Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences fondamentales de l&#39;énergie, Division des sciences chimiques, sciences de la terre et Biosciences du Département américain de l&#39;Énergie (DOE). GEJ reconnaît le soutien du Programme de laboratoire de recherche dirigé et du développement à la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Linus Pauling bourse et. Ce travail a été effectué en utilisant EMSL, une installation de l&#39;utilisateur scientifique national parrainé par le ministère de l&#39;Office de l&#39;énergie de recherche biologique et environnementale et situé à PNNL. PNNL est exploité par Battelle pour le US DOE.

1. Préparation de COOH-SAM surfaces sur l&#39;or pour atterrissage en douceur de Ions Mass-sélectionnés <ol><li> Obtenir des substrats d&#39;or à plat sur le silicium (Si) ou de matériaux de support en mica. En variante, la préparation des films d&#39;or sur des surfaces de Si ou de mica selon les procédures décrites dans la littérature 118119. Remarque: Utilisez des surfaces qui ont les caractéristiques suivantes: 1 cm 2 ou circulaire et 5 mm de diamètre, 525 um d&#39;épaisseur couche de Si, 50 une épaisse couche d&#39;adhérence Ti, 1000 Å Au couche. </li><li> Placer surfaces fraîches or sur silicium dans des flacons à scintillation en verre et immerge dans pur (non dénaturé) éthanol. </li><li> Placez les flacons à scintillation contenant des surfaces d&#39;or immergés dans de l&#39;éthanol dans un nettoyeur à ultrasons et laver pendant 20 min pour éliminer les débris de surface. Note: Ne pas laver ultrasons or sur des surfaces de mica comme cela détacher le film de l&#39;or à partir du matériau de support mica. </li><li> Retirer des surfaces d&#39;or lavés de flacons et sec avec un flux deN2 pur pour empêcher la formation de toutes les taches résiduelles provenant de la éthanol. </li><li> Placez les surfaces d&#39;or secs face vers le haut dans un rayonnement ultraviolet (UV) propre et irradient pendant 20 minutes pour enlever la surface de la matière organique. </li><li> Dans des flacons à scintillation en verre, préparer 5 ml de solutions de 1 mM d&#39;acide 16-mercaptohexadécanoïque (COOH-SAM) dans de l&#39;éthanol non dénaturé. </li><li> Ajouter de l&#39;acide chlorhydrique à une concentration finale de 1% de HCl dans de l&#39;éthanol pour assurer la protonation des groupes acide carboxylique de la molécule. </li><li> Placez le lavées, séchées et nettoyé des surfaces d&#39;or-UV face vers le haut dans les solutions COOH-SAM veillant à ce que la surface d&#39;or entière est complètement immergé dans chaque flacon. Laisser les surfaces de monocouches sur l&#39;or à assembler pour au moins 24 heures dans l&#39;obscurité (envelopper dans du papier flacons). </li><li> Retirez les surfaces des solutions COOH-SAM et les placer dans de nouveaux flacons à scintillation contenant 5 ml de HCl à 1% dans de l&#39;éthanol. Ultrasons laver le SAM surfaces pour 5 min pour éliminer toutes les molécules de physisorbées from la surface de la monocouche. </li><li> Retirez les surfaces lavées des flacons et rincer avec plusieurs aliquotes de 1 ml de HCl à 1% dans de l&#39;éthanol. Sécher le COOH-SAM surfaces sous un courant de N 2. </li><li> En utilisant des pinces métalliques propres et porter des gants accordent une surface SAM sur l&#39;un des trois supports d&#39;échantillons métalliques qui sont compatibles avec chaque instrument d&#39;atterrissage en douceur en prenant soin de ne pas toucher la surface d&#39;or face avant dans le processus. Assurez-vous que la surface est fixé solidement en place et qu&#39;il existe une forte contact électrique entre le côté arrière de la surface et l&#39;échantillon de métal monter. </li><li> En utilisant les capacités d&#39;introduction d&#39;échantillon de sas de charge de l&#39;instrument d&#39;atterrissage doux (chacun) est légèrement différente, en sorte que la vanne d&#39;arrêt séparant la zone d&#39;introduction d&#39;échantillon de l&#39;instrument à partir de la chambre d&#39;atterrissage en douceur est fermé. Amener la chambre d&#39;introduction d&#39;échantillon jusqu&#39;à la pression atmosphérique en désactivant la pompe à vide turbomoléculaire et l&#39;ionisation manomètre et closing de la vanne à la pompe à vide mécanique conduite primaire. </li><li> Lorsque la chambre d&#39;introduction de l&#39;échantillon atteint la pression atmosphérique ouvrir la porte de l&#39;échantillon et fixer le porte-échantillon fermement au manipulateur (xyz-étape ou z-traducteur) à l&#39;intérieur de l&#39;instrument. Fermez la porte et ouvrir la vanne à la pompe à vide mécanique prévide. Lorsque la chambre d&#39;introduction de l&#39;échantillon atteigne une pression de 10 -3 torr, activer la pompe à vide turbomoléculaire et un manomètre d&#39;ionisation. </li><li> Lorsque la chambre d&#39;introduction de l&#39;échantillon atteigne une pression de 10 -5 Torr, ouvrir le robinet-vanne de la chambre d&#39;atterrissage en douceur. Utiliser le manipulateur xyz-magnétique ou étape pour positionner la surface de SAM en ligne avec le faisceau d&#39;ions pour commencer atterrissage en douceur. </li></ol> 2. Soft Landing de la messe sélectionné Ru (bpy) 3 2 + sur COOH-SAM Surfaces <ol><li> Obtenir le tris (2,2 &#39;-bipyridyle) dichloro-ruthénium (II) hexahydraté solide. Dissoudre les cristaux rouges dans du méthanol pur à crmangerez solutions mères avec une concentration de 10 -3 M. Diluer la solution mère d&#39;un facteur de 10 ou 100 avec du methanol pour obtenir un courant ionique à électrospray optimale de masse sélectionné Ru (bpy) 3 2 + m / z = 285. </li><li> Chargez les solutions diluées dans des seringues de 1 ml en verre. Utilisation d&#39;une pompe à seringue pour injecter la solution à travers un diamètre extérieur de 360 ​​um à 80 um de diamètre interne condensé capillaire en silice qui est sollicité entre 2-3 kV pour générer des ions positifs. Ajuster le débit de la pompe à seringue entre 20 à 40 ul / h afin d&#39;obtenir un courant ionique optimal et stabilité à la surface. </li><li> Ajuster le filtre de masse quadripolaire, à la masse du Ru (bpy) 3 2 + ion m / z = 285 pour empêcher l&#39;atterrissage en douceur d&#39;espèces autres que le Ru (bpy) 3 2 + sur la surface. L&#39;utilisation d&#39;un haut-résistance électromètre relié au substrat par un vide électriques, régler les paramètres de l&#39;optique ionique de tension de traversée etion radiofréquence guides pour maximiser le courant ionique et de la stabilité de Ru (bpy) 3 2 + mesurée à la surface de SAM. Laisser l&#39;expérience afin de fonctionner pendant une période de temps sélectionnée pour réaliser la couverture souhaitée d&#39;ions sur la surface de la SAM-COOH. </li><li> Augmenter le gradient de potentiel dans la région collision quadripolaire haute pression des instruments d&#39;atterrissage doux pour créer les conditions difficiles qui permettent ligand en phase gazeuse de décapage de l&#39;ion organométallique par dissociation induite par collision. Remarque:. Examiner le schéma de l&#39;un des trois instruments d&#39;atterrissage doux, ce qui est également le représentant des premiers stades des deux autres instruments, qui sont présentés dans la figure 1 La fragmentation du Ru (bpy) 3 2 + ions se produit dans la région 4. augmenter la tension appliquée à la plaque arrière de l&#39;entonnoir d&#39;ions électrodynamique pour effacer un ligand bipyridine à partir de Ru (bpy) 3 2 + m / z = 285 production de gazphase de Ru (bpy) 2 2 + m / z = 207 dans la région 4 de l&#39;instrument 81. Sélectionnez la masse très réactif undercoordinated ion fragment à l&#39;aide du filtre de masse quadripolaire dans la région 6 de l&#39;instrument et de la terre molle sur COOH-SAM surfaces d&#39;examiner comment la mesure de la ligature influence les propriétés des ions organométalliques en charge. </li><li> Ajuster l&#39;optique ionique environnantes, y compris les tensions continues appliquées sur les tiges quadripolaires ainsi que la limite de conductance afin de maximiser le courant de masse sélectionné Ru (bpy) 2 + 2 des ions fragments à la surface. </li></ol> 3. Analyse par In Situ TOF-SIMS avant et après exposition à des gaz réactifs <ol><li> Arrêter la pompe de la seringue et haute tension à l&#39;émetteur ESI. Ouvrir le robinet-vanne qui sépare les deux régions de l&#39;appareil pendant le fonctionnement. Utiliser le manipulateur magnétique pour déplacer la surface préparée à partir de la chambre d&#39;atterrissage en douceur de l&#39;étape d&#39;analyse à l&#39;intérieurla partie TOF-SIMS de l&#39;instrument. </li><li> Débrayer le manipulateur de l&#39;échantillon et rétracter complètement de la chambre d&#39;analyse SIMS. Fermez la vanne d&#39;arrêt entre l&#39;atterrissage en douceur et pièces SIMS de l&#39;instrument parce que la TOF-SIMS fonctionne à une pression beaucoup plus faible que la région d&#39;atterrissage en douceur de l&#39;instrument. </li><li> Pour mener l&#39;expérience TOF-SIMS, charger le fichier de contrôle d&#39;instruments dans le logiciel et de s&#39;assurer que la source Ga + produit un courant suffisamment stable d&#39;ions primaires. Remarque: Employer 15 keV primaires gallium ions (Ga +, 500 pA, 5 ns de largeur d&#39;impulsion, taux de répétition de 10 kHz) pour induire la désorption de doux atterri matériau des surfaces. Extraire les ions secondaires éjectés de la surface dans l&#39;analyseur de masse, qui est constitué de trois secteurs électrostatiques séparés. </li><li> Acquérir des profils de ligne x et l&#39;axe y sur la surface afin de déterminer le centre de la tache des ions déposé sur le substrat (en général au centre de la surface d&#39;une 3 mm de diamètre). Positionner la surface de sorte que le faisceau d&#39;ions + Ga primaire est incident sur ​​le centre de la tache des ions déposé. Acquérir un spectre de masse TOF-SIMS pendant 5 min. </li><li> Éteignez le principal faisceau d&#39;ions Ga + et hautes tensions de la TOF-SIMS. Utilisez le manipulateur magnétique pour déplacer l&#39;échantillon de nouveau dans la partie de l&#39;atterrissage en douceur de l&#39;instrument. Assurez-vous que la vanne séparant les deux chambres est fermé avant de poursuivre. </li><li> Utiliser un vide poussé fuite valve sur la chambre d&#39;atterrissage en douceur pour introduire un débit contrôlé de très grande pureté de l&#39;oxygène (O 2) du gaz à partir d&#39;un cylindre dans l&#39;instrument. Utiliser le robinet-vanne réglable en face de la pompe à vide turbomoléculaire à étrangler le débit de pompage de la pompe pour obtenir une pression de régime permanent de 10 -4 Torr de O 2 à l&#39;intérieur de la chambre d&#39;atterrissage en douceur. </li><li> Après exposition de la surface à O 2 pendant 30 min fermer la vanne de fuite, ouvrir la vanne d&#39;arrêt sur ​​the pompe à vide turbomoléculaire et permettre à l&#39;O 2 restant à distance de la pompe. Après la pression dans la chambre a diminué, ouvrir la vanne de la partie SIMS de l&#39;instrument et utiliser le manipulateur magnétique pour positionner la surface de la plate-forme d&#39;analyse pour un deuxième cycle d&#39;analyse TOF-SIMS. </li><li> Après le deuxième spectre TOF-SIMS est obtenue comme décrit dans les sections 03.03 à 03.04, ouvrir la vanne d&#39;arrêt et positionner la surface arrière de la chambre d&#39;atterrissage en douceur de l&#39;exposition à 10 -4 Torr de C 2 H 4 pour 30 min. Effectuez une nouvelle analyse SIMS, comme décrit ci-dessus. </li></ol> 4. Analyse par In Situ FT-ICR-SIMS pendant et après atterrissage en douceur <ol><li> Préparez la SAM surfaces pour les expériences avec l&#39;in situ FT-ICR-SIMS instrument d&#39;une manière similaire à celle décrite dans la section 1, mais sur des substrats circulaires 5 mm de diamètre. Remarque: utiliser des substrats qui sont découpés au laser à partir d&#39;une plaquette de silicium revêtue d&#39;or (5 nm de chromecouche d&#39;adhérence et de 100 nm de l&#39;or polycristallin déposée en phase vapeur). Il faut savoir que la différence la plus notable est que, dans l&#39;appareil de FT-ICR-SIMS la surface est positionnée à l&#39;intérieur de l&#39;alésage d&#39;un aimant supraconducteur. La présence de l&#39;aimant requiert que les surfaces sont placées à l&#39;extrémité d&#39;un 5 ft manuel z-Traducteur pour leur permettre de se positionner en toute sécurité et de manière réglable à la plaque arrière de la cellule ICR. </li><li> En utilisant l&#39;interface de sas de charge, placer une surface circulaire SAM à la plaque de piégeage de l&#39;arrière de la cellule ICR situé à l&#39;intérieur de l&#39;aimant 6 Tesla. Note: Soyez conscient que cet instrument est un 6-Tesla FT-ICR spectromètre de masse spécialement conçu configuré pour étudier les interactions ion-surface 97120. </li><li> Exploitation de la partie de l&#39;atterrissage en douceur de l&#39;ion de l&#39;instrument FT-ICR-SIMS d&#39;une manière similaire à celle décrite dans la section 2. </li><li> Utiliser une source d&#39;ions de césium pour créer un faisceau continu de 8 kV ions Cs + primaires pour pulvériser la surface au cours d&#39;unee après ion atterrissage en douceur. </li><li> Utiliser la source ESI positionné à 90 ° vers l&#39;axe principal de l&#39;instrument pour générer des ions pour l&#39;atterrissage en douceur. Concentrer les ions à travers une 90 ° de flexion quadripolaire 120. Remarque: Il faut savoir cette géométrie de l&#39;instrument facilite atterrissage en douceur simultanée de Ru (bpy) 3 2 +, et la transmission du premier faisceau d&#39;ions Cs + à la surface ce qui permet le suivi de la procédure d&#39;atterrissage en douceur à la fois pendant et après le dépôt d&#39;ions. </li><li> Piège et analyser les ions secondaires éjectés de la surface à l&#39;aide FT-ICR-MS. Note: Utiliser conditions SIMS statiques correspondant à un flux ionique total d&#39;environ 10 10 ions / cm 2 (actuel 4 nA, durée 80 ps, diamètre de spot de 4,6 mm, 10 plans par spectre, ~ 200 points de données) pour ces expériences qui durent environ 7 heures. La moyenne de chaque spectre SIMS sur 10 tirs correspondant à un temps d&#39;acquisition d&#39;environ 10 sec. </li><li> Acquérir des données cinétiques par échantillonnage de la SAM surfaCE toutes les 4 min environ 7 h pendant et après le dépôt d&#39;ions. </li><li> Effectuer l&#39;acquisition de données et de contrôle de l&#39;instrument en utilisant un système de commande de données modulaire automatisé décrit dans la littérature 121. </li></ol> 5. Analyse par In Situ IRRAS pendant et après atterrissage en douceur <ol><li> Préparez la SAM surfaces pour les expériences avec le in situ instrument IRRAS d&#39;une manière similaire à celle décrite dans la section 1. Remarque: Il faut savoir que la plus grande différence avec les résultats de l&#39;instrument IRRAS du positionnement précis de la surface avec le z-traducteur qui est nécessaire pour localiser le substrat au point focal des miroirs paraboliques et en ligne avec le faisceau d&#39;ions. Maximiser le chevauchement entre le faisceau infrarouge et la place des ions déposés sur la surface. </li><li> Effectuer les expériences de IRRAS dans une géométrie en incidence rasante utilisant un spectromètre FTIR équipé d&#39;un azote liquide refroidi mercure-cadmium-tellurure (MCT) Détecteur. </li><li> Utiliser un miroir plat recouvert d&#39;or pour diriger la lumière sortant du spectromètre FTIR sur un miroir parabolique de l&#39;or. Réfléchir la lumière à partir du miroir parabolique dans un fil infrarouge moyen polariseur à grille et dans la chambre à vide à travers une fenêtre. </li><li> Diriger la lumière infrarouge provenant du spectromètre sur la surface COOH-SAM positionné à l&#39;intérieur de la chambre à vide. Remarque: La chambre à vide est maintenu à une pression de 10 -5 Torr pendant ion atterrissage en douceur. </li><li> Positionner le SAM réfléchissant sur la surface en or à l&#39;intérieur de la chambre à vide au niveau du point focal du premier miroir parabolique à l&#39;aide du traducteur-z entraîné par un moteur. </li><li> Refléter la lumière infrarouge pénétrant dans la chambre à vide à partir de la surface de la SAM et à l&#39;extérieur de la chambre à travers une seconde fenêtre de visualisation. Utiliser un second miroir d&#39;or parabolique pour focaliser la lumière réfléchie par la surface sur un détecteur MCT. </li><li> Purger le trajet du faisceau infrarouge à l&#39;extérieur de la chambre à vide avec N2. </li><li> Acspectres de cahier à intervalles réguliers lors du dépôt. </li></ol>

Les auteurs n&#39;ont rien à révéler.

Atterrissage en douceur des ions de masse choisi est généralement effectuée en utilisant des instruments sur mesure unique qui existe dans plusieurs laboratoires dans le monde qui sont spécialement équipés pour ces expériences. Les modifications sont constamment apportées à ces instruments pour faciliter l&#39;ionisation d&#39;un plus large éventail de composés, pour atteindre plus grands courants ioniques et raccourcir les délais de dépôt, pour multiplexer atterrissage en douceur et atteindre ainsi le dé...

Atterrissage en douceur des ions de masse sélectionnés sur des surfaces reste un sujet d&#39;intérêt de la recherche actuelle en raison des capacités démontrées de la technique pour la préparation hautement contrôlée de nouveaux matériaux 1-6. Les efforts récents ont indiqué des applications potentielles futures de l&#39;atterrissage en douceur des ions de masse sélectionné dans la préparation de peptides et de protéines tableaux pour une utilisation dans criblage à haut débit biologique 7,8, la séparation des protéines et de l&#39;enrichissement de conformation de peptides 9-12, la fixation covalente de peptides aux surfaces 9,10,13,14, enrichissement chiral de 15 composés organiques, la caractérisation électrochimique de protéines à activité redox spécifique de 16 à 18, la production de films minces 19,20 moléculaires, de la transformation des macromolécules telles que le graphène 21 et la préparation du modèle systèmes catalytiques par atterrissage en douceur de clusters ioniques 22-39, 40-48 nanoparticules et co organométalliquemplexes sur des matériaux de support 19,49-56. Le concept de la modification de surfaces par atterrissage en douceur des ions polyatomiques a été initialement proposé par les cuisiniers et les collègues en 1977 57. Dans les années suivantes un large éventail d&#39;approches instrumentales ont été développées pour le dépôt contrôlé d&#39;ions de masse choisi dans le gaz la phase sur les surfaces 1,4,5. Ions ont été générées par des processus tels que l&#39;ionisation électrospray (ESI) 10,58,59, laser assistée par matrice désorption / ionisation (MALDI) 21, ionisation par impact électronique (EI) 60,61, pulsé décharge d&#39;arc 62, de la condensation de gaz inerte 36 , 63, pulvérisation magnétron 64,65 et laser vaporisation 25,66,67. La sélection de masse des ions en phase gazeuse avant atterrissage en douceur a été réalisé en utilisant principalement des filtres de masse quadripolaires 58,68,69, dispositifs de déviation magnétique 70, et les instruments de piège à ions linéaire 8,59. Un particulier notaavance ble dans la méthodologie de l&#39;atterrissage en douceur d&#39;ions s&#39;est produite récemment avec la mise en œuvre réussie de la température ambiante ion atterrissage en douceur et réactive par des cuisiniers et collègues 71,72. L&#39;utilisation de ces différentes techniques d&#39;ionisation et la masse de sélection, les interactions de hyperthermique (&lt;100 eV) des ions polyatomiques avec des surfaces ont été étudiées afin de mieux comprendre les facteurs qui influent sur l&#39;efficacité de l&#39;ion atterrissage en douceur et les procédés concurrents de la diffusion réactive et non réactif comme ainsi que la surface dissociation induite 4,73-75. La préparation des catalyseurs modèles bien définis à des fins de recherche a été une application particulièrement fructueux atterrissage en douceur des ions de masse sélectionné 25,34,35,56,76-81. Dans la gamme de taille des clusters à l&#39;échelle nanométrique, où le comportement physique et chimique n&#39;évolue pas linéairement avec la taille de cluster, il a été démontré que l&#39;ajout ou la suppression d&#39;atomes individuels ou de groupes peuvent considérablement influencer eleu réactivité chimique 82-84. Ce phénomène à l&#39;échelle nanométrique, qui résulte de confinement quantique, a été démontrée de manière convaincante par Heiz et ses collaborateurs 85 pour un catalyseur à base de modèle comprenant des groupes reçus mous de huit atomes d&#39;or (Au-8) supportées sur une surface riche en MgO défaut. Plusieurs autres études ont fourni des preuves de la réactivité dépendant de la taille des grappes portées sur les surfaces 34,77,86,87. En outre, les images de microscopie électronique à haute résolution indiquent que les clusters contenant aussi peu que dix 88 et cinquante-cinq 89 atomes peuvent être en grande partie responsable de l&#39;activité supérieure de catalyseurs d&#39;or en vrac de synthèse supportés sur des oxydes de fer. Employant atterrissage en douceur d&#39;ions de masse sélectionnée, il est possible de préparer des matrices stables de grappes et de nanoparticules de taille sélectionnée qui ne diffusent pas et s&#39;agglomèrent en de plus grandes structures sur la surface de matériaux de support 90 à 92. Ces études antérieures indiquent que, avec continuitément le développement, atterrissage en douceur de clusters et de nanoparticules de masse choisi peut devenir une technique polyvalent pour la création de catalyseurs hétérogènes très actives qui exploitent le comportement émergent d&#39;un grand nombre de groupes identiques et de nanoparticules dans des tableaux étendus sur les surfaces. Ces systèmes extrêmement bien définis peuvent être utilisés à des fins de recherche pour comprendre comment les paramètres critiques tels que la taille de cluster, la morphologie, la composition élémentaire et la couverture de la surface influence l&#39;activité catalytique, la sélectivité et la durabilité. Complexes organométalliques qui sont généralement utilisés dans les phase solution catalyseurs homogènes peuvent également être immobilisés sur des surfaces par atterrissage en douceur des ions de masse sélectionné 56,80,81. Fixation des complexes métal-ligand ioniques à des supports solides pour produire des matériaux hybrides organiques-inorganiques est actuellement un domaine de recherche actif dans la catalyse et la science des surfaces communautés 93. L&#39;objectif global est d&#39;obtenir le hautsélectivité pour un produit souhaité de complexes métal-ligand en phase soluble, tout en facilitant une séparation plus facile des produits provenant des catalyseurs et des réactifs qui restent en solution. De cette manière, la surface immobilisée complexes organométalliques profiter des avantages des deux catalyseurs homogènes et hétérogènes. Grâce à la sélection d&#39;un substrat approprié, il est possible de maintenir, voire d&#39;améliorer l&#39;environnement de ligand organique autour du centre de métal actif tout en réalisant une forte immobilisation de surface 94. monocouche surfaces auto-assemblées (SAM) sur l&#39;or peut être mis fin à un certain nombre de différents groupes fonctionnels et sont, par conséquent, des systèmes idéaux pour étudier la faisabilité d&#39;attacher complexes organométalliques à des surfaces par atterrissage en douceur des ions de masse sélectionné 95. En outre, les méthodes d&#39;ionisation tels que la pression atmosphérique désorption thermique ionisation (APTDI) ont été précédemment démontré pour donner mixte métalliques complexes inorganiques en phase gazeusequi ne sont pas accessibles par la synthèse en solution 96. Dans la même veine, des techniques de synthèse et d&#39;ionisation cinétique limitée non-thermique tels que la pulvérisation magnétron 65, l&#39;agrégation de gaz 63 et vaporisation au laser 66 peuvent également être couplés avec des ions doux instrumentation d&#39;atterrissage pour fournir un itinéraire polyvalent de nouveaux groupes et de nanoparticules inorganiques appuyé sur surfaces. Afin d&#39;évoluer atterrissage en douceur des ions de masse sélectionné dans une technologie mature pour la préparation des matériaux, il est essentiel que les méthodes d&#39;analyse d&#39;information être couplés avec soft instrumentation d&#39;atterrissage pour sonder les propriétés chimiques et physiques des surfaces avant, pendant et après le dépôt de ions. À ce jour, une multitude de techniques ont été appliquées à cette fin, y compris la spectrométrie secondaire de masse d&#39;ions (SIMS) 19,97-100, la température de désorption programmée et la réaction 50,52, la désorption laser et l&#39;ionisation 101, la réaction de faisceau moléculaire pulsé 102, la spectroscopie infrarouge (FTIR et Raman) 98103104, surface améliorée spectroscopie Raman 103105, cavité ringdown spectroscopie 106, x-ray spectroscopie de photoélectrons 35107, microscopie à effet tunnel 33,108-111, microscopie à force atomique 112-114, et la microscopie électronique à transmission 39. Toutefois, afin de caractériser plus précisément des surfaces préparées ou modifiées par l&#39;ion atterrissage en douceur, il est essentiel que l&#39;analyse soit effectuée in situ sans exposition du substrat à l&#39;environnement dans le laboratoire. Des analyses antérieures menées in situ ont permis de mieux comprendre des phénomènes tels que la réduction de la charge ionique des ions mous reçus au fil du temps 37,38,115,116, la désorption de doux atterri ions de surfaces 52, l&#39;efficacité et la dépendance à l&#39;énergie cinétique des ions atterrissage réactive 14,81 , et l&#39;influence de la taillesur l&#39;activité catalytique de pôles et de nanoparticules déposées sur les surfaces 117. A titre d&#39;exemple, dans notre laboratoire, nous avons systématiquement étudié la cinétique de réduction de charge de peptides protonés sur les surfaces des différents SAM 3. Ces expériences ont été effectuées avec un instrument d&#39;atterrissage en douceur unique, couplée à une transformée de Fourier à résonance cyclotronique ionique des ions secondaires spectromètre de masse (FT-ICR-SIMS) qui permet l&#39;analyse in situ de surfaces à la fois pendant et après l&#39;atterrissage en douceur d&#39;ions 97. Pour élargir ces capacités d&#39;analyse, un autre instrument a été construit qui permet la caractérisation in situ des ions reçus doux sur les surfaces à l&#39;aide de IRRAS 104. Cette technique infrarouge surface sensible permet la formation de liaisons et les processus de destruction ainsi que les changements de conformation dans les ions complexes et des couches de surface à surveiller en temps réel à la fois pendant et après l&#39;atterrissage en douceur 12. Par exemple, en utilisant IRRAS c&#39;étaita démontré que l&#39;ion atterrissage en douceur peut être utilisée pour immobiliser de manière covalente des peptides de masse sélectionné sur N-hydroxysuccinimidyl ester fonctionnalisé SAM 13,14. Ici, nous illustrons les capacités des trois instruments sur mesure uniques situés au Pacific Northwest National Laboratory qui sont conçus pour in situ TOF-SIMS, FT-ICR-SIMS, et analyse IRRAS de substrats produits par atterrissage en douceur des ions de masse sélectionné sur les surfaces. Comme un système représentatif, nous présentons les résultats de l&#39;atterrissage en douceur de masse sélectionné organométallique de ruthénium tris (bipyridine) dications [Ru (bpy) 3] 2 + sur acide carboxylique fin SAM (COOH-SAM) de préparer des complexes organométalliques immobilisés. Il est démontré que in situ TOF-SIMS offre les avantages d&#39;une sensibilité extrême et large gamme dynamique d&#39;ensemble qui facilite l&#39;identification des espèces de faible abondance, y compris des intermédiaires réactifs qui ne peuvent être préenvoyé pour de courtes périodes de temps sur les surfaces. TOF-SIMS permet également de mieux comprendre comment la suppression d&#39;un ligand à partir d&#39;un ion organo-métallique dans la phase gazeuse, avant l&#39;atterrissage en douceur, une influence sur l&#39;efficacité de l&#39;immobilisation vers les surfaces et sa réactivité chimique vers des molécules gazeuses. Caractérisation complémentaire en utilisant in situ FT-ICR-SIMS permet de mieux comprendre la réduction de charge, la neutralisation et la cinétique de désorption des ions doublement chargés sur la surface tandis que in situ IRRAS sonde la structure des ligands organiques entourant les centres métalliques chargés, ce qui peut influer sur la propriétés électroniques et la réactivité des ions immobilisés. Collectivement, nous illustrons comment atterrissage en douceur des ions de masse sélectionnés combinés avec une analyse in situ par SIMS et IRRAS donne un aperçu des interactions entre les espèces et les surfaces qui ont des implications pour un large éventail d&#39;activités scientifiques bien définies.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1029">
	<colgroup>
		<col />
		<col /> 
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Gold on Silicon Substrates 1 cm2</td>
			<td style="width:187px;">Platypus Technologies</td>
			<td style="width:209px;">Au.1000.SL1custom</td>
			<td style="width:287px;"> </td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:347px;">Gold on Silicon Substrates 4.8 mm diameter circular</td>
			<td style="width:187px;">SPI Supplies</td>
			<td>4176GSW-AB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Glass Scintillation Vials</td>
			<td style="width:187px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:209px;">03-337-14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Non-denatured Ethanol</td>
			<td style="width:187px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:209px;">459836-1L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Ultraviolet Cleaner</td>
			<td style="width:187px;">Boekel Scientific </td>
			<td style="width:209px;"> </td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">16-Mercaptohexadecanoic Acid</td>
			<td style="width:187px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:209px;">448303-5G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Hydrochloric Acid</td>
			<td style="width:187px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:209px;">320331-500ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Aluminum Foil</td>
			<td style="width:187px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:209px;">Z185140-1EA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Metal Forceps/Tweezers</td>
			<td style="width:187px;">Wiha</td>
			<td style="width:209px;">49185</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Nitrile Gloves</td>
			<td style="width:187px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:209px;">S66383</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:347px;">Tris(2,2&#8242;-bipyridine)dichlororuthenium(II) hexahydrate</td>
			<td style="width:187px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:209px;">224758-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Methanol</td>
			<td style="width:187px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:209px;">322415-1L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">1 mL Gas Tight Glass Syringe</td>
			<td style="width:187px;">Hamilton</td>
			<td style="width:209px;"> </td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Syringe Pump</td>
			<td style="width:187px;">KD Scientific</td>
			<td style="width:209px;">100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">360 um ID Fused Silica Capillary</td>
			<td style="width:187px;">Polymicro Technologies</td>
			<td style="width:209px;">TSP075375</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">High Resistance Electrometer</td>
			<td style="width:187px;">Keithley</td>
			<td style="width:209px;">6517A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Commercial TOF-SIMS Instrument</td>
			<td style="width:187px;">Physical Electronics</td>
			<td style="width:209px;">TRIFT </td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Ultra High Purity Oxygen</td>
			<td style="width:187px;">Matheson</td>
			<td style="width:209px;">G1979175</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Research Purity Ethylene</td>
			<td style="width:187px;">Matheson</td>
			<td style="width:209px;">G2250178</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Cesium Ion Source</td>
			<td style="width:187px;">Heat Wave Labs</td>
			<td style="width:209px;">101502</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Commercial FTIR Spectrometer</td>
			<td style="width:187px;">Bruker</td>
			<td style="width:209px;">Vertex 70</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ sims and ir spectroscopy of well-defined surfaces prepared by soft landing of mass-selected ions

Atterrissage en douceur d&#39;ions de masse sélectionnée sur des surfaces est une approche puissante pour la préparation hautement contrôlée de matières qui sont inaccessibles à l&#39;aide des techniques de synthèse classiques. Couplage atterrissage en douceur avec la caractérisation in situ en utilisant la spectrométrie de masse secondaire d&#39;ions (SIMS) et la spectroscopie d&#39;absorption infrarouge en réflexion (IRRAS) permet l&#39;analyse des surfaces bien définies sous vide propre. Les capacités de trois instruments d&#39;atterrissage en douceur construites dans notre laboratoire sont illustrés pour le système représentatif de composés organométalliques de surface lié préparé par atterrissage en douceur de masse sélectionné ruthénium tris (bipyridine) dications, [Ru (bpy) 3] 2 + (bpy = bipyridine), sur acide carboxylique fin surfaces de monocouches auto-assemblées sur l&#39;or (COOH-SAM). In situ temps de vol (TOF)-SIMS donne un aperçu de la réactivité des ions doux-débarquées. En outre, la cinétique de la réduction de charge, la neutralisation et desorption survenant sur ​​le COOH-SAM à la fois pendant et après ion atterrissage en douceur sont étudiés à l&#39;aide de Fourier in situ transformer ion résonance cyclotron des mesures (FT-ICR)-SIMS. Dans IRRAS in situ expériences permettent de mieux comprendre comment la structure de ligands organiques autour des centres métalliques est perturbé par l&#39;immobilisation d&#39;ions organométalliques sur COOH-SAM surfaces par atterrissage en douceur. Ensemble, les trois instruments fournissent des informations complémentaires concernant la composition chimique, la réactivité et la structure des espèces bien définies portées sur les surfaces.

1. Etude de la réactivité de Ru (bpy) 3 2 + sur COOH-SAM Utilisation in situ TOF-SIMS Atterrissage en douceur d&#39;ions organométalliques en masse sélectionné dans fonctionnalisé MCS est d&#39;abord illustrée à l&#39;aide in situ TOF-SIMS de fournir une sensibilité maximale en direction de la détection des adduits formés entre les ions déposées et les molécules individuelles dans les couches monocellulaires ainsi que les produits de réact...

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In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions

Atterrissage en douceur des ions de masse sélectionnés sur des surfaces est une approche puissante pour la préparation hautement contrôlée de nouveaux matériaux. Couplée à une analyse par spectrométrie in situ secondaire de masse d&#39;ions (SIMS) et la spectroscopie d&#39;absorption infrarouge de réflexion (IRRAS), atterrissage en douceur donne un aperçu sans précédent sur ​​les interactions des espèces bien définies avec des surfaces.

In Situ SIMS et spectroscopie IR des surfaces bien définies Préparé par Soft Landing de Ions Mass-sélectionnés

Soft landing of mass-selected ions onto surfaces is a powerful approach for the highly-controlled preparation of materials that are inaccessible using ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions

18.0K vues.  Pacific Northwest National Laboratory.  Atterrissage en douceur des ions de masse sélectionnés sur des surfaces est une approche puissante pour la préparation hautement contrôlée de nouveaux matériaux. Couplée à une analyse par spectrométrie in situ secondaire de masse d'ions (SIMS) et la spectroscopie d'absorption infrarouge de réflexion (IRRAS), atterrissage en douceur donne un aperçu sans précédent sur ​​les interactions des espèces bien définies avec des surfaces. 

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Dynamic Electrochemical Measurement of Chloride Ions

This protocol describes the dynamic measurement of chloride ions using the transition time of a silver silver chloride (Ag/AgCl) electrode. Silver silver chloride electrode is used extensively for potentiometric measurement of chloride ions concentration in electrolyte. In this measurement, long-term and continuous monitoring is limited due to the inherent drift and the requirement of a stable reference electrode. We utilized the chronopotentiometric approach to minimize drift and avoid the use of a conventional reference electrode. A galvanostatic pulse is applied to an Ag/AgCl electrode which initiates a faradic reaction depleting the Cl&#713; ions near the electrode surface. The transition time, which is the time to completely deplete the ions near the electrode surface, is a function of the ion concentration, given by the Nernst equation. The square root of the transition time is in linear relation to the chloride ion concentration. Drift of the response over two weeks is negligible (59 &#181;M/day) when measuring 1 mM [Cl&#713;]using a current pulse of 10 Am-2. This is a dynamic measurement where the moment of transition time determines the response and thus is independent of the absolute potential. Any metal wire can be used as a pseudo-reference electrode, making this approach feasible for long-term measurement inside concrete structures.

Dynamic measurement of chloride ions is presented. Transition time of an Ag/AgCl electrode, during a chronopotentiometric technique, can give the concentration of chloride ions in electrolyte. This method does not require a stable conventional reference electrode.

Dynamic électrochimique Mesure des ions chlorure

This protocol describes the dynamic measurement of chloride ions using the transition time of a silver silver chloride (Ag/AgCl) electrode. Silver silver ...

Recherche

Chimie

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.

La caractérisation in situ des protéines hydratés dans l&#39;eau par Salvi TOF-SIMS

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

TiO2-coated Hollow Glass Microspheres with Superhydrophobic and High IR-reflective Properties Synthesized by a Soft-chemistry Method

This manuscript proposes a soft-chemistry method to develop superhydrophobic and highly IR-reflective hollow glass microspheres (HGM). The anatase TiO2 and a superhydrophobic agent were coated on the HGM surface in one step. TBT and PFOTES were selected as the Ti source and the superhydrophobic agent, respectively. They were both coated on the HGM, and after the hydrothermal process, the TBT turned to anatase TiO2. In this way, a PFOTES/TiO2-coated HGM (MCHGM) was prepared. For comparison, PFOTES single-coated HGM (F-SCHGM) and TiO2 single-coated HGM (Ti-SCHGM) were synthesized as well. The PFOTES and TiO2 coatings on the HGM surface were demonstrated through X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive detector (EDS) characterizations. The MCHGM showed a higher contact angle (153&#176;) but a lower sliding angle (16&#176;) than F-SCHGM, with a contact angle of 141.2&#176; and a sliding angle of 67&#176;. In addition, both Ti-SCHGM and MCHGM displayed similar IR reflectivity values, which were about 5.8% higher than the original HGM and F-SCHGM. Also, the PFOTES coating barely changed the thermal conductivity. Therefore, F-SCHGM, with a thermal conductivity of 0.0479 W/(m&#183;K), was quite like the original HGM, which was 0.0475 W/(m&#183;K). MCHGM and Ti-SCHGM were also similar. Their thermal conductivity values were 0.0543 W/(m&#183;K) and 0.0543 W/(m&#183;K), respectively. The TiO2 coating slightly increased the thermal conductivity, but with the increase in reflectivity, the overall heat-insulation property was enhanced. Finally, since the IR-reflecting property is provided by the HGM coating, if the coating is fouled, the reflectivity decreases. Therefore, with the superhydrophobic coating, the surface is protected from fouling, and its lifetime is also prolonged.

TiO2-coated Hollow Glass Microspheres with Superhydrophobic and High IR-reflective Properties Synthesized by a Soft-chemistry Method

This manuscript proposes a soft-chemistry method to synthesize superhydrophobic, TiO2-coated hollow glass microspheres (HGM) with high IR-reflective properties.

TiO<sub&gt; 2</sub&gt; Verre creux doté d&#39;un revêtement avec Microsphères superhydrophobes et High Propriétés IR-réfléchissantes synthétisé par un procédé Soft-chimie

This manuscript proposes a soft-chemistry method to develop superhydrophobic and highly IR-reflective hollow glass microspheres (HGM). The anatase TiO2 ...

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 Caractérisation des Biofilms MR1 Shewanella oneidensis par SALVI et ToF-SIMS

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

Fabrication and Testing of Catalytic Aerogels Prepared Via Rapid Supercritical Extraction

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three preparation methods are described: (a) the incorporation of metal salts into silica or alumina wet gels using an impregnation method; (b) the incorporation of metal salts into alumina wet gels using a co-precursor method; and (c) the addition of metal nanoparticles directly into a silica aerogel precursor mixture. The methods utilize a hydraulic hot press, which allows for rapid (&#60;6 h) supercritical extraction and results in aerogels of low density (0.10 g/mL) and high surface area (200-800 m2/g). While the work presented here focuses on the use of copper salts and copper nanoparticles, the approach can be implemented using other metal salts and nanoparticles. A protocol for testing the three-way catalytic ability of these aerogels for automotive pollution mitigation is also presented. This technique uses custom-built equipment, the Union Catalytic Testbed (UCAT), in which a simulated exhaust mixture is passed over an aerogel sample at a controlled temperature and flow rate. The system is capable of measuring the ability of the catalytic aerogels, under both oxidizing and reducing conditions, to convert CO, NO and unburned hydrocarbons (HCs) to less harmful species (CO2, H2O and N2). Example catalytic results are presented for the aerogels described.

Here we present protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms. Methods for preparing materials using copper salts and copper-containing nanoparticles are featured. Catalytic testing protocols demonstrate the effectiveness of these aerogels for three-way catalysis applications.

Fabrication et essai d’aérogels catalytiques préparés par Extraction supercritique rapide

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three ...

Rapid Nanoprobe Signal Enhancement by In Situ Gold Nanoparticle Synthesis

The use of nanoprobes such as gold, silver, silica or iron-oxide nanoparticles as detection reagents in bioanalytical assays can enable high sensitivity and convenient colorimetric readout. However, high densities of nanoparticles are typically needed for detection. The available synthesis-based enhancement protocols are either limited to gold and silver nanoparticles or rely on precise enzymatic control and optimization. Here, we present a protocol to enhance the colorimetric readout of gold, silver, silica, and iron oxide nanoprobes. It was observed that the colorimetric signal can be improved by up to a 10000-fold factor. The basis for such signal enhancement strategies is the chemical reduction of Au3+ to Au0. There are several chemical reactions that enable the reduction of Au3+ to Au0. In the protocol, Good&#39;s buffers and H2O2 are used and it is possible to favor the deposition of Au0 onto the surface of existing nanoprobes, in detriment of the formation of new gold nanoparticles. The protocol consists of the incubation of the microarray with a solution consisting of chloroauric acid and H2O2 in 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid pH 6 buffer following the nanoprobe-based detection assay. The enhancement solution can be applied to paper and glass-based sensors. Moreover, it can be used in commercially available immunoassays as demonstrated by the application of the method to a commercial allergen microarray. The signal development requires less than 5 min of incubation with the enhancement solution and the readout can be assessed by naked eye or low-end image acquisition devices such as a table-top scanner or a digital camera.

Rapid Nanoprobe Signal Enhancement by In Situ Gold Nanoparticle Synthesis

In this work, a protocol for signal enhancement of nanoprobe-based biosensing is presented. The protocol is based on the reduction of chloroauric acid onto the surface of existing nanoprobes that consist of gold, silver, silica or iron-oxide nanoparticles.

Signal Nanoprobe rapide amélioration de la synthèse de nanoparticules or In Situ

The use of nanoprobes such as gold, silver, silica or iron-oxide nanoparticles as detection reagents in bioanalytical assays can enable high sensitivity ...

In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate multiple processes responsible for long-term performance decay. Given the complexity of physical processes occurring inside the cell, it is often challenging to achieve a full understanding of the root causes of this performance degradation. This difficulty arises in part from the fact that any electrochemical measurement of a battery will return the combined contributions of all components in the cell. Incorporation of a reference electrode can solve part of the problem, as it allows the electrochemical reactions of the cathode and the anode to be individually probed. A variation in the voltage range experienced by the cathode, for example, can indicate alterations in the pool of cyclable lithium ions in the full-cell. The structural evolution of the many interphases existing in the battery can also be monitored, by measuring the contributions of each electrode to the overall cell impedance. Such wealth of information amplifies the reach of diagnostic analysis in Li-ion batteries and provides valuable input to the optimization of individual cell components. In this work, we introduce the design of a test cell able to accommodate multiple reference electrodes, and present reference electrodes that are appropriate for each specific type of measurement, detailing the assembly process in order to maximize the accuracy of the experimental results.

The incorporation of reference electrodes in a Li-ion battery provides valuable information to elucidate degradation mechanisms at high voltages. In this article, we present a cell design that accommodates multiple reference electrodes, along with the assembly steps to assure maximum accuracy of the data obtained in electrochemical measurements.

In Situ l’électrode de référence lithiés : Quatre électrodes Design pour la spectroscopie d’impédance au-operando

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate ...

Elemental-sensitive Detection of the Chemistry in Batteries through Soft X-ray Absorption Spectroscopy and Resonant Inelastic X-ray Scattering

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid based on volatile solar and wind sources. The pressing demand of developing high-performance electrochemical energy storage solutions, i.e., batteries, relies on both fundamental understanding and practical developments from both the academy and industry. The formidable challenge of developing successful battery technology stems from the different requirements for different energy-storage applications. Energy density, power, stability, safety, and cost parameters all have to be balanced in batteries to meet the requirements of different applications. Therefore, multiple battery technologies based on different materials and mechanisms need to be developed and optimized. Incisive tools that could directly probe the chemical reactions in various battery materials are becoming critical to advance the field beyond its conventional trial-and-error approach. Here, we present detailed protocols for soft X-ray absorption spectroscopy (sXAS), soft X-ray emission spectroscopy (sXES), and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) experiments, which are inherently elemental-sensitive probes of the transition-metal 3d and anion 2p states in battery compounds. We provide the details on the experimental techniques and demonstrations revealing the key chemical states in battery materials through these soft X-ray spectroscopy techniques.

Here, we present a protocol for typical experiments of soft X-ray absorption spectroscopy (sXAS) and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) with applications in battery material studies.

Détection sensible élémentaire de la chimie dans les Batteries par spectroscopie d’Absorption des rayons x mous et la diffusion des rayons x inélastique résonante

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid ...

Accumulation and Analysis of Cuprous Ions in a Copper Sulfate Plating Solution

Knowledge of the behavior of cuprous ions (monovalent copper ion: Cu(I)) in a copper sulfate plating bath is important for improving the plating process. We successfully developed a method to quantitatively and easily measure Cu(I) in a plating solution and used it for evaluation of the solution. In this paper, a quantitative absorption spectrum measurement and a time-resolved injection measurement of Cu(I) concentrations by a color reaction are described. This procedure is effective as a method to reproduce and elucidate the phenomenon occurring in the plating bath in the laboratory. First, the formation and accumulation process of Cu(I) in solution by electrolysis of a plating solution is shown. The amount of Cu(I) in the solution is increased by electrolysis at higher current values &#8203;&#8203;than the usual plating process. For the determination of Cu(I), BCS (bathocuproinedisulfonic acid, disodium salt), a reagent that selectively reacts with Cu(I), is used. The concentration of Cu(I) can be calculated from the absorbance of the Cu(I)-BCS complex. Next, the time measurement of the color reaction is described. The color reaction curve of Cu(I) and BCS measured by the injection method can be decomposed into an instantaneous component and a delay component. By analysis of these components, the holding structure of Cu(I) can be clarified, and this information is important when predicting the quality of the plating film to be produced. This method is used to facilitate the evaluation of the plating bath in the production line.

Here, accumulation of cuprous ions in a copper sulfate plating solution in a model experiment and an analysis based on quantitative measurements are described. This experiment reproduces the accumulation process of cuprous ions in the plating bath.

L’accumulation et l’analyse des Ions cuivreux dans un placage de Solution de Sulfate de cuivre

Knowledge of the behavior of cuprous ions (monovalent copper ion: Cu(I)) in a copper sulfate plating bath is important for improving the plating process. ...

Analysis of Complex Molecules and Their Reactions on Surfaces by Means of Cluster-Induced Desorption/Ionization Mass Spectrometry

Desorption/Ionization Induced by Neutral SO2 Clusters (DINeC) is employed as a very soft and efficient desorption/ionization technique for mass spectrometry (MS) of complex molecules and their reactions on surfaces. DINeC is based on a beam of SO2 clusters impacting on the sample surface at low cluster energy. During cluster-surface impact, some of the surface molecules are desorbed and ionized via dissolvation in the impacting cluster; as a result of this dissolvation-mediated desorption mechanism, low cluster energy is sufficient and the desorption process is extremely soft. Both surface adsorbates and molecules of which the surface is composed of can be analyzed. Clear and fragmentation-free spectra from complex molecules such as peptides and proteins are obtained. DINeC does not require any special sample preparation, in particular no matrix has to be applied. The method yields quantitative information on the composition of the samples; molecules at a surface coverage as low as 0.1 % of a monolayer can be detected. Surface reactions such as H/D exchange or thermal decomposition can be observed in real-time and the kinetics of the reactions can be deduced. Using a pulsed nozzle for cluster beam generation, DINeC can be efficiently combined with ion trap mass spectrometry. The matrix-free and soft nature of the DINeC process in combination with the MSn capabilities of the ion trap allows for very detailed and unambiguous analysis of the chemical composition of complex organic samples and organic adsorbates on surfaces.

Neutral SO2 clusters of low kinetic energy (&#60; 0.8 eV/constituent) are used to desorb complex surface molecules such as peptides or lipids for further analysis by means of mass spectrometry using an ion trap mass spectrometer. No special sample preparation is required, and real-time observation of reactions is possible.

Analyse des molécules complexes et de leurs réactions sur les surfaces au moyen de la desorption induite par les grappes/spectrométrie de masse d’ionisation