Este proyecto ha recibido financiación del Programa Horizonte 2020 de la Unión Europea (H2020) en virtud del acuerdo de subvención n.º 720952 (ACEnano). A los autores les gustaría agradecer a Sigrid Benemann por las mediciones SEM, Markus Schneider por las mediciones ToF-SIMS y PCA, y Philipp Reichardt por la ayuda con la filmación.

PRECAUCIÓN: Las propiedades toxicológicas de las nanopartículas aún están bajo investigación; debido a su tamaño, pueden presentar peligros únicos en los seres humanos, así como en el medio ambiente, incluso cuando consisten en materiales intrínsecamente no peligrosos. Antes de realizar cualquier trabajo con nanopartículas, se debe completar una evaluación de riesgos adecuada y establecer controles de ingeniería, procedimientos de laboratorio y EPI (equipos de protección individual) adecuados, dependiendo del nivel de peligro de los materiales a estudiar29,30,31,32.
1. Preparación de obleas de Si
NOTA: Estos pasos son necesarios para eliminar la contaminación no deseada (orgánica) y aumentar la humectabilidad de la superficie. Todos los disolventes utilizados deben ser al menos de grado ACS. Un baño de sonicación estándar (35 kH y 120 vatios) es adecuado.
<ol><li>Limpieza química húmeda de obleas de Si<ol>
<li>Coloque la oblea Si en un vaso de precipitados con isopropanol y ultrasonido durante 5 min.</li>
		<li>Transfiera la oblea Si a un vaso de precipitados con una solución de limpieza de vidrio alcalino y ultrasonido durante 10 minutos.</li>
		<li>Coloque la oblea en un vaso de precipitados con agua ultrapura. Cambie el agua 10 veces vertiendo el agua y rellenando el vaso de precipitados; las obleas de Si permanecerán en la parte inferior debido al efecto capilar.</li>
		<li>Seque la oblea con gas N2 limpio. NOTA: El secado con N2 evita la formación de "anillos de café" y otros artefactos del secado con agua.</li>
		<li>Coloque la oblea en un segundo vaso de precipitados con isopropanol y ultrasonido durante 10 minutos.</li>
		<li>Seque la oblea con gas N2 limpio.</li>
		<li>Coloque la oblea en un vaso de precipitados con etanol y ultrasonido durante 10 minutos.</li>
		<li>Seque la oblea con gas N2 limpio. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Limpieza por plasma o UV/ozono de obleas de silicio<ol>
<li>Introduzca la oblea Si en el plasma o el limpiador UV/ozono y enciéndala durante 30 min. NOTA: Las obleas deben limpiarse con plasma o UV/ozono inmediatamente antes de su uso.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Deposición de nanopartículas de la suspensión
NOTA: La vía de exposición más común para las nanopartículas es por inhalación. Trabajar con suspensiones puede minimizar los riesgos de exposición.
<ol><li>Preparación de la suspensión de nanopartículas a partir de polvo NOTA: Todas las cantidades descritas aquí son ejemplos. El método debe optimizarse para las nanopartículas particulares utilizadas en cada caso.<ol>
<li>Pesar con precisión 15 mg de polvo de nanopartículas (± 10%) en un tubo de 10 ml.</li>
		<li>Pesa con precisión aproximadamente 8 ml de agua ultrapura.</li>
		<li>Cierre el tubo, embale un tubo centrífugo de 50 ml con toalla de papel y colóquelo en el vórtice a 3.000 rpm durante 15 min.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fundición a gota de nanopartículas eléctricamente conductoras a partir de suspensión acuosa<ol>
<li>Coloque la oblea en el limpiador UV/ozono durante 30 min.</li>
		<li>Coloque la oblea en la mitad del soporte de la oblea y coloque una gota de 3 μL de suspensión de nanopartículas en el centro del anillo.</li>
		<li>Monte una junta tórica Viton de 6,07 mm de diámetro en la oblea alrededor de la gota. Tenga cuidado de que el anillo no toque la gota.</li>
		<li>Coloque la oblea en un desecador al vacío bajo un vacío de 4 mbar durante 15 minutos para secar la oblea.</li>
		<li>Retire la oblea del desecador y examine utilizando microscopía de luz y XPS para determinar que la capa de partículas es homogénea y cerrada. Repita los pasos 2.2.1 y 2.2.2 hasta que el análisis muestre una capa cerrada y homogénea. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Recubrimiento por espín de nanopartículas eléctricamente no conductoras de suspensión acuosa<ol>
<li>Coloque la oblea en el limpiador UV/ozono durante 30 min. NOTA: Mediante suspensiones de recubrimiento por espín de diferentes concentraciones utilizando el mismo protocolo, se pueden lograr diferentes niveles de cobertura superficial.</li>
		<li>Programe el spin-coater. Un programa de muestra adecuado es: paso 1: rampa de 500 rpm/s a 1.000 rpm (5 s); paso 2: rampa de 1.000 rpm/s a 2.000 rpm (3 min); paso 3: desaceleración a 2.000 rpm/s a 0 rpm.</li>
		<li>Inserte la oblea en el recubrimiento de centrifugado y encienda el vacío para la fijación.</li>
		<li>Deposite 80 μL de la suspensión en la oblea e inicie el programa.</li>
		<li>Retire la oblea del recubrimiento giratorio.</li>
		<li>Guarde la muestra en un nuevo wafertray limpio. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
		<li>Analice la muestra utilizando SEM para confirmar la cobertura sin huecos del sustrato.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Deposición de nanopartículas a partir de polvo
<ol><li>Deposición de nanopartículas en cintas adhesivas de doble cara ("stick and go")<ol>
<li>Fije el adhesivo de doble cara al soporte de la muestra y retire el revestimiento.</li>
		<li>Tome una punta de espátula del polvo de nanopartículas y sumérjala sobre el adhesivo.</li>
		<li>Extienda la muestra sobre el adhesivo y presione en el adhesivo con la espátula, hasta que se adhiera la mayor cantidad posible del polvo.</li>
		<li>Compruebe que el polvo está fijado en el grifo invirtiendo y golpeando el soporte de la muestra, y soplando una corriente de gas (por ejemplo, nitrógeno) a través de él. El protocolo se puede pausar aquí. NOTA: Alternativamente, se puede colocar una pequeña cantidad de polvo sobre una superficie limpia (lámina de aluminio o portaobjetos de vidrio) y presionarse desde arriba con el adhesivo y el soporte de muestra de doble cara.</li>
		<li>Coloque una punta de espátula del polvo sobre la superficie limpia. Presione el soporte de la muestra con el adhesivo sobre el polvo desde arriba.</li>
		<li>Compruebe que el polvo está fijado en el grifo invirtiendo y golpeando el soporte de la muestra, y soplando una corriente de gas (por ejemplo, nitrógeno) a través de él. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparación de pellets de polvo prensado
	<ol>
<li>Limpie a fondo todas las partes de la matriz de pellets, teniendo cuidado de no rayar la superficie pulida.</li>
		<li>Invierta el troquel de pellets y descanse en un pequeño espaciador.</li>
		<li>Inserte el émbolo y un gránulo de acero inoxidable, con el lado pulido hacia arriba, y tire del émbolo hasta que haya suficiente espacio para llenar con la muestra en polvo.</li>
		<li>Llene el troquel con una pequeña cantidad de muestra (1 punta de espátula grande) y luego inserte el segundo pellet de acero inoxidable con el lado pulido frente a la muestra.</li>
		<li>Coloque la base sobre el cuerpo y invierta cuidadosamente. Si se desea un vacío y está disponible, conecte la bomba de vacío a la base de la matriz de pellets.</li>
		<li>Coloque el troquel en una prensa, asegurándose de que esté centrado.</li>
		<li>Aplicar una carga ligera (2 kN) durante aproximadamente 20 s y soltar.</li>
		<li>Aplicar una carga más pesada (6 kN) durante 2 min y soltar.</li>
		<li>Después de liberar la carga, suelte la bomba de vacío. NOTA: Debido a las diferentes propiedades del material de varias nanopartículas, puede ser ventajoso preparar una serie de pellets con diferentes cargas y tiempos de carga para determinar las condiciones óptimas de prensado de pellets.</li>
		<li>Invierta la matriz, coloque el anillo extractor en su posición y coloque una carga ligera (hasta 1 kN) entre el émbolo y el anillo extractor.</li>
		<li>Retire las piezas de la matriz de la prensa y extraiga cuidadosamente el pellet de muestra con pinzas.</li>
		<li>Monte suavemente la muestra en una oblea de Si limpia con adhesivo de doble cara. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Criofijación de suspensiones de nanopartículas
<ol><li>Llene la cámara principal del dispositivo de congelación rápida con nitrógeno líquido.</li>
	<li>Llene la cámara de congelación rápida enfriada con el criógeno (propano).</li>
	<li>Permita que el dispositivo de congelación rápida se enfríe a su temperatura de funcionamiento. NOTA: El dispositivo de congelación rápida requiere algún tiempo para alcanzar la temperatura de funcionamiento antes de la preparación de la muestra, por lo tanto, se requiere un plazo razonable (unas pocas horas) para la criofija de las muestras.</li>
	<li>Fundición a gota de 10–20 μL de suspensión NP sobre una oblea de Si limpia con una pipeta.</li>
	<li>Sosteniendo la oblea Si con pinzas de fijación, colóquela dentro del dispositivo de congelación de inmersión.</li>
	<li>Mueva las pinzas de fijación a la posición de hundimiento.</li>
	<li>Presione el botón para dejar caer la muestra dentro del criógeno.</li>
	<li>Espere varios segundos hasta que la muestra esté completamente congelada.</li>
	<li>Transfiera las muestras congeladas lo más rápido posible a un ambiente enfriado.</li>
	<li>Coloque la muestra criofijada (oblea de Si) en el soporte de la muestra y transfiérala dentro del instrumento. NOTA: Para el transporte, se recomienda el hielo seco y es posible el almacenamiento de muestras a corto plazo. Las muestras se pueden medir en estado congelado con un instrumento refrigerado o con ajustes ToF-SIMS convencionales después de la estabilización mediante la liofilización de la muestra.</li>
</ol>

Los autores no tienen intereses contrapuestos que revelar.

Se han presentado varios métodos para la preparación de nanopartículas para el análisis de superficies utilizando XPS y ToF-SIMS. Hemos resumido las ventajas y desventajas de estos métodos, así como las posibles fuentes de error e idoneidad para diferentes materiales, en la Tabla 2. Como se muestra en los resultados representativos, la preparación de nanopartículas puede influir fuertemente en el éxito del análisis de superficie resultante. Además, no todos los métodos son adecuados para todos los tipos de partículas debido a factores como la interferencia de la señal con el sustrato o los materiales de montaje, los efectos de carga en películas gruesas no conductoras, el estado de las nanopartículas como polvo o suspensión, el daño potencial a las capas externas sensibles, la destrucción de estructuras biológicas e información sobre agregación e interfaces, o la vulnerabilidad de los instrumentos sensibles de ultra alto vacío a las nanopartículas libres.
Debido a que las mediciones de XPS y ToF-SIMS promedian sobre un área en lugar de medir partículas individuales, solo es posible obtener resultados reproducibles a partir de capas homogéneas; por lo tanto, debe evitarse la agregación o aglomeración de las partículas en el sustrato. Además, las capas demasiado gruesas de materiales no conductores causan efectos de carga durante el análisis, lo que puede conducir a artefactos no deseados en los espectros, especialmente la carga parcial que no se puede compensar con una pistola de inundación. Por otro lado, las películas incompletas muestran señales fuertes del sustrato o materiales de montaje (por ejemplo, adhesivos), que pueden interferir con picos sensibles de la superficie de partículas. El espesor ideal de la película depende del material y debe determinarse experimentalmente mediante el análisis de películas de diferentes espesores. En particular, las muestras preparadas con recubrimiento de espín deben analizarse con SEM para garantizar la integridad del recubrimiento.
Trabajar con suspensiones NP presenta menos riesgos de exposición y requisitos de seguridad en comparación con trabajar con polvos NP. La fundición por gota es un método relativamente simple con bajos requisitos de equipo y es particularmente adecuado para nanopartículas conductoras en suspensión donde el grosor de la película no es una preocupación. Si bien las muestras se pueden secar fácilmente en condiciones atmosféricas, el desecador al vacío sirve para reducir el tiempo de secado de las gotas, así como para proteger las obleas de la contaminación. El anillo Viton se utiliza para modificar los patrones de evaporación de la gota y, por lo tanto, minimizar la formación de anillos de café. Los patrones de evaporación también pueden verse influenciados por la variación de la hidrofilia del sustrato mediante protocolos de limpieza o por la aplicación de recubrimientos alternativos51,52, por la evaporación en atmósferas solventes53, o incluso por el calentamiento del sustrato54. El recubrimiento por espín se recomienda para suspensiones de nanopartículas no conductoras en suspensión porque es capaz de generar una capa de partículas homogénea que es lo suficientemente delgada como para evitar efectos de carga, pero lo suficientemente gruesa como para evitar que el sustrato de Si contribuya a los espectros XPS y ToF-SIMS. Para cada sistema NP individual y concentración, tanto la centrífuga como los parámetros de recubrimiento de espín deben optimizarse, pero luego se pueden reproducir de manera muy confiable incluso en diferentes instrumentos. Debido a que la gota recubierta de espín siempre está en el medio de la oblea, el radio de rotación es irrelevante y se puede usar la unidad "revoluciones por minuto" (rpm). Alternativamente, la suspensión podría depositarse en la oblea después de iniciar el programa; sin embargo, esto requeriría diferentes parámetros de recubrimiento de espín y una mayor cantidad de suspensión para obtener un recubrimiento más grueso.
Debido a su tamaño extremadamente pequeño, las nanopartículas pueden desprenderse del sustrato y moverse libremente dentro de la cámara de ultra alto vacío cuando se impactan con un haz de iones o rayos X. Este es un problema particular para las muestras preparadas con polvo. En algunos casos, las nanopartículas pueden penetrar en los componentes sensibles del instrumento, lo que requiere un mantenimiento costoso y lento. Debido al voltaje de aceleración aplicado, el peligro de dañar piezas sensibles es mayor con ToF-SIMS que con XPS. Las muestras en polvo, en particular las preparadas con el método "stick and go", deben revisarse cuidadosamente para garantizar que los polvos se fijen de manera lo suficientemente segura, especialmente para el análisis ToF-SIMS. Esto se puede confirmar, por ejemplo, sosteniendo la muestra boca abajo y soplando una corriente de gas (por ejemplo, N2) a través de ella. Antes del análisis, las muestras también se pueden dejar durante la noche en la esclusa de aire u otra cámara de entrada de muestra inicial del instrumento, donde un vacío estable puede indicar que no hay partículas sueltas de la muestra. Las nanopartículas preparadas como gránulos, sin embargo, pueden incluso ser pulverizadas (a bajas tensiones de aceleración) sin dañar el instrumento; este método puede eliminar contaminantes, particularmente hidrocarburos, introducidos desde la prensa y también puede permitir el análisis a granel de las partículas.
La preparación de polvos NP en el talón del portamuestras permite la preparación de muestras con geometría definida y una superficie macroscópicamente plana. Los puntos críticos son la limpieza de la herramienta para presionar la muestra y el uso de una presión baja para evitar cambios en la superficie de las nanopartículas debido a este procedimiento. Tiene las desventajas de necesitar una cantidad relativamente alta de material y problemas potenciales con la pérdida de material en instrumentos de alto vacío. No recomendamos este método para el análisis ToF-SIMS, ya que las partículas no están comprimidas ni aseguradas de ninguna manera.
Con respecto al material NP, la primera consideración para la preparación de muestras es la eliminación o minimización de la interferencia entre NP y sustratos de material similar; por ejemplo, las obleas de Si son un sustrato inadecuado para el análisis de NP de SiO2 utilizando XPS y ToF-SIMS, incluso con suficiente cobertura de muestra. Las nanopartículas metálicas o inorgánicas pueden analizarse fácilmente como polvo en un adhesivo (suponiendo que no contengan capas o recubrimientos orgánicos) debido a la falta de interferencia de señal entre las nanopartículas y el adhesivo de doble cara, un método de preparación que no sería adecuado para NP poliméricos. Las nanopartículas metálicas tienen más flexibilidad en términos de posible espesor de película utilizado debido a la ausencia de efectos de carga, y pueden ser lanzados con relativamente poco equipo; sin embargo, es probable que contengan grandes cantidades de impurezas y estabilizadores de su síntesis, que deben eliminarse cuidadosamente sin dañar las partículas. Las nanopartículas poliméricas pueden dañarse más fácilmente por el prensado de troqueles, pero también pueden mantenerse unidas más fácilmente en el pellet, dependiendo de las presiones utilizadas. Los gránulos o recubrimientos orgánicos blandos en la superficie de NP también pueden ser sensibles al daño. La deposición directa de la solución tiene el potencial de dañar los recubrimientos sensibles, ya sea a través de la suspensión o el proceso de secado, pero es ventajosa para analizar los NP ya presentes en la suspensión. La criofijación es un método adecuado para el análisis de estructuras químicas, superficies o interfaces en suspensión que podrían dañarse o destruirse por otras técnicas de preparación de muestras, pero requiere un crioequipo especializado tanto para XPS como para ToF-SIMS46'47.
Si bien este documento describe varios métodos ejemplares que se pueden utilizar para la preparación de muestras, en todos los casos el método debe optimizarse y validarse utilizando métodos analíticos alternativos. Recientemente se publicó una descripción detallada de la influencia de diferentes factores22. Además del desarrollo y la validación de métodos de preparación adecuados, la documentación de estos pasos también es de suma importancia40. Esta publicación presenta algunos métodos fáciles de manejar y es una guía para modificar o desarrollar nuevos métodos de acuerdo con los requisitos de la tarea específica.

Los nanomateriales se definen como materiales que tienen cualquier dimensión externa entre 1 nm y 100 nm o que tienen una estructura interna o superficial a esta escala1. Debido a las propiedades únicas que surgen de su pequeña escala y, en consecuencia, su gran superficie (entre otros factores), encuentran un uso cada vez mayor en una amplia variedad de campos, incluidos la agricultura, la química, la construcción automotriz, los cosméticos, el medio ambiente, la medicina, la impresión, la energía y los textiles. Este mayor uso significa que tanto el ser humano como el medio ambiente estarán expuestos, a una escala hasta ahora desconocida, a estos materiales cuyas propiedades toxicológicas aún no se conocen completamente, y cuyo tamaño permite su fácil integración en sistemas biológicos o ambientales2.
Después de las propiedades fundamentales del área de superficie y la distribución del tamaño de partícula / tamaño, la química de la superficie y los recubrimientos se identificaron como la propiedad más crucial de los nanomateriales3; Las partículas más pequeñas tienen un área de superficie más alta por unidad de masa y, por lo tanto, una mayor proporción de átomos superficiales a granel. De hecho, para nanopartículas de tamaño de 1 nm, más del 70% de los átomos se pueden encontrar en esquinas o bordes; esto influye fuertemente en las propiedades de la superficie, como la quimisorción, que depende en gran medida de la morfología de la superficie a escala atómica4. Las regulaciones que se ocupan de los nanomateriales requieren datos precisos sobre las propiedades fisicoquímicas y estimaciones confiables de las propiedades toxicológicas de estos materiales. Para estimar eficientemente las propiedades toxicológicas a partir de las propiedades físicas y químicas de los nanomateriales, la comunidad de nanomateriales requiere procedimientos analíticos confiables, estandarizados y verificados. Proyectos como ACEnano5 tienen como objetivo recopilar y correlacionar datos físicos precisos y verificables de nanopartículas en un marco que permita una mejor regulación y caracterización de los nanomateriales. Este impulso hacia procedimientos analíticos estandarizados también ha sido apoyado por los editores de ACS Nano, que desean "consolidar y acordar métodos de caracterización y niveles mínimos de análisis de materiales6". Además, XPS y ToF-SIMS ofrecen nuevas posibilidades para dilucidar la arquitectura de partículas de las nanopartículas core-shell7,8.
La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y la espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (ToF-SIMS), comparadas en la Tabla 1, son métodos bien establecidos para la investigación de átomos de superficie. En XPS, la muestra se irradia con rayos X que tienen una energía entre 1 y 2 keV, causando emisión de electrones debido al efecto fotoeléctrico. Estos electrones emitidos, que tienen una energía cinética en el mismo rango, se correlacionan con la energía de unión de los electrones en el sólido; por lo tanto, la aparición de fotoelectrones en estas energías de unión definidas e intensidades medibles permite el análisis cuantitativo de la composición. Dado que la vía libre media de estos fotoelectrones es inferior a 10 nm, XPS es una técnica altamente sensible a la superficie para el análisis cuantitativo. Además, el análisis detallado de las energías de unión en espectros altamente resueltos permite la determinación cuantitativa de los estados de valencia de estos electrones.
En ToF-SIMS, la superficie se pulveriza con un haz de iones enfocado (iones primarios), con los iones expulsados del material (iones secundarios) recogidos y analizados en un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo. El patrón de masa/carga obtenido permite la determinación de la composición elemental, isotópica o molecular. Debido a la vía libre media de los iones secundarios, esta técnica también es altamente sensible a la superficie y tiene una profundidad de información de 1-2 nm, pero es en el mejor de los casos semicuantitativa, debido al efecto de matriz por el cual la probabilidad de ionización (y por lo tanto el rendimiento) de los iones secundarios está fuertemente influenciada por su matriz circundante. ToF-SIMS se puede operar en modo estático o dinámico; la diferencia entre los dos es el flujo iónico primario que afecta a la superficie. El SIMS estático mantiene el flujo de iones primario a un nivel que impacta (es decir, fragmentos) en un máximo del 1% al 10% de la superficie; la superficie permanece relativamente intacta, lo que permite el análisis de las capas atómicas superiores de material. Dado que incluso el SIMS estático causa cierta destrucción en la superficie, se considera que es menos "no destructivo" de los dos métodos.
Estas técnicas sensibles a la superficie permiten el análisis de los primeros nanómetros del material, incluidos los recubrimientos intencionales o no intencionales, que, para los nanomateriales, pueden influir significativamente en las propiedades del material. Ejemplos de recubrimientos intencionales son capas de recubrimiento en puntos cuánticos para mejorar los rendimientos cuánticos de fotoluminiscencia y reducir la reactividad ambiental9, recubrimientos de alúmina o sílice para la prevención de la actividad fotocatalítica de nanopartículas de titania en bloqueadores solares10, funcionalización de superficies para permitir la bioconjugación y la actividad biológica posterior11, recubrimientos para aplicaciones de diagnóstico y administración de fármacos12 , y recubrimientos de fluorocarbono sobre partículas magnéticas para ferrofluidos y sistemas metálicos core-shell para mejorar las propiedades del catalizador13. Los recubrimientos no intencionales, como la oxidación, la contaminación superficial o las coronas de proteínas en los sistemas biológicos tienen una influencia igualmente fuerte en las propiedades de las nanopartículas y es crucial que los procedimientos de preparación experimental garanticen que el recubrimiento y, en general, la química superficial del nanomaterial no se destruyan ni transformen. También es crucial evaluar las propiedades de las nanopartículas tal como están in situ, ya que sus propiedades pueden verse drásticamente alteradas por el cambio2,14,15. Además, la concentración de estabilizadores en la suspensión de nanopartículas puede influir dramáticamente en el análisis y la integridad estructural de las nanopartículas; la presencia de un estabilizador puede dar lugar a grandes señales no deseadas (por ejemplo, C, H, O y Na) en el análisis, mientras que su eliminación puede provocar daños o aglomeración de las nanopartículas.
Debido a su tamaño y superficie, las condiciones de almacenamiento de las nanopartículas también afectan su comportamiento, tanto como polvos/suspensiones almacenados como muestras preparadas. En diversos estudios se ha demostrado que el efecto de las condiciones de almacenamiento subóptimas, en particular el almacenamiento a temperatura ambiente y la exposición a la luz, causan la degradación de las nanopartículas, lo que ha demostrado alterar las propiedades físicas, químicas y/o toxicológicas de las partículas14,15,16,17,18 . Se ha demostrado que las nanopartículas más pequeñas se oxidan más rápidamente que las más grandes con tasas de oxidación/degradación dependientes de las condiciones de almacenamiento15 y de la química de la superficie14. Se ha demostrado que los efectos de la degradación de las nanopartículas durante el almacenamiento afectan significativamente las propiedades fisicoquímicas, incluida la toxicidad14, mientras que el crecimiento oxidativo puede avanzar hacia el interior a expensas del núcleo15.
Por lo tanto, el almacenamiento y la preparación cuidadosos de los nanomateriales son esenciales para un análisis preciso de la superficie, y cualquier factor que pueda influir en la superficie de la muestra y / o la calidad de las mediciones debe considerarse cuidadosamente. Cabe señalar que debido a la resolución espacial relativamente baja de XPS (en el rango de μm) y ToF-SIMS (unos pocos cientos de nm), solo se puede investigar un pequeño subconjunto de las nanopartículas; estos métodos promedian sobre un área y no tienen la capacidad de obtener imágenes de partículas individuales como es posible con técnicas como la microscopía electrónica. Por esta razón, cualquier análisis requiere la deposición de las nanopartículas en una capa continua para garantizar que no haya interferencias del sustrato. Por lo tanto, la microscopía electrónica y XPS / ToF-SIMS se utilizan a menudo juntos como métodos complementarios para el análisis de nanomateriales.
Aparte de los cambios en la química de la superficie, los principales desafíos para la preparación de muestras de nanopartículas para el análisis XPS y ToF-SIMS son preparar una capa que sea: homogénea, para aumentar la reproducibilidad; gapless, para minimizar la contribución del sustrato a los espectros; lo suficientemente delgado como para evitar efectos de carga (para muestras no conductoras); y fijado de forma segura al sustrato, para evitar que las nanopartículas libres entren y dañen los instrumentos de ultra alto vacío
Las nanopartículas se pueden depositar sobre el sustrato desde la suspensión o como polvo. En primer lugar, discutiremos los diferentes métodos para depositar nanopartículas a partir de la suspensión. Las obleas de silicio son un sustrato comúnmente utilizado para la deposición en suspensión, porque son relativamente baratas, fácilmente disponibles como un producto altamente puro que consiste en silicio puro o dopado (el dopaje evita los efectos de carga), y para la mayoría de las nanopartículas los picos espectrales no se superponen con los picos típicos de las nanopartículas. Este último punto es importante; antes del análisis, debe asegurarse de que los picos del sustrato estén bien separados de los picos esperados de las nanopartículas, de lo contrario la interpretación de los espectros es complicada o imposible y no se puede verificar la cobertura continua del sustrato por parte de las nanopartículas. Antes de usar obleas de silicio, es necesario un procedimiento de limpieza extenso (descrito en esta publicación) para eliminar los contaminantes (orgánicos) y aumentar la humectabilidad de la superficie. Otros sustratos adecuados como películas de oro, grafito pirolítico altamente ordenado (HOPG) o láminas de indio se han utilizado con éxito, pero una discusión sobre su preparación está más allá del alcance de este trabajo19,20,21,22.
En segundo lugar, presentamos métodos para depositar polvos de nanopartículas en un sustrato para el análisis XPS y ToF-SIMS y presentamos las ventajas y desventajas de cada método, lo que permite a los investigadores nuevos en las técnicas encontrar el método de preparación óptimo para sus propósitos. En tercer lugar, discutimos la criofijación, que es un método de preparación adecuado para conservar características como el comportamiento de aglomeración, la corona orgánica, la interfaz sólido/acuosa23,24 o la distribución en medios biológicos25 de NP. La criofijación, típicamente congelación rápida de material en un criógeno líquido refrigerado por nitrógeno y análisis en estado congelado-hidratado, permite el análisis y visualización de nanopartículas directamente en matrices complejas. Este procedimiento no causa la formación de cristales de hielo, sino que forma hielo amorfo que mantiene las membranas y las estructuras celulares y tisulares en su estado biológico nativo, evitando el daño causado por los procesos de cristalización del agua y permitiendo mantener la distribución química exacta de todos los metabolitos celulares y compuestos de la membrana celular26,27,28 . Este método de preparación puede ser de particular interés para presentar un mapa químico exacto del aglomerado o heteroaglomerado NP real, visualizar el espacio químico exacto en las proximidades de la nanopartícula directamente en suspensión, o correlacionar características específicas del tejido celular o compartimentos intracelulares dentro de aglomerados o heteroaglorados NP.
Como se muestra a través de los resultados presentados en este trabajo, el procedimiento más adecuado en un caso particular depende de una variedad de parámetros como la hidrofilicidad, estabilidad, conductividad, estado (por ejemplo, polvo o suspensión) de las nanopartículas y la cuestión analítica en cuestión (por ejemplo, tamaño, propiedades a granel o recubrimientos superficiales). Aquí se presenta una variedad de métodos que se pueden utilizar para la preparación de NP para el análisis de superficie, así como una comparación de sus ventajas y desventajas.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>4-figure Laboratory balance</td>
			<td>Kern &#38; Sohn GmbH</td>
			<td>ADB200-4A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 mm Pellet die</td>
			<td>Specac</td>
			<td>GS03060</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alkali glass cleaning solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Hellmanex&#8482; III Z805939</td>
			<td>Special cleaning solution for cuvettes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon adhesive tabs</td>
			<td>Plano</td>
			<td>&#34;Leit-Tabs&#34; G3347</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clean laboratory beakers</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>e.g. 300 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cryo-freezer</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>EMS-002 Cryo Workstation</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dialysis tube with fasteners</td>
			<td>Medicell Membranees Ltd</td>
			<td>DTV12000.06.30</td>
			<td>Molecular weight cut-off (MWCO) 12-14 kDa</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Die press</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>Capable of 2 kN force</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable syringe, 1 mL, Luer-slip</td>
			<td>TH Geyer</td>
			<td>Labsolute 7657545</td>
			<td>Any appropriate volume can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double-sided adhesive</td>
			<td>3M</td>
			<td>Removable Repositionable Tape 665</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dry ice</td>
			<td>Linde AG</td>
			<td>ICEBITZZZ&#174;</td>
			<td>For short term storage/cooling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eppendorf transfer pipette and tips</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>various</td>
			<td>Check correct size for planned pipetting volume</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol, ACS grade</td>
			<td>Merck KGaA</td>
			<td>1009832500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FFP2 or FFP3 mask</td>
			<td>various</td>
			<td></td>
			<td>For working with nanoparticles from non-hazardous materials, when not in a fume hood or glove box</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropanol, ACS grade</td>
			<td>Merck KGaA</td>
			<td>1096342500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lab coat, gloves and goggles</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory centrifuge</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>Centrifuge 5430</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory fume hood</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>necessary for working with nanoparticles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory stirrer &#38; stirrer bar</td>
			<td>NeoLab</td>
			<td>D-6010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lint-free wipes</td>
			<td>Kimberley Clark Professional</td>
			<td>Kimtech Science Precision wipes</td>
			<td>Recommended for working with Si wafers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquid Nitrogen</td>
			<td>Linde AG</td>
			<td>Stickstoff fl&#252;ssig 5.0</td>
			<td>Only for cooling of the cryogen.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microtube/centrifuge tube 1,5 mL</td>
			<td>T.H. Geyer GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td>Labsolute 7696751</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen 5.0</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>99.999% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pasteur pipette, PE, plastic 3 mL</td>
			<td>TH Geyer</td>
			<td>Labsolute 7 691 203</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pasteur pipette, PE, plastic 3 mL</td>
			<td>TH Geyer</td>
			<td>Labsolute 7 691 203</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Powder sample holder</td>
			<td>BAM workshop</td>
			<td></td>
			<td>&#34;Home-made&#34; sample holder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Propane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>769037</td>
			<td>The cryogen should be of highest possible purity.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample vial or centrifuge tube 1 mL</td>
			<td>Greiner Bio-One GmbH</td>
			<td>Cellstar 188 261</td>
			<td>Should be capable of being fixed in the Vortexer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafers</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>ideally 1cm2 pre-cut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin-coater</td>
			<td>SPS Europe</td>
			<td>SPIN150i-NPP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe filter 0,45 &#181;m</td>
			<td>Th Geyer</td>
			<td>Labsolute 7699803</td>
			<td>For smaller samples; larger versions exist for larger sample volumes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ToF-SIMS</td>
			<td>IONTOF GmbH</td>
			<td>ToF-SIMS IV or V, equipped with Bi LMIG and flood gun</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers for handling Si wafers</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ultrapure water</td>
			<td>TKA</td>
			<td>MicroPure 08.1202</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonicator</td>
			<td>Bandelin</td>
			<td>Sonorex Super</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV/Ozone cleaner</td>
			<td>NanoBioAnalytics</td>
			<td>UVC-1014</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum dessicator</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum pump (membrane/diaphragm)</td>
			<td>Vacuubrand GmbH</td>
			<td>Type MD-4T</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Viton O-ring 6.07 x 1.78 mm</td>
			<td>Betech GmbH</td>
			<td>2-010, FKM 80</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortexer</td>
			<td>Heathrow Scientific</td>
			<td>Vortexer HS120212</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wafer Holder 25mm coin style</td>
			<td>Semiconductor Production Systems Europe</td>
			<td>eWB0091-ASSY-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XPS</td>
			<td>Kratos</td>
			<td>Kratos Axis Ultra DLD</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of nanoparticles for tof-sims and xps analysis

Las nanopartículas han ganado cada vez más atención en los últimos años debido a su potencial y aplicación en diferentes campos, incluidos la medicina, la cosmética, la química y su potencial para permitir materiales avanzados. Para comprender y regular eficazmente las propiedades físico-químicas y los posibles efectos adversos de las nanopartículas, es necesario desarrollar procedimientos de medición validados para las diversas propiedades de las nanopartículas. Si bien los procedimientos para medir el tamaño y la distribución del tamaño de las nanopartículas ya están establecidos, aún no se han establecido métodos estandarizados para el análisis de su química superficial, aunque la influencia de la química de la superficie en las propiedades de las nanopartículas es indiscutible. En particular, el almacenamiento y la preparación de nanopartículas para el análisis de superficies influyen fuertemente en los resultados analíticos de varios métodos, y para obtener resultados consistentes, la preparación de la muestra debe optimizarse y estandarizarse. En esta contribución, presentamos, en detalle, algunos procedimientos estándar para preparar nanopartículas para análisis de superficies. En principio, las nanopartículas se pueden depositar sobre un sustrato adecuado desde la suspensión o como polvo. Las obleas de silicio (Si) se usan comúnmente como sustrato, sin embargo, su limpieza es crítica para el proceso. Para la preparación de muestras a partir de la suspensión, discutiremos la fundición por gota y el recubrimiento por centrifugado, donde no solo la limpieza del sustrato y la pureza de la suspensión, sino también su concentración juegan un papel importante para el éxito de la metodología de preparación. Para nanopartículas con capas o recubrimientos de ligandos sensibles, la deposición como polvos es más adecuada, aunque este método requiere un cuidado particular en la fijación de la muestra.

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Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis

Se presentan varios procedimientos diferentes para preparar nanopartículas para el análisis de superficies (fundición por gota, recubrimiento por espín, deposición de polvos y criofijación). Discutimos los desafíos, oportunidades y posibles aplicaciones de cada método, particularmente con respecto a los cambios en las propiedades de la superficie causados por los diferentes métodos de preparación.

Preparación de nanopartículas para análisis ToF-SIMS y XPS

Nanoparticles have gained increasing attention in recent years due to their potential and application in different fields including medicine, cosmetics, ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

7.7K vistas.  Federal Institute for Material Research and Testing (BAM). Se presentan varios procedimientos diferentes para preparar nanopartículas para el análisis de superficies (fundición por gota, recubrimiento por espín, deposición de polvos y criofijación). Discutimos los desafíos, oportunidades y posibles aplicaciones de cada método, particularmente con respecto a los cambios en las propiedades de la superficie causados por los diferentes métodos de preparación.

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Preparation of Silica Nanoparticles Through Microwave-assisted Acid-catalysis

Microwave-assisted synthetic techniques were used to quickly and reproducibly produce silica nanoparticle sols using an acid catalyst with nanoparticle diameters ranging from 30-250 nm by varying the reaction conditions. Through the selection of a microwave compatible solvent, silicic acid precursor, catalyst, and microwave irradiation time, these microwave-assisted methods were capable of overcoming the previously reported shortcomings associated with synthesis of silica nanoparticles using microwave reactors. The siloxane precursor was hydrolyzed using the acid catalyst, HCl. Acetone, a low-tan &#948; solvent, mediates the condensation reactions and has minimal interaction with the electromagnetic field. Condensation reactions begin when the silicic acid precursor couples with the microwave radiation, leading to silica nanoparticle sol formation. The silica nanoparticles were characterized by dynamic light scattering data and scanning electron microscopy, which show the materials&#39; morphology and size to be dependent on the reaction conditions. Microwave-assisted reactions produce silica nanoparticles with roughened textured surfaces that are atypical for silica sols produced by St&#246;ber&#39;s methods, which have smooth surfaces.

Silica nanoparticles were prepared using acid-catalysis of a siloxane precursor and microwave-assisted synthetic techniques resulting in the controlled growth of nanomaterials ranging from 30-250 nm in diameter. The growth dynamics can be controlled by varying the initial silicic acid concentration, time of the reaction, and temperature of reaction.

Microwave-assisted synthetic techniques were used to quickly and reproducibly produce silica nanoparticle sols using an acid catalyst with nanoparticle ...

Investigación

Química

Isolation and Preparation of Bacterial Cell Walls for Compositional Analysis by Ultra Performance Liquid Chromatography

The bacterial cell wall is critical for the determination of cell shape during growth and division, and maintains the mechanical integrity of cells in the face of turgor pressures several atmospheres in magnitude. Across the diverse shapes and sizes of the bacterial kingdom, the cell wall is composed of peptidoglycan, a macromolecular network of sugar strands crosslinked by short peptides. Peptidoglycan&#8217;s central importance to bacterial physiology underlies its use as an antibiotic target and has motivated genetic, structural, and cell biological studies of how it is robustly assembled during growth and division. Nonetheless, extensive investigations are still required to fully characterize the key enzymatic activities in peptidoglycan synthesis and the chemical composition of bacterial cell walls. High Performance Liquid Chromatography (HPLC) is a powerful analytical method for quantifying differences in the chemical composition of the walls of bacteria grown under a variety of environmental and genetic conditions, but its throughput is often limited. Here, we present a straightforward procedure for the isolation and preparation of bacterial cell walls for biological analyses of peptidoglycan via HPLC and Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC), an extension of HPLC that utilizes pumps to deliver ultra-high pressures of up to 15,000 psi, compared with 6,000 psi for HPLC. In combination with the preparation of bacterial cell walls presented here, the low-volume sample injectors, detectors with high sampling rates, smaller sample volumes, and shorter run times of UPLC will enable high resolution and throughput for novel discoveries of peptidoglycan composition and fundamental bacterial cell biology in most biological laboratories with access to an ultracentrifuge and UPLC.

The bacterial cell wall is composed of peptidoglycan, a macromolecular network of sugar strands crosslinked by peptides. Ultra Performance Liquid Chromatography provides high resolution and throughput for novel discoveries of peptidoglycan composition. We present a procedure for the isolation of cell walls (sacculi) and their subsequent preparation for analysis via UPLC.

Aislamiento Y Preparación De Paredes Celulares Bacterianas Para El Análisis Compositiva Por Cromatografía Líquida De Ultra Rendimiento

The bacterial cell wall is critical for the determination of cell shape during growth and division, and maintains the mechanical integrity of cells in the ...

Preparation and Characterization of SDF-1&#945;-Chitosan-Dextran Sulfate Nanoparticles

Chitosan (CS) and dextran sulfate (DS) are charged polysaccharides (glycans), which form polyelectrolyte complex-based nanoparticles when mixed under appropriate conditions. The glycan nanoparticles are useful carriers for protein factors, which facilitate the in vivo delivery of the proteins and sustain their retention in the targeted tissue. The glycan polyelectrolyte complexes are also ideal for protein delivery, as the incorporation is carried out in aqueous solution, which reduces the likelihood of inactivation of the proteins. Proteins with a heparin-binding site adhere to dextran sulfate readily, and are, in turn, stabilized by the binding. These particles are also less inflammatory and toxic when delivered in vivo. In the protocol described below, SDF-1&#945; (Stromal cell-derived factor-1&#945;), a stem cell homing factor, is first mixed and incubated with dextran sulfate. Chitosan is added to the mixture to form polyelectrolyte complexes, followed by zinc sulfate to stabilize the complexes with zinc bridges. The resultant SDF-1&#945;-DS-CS particles are measured for size (diameter) and surface charge (zeta potential). The amount of the incorporated SDF-1&#945; is determined, followed by measurements of its in vitro release rate and its chemotactic activity in a particle-bound form.

Preparation and Characterization of SDF-1&amp;#945;-Chitosan-Dextran Sulfate Nanoparticles

The objective of this protocol is to incorporate SDF-1&#945;, a stem cell homing factor, into dextran sulfate-chitosan nanoparticles. The resultant particles are measured for their size and zeta potential, as well as the content, activity, and in vitro release rate of SDF-1&#945; from the nanoparticles.

Preparación y caracterización de SDF-1α-quitosano-sulfato de dextrano Nanopartículas

Chitosan (CS) and dextran sulfate (DS) are charged polysaccharides (glycans), which form polyelectrolyte complex-based nanoparticles when mixed under ...

Preparation of Mica and Silicon Substrates for DNA Origami Analysis and Experimentation

The designed nature and controlled, one-pot synthesis of DNA origami provides exciting opportunities in many fields, particularly nanoelectronics. Many of these applications require interaction with and adhesion of DNA nanostructures to a substrate. Due to its atomically flat and easily cleaned nature, mica has been the substrate of choice for DNA origami experiments. However, the practical applications of mica are relatively limited compared to those of semiconductor substrates. For this reason, a straightforward, stable, and repeatable process for DNA origami adhesion on derivatized silicon oxide is presented here. To promote the adhesion of DNA nanostructures to silicon oxide surface, a self-assembled monolayer of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) is deposited from an aqueous solution that is compatible with many photoresists. The substrate must be cleaned of all organic and metal contaminants using Radio Corporation of America (RCA) cleaning processes and the native oxide layer must be etched to ensure a flat, functionalizable surface. Cleanrooms are equipped with facilities for silicon cleaning, however many components of DNA origami buffers and solutions are often not allowed in them due to contamination concerns. This manuscript describes the set-up and protocol for in-lab, small-scale silicon cleaning for researchers who do not have access to a cleanroom or would like to incorporate processes that could cause contamination of a cleanroom CMOS clean bench. Additionally, variables for regulating coverage are discussed and how to recognize and avoid common sample preparation problems is described.

Reproducible cleaning processes for substrates used in DNA origami research are described, including bench-top RCA cleaning and derivatization of silicon oxide. Protocols for surface preparation, DNA origami deposition, drying parameters, and simple experimental set-ups are illustrated.

Preparación de Mica y Silicon Sustratos para el Análisis de Origami ADN y Experimentación

The designed nature and controlled, one-pot synthesis of DNA origami provides exciting opportunities in many fields, particularly nanoelectronics. Many of ...

In Situ Characterization of Hydrated Proteins in Water by SALVI and ToF-SIMS

This work demonstrates in situ characterization of protein biomolecules in the aqueous solution using the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). The fibronectin protein film was immobilized on the silicon nitride (SiN) membrane that forms the SALVI detection area. During ToF-SIMS analysis, three modes of analysis were conducted including high spatial resolution mass spectrometry, two-dimensional (2D) imaging, and depth profiling. Mass spectra were acquired in both positive and negative modes. Deionized water was also analyzed as a reference sample. Our results show that the fibronectin film in water has more distinct and stronger water cluster peaks compared to water alone. Characteristic peaks of amino acid fragments are also observable in the hydrated protein ToF-SIMS spectra. These results illustrate that protein molecule adsorption on a surface can be studied dynamically using SALVI and ToF-SIMS in the liquid environment for the first time.

In Situ Characterization of Hydrated Proteins in Water by SALVI and ToF-SIMS

This work presents a protocol for liquid handling and sample introduction to a microchannel for in situ time-of-flight secondary ion mass spectrometry analysis of protein biomolecules in an aqueous solution.

In Situ caracterización de proteínas hidratadas en agua por Salvi y TOF-SIMS

This work demonstrates in situ characterization of protein biomolecules in the aqueous solution using the System for Analysis at the Liquid Vacuum ...

In Situ Detection and Single Cell Quantification of Metal Oxide Nanoparticles Using Nuclear Microprobe Analysis

Micro-analytical techniques based on chemical element imaging enable the localization and quantification of chemical composition at the cellular level. They offer new possibilities for the characterization of living systems and are particularly appropriate for detecting, localizing and quantifying the presence of metal oxide nanoparticles both in biological specimens and the environment. Indeed, these techniques all meet relevant requirements in terms of (i) sensitivity (from 1 up to 10 &#181;g.g-1 of dry mass), (ii) micrometer range spatial resolution, and (iii) multi-element detection. Given these characteristics, microbeam chemical element imaging can powerfully complement routine imaging techniques such as optical and fluorescence microscopy. This protocol describes how to perform a nuclear microprobe analysis on cultured cells (U2OS) exposed to titanium dioxide nanoparticles. Cells must grow on and be exposed directly in a specially designed sample holder used on the optical microscope and in the nuclear microprobe analysis stages. Plunge-freeze cryogenic fixation of the samples preserves both the cellular organization and the chemical element distribution. Simultaneous nuclear microprobe analysis (scanning transmission ion microscopy, Rutherford backscattering spectrometry and particle induced X-ray emission) performed on the sample provides information about the cellular density, the local distribution of the chemical elements, as well as the cellular content of nanoparticles. There is a growing need for such analytical tools within biology, especially in the emerging context of Nanotoxicology and Nanomedicine for which our comprehension of the interactions between nanoparticles and biological samples must be deepened. In particular, as nuclear microprobe analysis does not require nanoparticles to be labelled, nanoparticle abundances are quantifiable down to the individual cell level in a cell population, independently of their surface state.

In Situ Detection and Single Cell Quantification of Metal Oxide Nanoparticles Using Nuclear Microprobe Analysis

We describe a procedure for the detection of chemical elements present in situ in human cells as well as their in vitro quantification. The method is well-suited to any cell type and is particularly useful for quantitative chemical analyses in single cells following in vitro metal oxide nanoparticles exposure.

In Situ Detección y cuantificación de la célula de las nanopartículas de óxido de Metal usando análisis de microsonda Nuclear

Micro-analytical techniques based on chemical element imaging enable the localization and quantification of chemical composition at the cellular level. ...

Determining the Chemical Composition of Corrosion Inhibitor/Metal Interfaces with XPS: Minimizing Post Immersion Oxidation

An approach for acquiring more reliable X-ray photoelectron spectroscopy data from corrosion inhibitor/metal interfaces is described. More specifically, the focus is on metallic substrates immersed in acidic solutions containing organic corrosion inhibitors, as these systems can be particularly sensitive to oxidation following removal from solution. To minimize the likelihood of such degradation, samples are removed from solution within a glove box purged with inert gas, either N2 or Ar. The glove box is directly attached to the load-lock of the ultra-high vacuum X-ray photoelectron spectroscopy instrument, avoiding any exposure to the ambient laboratory atmosphere, and thus reducing the possibility of post immersion substrate oxidation. On this basis, one can be more certain that the X-ray photoelectron spectroscopy features observed are likely to be representative of the in situ submerged scenario, e.g. the oxidation state of the metal is not modified.

A protocol to avoid the oxidation of metallic substrates during sample transfer from an inhibited acidic solution to an X-ray photoelectron spectrometer is presented.

La determinación de la composición química del inhibidor de corrosión / Metal Interfaces con XPS: Reducción al mínimo del anuncio Inmersión Oxidación

An approach for acquiring more reliable X-ray photoelectron spectroscopy data from corrosion inhibitor/metal interfaces is described. More specifically, ...

In Situ Characterization of Shewanella oneidensis MR1 Biofilms by SALVI and ToF-SIMS

Bacterial biofilms are surface-associated communities that are vastly studied to understand their self-produced extracellular polymeric substances (EPS) and their roles in environmental microbiology. This study outlines a method to cultivate biofilm attachment to the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) and achieve in situ chemical mapping of a living biofilm by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). This is done through the culturing of bacteria both outside and within the SALVI channel with our specialized setup, as well as through optical imaging techniques to detect the biofilm presence and thickness before ToF-SIMS analysis. Our results show the characteristic peaks of the Shewanella biofilm in its natural hydrated state, highlighting upon its localized water cluster environment, as well as EPS fragments, which are drastically different from the same biofilm's dehydrated state. These results demonstrate the breakthrough capability of SALVI that allows for in situ biofilm imaging with a vacuum-based chemical imaging instrument.

In Situ Characterization of Shewanella oneidensis MR1 Biofilms by SALVI and ToF-SIMS

This article presents a method for growing a biofilm for in situ time-of-flight secondary ion mass spectrometry for chemical mapping in its hydrated state, enabled by a microfluidic reactor, System for Analysis at the liquid Vacuum Interface. The Shewanella oneidensis MR-1 with green fluorescence protein was used as a model.

In Situ Caracterización de Shewanella oneidensis MR1 Biofilms por SALVI y ToF-SIMS

Bacterial biofilms are surface-associated communities that are vastly studied to understand their self-produced extracellular polymeric substances (EPS) ...

Ligand-Mediated Nucleation and Growth of Palladium Metal Nanoparticles

The size, size distribution and stability of colloidal nanoparticles are greatly affected by the presence of capping ligands. Despite the key contribution of capping ligands during the synthesis reaction, their role in regulating the nucleation and growth rates of colloidal nanoparticles is not well understood. In this work, we demonstrate a mechanistic investigation of the role of trioctylphosphine (TOP) in Pd nanoparticles in different solvents (toluene and pyridine) using in situ SAXS and ligand-based kinetic modeling. Our results under different synthetic conditions reveal the overlap of nucleation and growth of Pd nanoparticles during the reaction, which contradicts the LaMer-type nucleation and growth model. The model accounts for the kinetics of Pd-TOP binding for both, the precursor and the particle surface, which is essential to capture the size evolution as well as the concentration of particles in situ. In addition, we illustrate the predictive power of our ligand-based model through designing the synthetic conditions to obtain nanoparticles with desired sizes. The proposed methodology can be applied to other synthesis systems and therefore serves as an effective strategy for predictive synthesis of colloidal nanoparticles.

The main goal of this work is to elucidate the role of capping agents in regulating the size of palladium nanoparticles by combining in situ small angle x-ray scattering (SAXS) and ligand-based kinetic modeling.

Mediada por el ligando de la nucleación y crecimiento de nanopartículas de Metal de paladio

The size, size distribution and stability of colloidal nanoparticles are greatly affected by the presence of capping ligands. Despite the key contribution ...

Synthesis and Characterization of Amphiphilic Gold Nanoparticles

Gold nanoparticles covered with a mixture of 1-octanethiol (OT) and 11-mercapto-1-undecane sulfonic acid (MUS) have been extensively studied because of their interactions with cell membranes, lipid bilayers, and viruses. The hydrophilic ligands make these particles colloidally stable in aqueous solutions and the combination with hydrophobic ligands creates an amphiphilic particle that can be loaded with hydrophobic drugs, fuse with the lipid membranes, and resist nonspecific protein adsorption. Many of these properties depend on nanoparticle size and the composition of the ligand shell. It is, therefore, crucial to have a reproducible synthetic method and reliable characterization techniques that allow the determination of nanoparticle properties and the ligand shell composition. Here, a one-phase chemical reduction, followed by a thorough purification to synthesize these nanoparticles with diameters below 5 nm, is presented. The ratio between the two ligands on the surface of the nanoparticle can be tuned through their stoichiometric ratio used during synthesis. We demonstrate how various routine techniques, such as transmission electron microscopy (TEM), nuclear magnetic resonance (NMR), thermogravimetric analysis (TGA), and ultraviolet-visible (UV-Vis) spectrometry, are combined to comprehensively characterize the physicochemical parameters of the nanoparticles.

Amphiphilic gold nanoparticles can be used in many biological applications. A protocol to synthesize gold nanoparticles coated by a binary mixture of ligands and a detailed characterization of these particles is presented.

Síntesis y caracterización de nanopartículas de oro anfifílicas

Gold nanoparticles covered with a mixture of 1-octanethiol (OT) and 11-mercapto-1-undecane sulfonic acid (MUS) have been extensively studied because of ...