ToF-SIMSおよびXPS分析用ナノ粒子の調製

要約

表面分析用のナノ粒子を調製するための多くの異なる手順(ドロップキャスティング、スピンコーティング、粉末からの堆積、およびcryofixation)が提示されています。各方法の課題、機会、応用例、特に様々な調製方法による表面特性の変化について議論する。

要約

近年、ナノ粒子は、医療、化粧品、化学、先端材料を可能にする可能性など、さまざまな分野での応用可能性と応用が注目を集めています。ナノ粒子の物理化学的特性と潜在的な有害作用を効果的に理解し、調節するためには、ナノ粒子の様々な特性に対する検証済みの測定手順を開発する必要があります。ナノ粒子のサイズとサイズ分布を測定する手順はすでに確立されていますが、表面化学の分析方法はまだ整っていませんが、表面化学がナノ粒子特性に及ぼす影響は議論の余地がありません。特に、表面解析用のナノ粒子の保存と調製は、様々な方法による分析結果に強く影響を及ぼし、一貫した結果を得るためには、サンプル調製を最適化し、標準化する必要があります。この貢献では、表面分析のためにナノ粒子を調製するための標準的な手順を詳細に提示します。原則として、ナノ粒子は、懸濁液から、または粉末として適当な基板上に堆積させることができる。シリコン(Si)ウエハは、一般的に基板として使用されていますが、その洗浄はプロセスにとって重要です。懸濁液からのサンプル調製については、基板の清浄度と懸濁液の純度だけでなく、その濃度が調製方法論の成功に重要な役割を果たすドロップキャスティングとスピンコーティングについて説明します。敏感なリガンドシェルまたはコーティングを有するナノ粒子の場合、粉末として堆積がより適しているが、この方法は、サンプルを固定する上で特に注意が必要である。

概要

ナノ材料は、1 nm~100nmの外部寸法を有する材料、またはこのスケール1上の内部構造または表面構造を有する材料として定義^される。その小さなスケールとそれに対応する大きな表面積(他の要因)から生じるユニークな特性により、農業、化学、自動車建設、化粧品、環境、医学、印刷、エネルギー、繊維など、幅広い分野での使用が増加しています。この使用の増加は、人間と環境の両方が、未知のスケールで、毒物学的特性がまだ完全に知られておらず、その大きさが生物学的または環境システムへのファシリティ統合を可能にするこれらの物質にさらされることを意味する²。

表面積と粒径/サイズ分布の基本的な特性の後、表面化学とコーティングは、ナノマテリアル³の最も重要な特性として同定されました。小さい粒子は、単位質量当たりの表面積が高いため、バルク原子に対する表面比が高くなります。実際、1 nmサイズのナノ粒子については、70%以上の原子が角やエッジで見つけることができます。これは、原子スケールの表面形態に大きく依存する化学吸着などの表面特性に強く影響を与^えます。ナノ材料を扱う規制では、物理化学的性質に関する正確なデータと、これらの材料の毒物学的特性の信頼性の高い推定値が必要です。ナノ材料の物理的および化学的性質から毒物学的特性を効率的に推定するために、ナノ材料コミュニティは信頼性の高い、標準化された、検証された分析手順を必要とします。ACEnano5などのプロジェクトは、ナノ材料のより良い調節と特性を可能にするフレームワークの中で、ナノ粒子から正確で検証可能な物理データを収集し、関連付けることを目指しています。標準化された分析手順に向けたこの推進は、ACS Nanoの編集者によっても支持されており、「材料の特性評価と最小レベルの分析方法を統合し、合意する」ことを望んでいます^。さらに、XPSおよびToF-SIMSは、コアシェルナノ粒子^7,8の粒子アーキテクチャを解明するための新しい可能性^{を提供します}。

X線光電子分光法(XPS)と飛行時間二次イオン質量分析(ToF-SIMS)は、 表1に比べ、表面原子の調査に関する十分に確立された方法である。XPSでは、試料に1~2keVのエネルギーを有するX線を照射し、光電効果による電子の放出を引き起こします。これらの放出された電子は、同じ範囲の運動エネルギーを有し、固体中の電子の結合エネルギーに相関する。これらの定義された結合エネルギーと測定可能な強度での光電子の出現により、組成の定量的分析が可能になります。これらの光電子の平均自由経路が10nm以下であるため、XPSは定量分析のための表面感受性の高い技術である。さらに、高度に分解されたスペクトルにおける結合エネルギーの詳細な解析により、これらの電子の価数の定量的な決定が可能となる。

ToF-SIMSでは、表面は焦点を合わせたイオンビーム(一次イオン)でスパッタリングされ、材料(二次イオン)から噴出されたイオンが収集され、飛行時間の質量分析計で分析されます。質量/電荷パターンを得て、元素、同位体、または分子組成の決定を可能にします。二次イオンの平均自由経路により、この技術は表面感受性も高く、情報深度は1〜2nmですが、二次イオンのイオン化確率(したがって収量)が周囲のマトリックスによって強く影響されるマトリックス効果により、せいぜい半定量的です。ToF-SIMS は、静的モードまたは動的モードで操作できます。両者の差は、表面に影響を与える一次イオン束です。静的SIMSは、表面の最大1%-10%に影響を与えるレベル(すなわち、断片)に一次イオンフラックスを保持します。表面は比較的邪魔されず、材料の最上の原子層を解析することができます。静的SIMSでさえ、表面に何らかの破壊を引き起こすので、2つの方法の「非破壊」が少ないと考えられます。

これらの表面感受性技術は、ナノ材料の場合、材料特性に大きな影響を与える可能性のある意図的または意図しないコーティングを含む、材料の最初の数ナノメートルの分析を可能にします。意図的なコーティングの例として^は、量子ドット上の層をキャッピングして光発光量子収量を改善し、環境反応性を低下させる9、サンブロッカー10におけるチタニアナノ粒子の光触媒活性の予防のためのアルミナまたはシリカコーティング、表面官能化を可能にする生物共役とその後の生物学的活性¹¹、診断および薬物送^{達アプリケーション用}のコーティング、および、フッ素炭素コーティングは、鉄流体およびコアシェル金属系のための磁性粒子上の触媒特性を高める¹³。生体系における酸化、表面汚染、またはタンパク質コロナのような意図しないコーティングは、ナノ粒子特性に同様に強い影響を及ぼし、実験的調製手順により、ナノ材料のコーティングおよびより一般的には表面化学が破壊または形質化されないことを保証することが重要です。また、ナノ粒子の特性は^{、変化によって}大きく変化する可能性があるため、その場でナノ粒子の特性を評価することも重要^です。さらに、ナノ粒子懸濁液中の安定剤の濃度は、ナノ粒子の分析と構造的完全性に劇的に影響を与える可能性があります。安定剤の存在は、分析において大きな不要な信号(例えば、C、H、O、およびNa)をもたらし、その除去はナノ粒子の損傷または凝集をもたらす可能性がある。

その大きさと表面積により、ナノ粒子の保存条件は、保存された粉末/懸濁液として、および調製されたサンプルとして、それらの挙動にも影響を与えます。最適でない貯蔵条件、特に室温貯蔵と光への曝露の影響は、粒子の物理的、化学的、および/または毒物学的特性を変化させることが示されているナノ粒子の分解を引き起こす様々な研究で示されている^{14、15、16、17,188}.小さいナノ粒子は、貯蔵条件に依存する酸化/分解率を有する大きな粒子よりも急速に酸化することが示されている¹⁵ならびに表面化学¹⁴。貯蔵中のナノ粒子分解の影響は、毒性¹⁴を含む物理化学的特性に有意に影響を及ぼすことを示しているが、酸化的成長は^core15を犠牲にして内側に進むことができる。

したがって、ナノ材料の慎重な保存と調製は、正確な表面解析のために不可欠であり、サンプル表面および/または測定の品質に影響を与える可能性のある要因を慎重に検討する必要があります。XPS (μm範囲) と ToF-SIMS (数百 nm) の空間分解能が比較的低いため、ナノ粒子の小さなサブセットのみを調査できることに留意すべきです。これらの方法は領域を平均し、電子顕微鏡などの技術で可能な限り単一粒子を画像化する能力を持っていません。このため、分析は、基板からの干渉を確実にしないように、連続層内のナノ粒子の堆積を必要とします。したがって、電子顕微鏡とXPS/ToF-SIMSは、ナノ材料分析の補完的な方法として一緒に使用されることが多い。

表面化学の変化とは別に、XPSおよびToF-SIMS分析のためのナノ粒子サンプルの調製のための主な課題は、再現性を高めるために、均質な層を準備することです。ギャップレス、スペクトルへの基板の寄与を最小限に抑えるために;(非導電性サンプル)の充電効果を避けるために十分に薄い。自由なナノ粒子が超高真空機器に侵入し、損傷を与えることを避けるために、基板にしっかりと固定

ナノ粒子は、懸濁液から、または粉末として基板上に堆積することができる。まず、懸濁液からナノ粒子を堆積させるさまざまな方法について説明する。シリコンウェーハは、懸濁物堆積のために一般的に使用される基板であり、比較的安価であり、純粋またはドープされたシリコンからなる非常に純粋な製品として容易に入手可能であり(ドーピングは充電効果を回避する)、そしてほとんどのナノ粒子にとってスペクトルピークはナノ粒子に典型的なピークと重複しない。この最後の点は重要です。分析前に、基板のピークがナノ粒子から予想されるピークから十分に分離されていることが保証されるべきであり、そうでなければスペクトルの解釈が複雑または不可能であり、ナノ粒子による基板の連続的な被覆が検証されない。シリコンウェーハを使用する前に、(本書に記載されている)広範な洗浄手順は、(有機)汚染物質を除去し、表面の濡れ性を高めるために必要です。金フィルム、高度に順序付けられた熱分解性グラファイト(HOPG)、インジウム箔などの他の適切な基質がうまく使用されているが、その調製に関する議論は、この作業の範囲を超えています^19,20,21,22。

第2に、ナノ粒子粉末をXPSおよびToF-SIMS分析用の基板上に堆積させる方法を提示し、それぞれの方法の長所と短所を提示し、その目的に最適な調製方法を見つけ出す技術を新たに研究者に与える。第三に、凝集挙挙動、有機コロナ、固体/水界^面23,24または^{生物学的培地中}の分布23,24または生物培地中の分布などの特徴を保存するための適切な調製方法であるcryofixationについて議論する。この手順は氷の結晶形成を引き起こさないが、膜および細胞構造および組織構造を本来の生物学的状態に保つアモルファス氷を形成し、水晶化プロセスによって引き起こされる損傷を回避し、すべての細胞代謝産物および細胞膜化合物の正確な化学的分布を維持することを可能にする26,27,28.この調製方法は、実際のNP凝集体またはヘテロ凝集物の正確な化学地図を提示し、懸濁液中のナノ粒子に直接近接する正確な化学空間を視覚化したり、NP凝集体またはヘテロ凝グリメレート内の細胞組織特異的特徴または細胞内区画のいずれかを相関させることに特に関心を持つ。

本研究で示した結果を通して示されるように、特定の場合において最も適した手順は、ナノ粒子の親水性、安定性、導電性、状態(例えば、粉末または懸濁液)および分析的な質問(例えば、サイズ、バルク特性、または表面コーティング)のような様々なパラメータに依存する。ここでは、表面解析のためのAPの調製に使用できる様々な方法と、その長所と短所を比較することができます。

プロトコル

注意: ナノ粒子の毒性特性はまだ調査中です。その大きさのために、彼らは本質的に非危険な物質で構成されている場合でも、人間だけでなく環境でユニークな危険を提示することができます。ナノ粒子を用いた作業を行う前に、適切なリスク評価を完了し^{、研究対象}物質のハザードレベルに応じて適切なエンジニアリング制御、ラボ手順、PPE(個人用保護具)を設置する必要^{があります。}

1. Siウエハースの準備

注:これらの手順は、望ましくない(有機的な)汚染を除去し、表面の濡れ性を高めるために必要です。使用されるすべての溶媒は、少なくとも ACS グレードである必要があります。標準的な超音波処理バス(35 kHおよび120ワット)が適している。

1. Siウエハースのウェットケミカルクリーニング
   1. Siウエハースをイソプロパノールと超音波でビーカーに入れ、5分間超音波処理します。
   2. Siウエハースをアルカリガラス洗浄液でビーカーに移し、10分間超音波処理します。
   3. ウエハースを超純水でビーカーに入れます。水を注ぎ、ビーカーを補充することによって、水を10回変更します。Siウェーハは毛細管効果のために底に残ります。
   4. ウエハを清潔な_N2 ガスで乾燥させます。
      注:_N2 による乾燥は、水の乾燥から「コーヒーリング」や他のアーティファクトの形成を防ぎます。
   5. イソプロパノールと超音波で2番目のビーカーにウエハーを10分間入れます。
   6. ウエハを清潔な_N2 ガスで乾燥させます。
   7. ウエハースをエタノールと超音波でビーカーに入れ、10分間超音波を入れます。
   8. ウエハを清潔な_N2 ガスで乾燥させます。プロトコルはここで一時停止することができます。
2. シリコンウェーハのプラズマまたはUV/オゾン洗浄
   1. SiウェハをプラズマまたはUV/オゾンクリーナーに導入し、30分間スイッチを入れます。
      注:ウェハーは、使用する直前にプラズマまたはUV/オゾン洗浄する必要があります。

2. 懸濁液からのナノ粒子蒸着

注: ナノ粒子の最も一般的な露光経路は吸入です。サスペンションを使用することで、危険を最小限に抑えることができます。

1. 粉末からのナノ粒子懸濁液の調製
   注: ここに記載されている数量はすべて例です。この方法は、それぞれの場合に使用される特定のナノ粒子に対して最適化する必要があります。
   1. 正確に15mgのナノ粒子粉末(±10%)を10 mLチューブに正確に秤量する。
   2. 約8mLの超純水で正確に重量を量る。
   3. チューブを閉じ、ペーパータオルで50 mL遠心チューブに詰め、3,000 rpmでボルテックスに15分間置きます。
2. 水性懸濁液からの導電性ナノ粒子のドロップキャスト
   1. ウエハーをUV/オゾンクリーナーに30分間置きます。
   2. ウエハホルダーの半分にウエハーを置き、リングの中央にナノ粒子懸濁液の3μLのドロップを置きます。
   3. 直径6.07mmのビトンOリングを、液滴の周りのウエハーに取り付けます。リングが液滴に触れないように注意してください。
   4. ウエハーを真空デシケーターに入れ、4 mbarの真空下で15分間、ウエハを乾燥させます。
   5. デシケータからウエハを取り出し、光顕微鏡とXPSを使用して、粒子層が均質で閉じているかどうかを確認します。解析に閉じた均質な層が表示されるまで、ステップ 2.2.1 と 2.2.2 を繰り返します。プロトコルはここで一時停止することができます。
3. 水性懸濁液からの電気的非導電性ナノ粒子のスピンコーティング
   1. ウエハーをUV/オゾンクリーナーに30分間置きます。
      注:同じプロトコルを使用して異なる濃度のスピンコーティングサスペンションによって、異なるレベルの表面カバレッジを達成することができます。
   2. スピンコーターをプログラムします。適切なサンプルプログラムは:ステップ1:500 rpm /sランプ1,000 rpm(5 s);;ステップ2:1,000 rpm /sランプ2,000 rpm(3分)ステップ3:2,000 rpm/sで0rpmで減速する。
   3. ウエハーをスピンコーターに挿入し、真空をオンにして固定します。
   4. 懸濁液の80 μLをウェーハに入れ、プログラムを開始します。
   5. スピンコーターからウエハーを取り外します。
   6. サンプルを新しいクリーンウエハートレイに保管します。プロトコルはここで一時停止することができます。
   7. SEMを使用してサンプルを分析し、基板のギャップのないカバレッジを確認します。

3. 粉末からのナノ粒子蒸着

1. 両面接着テープにナノ粒子蒸着(スティックアンドゴー)を貼り付けます。
   1. 両面接着剤をサンプルホルダーに固定し、ライナーを取り外します。
   2. ナノ粒子粉末のヘラ先端を取り、接着剤に浸します。
   3. サンプルを接着剤の上に広げ、できるだけ多くの粉末が付着するまで、ヘラで接着剤にプレスします。
   4. サンプルホルダーを反転してタップし、ガス(例えば窒素)の流れを吹き飛ばして、タップに粉末が固定されていることを確認します。プロトコルはここで一時停止することができます。
      注:または、少量の粉末を洗浄された表面(Aluホイルまたはガラススライド)に置き、接着剤と両面サンプルホルダーで上から押すことができます。
   5. 粉末のヘラ先端を洗浄した表面に置きます。サンプルホルダーに接着剤を付けて、上から粉に押し付けます。
   6. サンプルホルダーを反転してタップし、ガス(例えば窒素)の流れを吹き飛ばして、タップに粉末が固定されていることを確認します。プロトコルはここで一時停止することができます。
2. プレス粉ペレットの調製
   1. ペレットの全ての部分を徹底的に洗浄し、研磨面を傷つけないように注意してください。
   2. ペレットを反転し、小さなスペーサーの上で休みます。
   3. プランジャーと1つのステンレススチールペレットを研磨面で上に挿入し、粉末サンプルで満たすのに十分なスペースが得られるまでプランジャーを引き抜きます。
   4. 少量のサンプル(1大ヘラチップ)でダイを充填し、次に、サンプルに面した研磨面で2番目のステンレスペレットを挿入します。
   5. 体の上にベースを置き、慎重に反転します。真空が必要で利用可能な場合は、ペレットダイのベースに真空ポンプを取り付けます。
   6. ダイをプレスに入れ、中央に配置します。
   7. 約20 sの軽負荷(2kN)を適用し、放出します。
   8. 2分間の重い負荷(6 kN)を塗布し、放出します。
   9. 負荷が解放された後、真空ポンプを解放する。
      注:様々なナノ粒子の異なる材料特性のために、最適なペレットプレス条件を決定するために、異なる負荷と負荷時間を持つ一連のペレットを準備することが有利である可能性があります。
   10. ダイを反転し、抽出リングを所定の位置に置き、プランジャーと抽出器リングの間に軽い負荷(最大1kN)を置きます。
   11. プレスからダイパーツを取り出し、ピンセットでサンプルペレットを慎重に抽出します。
   12. 両面接着剤を使用して、洗浄されたSiウエハにサンプルを静かに取り付ける。プロトコルはここで一時停止することができます。

4. ナノ粒子懸濁液の凍結

1. 液体窒素で速凍結装置のメインチャンバーを充填します。
2. 冷却された速凍結チャンバーに、凍結剤(プロパン)を充填します。
3. 高速凍結デバイスを動作温度まで冷却します。
   注:高速凍結装置は、サンプル調製の前に動作温度に達するまでに時間がかかるため、サンプルを凍結するのに合理的な時間枠(数時間)が必要です。
4. 10~20 μLのNPサスペンションを、ピペットを使用して洗浄したSiウェハーにドロップキャスト。
5. 固定ピンセットでSiウエハースを保持し、プランジ凍結装置の内側に置きます。
6. 固定ピンセットをプランジ位置に移動します。
7. ボタンを押して、サンプルをクライオゲンの中にドロップします。
8. サンプルが完全にフリーズするまで数秒待ちます。
9. 冷凍サンプルをできるだけ速く冷却された環境に移します。
10. 凍結したサンプル(Siウエハー)をサンプルホルダーに入れ、計器の中に入れ替えます。
    注:輸送にはドライアイスを推奨し、短期サンプル保存が可能です。サンプルは、冷却された器具で凍結状態で測定することも、サンプルを凍結乾燥して安定化した後の従来のToF-SIMS設定で測定することもできます。

結果

本論文では、ナノ粒子の表面解析のための様々なサンプル調製方法を紹介する。特定のNPの物理化学的特性は、サンプル調製のための最適な方法(例えば、ドロップキャスティングとスピンコーティング)とその方法(例えば、異なる基質または溶媒を必要とする)の最良の方法の両方を定義するので、使用される方法の適合性は、代替分析方法を介して検証され、必要に応じて最適化されるべきである。この文献に記載されている結果は、サンプル調製のための一貫したプロトコルと手順の必要性と、サンプル調製および精製方法が適切で成功し、ナノ粒子^{22、33、34、35}、³⁶に損傷を与えないことを確認するための品質チェックの必要性を示す上で、以前に発表された文献と一致している。

ここでは、他の参考文献14,15,16,16,17,18,34,37,38,39で詳しく説明されているため^、ここでは取り上げられていない。当然のことながら、分析されたサンプルがナノ粒子分布全体を代表し、適切なサンプリング方法が開発され検証されることを細心の注意を払う必要があります。また、貯蔵条件は、数ヶ月にわたってナノ粒子の特性に強く影響することが示されているため、慎重に検討する必要があります。例として、ナノ粒子は、光から離れた密閉容器内に少量保存し、理想的には4°C以下に保存することをお勧めします。 また、ストレージ、サンプリング、サンプルの準備は、検証済みの手順に従って一貫して実行され、詳細に文書化されていることも重要です。このドキュメントには、証明情報やストレージ条件⁴⁰など、NP自体のメタデータを含める必要があります。電子ラボ ノートブック (ELN) などのツールは、プロシージャと NP メタデータの一貫性のあるドキュメントを作成する場合や、FAIR の原則 (検索可能、アクセス可能、相互運用可能、再利用可能) に従ってデータを生成する場合に役立ちます。

まず、NPの正確で正確な表面解析には、適切な基板の選択が必要です。洗浄されたSiウエハースは、容易に入手でき、耐久性があり、容易に洗浄され、導電性があり、十分に平坦であるため、基板上の出現炭化水素はナノ粒子上のものと区別できないため、酸化物表面層は欠点になる可能性があるため、基板として使用してきました。必要に応じて、Siウエハース上の金またはポリマーコーティング、_Si3N4ウエハー、またはHOPG(高配向熱分解性グラファイト)の他の材料を19,20,21,22に使用することができる。本稿で説明するサンプル調製の第1ステップは、図1の概略図として示すSiウェハの洗浄である。クリーニングプロセスの有効性は、XPSを含む様々な方法で検証することができます(図2参照)。主な汚染物質(アドベンティアスカーボン)は、空気中に貯蔵されたサンプルに典型的であり、洗浄プロセス後に大幅に減少します。さらに、UVまたはオゾン処理を介してウエハー表面を水酸化し、水性懸濁液からの沈着からコーヒーリング効果を回避し、したがって、図3に示すようにナノ粒子のより均質な分布に導きます。Siウエハース用の代替湿式化学洗浄方法は、必要に応じて使用することができます。ここでは、すべての有機汚染物質または酸化物層の完全な除去ではなく、再現的にきれいな表面のみが必要です。プロトコルが洗浄と懸濁液の堆積ステップの間で一時停止されている場合、ウエハは、プラズマまたはUV/オゾンの下で再処理され、懸濁液は、処理の15分以内に理想的に堆積する必要があります。

セクション2.2に示す60nmAu-Agコアシェルナノ粒子の懸濁液は、安定剤としてかなりの量のクエン酸ナトリウムを含んでいたが、これはナノ粒子懸濁液において一般的に発生する。これらの粒子とその表面特性、特にXPSを介して正確に分析するためには、ナノ粒子からの信号を減衰させ、充電効果を引き起こすので、できるだけ多くの安定剤を除去する必要があります。 図4にSEM顕微鏡写真として示されているこれらのナノ粒子の最適な精製方法を確立するために、超純水で透析するか、遠心分離を用いて精製し、三重化で再分散した。透析は粒子の凝集と凝集を引き起こす可能性が高い穏やかな方法と遠心分離と再分散のように見えますが、SEM画像は透析後のAu-Agナノ粒子の有意な変形と損傷を示し(図4B)、遠心分離/再分散粒子はまだそのままです(図4C).これは特に金属ナノ粒子で顕著です。我々の仮説は、ナノ粒子の信号に干渉しない間溶液の安定化を可能にするクエン酸ナトリウムの最適量があり、あまりにも多くの安定剤の除去は、ナノ粒子に損傷を引き起こすということです。以前のレポートでは、クエン酸ナトリウムのほとんどの除去に最適な数の遠心サイクルがあることを示しています。この数を超えると、NP 集計^{が発生します33。}この研究では、同様のクエン酸濃度を得るために9つの透析サイクル(合計36時間)が必要でした。しかし、この方法は、遠心分離よりも高い凝集量をもたらし、表面官能化の低下を引き起こした。これらの結果は、特に未知のサンプルを用いて、ナノ粒子の異なるタイプごとに調製手順の各ステップを検証することの重要性を示している。

この例で使用される60 nm Au-Agコアシェルナノ粒子は、その電気伝導性によるドロップキャストに適しており、充電効果は問題ではなく、比較的少ない機器を使用して繰り返し堆積させることによって厚いスポットを生成することができる。この厚い層は、より再現性の高い測定を与える利点があり、より集中した懸濁液からの鋳造は、堆積ステップの数を減らすことによって時間を節約できる。堆積は、基板の濡れ性の影響を受けることができます。湿潤不良は、導電性サンプルに有利な厚いナノ粒子スポットを生成することができ、良好な湿潤は、導電性および絶縁試料の両方に有用であり、より均質なナノ粒子層を生成することができる。プロトコルで説明されているように、ナノ粒子懸濁液のドロップキャストは、通常、完全なカバレッジを持つ厚い層を得るために繰り返しアプリケーションを必要とします。これは XPS を使用して検証する必要がありますが、光顕微鏡を使用して迅速かつ簡単に検証することもできます。 図5 は、水溶液からのAu-Agコアシェルナノ粒子のドロップキャストにおける液滴カバレッジの進化を示しています。この場合、完全なカバレッジを実現するには、13 のドロップキャスト手順が必要です。ドロップ鋳造は、導電性粒子、または充電効果を適切に補償できる粒子に特に適しています。この出版物で説明されている他の方法と同様に、異なるNP材料は情報の深さおよび濃度および膜厚さ限界に関する異なる特性を有するので、ドロップ鋳造は各サンプルに対して最適化されるべきである。NP信号を阻害する有機物の積層を引き起こす可能性のある厚すぎるフィルムを避けることは重要です。

均質で良質のコーティングは一貫した、再生可能な結果を保障するのを助ける。懸濁液濃度、溶媒、およびスピンコーティングパラメータに加えて、スピンコート懸濁液の品質は、ほこりまたは他の大きなマクロ粒子または顕微鏡粒子の存在によっても負の影響を受け得る。 図6 は、0.45 μmのシリンジフィルターでろ過した後のナノ粒子懸濁液のスピンコーティング品質の向上を示しています。フィルターは、懸濁液からナノ粒子を除去しないように選択する必要があります。プロトコルに記載された3つの異なる懸濁液濃度(135 nm PS-PTFEコアシェルナノ粒子の90,9.0および0.9mg/mL)を同じ条件でスピンキャストし、SEMおよびXPSを用いて分析した。 図7 の上面画像とスペクトルは、SEM画像における厚く、ギャップのない多層カバレッジ、ならびにCPSスペクトルにおけるSiピークの顕著な欠如を示す90mg/mL懸濁液から投射されたフィルムを示し、スペクトルに基質の寄与を示さない。このサンプルは、XPS または ToF-SIMS 分析に最適です。さらに、粒子のシェルからの小さなF1sピークは、基板からの大きな信号がない場合にはっきりと見ることができる。9.0 mg/mL懸濁液から投げられた2番目のサンプルは、表面を完全に覆わない小さな単層凝集体の粒子を示す。このサンプルは、XPS または ToF-SIMS 解析には薄すぎて、不等分です。さらに、慎重な洗浄の後でも、基板上の気化炭素の寄与により定量分析が損なわれる可能性があります。少なくとも、このような効果は、測定の不確実性予算で考慮されなければならない。しかし、このサンプルは、単一の層に存在し、(画像内)に十分な数の粒子が存在し、統計的に有意な評価を提供するのに、画像分析ソフトウェアを用いた粒子サイズ分布のSEMまたはTEM分析に最適である。最も低い濃度(0.9 mg/mL)からのサンプルキャストは、連続的な被覆または十分な粒子密度を提供せず、表面化学または粒度分布の分析に適しています。基板の支配的な影響により、信頼性の高い定量分析が可能とは限りません。

PDMSまたはグリセロール外層のいずれかを有するAl2O3-TiO2コアシェルNPは、感度外層に対する異なる調製方法の影響を比較するために、「スティックアンドゴー」法を用いて、懸濁液からのドロップキャストと粉末から調製した。サンプルはToF-SIMSで分析され、スペクトル内では主成分分析(PCA)を用いて分析された。PCA は、データ^{41,42,43,44,45}の分散を最大化する新しい非相関変数(主成分)を作成することによって、大きなデータセットの次元性を低減するための統計的手法^です。主成分グラフ上の異なるサンプルセットを分離することで、結果をより容易に分析およびグループ化できます。図8BのPCAスコアプロットでは、他のすべてのデータセット(すなわち、異なるサンプルセット間)と比較して各データセットの識別力を示し、粉末から調製された2つのサンプルは非常に異なるスコアを示し、分散から調製されたサンプルは非常に類似したスコアを示す。図8Cに示す荷重プロットは、変数間の関係、すなわちそれぞれの主成分に最も寄与するピークを示しています。すべての主成分は、データ・セット間の観測差への寄与に応じてソートされる、すなわち、PCA1は、異なるデータセットの観測された分離に最も寄与する。PC1はPDMSピークの存在(粉末から調製されたPDMSコーティングされたNP)または不在(他のすべてのサンプル)によって支配され、一方、データセット内で2番目に大きな変動を占める要因であるPC2は、_Al2O3とNPsの有機キャッピングの区別を可能にする。これは、懸濁液から調製されたNPの測定スペクトルが非常に類似していることを示し、PDMSおよびグリセロール層が懸濁液自体または乾燥プロセスのいずれかから、_Al2O3またはTiO2からの支配的な信号を用いて、懸濁液からの調製によって除去または損傷した可能性があることを示唆している。

プレスペレットは、超高真空機器の取り扱いや安定性(高真空チャンバー内のNPを取り除かずにスパッタリングする能力を含む)などの粉末サンプルの調製に利点を提供することができますが、関与する高力は、他の調製方法で既に見られたように、敏感なナノ粒子にも損傷を与える可能性があります。適切なプロトコルを用意し、検証する必要があります。

NP分散液の場合、ドロップキャストサンプル懸濁液の低温除去は、コーヒーリング効果(NP懸濁液の瞬間的な固定および乾燥効果の除去のために)ならびに懸濁液に存在するより大きな構造の保存を回避する。また、粘着テープの塗布は避ける。これは、図9に示すように、サンプル調製手順の塩、汚染物質、または他のアーティファクトに起因する可能性のある減少した信号に反映されます。cryofixationの主な利点は、ナノ粒子の周りの化学空間および/または粒子凝集体またはヘテロ凝集体の化学実体の周りの化学空間を保存する能力、ならびに組織内または単一細胞内の生物学的特徴への相関、あるいは細胞内区画への共局在化、乾燥などのサンプル処理ステップからの中断なしに、保存する能力である。 ドロップキャスティング、^etc46'47。現在の論文では、クライオフィキセプション技術の適用性を実証し、TiO2ナノ粒子の低温化の利点を強調しました。我々は、cryofixationは、試料調製アーティファクトによる化学物質の転位なしに自然な状態での生物学的サンプルの分析に特に適していることを強調する。生物学的試料の固定技術についてのより詳細な情報については、読者は文献^{19、25、27、48、49}に言及される。

	XPS	トフ-シムズ
プローブビーム	光子	イオン
解析ビーム	電子	イオン
空間解像度*	> 1 μm	0.1 μm
サンプリング深度	0.5 - 7.5 nm	<2 nm
検出限界	0.01 -0.1 原子 %	ppb
定量化	優秀 (半定量)	挑戦的な (マトリックス効果)
情報コンテンツ	元素 化学結合	元素 モレキュラー
有機分析	たいへん良い	静的モードで優れています
*メーカーによって指定

表1:表面解析のための各種方法の比較

方式	に適しています	与える	利点	欠点	注意	コントロール	小切手
透析	浄化	安定剤/不純物の除去	シンプルで低い労力で、複雑な設備はありません	プロセスに対する制御の欠如	ナノ粒子に損傷を与える可能性がある	時間	ナノ粒子の損傷(SEM)
遠心分離/再分散	浄化	安定剤/不純物の除去	プロセス、同時集中のより多くの制御	労働集約的で、遠心分離機が必要	集約または凝集の原因となる可能性がある	遠心分離機回転数、溶剤量	凝集/凝集/ナノ粒子への損傷(SEM)
ドロップキャスト(サスペンション)	感度の高い外層のない導電性のNP	比較的厚い被覆スポット	シンプルで複雑な機器なし	不均一な厚さ、時間のかかるを与えることができます	サスペンションの準備は、敏感なNPシェルを損傷する可能性があります	懸濁液濃度、溶媒(基質湿潤)	カバレッジ(光顕微鏡/XPS)
スピンコーティング(サスペンション)	感応外層のない導電性または非導電性のNP	薄い均質層、または単一粒子	一貫した設定	最適パラメータの実験的決定が必要	ほこり/不純物を排除し、カバレッジが一貫性がない可能性があります	濃度、スピンコーティングパラメータ、溶剤	濾過前、カバレッジ、層厚(SEM/XPS)
「スティックアンドゴー」(パウダー)	感応外層を有する無機導電性および非導電性NPS	接着剤のパウダースポット	シンプルで低い労力で、複雑な設備はありません	有機またはC含有のNP、一貫性のないフィルムの厚さには適さない	NPリリースの危険	接着剤へのNPsの固定	高真空条件下での安定性
スタブの穴に堆積(粉末)	XPS 分析;導電性/非導電性有機または無機粒子	軽く押されたナノ粒子サンプル	他の材料との接触なし	NP の安全な固定なし。トフ・シムズには不適当	NPリリースのダガーを楽器に	何一つ	軽く横に傾け、粉末がコンパクトになるようにします
プレスペレット(粉末)	導電性および非導電性NPS、ポリマーNP	固体ペレット	粉末として高分子NPの分析を可能にする	NP表面を損傷または汚染する可能性がある	表面汚染を避けるために、材料を徹底的に洗浄する必要があります。表面を損傷する可能性がある	サイズ、圧力、時間	高真空条件下での安定性
クライオ固定(サスペンション)	敏感なリガンド層を有するNP懸濁液;生物学的サンプル	固体サンプル	形態、ネイティブの生物学的状態およびコロナを保存し、コーヒーリング効果を低下させる	洗練された高価な準備とサンプル処理は、熟練したユーザーを必要とします	サンプル処理とサンプルストレージに必要な高度なスキル	濃度、液滴サイズ、温度	ガラス化の保存

表2:異なるサンプル調製方法の比較。

図1:Siウエハースの洗浄工程この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:クリーニング前後のSiウエハのXPスペクトル。 (グレー)および(赤色)洗浄の前(灰色)および後の調査は、炭素量が13%から2%に減少することを示す。スペクトルは、単色のAl Kα放射線を有するクラトース・スプラDLD(マンチェスター、英国)で得られた。サンプルを試料ホルダに二重粘着テープで固定し、通過エネルギーは80eV、ステップ幅1eV、ドウェルタイム500msとした。「ハイブリッドレンズモード」を使用した。X線スポットサイズは300 x 700 μm²であった。洪水銃が料金補償に使用された。定量分析のために、ソフトウェアパッケージUNIFit ²⁰²⁰⁵⁰ を使用し、相場の背景で補正し、スコフィールド因子で正規化した対応する光電子ピークのピーク領域を使用して、非弾性平均自由経路および伝達機能を有する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:水性懸濁液からのPTFE-PMMAコアシェルナノ粒子のドロップキャストにおける粒子分散の均質性に対するUV/オゾン洗浄の効果UV/オゾンで洗浄されたウエハーは、コーヒーリングの有意な減少と、表面への粒子の接着性の向上を示しています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:ナノ粒子懸濁液から不純物(例えば、安定剤)を除去するための治療オプション 透析(右上)と遠心分離および三重化中の再分散(右下)の効果を示すSEM画像は、60 nm Au-Agコアシェルナノ粒子に対する。ナノ粒子は透析によって明らかに損傷を受け、遠心分離は目に見える影響を及ぼさない。すべてのスケール バーは 100 nm です。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:直径60nmの直径のAu-Agコアシェルナノ粒子をシリコンウェーハ上に水性懸濁液から滴下した光学顕微鏡画像は、13滴後に十分な被覆率を示した。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図6:スピンコートナノ粒子懸濁液、 0.45 μmシリンジフィルターを用いた濾過前(左)および後(右)。濾過後の品質の向上は明らかに見ることができます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図7:PMMA-PTFEコアシェルナノ粒子のSEM画像およびXPSスペクトルは、種々の濃度でスピンキャストし、XPSスペクトルに対する基板ピーク(カバレッジ不足)の効果を示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図8:主成分分析(PCA)スコアプロットは、グリセロールおよびPDMSコーティングされたAl2O3-TiO2コアシェルNPのToF-SIMSスペクトルに由来する。 (A) NP構造の概略(B) ドロップキャスト(分散)および「スティックアンドゴー」(粉末)調製方法のToF-SIMS分析後のスコアおよび(C)ローディングプロット。PC1 は、PDMS フラグメントに関連するピークを表します。PC2は、表面コーティングなしで一見_Al2O3ピークから有機コーティング(粉末から調製されたサンプル)でサンプルを分離します。スペクトラは、IONTOF ToF-SIMS IV装置(ION-TOF GmbH、ミュンスター、ドイツ)で、最大線量密度¹⁰¹²イオン^/cm2の25kV _Bi3⁺イオンビームを用いたスペクトロメトリーモード(HCBU)で正モードで測定した。150 x 150 μmの視野を、125 x 125 ピクセルの鋸歯モードでスキャンしました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図9:TiO2 NPsのToF-SIMS質量スペクトルのセクション (A)NP分散液の低温化後に「スティックアンドゴー」法と(B)を用いて粉末から調製した。ToF-SIMS インストゥルメント (イオン-トフ V;イオン-TOF GmbH、ミュンスター、ドイツ)は、パルス30 keV _Bi3⁺液体金属イオンガン(LMIG、直流(dc)、16 nAで質量分析に使用されました。各スペクトルは、500×500 μmのサンプル領域にわたってイオンビームを走査することによって獲得されました。正の二次イオンは、¹⁰⁶ _Bi3⁺パルスを用いて質量範囲0~1,200 Daで取得した。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

XPSおよびToF-SIMSを用いた表面解析のためのナノ粒子の調製に向けて、多くの方法が提示されている。これらの方法の長所と短所、および異なる材料に対する誤差と適合性の可能性のある原因を 表2にまとめました。代表的な結果に示すように、ナノ粒子の調製は、得られた表面解析の成功に強く影響を与える可能性がある。また、すべての方法は、基板や取り付け材料との信号干渉、非伝導厚膜の充電効果、粉末または懸濁液としてのナノ粒子の状態、敏感な外層への潜在的な損傷、凝集およびインターフェースに関する情報、またはナノ粒子を解放するための敏感な超高真空機器の脆弱性など、すべての粒子タイプに適しているわけではありません。

XPS および ToF-SIMS の測定値は、単一の粒子を測定するのではなく、領域で平均するため、均一な層から再現可能な結果を得ることしかできません。したがって、基板上の粒子の凝集または凝集は避けるべきである。さらに、非導電性材料の厚すぎる層は、分析中に充電効果を引き起こし、スペクトル内の望ましくないアーティファクト、特に洪水銃で補償できない部分的な充電につながる可能性があります。一方、不完全なフィルムは、基板または取り付け材料(例えば、接着剤)からの強い信号を示し、粒子表面からの敏感なピークを妨げる可能性がある。フィルムの理想的な厚さは材料依存であり、異なる厚さのフィルムの分析によって実験的に決定されるべきである。特に、スピンコーティングを使用して調製したサンプルは、コーティングの完全性を確保するためにSEMで分析する必要があります。

NP懸濁液を使用すると、NP粉末で作業する場合に比べて、危険や安全要件が少なくなります。ドロップキャストは、機器の要件が低い比較的簡単な方法であり、フィルムの厚さが懸念されない懸濁液中の導電性ナノ粒子に特に適しています。サンプルは大気条件下で容易に乾燥することができるが、真空デシケーターは、汚れからウエハーを保護するだけでなく、液滴の乾燥時間を短縮するのに役立ちます。Vitonリングは、液滴の蒸発パターンを変更し、それによってコーヒーリングの形成を最小限に抑えるために使用されます。蒸発パターンはまた、洗浄プロトコルを用いて基板親水性を変化させることによって、または代替コーティング^51,52の適用によって、溶媒雰囲気⁵³中で蒸発することによって、あるいは基板⁵⁴を加熱することによって影響を受けることができる。スピンコーティングは、充電効果を回避するのに十分な薄いが、Si基板がXPSおよびToF-SIMSスペクトルに寄与するのを防ぐのに十分な厚さの均質な粒子層を生成することができるため、懸濁液中の非導電性ナノ粒子の懸濁液に推奨されます。個々のNPシステムと濃度ごとに、遠心分離機とスピンコーティングの両方のパラメータを最適化する必要がありますが、異なる機器でも非常に確実に再現することができます。スピンコートされたドロップは常にウエハーの中央にあるため、回転半径は無関係であり、単位「1分あたりの回転」(rpm)を使用することができます。中断は、プログラムを開始した後にウエハーに堆積することができる。しかし、これは、異なるスピンコーティングパラメータと厚いコーティングを得るためにサスペンションの量が多いことを必要とします。

ナノ粒子は、非常に小さいサイズのため、イオンやX線ビームに影響を受けると、ナノ粒子が基板から切り離され、超高真空チャンバーの中を自由に移動することがあります。これは、粉末で調製されたサンプルに関する特に問題です。場合によっては、ナノ粒子が高価で時間のかかるメンテナンスを必要とする機器の敏感なコンポーネントに浸透する可能性があります。加圧電圧により、XPSよりもToF-SIMSの場合、敏感な部品を損傷する危険性が大きくなります。粉末サンプル、特に「スティックアンドゴー」法を使用して調製したものは、特にToF-SIMS分析のために、粉末が十分に確実に固定されていることを確認するために慎重にチェックする必要があります。これは、例えば、サンプルを逆さまに保持し、それを横切るガスの流れ(例えば、_N2)を吹くことによって確認することができる。分析の前に、サンプルは、安定した真空がサンプルからの緩い粒子がないことを示すことができる機器のエアロックまたは他の初期サンプル入り口チャンバーに一晩放置することができます。しかし、ペレットとして調製されたナノ粒子は、楽器を損傷することなく(低加速電圧で)スパッタリングすることもできます。この方法は、プレスから導入された汚染物質、特に炭化水素を排除することができ、また、粒子のバルク分析を可能にすることができる。

サンプルホルダースタブ内のNP粉末の調製は、定義された幾何学と、マクロ的に平坦な表面を有するサンプルの調製を可能にする。重要な点は、サンプルを押すツールの清浄度と、この手順によるナノ粒子表面の変化を避けるために低圧を使用することです。比較的高い量の材料を必要とするという欠点と、高真空機器の材料損失に関する潜在的な問題があります。ToF-SIMS 解析では、粒子が圧縮または固定されていないので、この方法はお勧めしません。

NP材料に関して、サンプル調製のための最初の考慮事項は、NPと同様の材料の基板との間の干渉の排除または最小化です。例えば、Siウエハースは、十分なサンプルカバレッジを有する場合でも、XPSおよびToF-SIMSを使用してSiO2 NPの分析には不適当な基質です。金属または無機ナノ粒子は、ナノ粒子と両面接着剤との間の信号干渉の欠如のために、接着剤上の粉末として容易に分析することができ(有機層またはコーティングが含まれていないと仮定して)、ポリマーNPsに適さない調製方法である金属ナノ粒子は、充電効果がないために使用されるフィルム厚さの可能性の点でより柔軟性を有する。 比較的少ない機器でドロップキャストすることができます。しかし、それらは大量の不純物および安定剤を含んでいる可能性が高く、粒子に損傷を与えることなく慎重に除去しなければならない。高分子ナノ粒子は、ダイプレスによって損傷を受けやすいが、使用される圧力に応じてペレット内でより容易に一緒に保持される可能性もある。NP表面のペレットやソフト有機コーティングも損傷感を受けやすい場合があります。溶液からの直接堆積は、懸濁液または乾燥プロセスを介して敏感なコーティングを損傷する可能性を有するが、懸濁液に既に存在するNPを分析するのに有利である。クライオフィクセ化は、他の様々なサンプル調製技術によって損傷または破壊されるであろう懸濁液中の化学構造、表面または界面の分析に適した方法ですが、XPSとToF-SIMS46'47の両方に特殊な凍結装置が必要です。

このペーパーでは、サンプル調製に使用できるいくつかの例示的な方法について説明しますが、その方法は、代替分析方法を使用して最適化および検証する必要があります。異なる要因の影響の詳細な概要が最近発表されました²².適切な準備方法の開発と検証に加えて、これらの手順のドキュメンテーションも最も重要な⁴⁰です。この資料は、扱いやすい方法をいくつか紹介し、特定のタスクの要件に従って新しいメソッドを変更または開発するためのガイドです。

資料

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