Nanopartikel charakterisieren: TEM, DLS und Magnetometrie im Vergleich

Wer von „10-nm-Nanopartikeln“ spricht, meint je nach Messmethode etwas anderes. Ein Transmissionselektronenmikroskop zeigt den getrockneten Partikelkern, ein Lichtstreugerät misst, wie sich das Teilchen samt Hülle in Flüssigkeit bewegt, ein Magnetometer fragt, wie das Material auf ein Feld reagiert. Dieser Artikel stellt die wichtigsten Methoden zur Nanopartikel-Charakterisierung nebeneinander: was sie messen, was dabei herauskommt und wo typische Fehlinterpretationen entstehen. Grundlagen zu den Teilchen selbst finden Sie unter magnetische Nanopartikel.

Warum eine einzige Zahl nicht reicht

Nanopartikel sind keine einheitlichen Objekte. Eine Probe enthält Partikel verschiedener Größe, oft in Aggregaten, umgeben von einer Beschichtung und von Lösungsmittel. Je nach Fragestellung zählen unterschiedliche Eigenschaften:

• Kerngröße und Form bestimmen bei Eisenoxid das magnetische Verhalten, etwa ob ein Material superparamagnetisch ist.
• Hydrodynamische Größe entscheidet, wie sich Partikel in Flüssigkeiten verteilen, absinken oder verklumpen.
• Kristallstruktur unterscheidet beispielsweise Magnetit von Maghemit, was sich auf die Magnetisierung auswirkt.
• Oberflächenladung und Beschichtung steuern Stabilität und Wechselwirkung mit der Umgebung.

Eine seriöse Charakterisierung benennt deshalb immer Methode, Medium und Verteilung. Ein Mittelwert ohne Streuung sagt wenig.

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

Das Transmissionselektronenmikroskop durchstrahlt eine sehr dünne Probe mit einem Elektronenstrahl. Laut einer Übersichtsarbeit im Journal of Nanobiotechnology (2022) liefert die Methode Größe, Form, Lokalisierung, Dispersität und Aggregation der Partikel in zweidimensionalen Bildern; über Elektronenbeugung (SAED) lassen sich zudem Hinweise auf die Kristallstruktur gewinnen.

Typische Ausgabe: Bilder und daraus ausgezählte Größenhistogramme, bei Eisenoxid meist des dichten Kerns. Organische Hüllen aus Polymeren oder Biomolekülen sind im Bild kaum zu sehen.

Fallstricke beim TEM-Mikroskop:

• Trocknung. Die Probe muss auf ein Netzchen aufgebracht und getrocknet werden. Dabei kann Entwässerung zu Schrumpfen und Aggregation führen; bei organisch beschichteten Partikeln nennt die Übersicht die Probenvorbereitung eine wesentliche Einschränkung. Ein Bild verklumpter Partikel zeigt daher nicht zwingend, dass sie in Lösung verklumpt waren.
• Statistik. Ein Bild zeigt nur wenige Partikel. Eine belastbare Verteilung braucht ausreichend viele ausgezählte Teilchen aus mehreren Bildausschnitten.
• Auswahl. Gut verteilte Stellen werden leicht bevorzugt abgebildet.

Dynamische Lichtstreuung (DLS)

Bei der dynamischen Lichtstreuung fällt Laserlicht auf eine Dispersion. Die Partikel bewegen sich durch Brownsche Bewegung, das gestreute Licht schwankt entsprechend. Aus den Schwankungen ergibt sich ein Diffusionskoeffizient, aus dem die Stokes-Einstein-Gleichung den Durchmesser berechnet. Die Übersichtsarbeit beschreibt, dass die Größenverteilung als Polydispersitätsindex (PDI) angegeben wird, der von 0 (einheitlich) bis 1 (stark uneinheitlich) reicht.

Typische Ausgabe: ein mittlerer hydrodynamischer Durchmesser (häufig als Z-Average angegeben), ein PDI und eine Verteilungskurve.

Fallstricke:

• Hülle zählt mit. Laut dem NIST/NMIJ-Ringversuch (Metrologia, 2019) spiegelt DLS die hydrodynamische Größe wider, die auch die Solvathülle im Wasser einschließt. Die Autoren betonen, dass DLS auf Diffusion beruht, andere Verfahren stärker auf der geometrischen Größe.
• Umgebung. Malvern Panalytical weist darauf hin, dass adsorbierte Polymerschichten und die elektrische Doppelschicht die Brownsche Bewegung bremsen; salzarme Medien dehnen die Doppelschicht aus und erhöhen den Wert weiter.
• Aggregate und große Partikel. Für Teilchen, die klein gegenüber der Lichtwellenlänge sind (Rayleigh-Streuung), wächst die Streuintensität etwa mit der sechsten Potenz des Durchmessers; ein doppelt so großes Partikel streut also rund 64-mal so stark. Eine Übersicht in Biophysical Reviews (2016) betont deshalb, dass schon geringe Mengen großer Aggregate oder Staubpartikel das Ergebnis deutlich verschieben. Die primäre DLS-Verteilung ist eine Intensitätsverteilung; Umrechnungen in Volumen- oder Anzahlverteilungen setzen Modellannahmen voraus. Frische Filtration und eine Messung mehrerer Wiederholungen sind deshalb üblich.
• Konzentration und Winkel. Zu konzentrierte Proben führen zu Mehrfachstreuung; auch der Messwinkel beeinflusst das Ergebnis. Der Ringversuch zeigt, dass Messergebnisse von Winkel und Partikelkonzentration abhängen können.
• Magnetische Partikel. Bei magnetischen Proben kommt hinzu, dass sich Teilchen gegenseitig anziehen und Aggregate bilden können; auch das erhöht den gemessenen Wert. Ob das im Einzelfall geschieht, zeigt der Vergleich mit TEM und Magnetometrie.

TEM-Kerngröße gegen DLS-Hydrodynamik: der klassische Fehlschluss

Wenn ein Datenblatt „TEM: 10 nm, DLS: 45 nm“ angibt, ist das kein Messfehler. Das TEM sieht den Kern im trockenen Zustand, DLS die hydratisierte, beschichtete und eventuell leicht aggregierte Einheit in Lösung. Ein weiteres Beispiel aus der Praxis: Bei thiolfunktionalisiertem Magnetit auf Graphenoxid beschrieben Bao und Kollegen (2013) Kristallite von etwa 13,0 nm (Röntgenbeugung, Scherrer-Analyse), während das TEM Aggregate von mehreren zehn Nanometern auf den Graphenoxid-Schichten zeigte. Beide Aussagen sind korrekt, sie beziehen sich nur auf verschiedene Strukturebenen.

Wichtig ist daher zweierlei: Man darf die Werte nicht gleichsetzen, und man sollte sie gemeinsam berichten. Ein großer Abstand zwischen beiden ist zudem ein Hinweis auf Aggregation oder eine dicke Hülle.

Röntgendiffraktometrie (XRD)

Die Röntgendiffraktometrie misst, unter welchen Winkeln kristalline Proben Röntgenstrahlen beugen. Aus der Lage der Reflexe folgt die Kristallstruktur, aus ihrer Breite die mittlere Kristallitgröße (Scherrer-Gleichung). Bei Eisenoxid hilft XRD, Phasen wie Magnetit, Maghemit oder Hämatit zu unterscheiden, wobei sich nahe verwandte Phasen wie Magnetit und Maghemit nur mit sorgfältiger Messung trennen lassen.

Fallstricke:

• Die Kristallitgröße ist nicht identisch mit der Partikelgröße: Ein Partikel kann aus mehreren Kristalliten bestehen.
• Die Übersichtsarbeit nennt Einschränkungen bei stark amorphen Proben und sehr kleinen Teilchen.
• Eine instrumentelle Verbreiterung der Reflexe muss herausgerechnet werden, sonst wird die Kristallitgröße unterschätzt.

Zetapotential

Das Zetapotential ist das elektrische Potenzial an der Grenze der Schicht, die ein Partikel bei der Bewegung mit sich führt. Es wird meist per Elektrophorese gemessen. Betragsmäßig hohe Werte deuten auf starke Abstoßung zwischen den Teilchen und damit auf stabile Dispersionen. Die Übersichtsarbeit nennt als Faustregel Werte von mehr als +30 mV oder weniger als −30 mV als stabil.

Fallstricke: Das Zetapotential hängt stark von pH-Wert, Salzgehalt und Medium ab; höherer pH senkt es in der Regel. Ein Wert ist daher nur zusammen mit diesen Angaben aussagekräftig. Sterisch stabilisierte Partikel (etwa mit Polymerhülle) können trotz niedrigem Zetapotential stabil sein, die Faustregel gilt also nicht universell.

Magnetometrie: VSM und SQUID

Das magnetische Verhalten misst man mit Magnetometern. Beim Vibrationsmagnetometer (VSM) schwingt die Probe in einem konstanten Feld; die induzierte Spannung folgt dem Faradayschen Induktionsgesetz und ergibt die Magnetisierung. Für empfindlichere Messungen und tiefe Temperaturen dient ein SQUID-Magnetometer.

Typische Ausgabe: eine Magnetisierungskurve (Hysterese) mit Sättigungsmagnetisierung, Remanenz und Koerzitivfeld. Bei superparamagnetischen Partikeln verschwinden Remanenz und Koerzitivfeld bei Raumtemperatur nahezu. Ergänzend nimmt man temperaturabhängige Kurven auf (ZFC/FC), um die Blockierungstemperatur zu bestimmen. Als Beispiel nennen Bao und Kollegen für ein Magnetit-Graphenoxid-Hybrid eine Sättigungsmagnetisierung von 22,0 emu/g bei superparamagnetischem Verhalten bei Raumtemperatur.

Fallstricke: Die Magnetisierung wird oft auf die Gesamtprobe bezogen. Hülle, Lösungsmittelreste und Träger verringern den Wert gegenüber reinem Eisenoxid. Fehlerhafte Massenbestimmung verfälscht das Ergebnis direkt, und Verunreinigungen mit Eisen oder anderen magnetischen Stoffen sind kaum zu erkennen.

Vergleich der Methoden

Zur Elementanalyse: Eine Übersichtsarbeit zur Toxizität von Eisenoxid-Nanopartikeln beschreibt ICP-OES und ICP-MS als Goldstandard der Eisenquantifizierung; beide benötigen einen Aufschluss und können Partikel-Eisen nicht von körpereigenem Eisen trennen.

Wie man die Ergebnisse zusammenführt

Ein sinnvoller Ablauf beginnt mit der Mikroskopie (Kerngröße, Form), ergänzt Lichtstreuung und Zetapotential für das Verhalten in Lösung, prüft mit XRD die Phase und mit Magnetometrie die Funktion. Widersprüche sind hilfreich: Ist die Kristallitgröße deutlich kleiner als die TEM-Größe, besteht der Partikel aus mehreren Kristalliten; liegt der DLS-Wert weit über dem TEM-Wert, deutet das auf Aggregate oder eine dicke Hülle. Auch bei der Funktionalisierung dienen diese Messungen als Kontrolle, ob eine Beschichtung tatsächlich aufgebracht wurde: Hydrodynamische Größe und Zetapotential ändern sich dabei typischerweise.

Auch regulatorisch spielt die Charakterisierung eine Rolle. Die EU-Definition von Nanomaterial verlangt eine anzahlbasierte Größenverteilung; welche Methode dafür geeignet ist, behandelt der Artikel zur Sicherheit von Nanopartikeln.

Nächster Schritt

Wenn Sie wissen möchten, warum gerade die Kerngröße den Magnetismus bestimmt, lesen Sie weiter bei Superparamagnetismus. Wie Beschichtungen aufgebracht und nachgewiesen werden, erklärt der Artikel zur Funktionalisierung.