Nanoteilchen sind für die Medizin interessant, weil sie Medikamente und Impfstoffe gezielt tief in den Körper trans­portieren können. Für solche Zwecke muss aller­dings die Konzen­tration der winzigen Teilchen möglichst genau bekannt sein. In einer Kooperation zwischen der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt und dem Unter­nehmen LUM in Berlin haben Forscher jetzt ein neuartiges, sehr genaues Analyse­mess­system für diesen Zweck entwickelt. Es misst das Licht, das von jedem einzelnen Nano­partikel in verschiedene Richtungen gestreut wird, und ist genauer als bisherige Messysteme. Das System arbeitet sehr schnell und lässt sich für einen sehr breiten Einsatz­bereich von Nano­teilchen mit etwa vierzig Nano­metern Größe bis hin zu Mikro­partikeln von etwa zehn Mikro­metern verwenden. Erste Geräte wurden bereits einem welt­weiten Pharma­konzern für die Entwicklung eines Corona-Impfstoffs sowie an eine große deutsche Forschungs­institution über­geben.

Weil Nanopartikel so klein sind, zeigen sie ganz anderen optische, elektrische oder magnetische Eigen­schaften als größere Teilchen desselben Materials. Das wird beispiels­weise für Sonnen­cremes, funktionale Tinten oder Quantendots genutzt. Und auch die Medizin setzt große Hoffnungen auf Nano­teilchen: Sie könnten beispiels­weise als Vehikel dienen, mit deren Hilfe Medikamente biologische Barrieren wie die Luft-Blut- oder die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Man versucht mit ihnen Krebs­medi­ka­mente gezielt in einen Tumor oder einen Impfstoff direkt an den Ort seiner besten Wirksam­keit zu bringen.

Nanopartikel stellen große Anforde­rungen an die Mess­technik, die man für die Produkt­entwicklung, die Kontrolle der Produktions­qualität und nicht zuletzt auch für die Risiko­bewertung der Produkte braucht. Dabei geht es immer häufiger nicht nur um die Größen­messung, sondern auch um die Messung der Teilchen­zahl und -konzentration.

Im Rahmen eines vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie unter­stützten Technologie­transfer­projekts zwischen der PTB und LUM wurde auf Basis eines neuen Ansatzes das Messprinzip eines Einzel­partikel-Streu­licht­photo­meters entwickelt. Es kann die Partikel­größen­verteilung und die Partikel­konzen­tration von Nano- und Mikro­partikeln in Suspen­sionen und Emulsionen mit hoher Auflösung bestimmen. Neben seiner Genauigkeit ist es gekenn­zeichnet durch einen sehr breiten Einsatz­bereich und durch große Schnellig­keit: Pro Sekunde können bis zu 10.000 Teilchen analysiert werden.

Die Basistechnologie nennt sich „Single Particle Light Scattering“-Technologie. Damit ermittelt das Gerät die Intensität des Lichts, das von jedem einzelnen Nano- oder Mikro­partikel in verschiedene Richtungen gestreut wird. Dass die Teilchen einzeln hinter­ein­ander das Messgerät passieren, ist das Ergebnis von hydro­dynamischer Fokus­sie­rung: Ein Hüllstrom bringt die Teilchen in eine Vorzugs­richtung. Anschließend wandern sie einzeln durch das Zentrum der Messzelle. Diese Methode wird bereits seit Jahren sehr erfolgreich für die Durchfluss­zytometrie genutzt, mit der sich beispiels­weise Körper­zellen einzeln und schnell zählen lassen.

Das neue Messystem ist in der Lage, ohne Veränderungen an der Hardware Partikel­suspen­sionen mit unter­schied­lichsten Zusammensetzungen zu analysieren. Es kann auch bei sehr hohen Ausgangs­konzen­tra­tionen kleinste Größen­unter­schiede bis in den Nanometer­bereich hinein ermitteln. Sowohl das Gesamt­system als auch einzelne Teile wie spezifische Verstärker und die spezielle Optik­an­ordnung basieren auf zum Patent angemeldeten Verfahren der Partner. Erste Geräte sind bereits bei einem globalen Pharma­konzern in der EU für die Entwicklung eines Corona-Impfstoffs sowie bei einem deutschen Forschungs­institut im Einsatz – eine Erfolgs­geschichte für den Transfer von gemein­schaft­lichen vorwett­bewerb­lichen Entwicklungen in aktuelle Anwendungen.

PTB / RK

Weitere Infos

• Medizinisch-optische Bildgebung, Abt. Medizinphysik und metrologische Informationstechnik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig