إعداد الجسيمات النانوية لتحليل TOF-SIMS و XPS

Summary

يتم تقديم عدد من الإجراءات المختلفة لإعداد الجسيمات النانوية لتحليل السطح (صب قطرة ، طلاء الدوران ، ترسب من المساحيق ، والتبريد). نناقش التحديات والفرص والتطبيقات الممكنة لكل طريقة ، خاصة فيما يتعلق بالتغيرات في خصائص السطح الناجمة عن أساليب الإعداد المختلفة.

Abstract

اكتسبت الجسيمات النانوية اهتماما متزايدا في السنوات الأخيرة بسبب إمكاناتها وتطبيقها في مجالات مختلفة بما في ذلك الطب ومستحضرات التجميل والكيمياء وإمكاناتها لتمكين المواد المتقدمة. لفهم وتنظيم الخصائص الفيزيائية والكيميائية والآثار السلبية المحتملة للجسيمات النانوية بشكل فعال ، يجب تطوير إجراءات القياس المعتمدة لمختلف خصائص الجسيمات النانوية. وفي حين أن إجراءات قياس حجم الجسيمات النانوية وتوزيع حجمها قد وضعت بالفعل، فإن الأساليب الموحدة لتحليل كيمياء سطحها لم توضع بعد، على الرغم من أن تأثير كيمياء السطح على خصائص الجسيمات النانوية لا جدال فيه. وعلى وجه الخصوص، يؤثر تخزين وإعداد الجسيمات النانوية للتحليل السطحي تأثيرا قويا على النتائج التحليلية المستمدة من أساليب مختلفة، ومن أجل الحصول على نتائج متسقة، يجب تحسين إعداد العينات وتوحيدها على حد سواء. وفي هذا الإسهام، نقدم بالتفصيل بعض الإجراءات المعيارية لإعداد الجسيمات النانوية للتحليلات السطحية. من حيث المبدأ ، يمكن إيداع الجسيمات النانوية على ركيزة مناسبة من التعليق أو كمسحوق. تستخدم رقائق السيليكون (Si) عادة كركيزة ، ومع ذلك ، فإن تنظيفها أمر بالغ الأهمية لعملية التنظيف. لإعداد عينة من التعليق، وسوف نناقش قطرة الصب وتدور الطلاء، حيث ليس فقط نظافة الركيزة ونقاء التعليق ولكن أيضا تركيزها تلعب أدوارا هامة لنجاح منهجية التحضير. بالنسبة للجسيمات النانوية ذات الأصداف أو الطلاءات الحساسة ، فإن الترسب كمساحيق أكثر ملاءمة ، على الرغم من أن هذه الطريقة تتطلب عناية خاصة في إصلاح العينة.

Introduction

تعرف المواد النانوية بأنها مواد لها بعد خارجي يتراوح بين نانومتر واحد و100 نانومتر أو لها هيكل داخلي أو سطحي على هذا ^{المقياس1}. نظرا للخصائص الفريدة الناشئة عن صغر حجمها ومساحة سطحها الكبيرة المقابلة (من بين عوامل أخرى) ، فإنها تجد استخداما متزايدا في مجموعة واسعة من المجالات بما في ذلك الزراعة والكيمياء وبناء السيارات ومستحضرات التجميل والبيئة والطب والطباعة والطاقة والمنسوجات. ويعني هذا الاستخدام المتزايد أن البشر والبيئة على حد سواء سيتعرضون، على نطاق غير معروف حتى الآن، لهذه المواد التي لم تعرف خصائصها السمية بعد بشكل كامل، والتي يمكن حجمها من دمجها السهل في النظم البيولوجية أو البيئية^(2).

بعد تحديد الخصائص الأساسية لتوزيع المساحة السطحية وحجم/حجم الجسيمات، تم تحديد كيمياء السطح والطلاء باعتباره أهم خاصية للمواد ^{النانوية3}؛ الجسيمات الصغيرة لديها مساحة سطح أعلى لكل كتلة وحدة، وبالتالي نسبة أعلى من السطح إلى الذرات السائبة. في الواقع، بالنسبة للجسيمات النانوية بحجم نانومتر واحد، يمكن العثور على أكثر من 70٪ من الذرات في الزوايا أو الحواف. هذا يؤثر بقوة على خصائص السطح مثل chemisorption التي تعتمد اعتمادا كبيرا على مورفولوجيا السطح على نطاق ^ذري4. تتطلب اللوائح التي تتعامل مع المواد النانوية بيانات دقيقة بشأن الخصائص الفيزيائية الكيميائية وتقديرات موثوقة للخصائص السمية لهذه المواد. من أجل تقدير الخصائص السمية بكفاءة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد النانوية ، يتطلب مجتمع المواد النانوية إجراءات تحليلية موثوقة وموحدة ومتحقق منها. وتهدف مشاريع مثل ACEnano5 إلى جمع وربط البيانات المادية الدقيقة والتحقق منها من الجسيمات النانوية في إطار يسمح بتنظيم أفضل وتوصيف المواد النانوية. وقد أيد محررو ACS Nano هذا التوجه نحو إجراءات تحليلية موحدة، رغبة منهم في "توحيد طرق توصيف المواد والحد الأدنى من مستويات تحليلها والاتفاق عليها⁽⁶). وعلاوة على ذلك، XPS و ToF-SIMS يوفر إمكانيات جديدة لتوضيح بنية الجسيمات من الجسيمات النانوية الأساسية ^{قذيفة7،8}.

يعد التحليل الطيفي للكهرضون الضوئي بالأشعة السينية (XPS) وقياس الطيف الكتلي الأيوني الثانوي (ToF-SIMS) في وقت الطيران ، مقارنة بالجدول 1 ، أساليب راسخة للتحقيق في ذرات السطح. في XPS ، يتم تشعيع العينة بأشعة سينية تتراوح بين 1 و 2 كيلوفولت ، مما يسبب انبعاث الإلكترونات بسبب التأثير الكهروضوئي. هذه الإلكترونات المنبعثة ، وجود طاقة حركية في نفس النطاق ، ترتبط بالطاقة الملزمة للإلكترونات في الصلبة ؛ ظهور الإلكترونات الضوئية في هذه الطاقات ملزمة محددة وكثافات قابلة للقياس وبالتالي يسمح التحليل الكمي للتكوين. منذ المسار الحر المتوسط لهذه الإلكترونات الضوئية هو أقل من 10 نانومتر، XPS هو تقنية حساسة للغاية السطحية للتحليل الكمي. وعلاوة على ذلك، تحليل مفصل للطاقات ملزمة في أطياف حلها للغاية تمكن من تحديد كمي للدول التكافؤ من هذه الإلكترونات.

في ToF-SIMS يتم تناثر السطح مع شعاع أيون مركز (أيونات أولية) ، مع إخراج الأيونات من المادة (الأيونات الثانوية) التي تم جمعها وتحليلها في مطياف كتلة وقت الطيران. يسمح نمط الكتلة/الشحنة الذي تم الحصول عليه بتحديد التركيب الأساسي أو النظيري أو الجزيئي. بسبب المسار الحر المتوسط للأيونات الثانوية ، فإن هذه التقنية حساسة للغاية للسطح ولها عمق معلومات من 1-2 نانومتر ولكنها في أحسن الأحوال شبه كمية ، بسبب تأثير المصفوفة حيث يتأثر احتمال التأين (وبالتالي العائد) من الأيونات الثانوية بشدة بالمصفوفة المحيطة بها. ToF-SIMS يمكن تشغيلها في وضع ثابت أو ديناميكي; الفرق بين الاثنين هو تدفق الأيونات الأولية التي تؤثر على السطح. يحافظ نظام SIMS الثابت على تدفق الأيونات الأساسي إلى مستوى يؤثر (أي الشظايا) بحد أقصى 1٪ -10٪ من السطح؛ يبقى السطح نسبيا دون عائق، مما يسمح بتحليل الطبقات الذرية العليا من المواد. منذ سيمز ثابت حتى يسبب بعض الدمار على السطح ، ويعتبر أن يكون أقل "غير مدمرة" من الطريقتين.

تسمح هذه التقنيات الحساسة للسطح بتحليل النانومترات القليلة الأولى من المادة ، بما في ذلك الطلاء المتعمد أو غير المقصود ، والتي ، بالنسبة للمواد النانوية ، يمكن أن تؤثر بشكل كبير على خصائص المواد. أمثلة على الطلاء المتعمد هي وضع حد أقصى للطبقات على النقاط الكمية لتحسين غلة الكم الإضاءة الضوئية والحد من التفاعل ^{البيئي9}، الألومينا أو طلاء السيليكا للوقاية من النشاط الحفز الضوئي من الجسيمات النانوية تيتانيا في حاصرات ^الشمس10، والوظيفية السطحية لتمكين التكيف البيولوجي والنشاط البيولوجي ^{اللاحق11}، والطلاء لتطبيقات التشخيص وتسليم الأدوية12 ، والطلاء الفلوروكربون على الجسيمات المغناطيسية ل ferrofluids والأنظمة المعدنية الأساسية قذيفة لتعزيز خصائص ^محفز13. الطلاء غير المقصود، مثل الأكسدة، والتلوث السطحي، أو الهالات البروتينية في النظم البيولوجية لها تأثير قوي مماثل على خصائص الجسيمات النانوية، ومن الأهمية بمكان أن إجراءات الإعداد التجريبية تضمن عدم تدمير الطلاء والكيمياء السطحية للمادة النانوية أو تحويلها بشكل عام. ومن الأهمية بمكان أيضا تقييم خصائص الجسيمات النانوية لأنها في الموقع، حيث يمكن تغيير خصائصها بشكل جذري عن طريق التغيير ^2,14,15. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تركيز مثبتات في تعليق الجسيمات النانوية تؤثر بشكل كبير على تحليل والسلامة الهيكلية للجسيمات النانوية. يمكن أن يؤدي وجود مثبت إلى إشارات كبيرة غير مرغوب فيها (على سبيل المثال ، C و H و O و Na) في التحليل ، في حين أن إزالته يمكن أن تؤدي إلى تلف أو تكتل الجسيمات النانوية.

نظرا لحجمها ومساحة سطحها ، وظروف تخزين الجسيمات النانوية تؤثر أيضا على سلوكهم ، سواء والمساحيق المخزنة / تعليق وعينات المعدة. وقد تبين في دراسات مختلفة أن تأثير ظروف التخزين دون المستوى الأمثل، ولا سيما تخزين درجة حرارة الغرفة والتعرض للضوء، يسبب تدهور الجسيمات النانوية التي ثبت أنها تغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية و/أو السمية للجسيمات14,15,16,17,18 . وقد ثبت أن الجسيمات النانوية الأصغر تتأكسد بسرعة أكبر من الجسيمات الأكبر حجما التي تعتمد معدلات الأكسدة/التحلل على ظروف ^{التخزين15} وكذلك كيمياء ^السطح14. وقد ثبت أن آثار تدهور الجسيمات النانوية أثناء التخزين تؤثر بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية الكيميائية بما في ذلك ^{السمية14} ، في حين أن النمو التأكسدي يمكن أن يستمر إلى الداخل على حساب ^core15.

ولذلك فإن التخزين الدقيق للمواد النانوية وإعدادها أمر ضروري لإجراء تحليل سطحي دقيق، وينبغي النظر بعناية في أي عوامل يمكن أن تؤثر على سطح العينة و/أو نوعية القياسات. وتجدر الإشارة إلى أنه نظرا للدقة المكانية المنخفضة نسبيا لنظام XPS (في نطاق ميكرومتر) و ToF-SIMS (بضع مئات نانومتر)، لا يمكن التحقيق إلا في مجموعة فرعية صغيرة من الجسيمات النانوية؛ هذه الأساليب المتوسط على مساحة وليس لديهم القدرة على صورة جزيئات واحدة كما هو ممكن مع تقنيات مثل المجهر الإلكتروني. لهذا السبب، يتطلب أي تحليل ترسب الجسيمات النانوية في طبقة مستمرة لضمان عدم وجود تداخل من الركيزة. ولذلك غالبا ما تستخدم المجهر الإلكتروني وXPS/ToF-SIMS معا كأساليب تكميلية لتحليل المواد النانوية.

وبصرف النظر عن التغيرات في كيمياء السطح، فإن التحديات الرئيسية لإعداد عينات الجسيمات النانوية لتحليل XPS و ToF-SIMS هي إعداد طبقة متجانسة لزيادة القابلية للتكرار؛ gapless ، للحد من مساهمة الركيزة في الأطياف ؛ رقيقة بما يكفي لتجنب آثار الشحن (للعينات غير موصل)؛ وثابتة بشكل آمن إلى الركيزة، لتجنب الجسيمات النانوية الحرة دخول وإتلاف الأدوات فراغ فائقة الصهاريج

يمكن إيداع الجسيمات النانوية على الركيزة من التعليق أو كمسحوق. أولا، سوف نناقش الطرق المختلفة لإيداع الجسيمات النانوية من التعليق. رقائق السيليكون هي ركيزة شائعة الاستخدام لترسب التعليق ، لأنها رخيصة نسبيا ، ومتاحة بسهولة كمنتج نقي للغاية يتكون من السيليكون النقي أو المخدر (يتجنب المنشطات تأثيرات الشحن) ، وبالنسبة لمعظم الجسيمات النانوية لا تتداخل القمم الطيفية مع القمم النموذجية للجسيمات النانوية. وهذه النقطة الأخيرة هامة؛ فهي مهمة جدا. قبل التحليل ينبغي التأكد من أن قمم الركيزة منفصلة بشكل جيد عن القمم المتوقعة من الجسيمات النانوية ، وإلا فإن تفسير الأطياف معقد أو مستحيل ولا يمكن التحقق من التغطية المستمرة للركيزة بواسطة الجسيمات النانوية. قبل استخدام رقائق السيليكون ، من الضروري إجراء تنظيف واسع النطاق (موضح في هذا المنشور) لإزالة الملوثات (العضوية) وزيادة قابلية التخلص من السطح. وقد استخدمت بنجاح ركائز مناسبة أخرى مثل الأفلام الذهبية، والجرافيت البيريوليتي عالي الطلب (HOPG)، أو رقائق النديوم، ولكن النقاش حول إعدادها خارج نطاق هذا ^{العمل19،20،21،22}.

ثانيا، نقدم طرق إيداع مساحيق الجسيمات النانوية على ركيزة لتحليل XPS و ToF-SIMS وتقديم مزايا وعيوب كل طريقة، مما يسمح للباحثين الجدد في التقنيات بالعثور على طريقة الإعداد المثلى لأغراضهم. ثالثا، نناقش cryofixation، وهو طريقة إعداد مناسبة للحفاظ على ميزات مثل سلوك التكتل، الهالة العضوية، واجهة صلبة / ^{مائي23،24} أو التوزيع في وسائل الإعلام ^{البيولوجية25} من NPs. Cryofixation، عادة تجميد سريع للمواد في cryogen النيتروجين المبرد السائل والتحليل في حالة رطب المجمدة، يسمح تحليل وتصور الجسيمات النانوية مباشرة في المصفوفات المعقدة. هذا الإجراء لا يسبب تشكيل بلورة الجليد ولكن يشكل الجليد غير متبلور أن يحافظ على الأغشية والهياكل الخلوية والأنسجة في حالتها البيولوجية الأصلية، وتجنب الضرر الناجم عن عمليات بلورة المياه وتمكين التوزيع الكيميائي الدقيق لجميع الأيض الخلية ومركبات غشاء الخلية للحفاظ ^{على26،27،28} . قد تكون طريقة التحضير هذه ذات أهمية خاصة لتقديم خريطة كيميائية دقيقة للغلومرات أو الهتيروغلوميرات الفعلية ل NP ، أو تصور المساحة الكيميائية الدقيقة على مقربة من الجسيمات النانوية مباشرة في التعليق ، أو ربط إما الميزات الخاصة بأنسجة الخلية أو المقصورات داخل الخلية داخل الجسيمات المضادة للنفث أو الهيملوميرات.

وكما هو مبين من خلال النتائج المعروضة في هذا العمل، فإن الإجراء الأنسب في حالة معينة يعتمد على مجموعة متنوعة من المعلمات مثل الجسيمات النانوية المائية والاستقرار والتوصيلية والحالة (مثل المسحوق أو التعليق) والسؤال التحليلي المطروح (على سبيل المثال، الحجم أو الخصائص السائبة أو الطلاء السطحي). يتم تقديم مجموعة متنوعة من الأساليب هنا التي يمكن استخدامها لإعداد NPs للتحليل السطحي ، فضلا عن مقارنة مزاياها وعيوبها.

Protocol

تنبيه: لا تزال الخصائص السمية للجسيمات النانوية قيد التحقيق؛ نظرا لحجمها فإنها يمكن أن تشكل مخاطر فريدة من نوعها في البشر وكذلك في البيئة حتى عندما تتكون من مواد غير خطرة في جوهرها. قبل القيام بأي عمل مع الجسيمات النانوية، ينبغي الانتهاء من تقييم المخاطر المناسبة، ووضع الضوابط الهندسية المناسبة، وإجراءات المختبر، ومعدات الحماية الشخصية (معدات الحماية الشخصية)، اعتمادا على مستوى الخطر من المواد التي سيتم ^{دراستها29،30،31،32}.

1. إعداد رقائق سي

ملاحظة: هذه الخطوات ضرورية لإزالة التلوث غير المرغوب فيه (العضوي) وزيادة قابلية التخلص من السطح. جميع المذيبات المستخدمة يجب أن تكون على الأقل درجة ACS. حمام سونيكيشن القياسية (35 كيلو ه و 120 واط) مناسبة.

1. التنظيف الكيميائي الرطب من رقائق سي
   1. وضع رقاقة سي في كوب مع ايزوبروبانول وفوق صوتيات لمدة 5 دقائق.
   2. نقل رقاقة سي إلى كوب مع محلول تنظيف الزجاج القلوي و ultrasonicate لمدة 10 دقيقة.
   3. ضع الرقاقة في كوب مع ماء فائق النذر. تغيير الماء 10 مرات عن طريق صب الماء وإعادة ملء الكأس. فإن رقائق Si تبقى في الجزء السفلي بسبب تأثير الشعرية.
   4. جفف الرقاقة بغاز _N2 نظيف.
      ملاحظة: التجفيف مع _N2 يمنع تشكيل "حلقات القهوة" وغيرها من القطع الأثرية من تجفيف المياه.
   5. وضع رقاقة في كوب ثان مع ايزوبروبانول و ultrasonicate لمدة 10 دقيقة.
   6. جفف الرقاقة بغاز _N2 نظيف.
   7. وضع رقاقة في كوب مع الإيثانول و ultrasonicate لمدة 10 دقيقة.
   8. جفف الرقاقة بغاز _N2 نظيف. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا هنا.
2. البلازما أو الأشعة فوق البنفسجية / تنظيف الأوزون من رقائق السيليكون
   1. أدخل رقاقة Si في البلازما أو منظف الأشعة فوق البنفسجية / الأوزون والتبديل لمدة 30 دقيقة.
      ملاحظة: يجب أن تكون رقائق البلازما أو الأشعة فوق البنفسجية / الأوزون تنظيفها مباشرة قبل الاستخدام.

2. ترسب الجسيمات النانوية من التعليق

ملاحظة: طريق التعرض الأكثر شيوعا للجسيمات النانوية هو عن طريق الاستنشاق. يمكن أن يقلل العمل مع الإيقاف من مخاطر التعرض.

1. إعداد تعليق الجسيمات النانوية من مسحوق
   ملاحظة: كافة الكميات الموضحة هنا هي أمثلة. وينبغي تحسين هذه الطريقة للجسيمات النانوية معينة المستخدمة في كل حالة.
   1. تزن بدقة 15 ملغ من مسحوق الجسيمات النانوية (± 10٪) في أنبوب 10 مل.
   2. تزن بدقة في المياه فائقة البور ما يقرب من 8 مل.
   3. أغلق الأنبوب، احزم في أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل مع منشفة ورقية وضع في الدوامة عند 3000 دورة في الدقيقة لمدة 15 دقيقة.
2. إسقاط الصب من الجسيمات النانوية موصل كهربائيا من تعليق مائي
   1. ضع الرقاقة في منظف الأشعة فوق البنفسجية /الأوزون لمدة 30 دقيقة.
   2. ضع الرقاقة في نصف حامل الرقاقة وضع قطرة 3 ميكرولتر من تعليق الجسيمات النانوية في وسط الحلقة.
   3. جبل قطرها 6.07 ملم فيتون O-حلقة على رقاقة حول قطرة. الحرص على أن الخاتم لا تلمس قطرة.
   4. ضع الرقاقة في مجفف فراغ تحت فراغ من 4 مبار لمدة 15 دقيقة لتجفيف الرقاقة.
   5. إزالة رقاقة من desiccator ودراسة باستخدام المجهر الخفيف وXPS لتحديد أن طبقة الجسيمات متجانسة ومغلقة. كرر الخطوتين 2.2.1 و2.2.2 حتى يظهر التحليل طبقة مغلقة ومتجانسة. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا هنا.
3. طلاء الدوران للجسيمات النانوية غير الموصلة كهربائيا من التعليق المائي
   1. ضع الرقاقة في منظف الأشعة فوق البنفسجية /الأوزون لمدة 30 دقيقة.
      ملاحظة: بواسطة تعليق الطلاء الدوراني لتركيزات مختلفة باستخدام نفس البروتوكول، يمكن تحقيق مستويات مختلفة من التغطية السطحية.
   2. برمجة المعطف الدوار. برنامج عينة مناسبة هو: الخطوة 1: 500 دورة في الدقيقة / ثانية المنحدر إلى 1000 دورة في الدقيقة (5 ثانية)؛ الخطوة 2: 1000 دورة في الدقيقة/ثانية إلى 2000 دورة في الدقيقة (3 دقائق)؛ الخطوة 3: التباطؤ عند 2000 دورة في الدقيقة/الثانية إلى 0 دورة في الدقيقة.
   3. إدراج رقاقة في تدور coater والتبديل على فراغ لتثبيت.
   4. إيداع 80 ميكرولتر من التعليق على رقاقة وبدء البرنامج.
   5. إزالة رقاقة من تدور coater.
   6. تخزين العينة في رقاقة جديدة ونظيفة. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا هنا.
   7. تحليل العينة باستخدام SEM لتأكيد تغطية gapless من الركيزة.

3. ترسب الجسيمات النانوية من مسحوق

1. ترسب الجسيمات النانوية على أشرطة لاصقة على الوجهين ("عصا وتذهب")
   1. إصلاح لاصقة على الوجهين لحامل العينة وإزالة بطانة.
   2. خذ ملعقة من مسحوق الجسيمات النانوية واغمسها على المادة اللاصقة.
   3. نشر العينة على لاصق واضغط على لاصق مع ملعقة، حتى يتم الالتزام أكبر قدر ممكن من مسحوق.
   4. تأكد من أن المسحوق ثابت على الصنبور عن طريق عكس حامل العينة والتنصت عليه ، ومن خلال نفخ تيار من الغاز (على سبيل المثال ، النيتروجين) عبره. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا هنا.
      ملاحظة: بدلا من ذلك، يمكن وضع كمية صغيرة من مسحوق على سطح تنظيف (رقائق ألو أو الشريحة الزجاجية) والضغط من فوق مع حامل العينة لاصقة ومزدوجة الوجهين.
   5. ضع ملعقة من المسحوق على السطح النظيف. اضغط على حامل العينة مع لاصق على مسحوق من فوق.
   6. تأكد من أن المسحوق ثابت على الصنبور عن طريق عكس حامل العينة والتنصت عليه ، ومن خلال نفخ تيار من الغاز (على سبيل المثال ، النيتروجين) عبره. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا هنا.
2. إعداد حبيبات مسحوق الضغط
   1. تنظيف تماما جميع أجزاء من بيليه يموت، مع الحرص على عدم خدش السطح المصقول.
   2. عكس بيليه يموت والراحة على فاصل صغير.
   3. إدراج المكبس واحد بيليه الفولاذ المقاوم للصدأ، مع الجانب المصقول حتى، وسحب المكبس من خلال حتى يكون هناك مساحة كافية لملء مع عينة مسحوق.
   4. ملء يموت مع كمية صغيرة من العينة (1 طرف ملعقة كبيرة)، ومن ثم إدراج بيليه الفولاذ المقاوم للصدأ الثاني مع الجانب المصقول التي تواجه العينة.
   5. ضع القاعدة على الجسم وعكس بعناية. إذا كان الفراغ مرغوبا ومتاحا ، قم بإرفاق مضخة الفراغ بقاعدة بيليه يموت.
   6. ضع الموت في الصحافة، وتأكد من أن مركزه.
   7. تطبيق حمولة خفيفة (2 كيلو طن) لحوالي 20 ق والافراج عنهم.
   8. تطبيق حمولة أثقل (6 كيلو طن) لمدة 2 دقيقة والإفراج.
   9. بعد تحرير الحمل، حرر مضخة الفراغ.
      ملاحظة: نظرا لخصائص المواد المختلفة لمختلف الجسيمات النانوية، قد يكون من المفيد إعداد سلسلة من الكريات مع الأحمال المختلفة وأوقات التحميل لتحديد الظروف الملحة بيليه الأمثل.
   10. عكس الموت، ضع حلقة المستخلص في موضعها، وضع حمولة خفيفة (تصل إلى 1 كيلو طن) بين المكبس وخاتم المستخلص.
   11. إزالة أجزاء يموت من الصحافة واستخراج بعناية بيليه عينة مع ملاقط.
   12. قم بتركيب العينة برفق على رقاقة Si نظيفة باستخدام لاصق على الوجهين. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا هنا.

4. التبريد من تعليق الجسيمات النانوية

1. ملء الغرفة الرئيسية للجهاز تجميد سريع مع النيتروجين السائل.
2. ملء غرفة التبريد السريع تجميد مع cryogen (البروبان).
3. اسمح لجهاز التجميد السريع بالتبريد لدرجة حرارة التشغيل.
   ملاحظة: يتطلب جهاز التجميد السريع بعض الوقت للوصول إلى درجة حرارة التشغيل قبل إعداد العينة، وبالتالي يلزم إطار زمني معقول (بضع ساعات) للصق العينات بالتبريد.
4. قطرة المدلى بها 10-20 ميكرولتر من تعليق NP على رقاقة سي تنظيفها مع ماصة.
5. عقد رقاقة سي مع تحديد ملاقط، وضعه داخل جهاز تجميد يغرق.
6. نقل ملاقط تحديد إلى موقف يغرق.
7. اضغط على الزر لإسقاط العينة داخل cryogen.
8. انتظر عدة ثوان حتى يتم تجميد العينة بالكامل.
9. نقل العينات المجمدة في أسرع وقت ممكن في بيئة تبريد.
10. ضع العينة المبردة (رقاقة Si) في حامل العينة ونقلها داخل الجهاز.
    ملاحظة: للنقل، ينصح الجليد الجاف وتخزين عينة على المدى القصير ممكن. يمكن قياس العينات في حالة مجمدة باستخدام أداة مبردة أو مع إعدادات ToF-SIMS التقليدية بعد التثبيت عن طريق تجفيف العينة تجميدا.

النتائج

تعرض هذه الورقة مجموعة متنوعة من أساليب إعداد العينات للتحليل السطحي للجسيمات النانوية. وبما أن الخصائص الفيزيائية الكيميائية ل NP محددة ستحدد كلا من الطريقة المثلى لإعداد العينة (مثل، صب الإسقاط مقابل طلاء الدوران) وأفضل إجراء لتلك الطريقة (على سبيل المثال، تتطلب ركائز أو مذيبات مختلفة)، ينبغي التحقق من ملاءمة الطريقة المستخدمة عن طريق أساليب تحليلية بديلة وتحسينها إذا لزم الأمر. وتتسق النتائج التي تم التوصل إليها في هذا المنشور مع المؤلفات المنشورة سابقا في إظهار الحاجة إلى بروتوكولات وإجراءات متسقة لإعداد العينات، فضلا عن الحاجة إلى فحص الجودة لضمان أن تكون أساليب إعداد العينة وتنقيةها مناسبة وناجحة ولا تضر بالجسيمات النانوية22,33,34,35,36.

ولم تعالج هنا أساليب أخذ العينات والتخزين بالنسبة للنوابير الوطنية، حيث أنها موصوفة بالتفصيل في مراجع أخرى مختلفة14,15,16,17,18,37,38,38,39. وبطبيعة الحال، ينبغي توخي الحذر الشديد من أن العينات التي تم تحليلها تمثل التوزيع العام للجسيمات النانوية وأساليب أخذ العينات المناسبة التي تم تطويرها والتحقق من صحتها. كما تبين أن ظروف التخزين تؤثر بقوة على خصائص الجسيمات النانوية على مدى أشهر، ولذلك ينبغي النظر فيها بعناية. على سبيل المثال، نوصي بتخزين الجسيمات النانوية بكميات صغيرة في حاويات مغلقة بعيدا عن الضوء، ومن الناحية المثالية أقل من 4 درجات مئوية. ومن الأهمية بمكان أيضا أن يجري التخزين وأخذ العينات وإعداد العينات باستمرار وفقا للإجراءات التي تم التحقق من صحتها، كما يجري توثيقها بالتفصيل. وينبغي أن تتضمن هذه الوثائق البيانات الوصفية من الجهات الوطنية نفسها، مثل معلومات المصدر وظروف ^{التخزين40}. قد تكون أدوات مثل دفاتر المختبرات الإلكترونية (ELNs) مفيدة لتوثيق الإجراءات والبيانات الوصفية ل NP بشكل متسق، فضلا عن تمكين إنتاج البيانات وفقا لمبدأ FAIR (قابل للبحث، ويمكن الوصول إليه، وقابل للتشغيل البيني، وقابل لإعادة الاستخدام).

تحليل سطح دقيق وصحيح من NPs يتطلب أولا اختيار مناسب من الركيزة. لقد استخدمنا رقائق Si النظيفة كركائز لأنها متاحة بسهولة ودائمة وسهلة التنظيف وإجراء ومسطحة بما فيه الكفاية ، ولكن اعتمادا على أهداف التحليل ، يمكن أن تكون طبقة سطح أكسيد عيبا ، حيث لا يمكن تمييز الهيدروكربونات المغامرة على الركيزة عن تلك الموجودة على الجسيمات النانوية. عند الضرورة، يمكن استخدام مواد أخرى مثل الطلاء الذهبي أو البوليمري على رقائق Si، رقائق _Si3N4، أو HOPG (الجرافيت البيريوليتي عالي التوجيه)^{19،20،21،22}. الخطوة الأولى في إعداد العينة الموصوفة في هذه الورقة هي تنظيف رقاقة Si ، كما هو موضح في الشكل 1. يمكن التحقق من فعالية عملية التنظيف من خلال مجموعة متنوعة من الطرق بما في ذلك XPS ، كما هو موضح في الشكل 2. الملوثات الرئيسية (الكربون المغامر) نموذجية للعينات المخزنة في الهواء ويتم تقليلها بشكل كبير بعد عملية التنظيف. بالإضافة إلى ذلك، فإن hydroxylating سطح رقاقة عن طريق الأشعة فوق البنفسجية أو علاج الأوزون يتجنب تأثير حلقة القهوة من ترسب من تعليق مائي عن طريق تعزيز wettability ويؤدي، لذلك، إلى توزيع أكثر تجانسا من الجسيمات النانوية كما هو مبين في الشكل 3. ويمكن استخدام طرق التنظيف الكيميائية الرطبة البديلة لرقائق Si حسب الحاجة؛ هنا فقط مطلوب سطح نظيف بشكل مستنسخ بدلا من الإزالة الكاملة لجميع الملوثات العضوية أو طبقة أكسيد. إذا توقف البروتوكول بين خطوات التنظيف وترسب التعليق ، فيجب معالجة الرقاقة مرة أخرى تحت البلازما أو الأشعة فوق البنفسجية / الأوزون والإيقاف المودع بشكل مثالي في غضون 15 دقيقة من العلاج.

يحتوي تعليق 60 نانوية من Au-Ag للقشرة الأساسية الموضحة في القسم 2.2 على كمية كبيرة من سترات الصوديوم كمثبت ، وهو أمر شائع في تعليق الجسيمات النانوية. من أجل تحليل دقيق لهذه الجسيمات وخصائصها السطحية ، وخاصة عن طريق XPS ، يجب إزالة أكبر قدر ممكن من المثبت ، لأنه يخفف من الإشارة من الجسيمات النانوية ويسبب تأثيرات الشحن. من أجل إنشاء طريقة تنقية الأمثل لهذه الجسيمات النانوية، كما هو مبين في الصور الدقيقة SEM في الشكل 4، كانت إما dialyzed في المياه فائقة النقاء أو تنقيتها باستخدام الطرد المركزي وإعادة التشتت في ثلاثية. على الرغم من أن غسيل الكلى يبدو طريقة ألطف والطرد المركزي وإعادة التشتت أكثر عرضة للتسبب في التكتل وتجميع الجسيمات ، تظهر صور SEM تشوها وتلفا كبيرين في الجسيمات النانوية Au-Ag بعد غسيل الكلى (الشكل 4B) ، في حين أن الجسيمات الطرد المركزي / إعادة تشتيتها لا تزال سليمة (الشكل 4C ). هذا هو ملحوظ بشكل خاص مع الجسيمات النانوية المعدنية. فرضيتنا هي أن هناك كمية مثلى من سيترات الصوديوم التي تمكن بعض الاستقرار في الحل في حين لا تتداخل مع إشارة للجسيمات النانوية، وإزالة الكثير من مثبت يسبب ضررا للجسيمات النانوية. ويبين تقرير سابق أن هناك عددا أمثل من دورات الطرد المركزي لإزالة معظم سيترات الصوديوم؛ تجاوز هذا العدد يسبب بعض التجميع ^NP33. في هذه الدراسة، كان مطلوبا تسع دورات غسيل الكلى (ما مجموعه 36 ساعة) للحصول على تركيز سيترات مماثلة. ومع ذلك، أدت هذه الطريقة إلى كمية أكبر من التجميع من الطرد المركزي، فضلا عن التسبب في انخفاض في التشغيل السطحي. وتبين هذه النتائج أهمية التحقق من كل خطوة في إجراء التحضير لكل نوع مختلف من الجسيمات النانوية، ولا سيما مع عينات غير معروفة.

الجسيمات النانوية 60 نانومتر Au-Ag الأساسية قذيفة المستخدمة في هذا المثال هي مناسبة لإسقاط الصب بسبب الموصلية الكهربائية، وذلك لأن آثار الشحن ليست قضية ويمكن أن تولد بقعة سميكة عن طريق ترسب المتكررة باستخدام معدات قليلة نسبيا. هذه الطبقة سمكا لديه ميزة إعطاء قياسات أكثر استنساخها، والصب من تعليق أكثر تركيزا يمكن توفير الوقت عن طريق تقليل عدد من الخطوات ترسب. ويمكن أن تتأثر ترسب من قبل wettability الركيزة; يمكن أن ينتج سوء التبول بقعة جسيمات نانوية سميكة مفيدة للعينات التوصيلية ، في حين أن الترطيب الجيد يمكن أن ينتج طبقة نانوية أكثر تجانسا ، والتي يمكن أن تكون مفيدة للعينات التوصيلية والعازلة على حد سواء. وكما هو موضح في البروتوكول، فإن إسقاط صب تعليق الجسيمات النانوية يتطلب عادة تطبيقات متكررة للحصول على طبقة سميكة مع تغطية كاملة؛ وينبغي التحقق من ذلك باستخدام XPS، ولكن يمكن أيضا التحقق بسرعة وسهولة باستخدام المجهر البصري. ويبين الشكل 5 تطور تغطية القطيرات في صب قطرة من الجسيمات النانوية الأساسية للقشرة من محلول مائي؛ في هذه الحالة، مطلوب 13 خطوات إسقاط الصب لتحقيق التغطية الكاملة. صب قطرة مناسبة بشكل خاص للجسيمات موصل، أو تلك التي يمكن تعويض آثار الشحن بشكل كاف. وكما هو الحال مع الأساليب الأخرى الموصوفة في هذا المنشور، ينبغي تحسين صب الإسقاط لكل عينة حيث سيكون لمواد NP المختلفة خصائص مختلفة تتعلق بعمق المعلومات وتركيزها وحدود سماكة الفيلم. من المهم تجنب الأفلام السميكة جدا التي يمكن أن تسبب تكديس المواد العضوية بدورها تمنع إشارة NP.

طلاء متجانسة وجيدة الجودة يساعد على ضمان نتائج متسقة وقابلة للاستنساخ. بالإضافة إلى تركيز التعليق والمذيبات ومعلمات الطلاء الدوراني ، يمكن أن تتأثر جودة التعليق المغلف بالدوران سلبا بوجود الغبار أو الجسيمات الكبيرة الكبيرة الأخرى الكبيرة أو المجهرية. ويبين الشكل 6 التحسن في جودة الطلاء الدوراني لتعليق الجسيمات النانوية بعد الترشيح باستخدام فلتر حقنة 0.45 ميكرومتر. يجب تحديد الفلتر لضمان عدم إزالته للجسيمات النانوية من التعليق. وكانت تركيزات التعليق الثلاثة المختلفة الموصوفة في البروتوكول (90 و9.0 و0.9 ملغم/مل من 135 نانومترا من الجسيمات النانوية الأساسية للقشرة الأساسية PS-PTFE) تدور في نفس الظروف وتم تحليلها باستخدام SEM وXPS. تظهر الصورة العلوية والطيف في الشكل 7 الفيلم المصبوب من تعليق 90 ملغم /مل ، والذي يظهر تغطية متعددة الطبقات سميكة وعديمة الفجوة في صورة SEM بالإضافة إلى غياب ملحوظ لقمة Si في أطياف CPS ، مما يشير إلى عدم مساهمة الركيزة في الطيف. هذه العينة مثالية لتحليل XPS أو ToF-SIMS؛ بالإضافة إلى ذلك ، يمكن رؤية قمم F1s الأصغر من قشرة الجسيمات بوضوح في غياب إشارة كبيرة من الركيزة. العينة الثانية المدلى بها من تعليق 9.0 ملغ / مل يظهر الجسيمات في الغلوميرات الصغيرة ذات الطبقة الواحدة ، والتي لا تغطي السطح تماما. هذه العينة رقيقة جدا وغير متجانسة لتحليل XPS أو ToF-SIMS. وعلاوة على ذلك، يمكن أن يضعف التحليل الكمي بسبب مساهمة الكربون المغامر على الركيزة حتى بعد التنظيف الدقيق؛ على أقل تقدير ، يجب النظر في مثل هذا التأثير في ميزانية عدم اليقين للقياس. ومع ذلك، ستكون هذه العينة مثالية لتحليل SEM أو TEM لتوزيع حجم الجسيمات باستخدام برنامج تحليل الصور، حيث توجد الجسيمات في طبقة واحدة وفي عدد كاف (داخل الصورة) لتقديم تقييم مهم إحصائيا. العينة التي يتم أخذها من أقل تركيز (0.9 ملغم/مل) لا توفر تغطية مستمرة أو كثافة جسيم كافية لجعلها مناسبة لتحليل كيمياء السطح أو توزيع حجم الجسيمات. التحليل الكمي الموثوق به غير ممكن على الإطلاق بسبب التأثير المهيمن للركيزة.

Al2O3-TiO2 الأساسية قذيفة NPs إما مع PDMS أو طبقة الجلسرين الخارجي أعدت عن طريق إسقاط الصب من التعليق وكذلك من مسحوق باستخدام "عصا والذهاب" طريقة من أجل مقارنة آثار أساليب إعداد مختلفة على الطبقة الخارجية الحساسة. تم تحليل العينات مع ToF-SIMS ، حيث تم تحليل الأطياف باستخدام تحليل المكونات الرئيسية (PCA). PCA هو تقنية إحصائية للحد من أبعاد مجموعات البيانات الكبيرة من خلال إنشاء متغيرات جديدة غير مترابطة (المكونات الرئيسية) ، والتي تزيد من التباين في ^{البيانات41،42،43،44،45}. الفصل بين مجموعات عينة مختلفة على الرسم البياني المكون الرئيسي يسمح النتائج ليتم تحليلها بسهولة أكبر وتجميعها. وفي مؤامرة عشرات PCA في الشكل 8B، الذي يبين قوة التمييز لكل مجموعة بيانات بالمقارنة مع جميع مجموعات البيانات الأخرى (أي بين مجموعات عينات مختلفة) تظهر العينتان المعدتان من المسحوق درجات مختلفة جدا، في حين أن العينات المعدة من التشتت تظهر درجات متشابهة جدا. وتشير قطع التحميل المبينة في الشكل 8C إلى العلاقة بين المتغيرات، أي أن القمم هي التي تسهم أكثر من غيرها في المكونات الرئيسية المعنية. ويتم فرز جميع المكونات الرئيسية وفقا لمساهمتها في الفرق الملاحظ بين مجموعات البيانات، أي أن PCA1 يسهم أكثر من غيره في الفصل الملاحظ بين مجموعات البيانات المختلفة. ويهيمن على PC1 وجود (PDMS المغلفة NPs أعدت من مسحوق) أو غياب (جميع العينات الأخرى) من قمم PDMS، في حين PC2، عامل يمثل ثاني أكبر اختلاف داخل مجموعات البيانات، تمكن من التفريق بين _Al2O3 وتوج العضوية على NPs. وهذا يشير إلى أن الأطياف المقاسة من NPs المعدة من التعليق متشابهة جدا ويشير إلى أن PDMS وطبقات الجلسرين قد تكون أزيلت أو تضررت من التحضير من التعليق، إما من التعليق نفسه أو عملية التجفيف، مع إشارات مهيمنة من _Al2O3 أو _TiO2.

في حين أن الكريات المضغوطة يمكن أن توفر مزايا لإعداد عينات مسحوق مثل سهولة المناولة والاستقرار في الأدوات فائقة الفراغ (بما في ذلك القدرة على البصق دون إزاحة NPs في غرفة الفراغ العالي) ، فإن القوى العالية المعنية قد تضر أيضا بالجسيمات النانوية الحساسة ، كما رأينا بالفعل مع طرق التحضير الأخرى. وينبغي إعداد بروتوكول مناسب والتحقق من صحته.

في حالة تشتت NP ، يتجنب التبريد تعليق عينة قطرة الزهر آثار حلقة القهوة (بسبب التثبيت الفوري لتعليق NP وبالتالي القضاء على آثار التجفيف) وكذلك الحفاظ على الهياكل الأكبر الموجودة في التعليق. بالإضافة إلى ذلك، يتم تجنب تطبيق شريط لاصق. وينعكس ذلك بدوره في الإشارات المنخفضة، التي يمكن أن تعزى إلى الأملاح أو الملوثات أو غيرها من القطع الأثرية لإجراء إعداد العينة في أطياف الكتلة المعنية كما هو مبين في الشكل 9. الميزة الرئيسية للتجريب هي القدرة على الحفاظ على "كما هو" الفضاء الكيميائي حول الجسيمات النانوية و / أو الكيان الكيميائي للجسيمات الغلوميرات أو heteroagglomerates وكذلك ارتباطها بالسمات البيولوجية داخل الأنسجة أو الخلايا المفردة أو حتى التوطين المشترك للمقصورات داخل الخلايا ، دون انقطاع من خطوات معالجة العينات مثل التجفيف ، إسقاط الصب، ^الخ46'47. لقد أثبتنا قابلية تطبيق تقنية التبريد داخل الورقة الحالية وسلطنا الضوء على مزايا التبريد للجسيمات النانوية _TiO2. ونحن نؤكد أن cryofixation مناسبة بشكل خاص لتحليل العينات البيولوجية بسبب في حالتها الطبيعية دون خلع المواد الكيميائية بسبب عينات من القطع الأثرية إعداد. لمزيد من المعلومات المتعمقة حول تقنيات التثبيت للعينات البيولوجية ، تتم إحالة القارئ إلى ^{literature19،25،27،48،49}.

	XPS	ToF-سيمز
شعاع التحقيق	الفوتونات	ايونات
شعاع التحليل	الالكترونات	ايونات
الدقة المكانية*	> 1 ميكرومتر	0.1 ميكرومتر
عمق أخذ العينات	0.5 – 7.5 نانومتر	<2 نانومتر
حد الكشف	0.01 -0.1 الذرة ٪	ppb
التحديد الكمي	ممتاز (شبه كمي)	التحدي (آثار المصفوفة)
محتوى المعلومات	عنصري الترابط الكيميائي	عنصري جزيئي
التحليل العضوي	ممتازة	ممتاز في الوضع الثابت
* المحدد من قبل الشركة المصنعة

الجدول 1: مقارنة بين مختلف أساليب التحليل السطحي.

أسلوب	مناسبة ل	يعطي	مزايا	مساوئ	أنذر	عناصر التحكم	فحص
غسيل الكلي	تنقيه	إزالة مثبتات / الشوائب	بسيطة، والجهد المنخفض، لا معدات معقدة	عدم السيطرة على العملية	قد يسبب تلف الجسيمات النانوية	الوقت	الأضرار التي لحقت بالجسيمات النانوية (SEM)
الطرد المركزي/إعادة التشتت	تنقيه	إزالة مثبتات / الشوائب	مزيد من السيطرة على العملية، والتركيز المتزامن	كثيفة العمالة، تتطلب أجهزة طرد مركزي	قد يسبب التجميع أو التكتل	سرعة دوران الطرد المركزي، كمية المذيبات	التكتل/ التجميع/ الضرر الذي لحق بالجسيمات النانوية (SEM)
إسقاط الصب (تعليق)	NPs موصل دون طبقة خارجية حساسة	بقعة سميكة نسبيا المغلفة	بسيطة، لا معدات معقدة	يمكن أن تعطي سمك غير متجانسة، كثيفة الوقت	إعداد التعليق قد يضر قذائف NP الحساسة	تركيز التعليق، المذيبات (الركيزة wettability)	التغطية (المجهر الخفيف/XPS)
طلاء الدوران (تعليق)	NPs موصل أو غير موصل دون طبقة خارجية حساسة	طبقة متجانسة رقيقة، أو جزيئات مفردة	إعدادات متناسقة	يتطلب تحديد تجريبي للمعلمات المثلى	تصفية الغبار / الشوائب ، قد تكون التغطية غير متناسقة	التركيز، معلمات طلاء الدوران، المذيبات	ما قبل الترشيح، والتغطية، وسمك الطبقة (SEM / XPS)
"عصا وتذهب" (مسحوق)	مصادر القدرة النووية موصل وغير موصل غير عضوي مع طبقة خارجية حساسة	بقعة مسحوق على لاصقة	بسيطة، والجهد المنخفض، لا معدات معقدة	غير مناسب لNPs العضوية أو C التي تحتوي على، سمك الفيلم غير متناسقة	خطر إطلاق NP في الأدوات	تثبيت NPs على لاصق	الاستقرار في ظل ظروف فراغ عالية
ترسب في حفرة من كعب (مسحوق)	تحليل XPS؛ موصل / غير موصل الجسيمات العضوية أو غير العضوية	عينة جسيمات نانوية مضغوطة بخفة	لا اتصال مع مواد أخرى	لا تثبيت آمن ل NPs؛ غير مناسب ل ToF-SIMS	داغر من NP الافراج في الصكوك	اي	الميل بخفة إلى الجانب، لضمان ضغط مسحوق
الكريات المضغوطة (مسحوق)	مصادر القدرة النووية التوصيلية وغير موصلة، NPs البوليمرية	بيليه الصلبة	تمكن من تحليل NPs البوليمرية كما مسحوق	قد تلحق الضرر أو تلوث سطح NP	وينبغي تنظيف المواد جيدا لتجنب التلوث السطحي؛ قد تضر السطح	الحجم والضغط والوقت	الاستقرار في ظل ظروف فراغ عالية
تثبيت التبريد (تعليق)	تعليق NP مع طبقة ليغاند الحساسة؛ العينات البيولوجية	عينة صلبة	يحافظ على مورفولوجيا، الدولة البيولوجية الأصلية والهالة، ويقلل من تأثير حلقة القهوة	إعداد متطورة ومكلفة والتعامل مع العينة، ويتطلب المستخدم المهرة	درجة عالية من المهارات المطلوبة للتعامل مع العينات وتخزين العينات	التركيز، حجم القطيرات، درجة الحرارة	الحفاظ على التزجيج

الجدول 2: مقارنة أساليب إعداد العينة المختلفة.

الشكل 1: عملية تنظيف رقائق Si. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: أطياف XP من رقاقة سي قبل وبعد التنظيف. مسح قبل (رمادي) وبعد التنظيف (الأحمر)، مما يدل على انخفاض كمية الكربون من 13٪ إلى 2 في٪. تم الحصول على الأطياف مع Kratos سوبرا DLD (مانشستر، المملكة المتحدة) مع إشعاع آل Kα أحادي اللون. تم إصلاح العينات بشريط لاصق مزدوج على حامل العينة ، وكانت طاقة المرور 80 eV ، وعرض الخطوة 1 eV ، ووقت الإقامة 500 مللي ثانية. تم استخدام "وضع العدسة الهجينة". وكان حجم بقعة الأشعة السينية 300 × 700 ميكرومتر مربع. واستخدم مسدس فيضان للتعويض عن الرسوم. للتحليل الكمي، تم استخدام حزمة البرامج UNIFit ²⁰²⁰⁵⁰ ، وذلك باستخدام مناطق الذروة من قمم الكهروضوئي المقابلة تصحيحها مع خلفية Tougaard وتطبيعها مع عوامل سكوفيلد، يعني غير الممرونة مسارات حرة ووظيفة الإرسال. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: تأثير تنظيف الأشعة فوق البنفسجية/الأوزون على تجانس تشتت الجسيمات في صب قطرة من الجسيمات النانوية الأساسية القشرة الأساسية PTFE-PMMA من التعليق المائي. رقائق تنظيفها بالأشعة فوق البنفسجية / الأوزون تظهر انخفاضا كبيرا في حلقات القهوة، فضلا عن الالتصاق أفضل من الجسيمات إلى السطح. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: خيارات العلاج لإزالة الشوائب (مثل المثبتات) من تعليق الجسيمات النانوية صور SEM التي تظهر تأثير غسيل الكلى (أعلى اليمين) والطرد المركزي وإعادة التشتت في ثلاثية (أسفل اليمين) على 60 نانومتر Au-Ag الأساسية قذيفة نانوية. من الواضح أن الجسيمات النانوية تضررت من غسيل الكلى ، في حين أن الطرد المركزي ليس له تأثير مرئي. جميع أشرطة مقياس هي 100 نانومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: صور المجهر البصري من قطر الصب من 60 نانومتر قطر Au-Ag الجسيمات النانوية الأساسية قذيفة من تعليق مائي على رقائق السيليكون، مما يدل على تغطية كافية بعد 13 قطرات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: تعليق الجسيمات النانوية المغلفة بالدوران، قبل (يسار) وبعد الترشيح (الأيمن) مع فلتر حقنة 0.45 ميكرومتر. ويمكن رؤية التحسن في الجودة بعد الترشيح بوضوح. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: صور SEM وأطياف XPS من الجسيمات النانوية الأساسية ل PMMA-PTFE تدور بتركيزات مختلفة ، مما يدل على تأثير قمم الركيزة (من التغطية غير الكافية) على أطياف XPS. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8: تحليل المكون الرئيسي (PCA) مؤامرة النتيجة، المستمدة من أطياف TOF-SIMS من الجلسرين- وPDMS المغلفة Al2O3-TiO2 الأساسية قذيفة NPs. (أ) تخطيط هيكل NP؛ (ب) عشرات و (ج) تحميل المؤامرات بعد تحليل TOF-SIMS من قطرة يلقي (التشتت) و "العصا والذهاب" (مسحوق) أساليب التحضير. PC1 يمثل قمم ترتبط شظايا PDMS; PC2 يفصل العينات مع طلاء العضوية (عينات أعدت من مسحوق) من قمم _Al2O3 على ما يبدو من دون طلاء السطح. تم قياس الأطياف في الوضع الإيجابي على أداة IONTOF ToF-SIMS IV (ION-TOF GmbH، مونستر، ألمانيا) في وضع قياس الطيف (HCBU) مع شعاع أيون 25 كيلو فولت _Bi3⁺ مع كثافة جرعة قصوى من ¹⁰¹² أيون/^سم2. تم مسح حقل رؤية 150 × 150 ميكرومتر في وضع المنشار مع 125 × 125 بكسل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 9: قسم من أطياف كتلة ToF-SIMS من _TiO2 NPs. (أ) أعدت من مسحوق مع "العصا والذهاب" طريقة و (ب) بعد cryofixation من NP التشتت. أداة TOF-SIMS (أيون-TOF V; تم استخدام أيون-TOF GmbH، مونستر، ألمانيا) لتحليل الطيف الكتلي باستخدام مدفع أيون معدني سائل نبضي 30 كيلوفولت _Bi3⁺ (LMIG، تيار مباشر (dc)، 16 nA). وتم الحصول على كل طيف عن طريق مسح شعاع الأيونات على مساحة عينة 500 × 500 ميكرومتر. تم الحصول على أيونات ثانوية إيجابية في نطاق الكتلة 0-1200 دا باستخدام نبضات _Bi3^{+ 106}. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

وقد قدم عدد من الأساليب لإعداد الجسيمات النانوية لتحليل السطح باستخدام XPS و ToF-SIMS. وقد لخصنا مزايا وعيوب هذه الأساليب، فضلا عن المصادر المحتملة للخطأ ومدى ملاءمة المواد المختلفة، في الجدول 2. وكما هو مبين في النتائج التمثيلية، يمكن أن يؤثر إعداد الجسيمات النانوية بقوة على نجاح التحليل السطحي الناتج. بالإضافة إلى ذلك ، ليست جميع الطرق مناسبة لجميع أنواع الجسيمات بسبب عوامل مثل تداخل الإشارات مع الركيزة أو المواد المتصاعدة ، وتأثيرات الشحن في الأفلام السميكة غير إجراء ، وحالة الجسيمات النانوية كمسحوق أو تعليق ، والأضرار المحتملة للطبقات الخارجية الحساسة ، وتدمير الهياكل البيولوجية والمعلومات عن التجميع والواجهات ، أو ضعف أدوات الفراغ فائقة الدقة الحساسة لتحرير الجسيمات النانوية.

ونظرا لأن قياسات XPS و ToF-SIMS متوسطة على مساحة بدلا من قياس جزيئات مفردة، فمن الممكن فقط الحصول على نتائج قابلة للاستنساخ من طبقات متجانسة؛ ولذلك ينبغي تجنب تجميع أو تكتل الجسيمات على الركيزة. بالإضافة إلى ذلك ، تتسبب الطبقات السميكة جدا من المواد غير التوصيلية في تأثيرات الشحن أثناء التحليل ، مما قد يؤدي إلى قطع أثرية غير مرغوب فيها في الأطياف ، خاصة الشحن الجزئي الذي لا يمكن تعويضه بمدفع الفيضانات. من ناحية أخرى، تظهر الأفلام غير المكتملة إشارات قوية من الركيزة أو المواد المتصاعدة (مثل المواد اللاصقة)، والتي يمكن أن تتداخل مع القمم الحساسة من سطح الجسيمات. سمك مثالي للفيلم هو المواد التي تعتمد وينبغي أن تحدد تجريبيا من خلال تحليل الأفلام من سمك مختلف. على وجه الخصوص، ينبغي تحليل العينات المعدة باستخدام طلاء تدور مع SEM لضمان اكتمال الطلاء.

العمل مع تعليق NP يمثل مخاطر التعرض أقل ومتطلبات السلامة مقارنة بالعمل مع مساحيق NP. إسقاط الصب هو وسيلة بسيطة نسبيا مع متطلبات المعدات منخفضة ومناسبة بشكل خاص للجسيمات النانوية موصل في تعليق حيث سمك الفيلم لا يشكل مصدر قلق. في حين يمكن بسهولة تجفيف العينات في ظل الظروف الجوية ، فإن مجفف الفراغ يعمل على تقليل وقت تجفيف القطرات وكذلك حماية الرقائق من التلوث. يستخدم حلقة فيتون لتعديل أنماط التبخر من القطيرات وبالتالي تقليل تشكيل حلقات القهوة. يمكن أن تتأثر أنماط التبخر أيضا بدرجات الزهرية المائية الركيزة باستخدام بروتوكولات التنظيف أو بتطبيق الطلاء ^{البديل51,52} ، عن طريق التبخر في الغلاف الجوي ^{المذيب53} ، أو حتى عن طريق تسخين ^{الركيزة54}. ينصح بطلاء الدوران لتعليق الجسيمات النانوية غير موصل في التعليق لأنه قادر على توليد طبقة الجسيمات متجانسة رقيقة بما يكفي لتجنب آثار الشحن ولكن لا تزال سميكة بما يكفي لمنع ركيزة Si من المساهمة في أطياف XPS و ToF-SIMS. لكل نظام NP الفردية والتركيز، يجب أن يكون الأمثل كل من الطرد المركزي والمعلمات تدور طلاء ولكن يمكن بعد ذلك بشكل موثوق جدا أن تكون مستنسخة حتى على أدوات مختلفة. لأن قطرة تدور المغلفة هو دائما في منتصف رقاقة، دائرة نصف قطرها من التناوب غير ذي صلة ووحدة "الثورات في الدقيقة الواحدة" (دورة في الدقيقة) يمكن استخدامها. ويمكن بدلا من ذلك أن يودع التعليق على الرقاقة بعد بدء البرنامج؛ ومع ذلك، فإن هذا يتطلب مختلف المعلمات تدور طلاء وكمية أكبر من التعليق للحصول على طلاء سمكا.

بسبب صغر حجمها للغاية ، قد تنفصل الجسيمات النانوية عن الركيزة وتتحرك بحرية داخل غرفة الفراغ فائقة الصهاريج عند تأثرها بشعاع أيون أو أشعة سينية. هذه مشكلة خاصة للعينات المعدة مع مسحوق. في بعض الحالات، يمكن للجسيمات النانوية اختراق المكونات الحساسة للجهاز التي تتطلب صيانة مكلفة وتستغرق وقتا طويلا. نظرا للجهد التسارع تطبيقها، وخطر إتلاف أجزاء حساسة أكبر مع TOF-SIMS من مع XPS. يجب فحص العينات المسحوقة ، وخاصة تلك التي تم إعدادها باستخدام طريقة "العصا والذهاب" ، بعناية لضمان إصلاح المساحيق بشكل آمن بما فيه الكفاية ، خاصة لتحليل ToF-SIMS. ويمكن تأكيد ذلك، على سبيل المثال، عن طريق حمل العينة رأسا على عقب وتفجير تيار من الغاز (على سبيل المثال، _N2) عبرها. قبل التحليل ، يمكن أيضا ترك العينات بين عشية وضحاها في القفل الهوائي أو غرفة دخول العينة الأولية الأخرى للجهاز ، حيث يمكن أن يشير الفراغ المستقر إلى عدم وجود جزيئات فضفاضة من العينة. الجسيمات النانوية المعدة ككريات، ومع ذلك، يمكن حتى أن تبصق (في الجهد تسارع منخفض) دون الإضرار الصك. هذه الطريقة يمكن القضاء على الملوثات، وخاصة الهيدروكربونات، التي أدخلت من الصحافة، ويمكن أيضا تمكين تحليل السائبة من الجسيمات.

إعداد مساحيق NP في كعب صاحب العينة يسمح لإعداد عينات مع هندسة محددة وسطح مستو بشكل كلي. النقاط الحرجة هي نظافة الأداة للضغط على العينة ، واستخدام ضغط منخفض لتجنب التغيرات في سطح الجسيمات النانوية بسبب هذا الإجراء. و له مساوئ الحاجة إلى كمية عالية نسبيا من المواد، والمشاكل المحتملة مع فقدان المواد في أدوات عالية الفراغ. نحن لا ننصح بهذه الطريقة لتحليل ToF-SIMS ، حيث أن الجسيمات ليست مضغوطة أو مؤمنة بأي شكل من الأشكال.

وفيما يتعلق بمواد ال NP، فإن الاعتبار الأول لإعداد العينات هو إزالة أو تقليل التداخل بين ال NPs وركائز المواد المماثلة؛ على سبيل المثال، رقائق Si هي ركيزة غير مناسبة لتحليل NPs _SiO2 باستخدام XPS و ToF-SIMS، حتى مع تغطية العينة الكافية. يمكن تحليل الجسيمات النانوية المعدنية أو غير العضوية بسهولة كمسحوق على مادة لاصقة (على افتراض أنها لا تحتوي على طبقات عضوية أو طلاءات) بسبب عدم وجود تداخل إشارة بين الجسيمات النانوية واللصق على الوجهين ، وهي طريقة إعداد لن تكون مناسبة ل NPs البوليمرية. ويمكن أن يكون قطرة المدلى بها مع معدات قليلة نسبيا؛ ومع ذلك ، فمن المرجح أن تحتوي على كميات كبيرة من الشوائب والمثبتات من توليفها ، والتي يجب إزالتها بعناية دون ضرر للجسيمات. قد تتلف الجسيمات النانوية البوليمرية بسهولة أكبر عن طريق الضغط على الموت ولكنها قد تتماسك بسهولة أكبر في الكريات ، اعتمادا على الضغوط المستخدمة. الكريات أو الطلاء العضوي الناعم على سطح NP يمكن أيضا أن تكون حساسة للضرر. ترسب مباشر من الحل لديه القدرة على تلف الطلاء الحساسة إما من خلال التعليق أو عملية التجفيف ولكن من المفيد لتحليل NPs موجودة بالفعل في التعليق. Cryofixation هو وسيلة مناسبة لتحليل الهياكل الكيميائية، والأسطح أو واجهات في التعليق التي من شأنها أن تتلف أو دمرت من قبل مختلف تقنيات إعداد العينة الأخرى، ولكن يتطلب cryoequipment المتخصصة لكل من XPS و ToF-SIMS46'47.

بينما تصف هذه الورقة عدة طرق مثالية يمكن استخدامها لإعداد العينة، في كل حالة يجب تحسين الأسلوب والتحقق من صحته باستخدام أساليب تحليلية بديلة. وقد نشرت مؤخرا لمحة عامة مفصلة عن تأثير العوامل المختلفة^(22). وإلى جانب تطوير أساليب الإعداد المناسبة والتحقق منها، فإن توثيق هذه الخطوات له أيضا أهمية ^قصوى40. يعرض هذا المنشور بعض الأساليب سهلة المعالجة وهو دليل لتعديل أو تطوير أساليب جديدة وفقا لمتطلبات المهمة المحددة.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
4-figure Laboratory balance	Kern & Sohn GmbH	ADB200-4A
5 mm Pellet die	Specac	GS03060
Alkali glass cleaning solution	Sigma-Aldrich	Hellmanex™ III Z805939	Special cleaning solution for cuvettes
Carbon adhesive tabs	Plano	"Leit-Tabs" G3347
Clean laboratory beakers	any		e.g. 300 mL
Cryo-freezer	Electron Microscopy Sciences	EMS-002 Cryo Workstation
Dialysis tube with fasteners	Medicell Membranees Ltd	DTV12000.06.30	Molecular weight cut-off (MWCO) 12-14 kDa
Die press	any		Capable of 2 kN force
Disposable syringe, 1 mL, Luer-slip	TH Geyer	Labsolute 7657545	Any appropriate volume can be used
Double-sided adhesive	3M	Removable Repositionable Tape 665
Dry ice	Linde AG	ICEBITZZZ®	For short term storage/cooling
Eppendorf transfer pipette and tips	Eppendorf	various	Check correct size for planned pipetting volume
Ethanol, ACS grade	Merck KGaA	1009832500
FFP2 or FFP3 mask	various		For working with nanoparticles from non-hazardous materials, when not in a fume hood or glove box
Isopropanol, ACS grade	Merck KGaA	1096342500
Lab coat, gloves and goggles	any
Laboratory centrifuge	Eppendorf	Centrifuge 5430
Laboratory fume hood	any		necessary for working with nanoparticles
Laboratory stirrer & stirrer bar	NeoLab	D-6010
Lint-free wipes	Kimberley Clark Professional	Kimtech Science Precision wipes	Recommended for working with Si wafers
Liquid Nitrogen	Linde AG	Stickstoff flüssig 5.0	Only for cooling of the cryogen.
Microtube/centrifuge tube 1,5 mL	T.H. Geyer GmbH & Co. KG	Labsolute 7696751
Nitrogen 5.0	any		99.999% purity
Pasteur pipette, PE, plastic 3 mL	TH Geyer	Labsolute 7 691 203
Pasteur pipette, PE, plastic 3 mL	TH Geyer	Labsolute 7 691 203
Powder sample holder	BAM workshop		"Home-made" sample holder
Propane	Sigma-Aldrich	769037	The cryogen should be of highest possible purity.
Sample vial or centrifuge tube 1 mL	Greiner Bio-One GmbH	Cellstar 188 261	Should be capable of being fixed in the Vortexer
Silicon wafers	any		ideally 1cm2 pre-cut
Spin-coater	SPS Europe	SPIN150i-NPP
Syringe filter 0,45 µm	Th Geyer	Labsolute 7699803	For smaller samples; larger versions exist for larger sample volumes
ToF-SIMS	IONTOF GmbH	ToF-SIMS IV or V, equipped with Bi LMIG and flood gun
Tweezers for handling Si wafers	any
ultrapure water	TKA	MicroPure 08.1202
Ultrasonicator	Bandelin	Sonorex Super
UV/Ozone cleaner	NanoBioAnalytics	UVC-1014
Vacuum dessicator	any
Vacuum pump (membrane/diaphragm)	Vacuubrand GmbH	Type MD-4T
Viton O-ring 6.07 x 1.78 mm	Betech GmbH	2-010, FKM 80
Vortexer	Heathrow Scientific	Vortexer HS120212
Wafer Holder 25mm coin style	Semiconductor Production Systems Europe	eWB0091-ASSY-1
XPS	Kratos	Kratos Axis Ultra DLD