte sich, dass bei der Synthese sehr breite Partikelgrößenverteilungen (/µ > 30%) und deutlich geringere Primärpartikelgrößen, als durch die Messergebnisse der spezifischen Oberfläche zu erwarten wäre, erzielt werden. Die numerische Simulation des Kristallisationsprozesses zeigte, dass der Fokussierungseffekt zu Beginn der Fällungsreaktion, praktisch keine Auswirkung auf die Magnetitbildung und damit auf die Erzielung einer engen Größenverteilung besitzt. Das Partikelwachstum und damit die Partikelgrößenverteilung wird maßgeblich durch einen koagulations- und Rekristallisationsmechanismus bestimmt. Zur Funktionalisierung wurde ein alternatives Verfahren zur kontrollierten Silikabeschichtung, das ohne einen Reinigungsschritt nach der Synthese auskommt, getestet. Durch die gezielte Beschichtung der Magnetit-Nanopartikel im Bereich von 0,5 bis 2,5 mg(SiO2) / m² kann der isoelektrische Punkt bis auf pH 3,5 kontrolliert abgesenkt und damit die DNA Bindekapazität der Partikel variiert werden.

Magnetic nanoparticles are due to their possible applications in biotechnology, pharmacy, catalysis and many other materials of interest. The combination of special magnetic properties and high specific surface area enable these materials for the selective magnetic separation of biotechnological synthesized substances within the down-stream-processing. The objective of this work was the control of particle size and particle size distribution in the continuous synthesis of magnetic nanoparticles and their subsequent functionalization with SiO2. The focus was the up-scaling of the process in industrial scale. Therefore, the kinetic of magnetite synthesis through coprecipitation of aqueous Fe(II) and Fe(III) solutions with parallel oxidation of Fe(II) was investigated and a reliable method to determine the particle size distribution was developed. It could be shown, that with this synthesis only broad size distributions (/µ > 30%) could be achieved and that the primary particle size is lower than expected from specific surface measurement. Numerical simulation of the crystallization process shows that the focusing effect at the beginning of the precipitation does not affect the magnetite crystallization and so cannot contribute to a narrow size distribution. The particle growth and also the particle size distribution are predominantly governed by a coagulation- recrystallization mechanism. An alternative method for the controlled SiO2 functionalization without any cleaning step after synthesis was tested. It could be shown, that the isoelectric point of the coated particles can be controlled down pH 3,5 by coatings between 0,5 – 2,5 mg(SiO2) / m², which also controls the DNA-binding capacity of the particles.