Obwohl Nanopartikel vielen Menschen regelmäßig in ihrem Alltag begegnen, sind die Folgen der ständigen Exposition weitgehend unklar. Um zu einem weitergehenden Verständnis der Aufnahme und der Schädlichkeit von Nanopartikeln im menschlichen Organismus zu gelangen, ist es zunächst notwendig, die Nanopartikel in der Zelle abbilden und lokalisieren zu können. Ein probates Mittel hierfür ist die Rastertransmissionselektronenmikroskopie bei niedrigen Beschleunigungsspannungen, idealerweise korreliert mit optischer Fluoreszenzmikroskopie.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlagen
2.1. Aufbau einer Zelle
2.2. Streuung von Elektronen an Materie
2.2.1. Elastische Streuung
2.2.2. Inelastische Streuung
2.2.3. Mehrfachstreuung
2.2.4. Streuwinkelverteilung
2.3. Quantenpunkte
3. Experimentelle Methoden
3.1. Elektronenmikroskopie
3.1.1. Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops
3.1.2. Rastertransmissionselektronenmikroskopie bei niedrigen Elektronenenergien
3.1.3. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS)
3.2. Konfokales 4π-Fluoreszenzmikroskop
3.3. Präparation der Proben
3.3.1. Zellfixierung und Einbettung
3.3.2. Herstellen der Dünnschnitte
4. Experimentelle Ergebnisse
4.1. Nanopartikel in Zellen
4.2. Quantenpunkte auf Kohlenstoff
4.2.1. CdSe-ZnS-Quantenpunkte mit niedriger Quanteneffizienz
4.2.2. CdSe-ZnS-Quantenpunkte mit höherer Quanteneffizienz
4.2.3. CdSe-Quantenpunkte
4.2.4. EDX-Spektren
4.3. Nanopartikel auf Aclar-Folie
4.3.1. Quantenpunkte
4.3.2. Goldpartikel
4.4. Verkürzung der Einbettprozedur
4.5. Aclar-Folie
4.6. LR White
5. Diskussion
5.1. Verwendete Materialien
5.1.1. Quantenpunkte
5.1.2. Aclar-Folie
5.2. EDXS
5.3. Korrelative Mikroskopie von Zellen
5.3.1. Kupfernetzchen
5.3.2. Membranfärbung
6. Zusammenfassung
A. Chemische Fixierung und Einbettung der Zellen
A.1. Durchführung
A.2. Verwendete Chemikalien
B. Herstellen der Dünnschnitte
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die Etablierung einer korrelativen Licht- und Elektronenmikroskopie zur Untersuchung von Nanopartikeln in Zellen, um die Vorteile hochauflösender Elektronenmikroskopie mit der dynamischen Abbildungsfähigkeit der Fluoreszenzmikroskopie zu kombinieren.
- Untersuchung der Aufnahme von Nanopartikeln in tierische Zellen mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM).
- Optimierung der Probenpräparation (Fixierung, Einbettung und Dünnschnitt-Herstellung) für korrelative Messungen.
- Analyse von Nanopartikeln (Quantenpunkte, Goldpartikel) mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS).
- Evaluation von Materialien wie Aclar-Folie und LR White-Einbettmedium für die korrelative Mikroskopie.
- Vergleich verschiedener Präparationsmethoden hinsichtlich Bildqualität und Erhalt der Zellstrukturen.
Auszug aus dem Buch
1. Einleitung
Nanopartikel, das sind Partikel mit einer Größe unter 100 nm, begegnen den meisten Menschen regelmäßig in ihrem Alltag - sei es in Form von Sonnencrèmes, die Titanoxid-Partikel enthalten und so das Sonnenlicht reflektieren, Wäsche, die durch nano-Silber antibakteriell wirkt oder Kaffeepulver, das durch die Zugabe von Siliziumdioxid-Partikeln besser rieselt. Mittlerweile enthalten mehrere hundert Produkte auf dem europäischen Markt Nanopartikel, von denen ein Großteil Kosmetikprodukte und Textilien sind [11], also gerade solche Produkte, die besonders eng mit dem Konsumenten in Berührung kommen. Es ist also davon auszugehen, dass Menschen die in derartigen Produkten enthaltenen Nanopartikel in ihren Körper aufnehmen. Was dort aber mit diesen passiert, ist weitgehend ungeklärt. Fest steht lediglich, dass die Reaktionsfreudigkeit von sehr kleinen Partikeln gegenüber größeren deutlich erhöht ist, da das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis größer ist [17]. Die Auswirkungen von Nanopartikeln auf den menschlichen Organismus und die Umwelt sollten also ausführlich untersucht werden.
Um die Effekte, die die Aufnahme von Nanopartikeln in einen Organismus verursacht, verstehen zu können, ist es allerdings notwendig, zunächst die Reaktion einzelner Zellen auf Nanopartikel-Exposition zu beobachten. So wurden verschiedene häufig verwendete Nanopartikel und ihr Einfluss auf Leberzellen von Ratten von Hussain et al. untersucht. Diese Autoren stellten fest, dass Silberpartikel schon in geringer Dosierung für die Tierzelle toxisch sind, während andere Partikel wie Aluminium oder Wolfram sich erst in höheren Konzentrationen schädlich auswirken [16].
Ein weiterer Schritt in Richtung des vollständigen Verständnisses des Aufnahmeprozesses und der Schädlichkeit von Nanopartikeln in Zellen ist die Abbildung und Lokalisierung der Partikel in der Zelle. Es wurde gezeigt, dass die Niederenergie-Rastertransmissionselektronenmikroskopie sich hierfür besonders eignet [14]. Auch Bleimund hat im Rahmen seiner Diplomarbeit mit dieser Technik Nanopartikel in Zellen abgebildet. Hierbei hat er Dünnschnitte von Zellen, die auf einer Membran gewachsen waren und in dem Epoxidharz Epon eingebettet waren, untersucht. Er kam ebenso wie Hondow et al. [14] zu dem Schluss, dass diese Methode tatsächlich dazu geeignet ist, die Ultrastruktur der Zelle ebenso wie einzelne Nanopartikel aufzulösen [3].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Motivation für die Untersuchung von Nanopartikeln und Einführung in die korrelative Mikroskopie.
2. Grundlagen: Theoretische Einführung in den Zellaufbau, physikalische Prinzipien der Elektronenstreuung und Eigenschaften von Quantenpunkten.
3. Experimentelle Methoden: Beschreibung der eingesetzten Mikroskopietechniken (REM, STEM, Fluoreszenzmikroskopie) und der Probenvorbereitung.
4. Experimentelle Ergebnisse: Darstellung der Versuche zur Lokalisierung von Nanopartikeln in Zellen und auf Referenzmaterialien.
5. Diskussion: Interpretation der Ergebnisse hinsichtlich Präparationsproblemen, Einbettung und Analysetechniken.
6. Zusammenfassung: Abschließende Würdigung der Arbeit und Ausblick auf zukünftige Optimierungen.
Schlüsselwörter
Nanopartikel, Quantenpunkte, Rastertransmissionselektronenmikroskopie, STEM, korrelative Mikroskopie, CLEM, Fluoreszenzmikroskopie, Zellpräparation, Osmiumtetroxid, Aclar-Folie, LR White, Energiedispersive Röntgenspektroskopie, EDXS, HeLa-Zellen, Ultrastruktur.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Lokalisierung von Nanopartikeln in menschlichen Zellen unter Verwendung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie sowie dem Ansatz der korrelativen Licht- und Elektronenmikroskopie.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentral sind die Untersuchung biologischer Zellproben, die Charakterisierung von Nanopartikeln mittels physikalischer Streuprozesse und die Optimierung von Probenvorbereitungsverfahren für die Elektronenmikroskopie.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, die Eignung der korrelativen Licht- und Elektronenmikroskopie zur Untersuchung von Nanopartikeln in Zellen zu verbessern, um sowohl die Dynamik der Aufnahme als auch die räumliche Lokalisierung präzise zu erfassen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Zum Einsatz kommen vor allem die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS) und die konfokale Fluoreszenzmikroskopie, kombiniert mit chemischen Fixierungs- und Einbettungstechniken.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert experimentelle Ergebnisse, vergleicht verschiedene Einbettmedien und Trägermaterialien (wie Aclar-Folie) und diskutiert Herausforderungen wie Bildkontrast und Probenstabilität.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Nanopartikel, Quantenpunkte, STEM, korrelative Mikroskopie (CLEM), Aclar-Folie und LR White-Einbettung.
Welchen Einfluss hat Osmiumtetroxid auf die Fluoreszenz?
Die Ergebnisse legen nahe, dass Osmiumtetroxid die Fluoreszenz der untersuchten Quantenpunkte beeinträchtigen kann, wobei eine abschließende Klärung der Kausalität in der Arbeit offen bleibt.
Warum wird statt Epon das Medium LR White verwendet?
LR White wurde gewählt, da das herkömmliche Einbettmedium Epon zu starker Autofluoreszenz neigt, was die Untersuchung im Fluoreszenzmikroskop bei korrelativen Studien stört.
- Arbeit zitieren
- B.Sc. Martin F. Schumann (Autor:in), 2011, Lokalisierung von Nanopartikeln in Zellen mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie bei niedriger Elektronenenergie, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/210423
