Forschung

Eingewickelte Silber-Häufchen

11.09.2019 - Silber-Nanocluster mit interessanten optischen Eigenschaften.

Nanoclustern zeigen oft interessante optische Eigenschaften und könnten attraktive Sonden für bild­gebende Verfahren werden, etwa in der Biomedizin und Diagnostik. Ein Forscher­team aus Dänemark und Japan stellt jetzt einen Nano­cluster aus 16 Silber-Atomen vor, der durch Einwickeln in DNA-Stränge stabilisiert wird. Durch Röntgen­unter­suchungen konnten die Wissen­schaftler die Kristall­struktur aufklären und relevante Wechsel­wirkungen inner­halb der Struktur identifi­zieren.

Anders als Feststoffe oder Nanopartikel haben Nanocluster, ähnlich wie Moleküle, diskrete Energie­niveaus, zwischen denen sie durch Absorption und Emission von Licht wechseln können. Nano­cluster aus Silber sind besonders interessant, weil sie sehr hell fluores­zieren können. Ihre optischen Eigen­schaften hängen stark von der Größe der Nano­cluster ab. Entsprechend wichtig ist es, einheit­liche Cluster mit exakt definierter Atomzahl herzu­stellen. Schon seit einigen Jahren verwenden Wissen­schaftler dazu kurze DNA-Stränge als bio­kompatible, wasser­lösliche Alter­nativen zu herkömm­lichen Schablonen.

Das Team um Tom Vosch von der Uni Kopenhagen und Jiro Kondo von der Sophia University in Tokio hat einen Nano­cluster aus exakt 16 Silber­atomen kristal­lisiert – mithilfe einer DNA-Sequenz aus zehn Nukleotiden. Die Kristalle emittieren Licht im nahen Infrarot, wenn sie mit grünem Licht bestrahlt werden – mit nahezu identischen Spektren im Kristall und in Lösung.

Wie die Strukturanalyse ergab, haben die Ag16-Nanocluster einen Durch­messer von etwa sieben Ångström und eine Höhe von etwa 15 Ångström. Jeder Nano­cluster ist in jeweils zwei DNA-Stränge, die eine hufeisen­förmige Konformation annehmen, fest einge­wickelt und wird so fast voll­ständig abge­schirmt. Die beiden DNA-Stränge werden in erster Linie über Wechsel­wirkungen mit den Silber-Atomen und einige wenige Wasser­stoff­brücken verbunden. Überraschender­weise wird keine für DNA sonst übliche Watson-Crick-Basen­paarung beobachtet. Innerhalb des Clusters wurden zudem neuartige Silber-Silber-Wechsel­wirkungen beobachtet.

Die Packung der DNA-Silber-Nanocluster zum Kristall wird durch verschiedene Wechsel­wirkungen gefördert, wie etwa zwischen Phosphat­gruppen und Kalzium­ionen sowie π-Stapelungen zwischen benachbarten Thymin­gruppen. Letztere spielen eine wichtige Rolle bei der den Kristalli­sations­prozessen. Zudem liegen innerhalb des Kristalls locker assoziierte Silber-Kationen vor: Einige bilden eine Brücke zwischen DNA-Basen, während andere nur mit Silber­atomen innerhalb des Cluster-Kerns wechsel­wirken.

Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, die Zusammen­hänge zwischen struktu­rellen und Emissions­eigen­schaften von Nano­clustern aufzu­klären und einen Ansatz für die Synthese weiterer mono­disperser, bio­kompa­tibler und wasser­löslicher Silber-Cluster mit günstigen photo­physika­lischen Charak­teristika zu entwerfen, beispiels­weise für bio­medizinische Bild­gebungs­verfahren.

Wiley-VCH / RK

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