ToF-SIMS ve XPS Analizi için Nanopartiküllerin Hazırlanması

Özet

Yüzey analizi için nanopartiküllerin hazırlanması için bir dizi farklı prosedür sunulmaktadır (damla dökümü, spin kaplama, tozlardan biriktirme ve kriyofixation). Her yöntemin zorluklarını, fırsatlarını ve olası uygulamalarını, özellikle farklı hazırlama yöntemlerinin neden olduğu yüzey özelliklerindeki değişikliklerle ilgili olarak tartışıyoruz.

Özet

Nanopartiküller son yıllarda tıp, kozmetik, kimya gibi farklı alanlardaki potansiyelleri ve uygulamaları ve ileri malzemeleri mümkün kılma potansiyelleri nedeniyle giderek daha fazla ilgi görmektedir. Nanopartiküllerin fiziko-kimyasal özelliklerini ve potansiyel olumsuz etkilerini etkili bir şekilde anlamak ve düzenlemek için, nanopartiküllerin çeşitli özellikleri için onaylanmış ölçüm prosedürlerinin geliştirilmesi gerekir. Nanopartikül boyutunu ve boyut dağılımını ölçmek için prosedürler zaten belirlenmiş olsa da, yüzey kimyasının nanopartikül özellikleri üzerindeki etkisi tartışmasız olmasına rağmen, yüzey kimyalarının analizi için standartlaştırılmış yöntemler henüz yerinde değildir. Özellikle, yüzey analizi için nanopartiküllerin depolanmasının ve hazırlanması, çeşitli yöntemlerden elde edilen analitik sonuçları güçlü bir şekilde etkiler ve tutarlı sonuçlar elde etmek için numune hazırlamanın hem optimize edilmesi hem de standartlaştırılması gerekir. Bu katkıda, yüzey analitiği için nanopartiküllerin hazırlanması için bazı standart prosedürleri ayrıntılı olarak sunuyoruz. Prensip olarak, nanopartiküller süspansiyondan veya toz olarak uygun bir substrat üzerine biriktirilebilir. Silikon (Si) gofretler genellikle substrat olarak kullanılır, ancak temizlikleri işlem için kritik öneme sahiptir. Süspansiyondan numune hazırlığı için, sadece alt tabakanın temizliği ve süspansiyonun saflığının değil, aynı zamanda konsantrasyonunun da hazırlık metodolojisinin başarısı için önemli roller oynadığı damla döküm ve spin kaplamayı tartışacağız. Hassas ligand kabukları veya kaplamaları olan nanopartiküller için, tozlar olarak biriktirme daha uygundur, ancak bu yöntem numunenin sabitlemesinde özel bir özen gerektirir.

Giriş

Nanomalzemeler, 1 nm ile 100 nm arasında herhangi bir dış boyuta sahip veya bu ölçekte bir iç veya yüzey yapısına sahip malzemeler olarak ^{tanımlanır1}. Küçük ölçeklerinden ve buna bağlı olarak geniş yüzey alanlarından kaynaklanan benzersiz özellikleri nedeniyle (diğer faktörlerin yanı sıra), tarım, kimya, otomotiv inşaatı, kozmetik, çevre, tıp, baskı, enerji ve tekstil dahil olmak üzere çok çeşitli alanlarda artan kullanım alanı buluyorlar. Bu artan kullanım, toksikolojik özellikleri henüz tam olarak bilinmeyen ve büyüklüğü biyolojik veya çevresel sistemlere facile entegrasyonunu sağlayan bu malzemelere hem insanların hem de çevrenin bilinmeyen bir ölçekte maruz kalacağı anlamına ^gelir2.

Yüzey alanının temel özellikleri ve partikül boyutu/boyutu dağılımından sonra, yüzey kimyası ve kaplamalar nanomalzemelerin en önemli özelliği olarak ^{tanımlanmıştır3}; daha küçük parçacıklar birim kütle başına daha yüksek bir yüzey alanına ve dolayısıyla yüzeyin kütle atomlarına oranının daha yüksek olmasına sahiptir. Gerçekten de, 1 nm büyüklüğündeki nanopartiküller için, atomların% 70'inden fazlası köşelerde veya kenarlarda bulunabilir; bu, atomik ölçekli yüzey morfolojisine oldukça bağımlı olan chemisorption gibi yüzey özelliklerini güçlü bir şekilde ^etkiler4. Nanomalzemelerle ilgili düzenlemeler, fizikokimyasal özelliklerle ilgili doğru veriler ve bu malzemelerin toksikolojik özellikleri hakkında güvenilir tahminler gerektirir. Nanomalzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinden toksikolojik özellikleri verimli bir şekilde tahmin etmek için nanomalzemeler topluluğu güvenilir, standartlaştırılmış ve doğrulanmış analitik prosedürler gerektirir. ACEnano5 gibi projeler, nanomalzemelerin daha iyi düzenlenmesini ve karakterizasyonunu sağlayan bir çerçevede nanopartiküllerden doğru ve doğrulanabilir fiziksel verilerin toplanmasını ve ilişkilendirilmeyi amaçlamaktadır. Standartlaştırılmış analitik prosedürlere yönelik bu dürtü, ACS Nano editörleri tarafından da desteklenmiştir ve "malzemenin karakterizasyon yöntemlerini ve minimum analiz seviyelerini pekiştirmek ve kabul etmek" ^diler6. Ayrıca, XPS ve ToF-SIMS çekirdek kabuklu nanopartiküllerin parçacık mimarisini çıkarmak için yeni olanaklar ^sunar7,8.

X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve Uçuş Zamanı İkincil İyon Kütle Spektrometresi (ToF-SIMS), Tablo 1'de karşılaştırıldığında, yüzey atomlarının araştırılması için iyi kurulmuş yöntemlerdir. XPS'de, örnek 1 ila 2 keV arasında bir enerjiye sahip x ışınları ile ışınlanır ve fotoelektrik etki nedeniyle elektronların emisyona neden olur. Aynı aralıkta kinetik bir enerjiye sahip olan bu yayılan elektronlar, katıdaki elektronların bağlama enerjisi ile ilişkilidir; fotoelekronların bu tanımlanmış bağlama enerjilerinde ve ölçülebilir yoğunluklarda ortaya çıkması, bu nedenle bileşimin nicel analizine izin verir. Bu fotoelekronların ortalama serbest yolu 10 nm'nin altında olduğundan, XPS nicel analiz için yüzeye son derece duyarlı bir tekniktir. Ayrıca, son derece çözülmüş spektrumlardaki bağlama enerjilerinin ayrıntılı analizi, bu elektronların değer durumlarının nicel olarak belirlenmesini sağlar.

ToF-SIMS'de yüzey odaklanmış bir iyon ışını (birincil iyonlar) ile serpiştirilir ve iyonlar malzemeden (ikincil iyonlar) toplanır ve uçuş zamanı kütle spektrometresinde analiz edilir. Elde edilen kütle/yük deseni elementel, izotopik veya moleküler bileşimin belirlenmesini sağlar. İkincil iyonların ortalama serbest yolu nedeniyle, bu teknik aynı zamanda yüzeye son derece duyarlıdır ve 1-2 nm bilgi derinliğine sahiptir, ancak ikincil iyonların iyonlaşma olasılığının (ve dolayısıyla veriminin) çevreleyen matrislerinden güçlü bir şekilde etkilendiği matris etkisi nedeniyle en iyi yarı niceldir. ToF-SIMS statik veya dinamik modda çalıştırılabilir; ikisi arasındaki fark, yüzeyi etkileyen birincil iyon akısıdır. Statik SIMS, birincil iyon akısını yüzeyin maksimum %1-10'unu etkileyen bir seviyede tutar; yüzey nispeten bozulmadan kalır, bu da malzemenin üst atomik katmanlarının analizini sağlar. Statik SIMS bile yüzeyde bir miktar tahribata neden olduğundan, iki yöntemin daha az "tahribatsız" olduğu düşünülmektedir.

Bu yüzeye duyarlı teknikler, nanomalzemeler için malzeme özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilen kasıtlı veya kasıtsız kaplamalar da dahil olmak üzere malzemenin ilk birkaç nanometresinin analizini sağlar. Kasıtlı kaplamalara örnek olarak, fotolüminesans kuantum verimini iyileştirmek ve çevresel reaktiviteyi azaltmak için kuantum noktalarına katmanlar ^{kaplanmasıdır9}, güneş engelleyicilerde titania nanopartiküllerinin fotokatalize aktivitesinin önlenmesi için alümina veya silika ^kaplamalar10, biyokonjugasyonu ve sonraki biyolojik aktiviteyi etkinleştirmek için yüzey ^{fonksiyonelleştirme11}, teşhis ve ilaç dağıtım uygulamaları için ^kaplamalar12 ve katalizör özelliklerini geliştirmek için ferrofluidler ve çekirdek kabuklu metalik sistemler için manyetik parçacıklar üzerinde florokarbon ^kaplamalar13. Biyolojik sistemlerdeki oksidasyon, yüzey kirlenmesi veya protein koronaları gibi kasıtsız kaplamalar nanopartikül özellikleri üzerinde benzer şekilde güçlü bir etkiye sahiptir ve deneysel hazırlık prosedürlerinin kaplamanın ve daha genel olarak nanomalzemenin yüzey kimyasının tahrip olmamasını veya dönüştürülmemesini sağlaması çok önemlidir. Nanopartiküllerin özelliklerini yerinde oldukları için değerlendirmek de çok önemlidir, çünkü özellikleri ^{değişim2,14,15} ile büyük ölçüde değiştirilebilir. Ek olarak, nanopartikül süspansiyonundaki stabilizatörlerin konsantrasyonu, nanopartiküllerin analizini ve yapısal bütünlüğünü önemli ölçüde etkileyebilir; bir stabilizatör varlığı analizde büyük istenmeyen sinyallere (örneğin, C, H, O ve Na) neden olabilirken, çıkarılması nanopartiküllerin hasar görmesine veya aglomeralanmasına neden olabilir.

Boyutları ve yüzey alanları nedeniyle, nanopartiküllerin depolama koşulları da hem depolanan tozlar / süspansiyonlar hem de hazırlanmış numuneler olarak davranışlarını etkiler. Başta oda sıcaklığında depolama ve ışığa maruz kalma olmak üzere alt optimal depolama koşullarının etkisi, parçacıkların fiziksel, kimyasal ve/veya toksikolojik özelliklerini değiştirdiği gösterilen nanopartiküllerin bozulmasına neden olmak için çeşitli çalışmalarda gösterilmiştir14,15,16,17,18 . Daha küçük nanopartiküllerin, depolama koşullarına bağlı oksidasyon/bozulma oranları ile daha büyük olanlardan daha hızlı oksitlenmesi ^{gösterilmiştir15} ve yüzey ^kimyası14. Depolama sırasında nanopartikül bozulmasının etkilerinin toksisite14 de dahil olmak üzere fizikokimyasal özellikleri önemli ölçüde etkilediği, oksidatif büyümenin ise çekirdek pahasına içe doğru ilerleyebileceği ^{gösterilmiştir15}.

Bu nedenle nanomalzemelerin dikkatli bir şekilde depolanmasının ve hazırlanması doğru bir yüzey analizi için gereklidir ve numune yüzeyini ve/veya ölçümlerin kalitesini etkileyebilecek faktörler dikkatlice düşünülmelidir. XPS (μm aralığında) ve ToF-SIMS'nin (birkaç yüz nm) nispeten düşük uzamsal çözünürlüğü nedeniyle, nanopartiküllerin sadece küçük bir alt kümesinin araştırılabildiği belirtilmelidir; bu yöntemler bir alan üzerinde ortalamadır ve elektron mikroskopisi gibi tekniklerle mümkün olduğunca tek parçacıkları görüntüleme yeteneğine sahip değildir. Bu nedenle, herhangi bir analiz, alt tabakadan parazit olmamasını sağlamak için nanopartiküllerin sürekli bir tabaka halinde birikmesini gerektirir. Bu nedenle elektron mikroskopisi ve XPS/ToF-SIMS nanomalzeme analizi için tamamlayıcı yöntemler olarak sıklıkla birlikte kullanılmaktadır.

Yüzey kimyasındaki değişikliklerin yanı sıra, XPS ve ToF-SIMS analizi için nanopartikül örneklerinin hazırlanmasındaki temel zorluklar, homojen, tekrarlanabilirliği artırmak için bir katman hazırlamaktır; boşluksuz, substratın spektruma katkısını en aza indirmek için; şarj etkilerini önleyebilecek kadar ince (iletken olmayan numuneler için); ve ultra yüksek vakum aletlerine giren ve zarar veren serbest nanopartikülleri önlemek için substrata güvenli bir şekilde sabitlenmiştir.

Nanopartiküller süspansiyondan veya toz olarak substrata biriktirilebilir. İlk olarak, süspansiyondan nanopartikülleri biriktirmek için farklı yöntemleri tartışacağız. Silikon gofretler süspansiyon biriktirme için yaygın olarak kullanılan bir substrattır, çünkü nispeten ucuzdurlar, saf veya doped silikondan oluşan son derece saf bir ürün olarak kolayca bulunurlar (doping şarj etkilerini önler) ve çoğu nanopartikül için spektral tepeler nanopartiküller için tipik tepelerle çakışmaz. Bu son nokta önemlidir; analizden önce, substrat tepelerinin nanopartiküllerden beklenen zirvelerden iyi ayrıldığından emin olunmalıdır, aksi takdirde spektrumun yorumlanması karmaşık veya imkansızdır ve substratın nanopartiküller tarafından sürekli kapsamı doğrulanamaz. Silikon gofretleri kullanmadan önce, (organik) kirleticileri çıkarmak ve yüzey ıslanabilirliğini artırmak için kapsamlı bir temizleme prosedürü (bu yayında açıklanmıştır) gereklidir. Altın filmler, yüksek dereceli pirolitik grafit (HOPG) veya indiyum folyolar gibi diğer uygun substratlar başarıyla kullanılmıştır, ancak hazırlıkları hakkında bir tartışma bu çalışmanın kapsamı dışındadır19,20,21,22.

İkinci olarak, XPS ve ToF-SIMS analizi için bir substrata nanopartikül tozları biriktirmek için yöntemler sunuyoruz ve her yöntemin avantajlarını ve dezavantajlarını sunuyoruz, bu da tekniklere yeni katılan araştırmacıların amaçları için en uygun hazırlama yöntemini bulmalarını sağlıyor. Üçüncü olarak, agglomerasyon davranışı, organik korona, katı/sulu ^arayüz23,24 veya NPs'nin ^biyolojik ortamda dağılımı gibi özellikleri korumak için uygun bir hazırlık yöntemi olan kriyofixasyonu tartışıyoruz. Bu prosedür buz kristali oluşumuna neden olmaz, ancak membranları ve hücresel ve doku yapılarını kendi biyolojik durumlarında tutan, su kristalizasyon işlemlerinin neden olduğu hasarı önleyen ve tüm hücre metabolitlerinin ve hücre zarı bileşiklerinin tam kimyasal dağılımının korunmasını sağlayan amorf buz oluşturur26,27,28 . Bu hazırlık yöntemi, gerçek NP aglomerasının veya heteroagglomeranın tam bir kimyasal haritasını sunmak, nanopartiküle yakın olan tam kimyasal alanı doğrudan süspansiyonda görselleştirmek veya NP aglomeraları veya heteroagglomeratları içindeki hücre dokusuna özgü özellikleri veya hücre içi bölmeleri ilişkilendirmek için özel olarak ilgi çekici olabilir.

Bu çalışmada sunulan sonuçlarla gösterildiği gibi, belirli bir durumda en uygun prosedür, nanopartiküllerin hidrofilizi, stabilitesi, iletkenliği, durumu (örneğin, toz veya süspansiyon) ve eldeki analitik soru (örneğin, boyut, dökme özellikler veya yüzey kaplamaları) gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. Burada, NP'lerin yüzey analizi için hazırlanmasının yanı sıra avantajlarının ve dezavantajlarının karşılaştırılması için kullanılabilecek çeşitli yöntemler sunulmaktadır.

Protokol

DİkKAT: Nanopartiküllerin toksikolojik özellikleri hala incelenmektedir; boyutları nedeniyle, özünde tehlikeli olmayan malzemelerden oluştuğunda bile insanlarda ve çevrede benzersiz tehlikeler oluşturabilirler. Nanopartiküllerle herhangi bir çalışma yapmadan önce, uygun bir risk değerlendirmesi tamamlanmalı ve çalışılacak malzemelerin tehlike seviyesine bağlı olarak uygun mühendislik kontrolleri, laboratuvar prosedürleri ve KKD (kişisel koruyucu ekipman) uygulanmalıdır29,30,31,32.

1. Si gofretlerin hazırlanması

NOT: Bu adımlar istenmeyen (organik) kirlenmeyi gidermek ve yüzey ıslatabilirliğini artırmak için gereklidir. Kullanılan tüm çözücüler en az ACS sınıfı olmalıdır. Standart bir sonikasyon banyosu (35 kH ve 120 Watt) uygundur.

1. Si gofretlerin ıslak kimyasal temizliği
   1. Si gofret izopropanol ve ultrasonicate ile bir beher içine 5 dakika koyun.
   2. Si gofreti alkali cam temizleme çözeltisi ve ultrasonicate ile bir behere 10 dakika aktarın.
   3. Gofret ultra saf su ile bir beher içine koyun. Suyu dökerek ve kabı doldurarak suyu 10 kez değiştirin; Si gofretleri kılcal damar etkisi nedeniyle altta kalacaktır.
   4. Gofretleri temiz _N2 gazı ile kurulayın.
      NOT: _N2 ile kurutma, "kahve halkaları" ve diğer eserlerin su kurumasını önler.
   5. Gofret izopropanol ve ultrasonicate ile ikinci bir beher içine 10 dakika koyun.
   6. Gofretleri temiz _N2 gazı ile kurulayın.
   7. Gofret 10 dakika boyunca etanol ve ultrasonicate ile bir beher içine koyun.
   8. Gofretleri temiz _N2 gazı ile kurulayın. Protokol burada duraklatılabilir.
2. Silikon gofretlerin plazma veya UV/ozon temizliği
   1. Plazma veya UV/ozon temizleyicideki Si gofretini tanıtın ve 30 dakika boyunca açık olun.
      NOT: Gofretler kullanımdan hemen önce plazma veya UV/ozon ile temizlenmelidir.

2. Süspansiyondan nanopartikül birikimi

NOT: Nanopartiküller için en yaygın maruz kalma yolu solumadır. Süspansiyonlarla çalışmak maruz kalma tehlikelerini en aza indirebilir.

1. Tozdan nanopartikül süspansiyonunun hazırlanması
   NOT: Burada açıklanan tüm miktarlar örnektir. Yöntem, her durumda kullanılan belirli nanopartiküller için optimize edilmelidir.
   1. 15 mg nanopartikül tozunun (%10 ±) 10 mL'lik bir tüpe doğru bir şekilde tartın.
   2. Yaklaşık 8 mL ultra saf suda doğru şekilde tartın.
   3. Tüpü kapatın, kağıt havlulu 50 mL santrifüj tüpüne paketleyin ve 15 dakika boyunca 3.000 rpm'de girdap içine yerleştirin.
2. Sulu süspansiyondan elektriksel iletken nanopartiküllerin damla dökümü
   1. Gofret UV/ozon temizleyiciye 30 dakika yerleştirin.
   2. Gofreti gofret tutucunun bir yarısına yerleştirin ve halkanın ortasına 3 μL'lik bir nanopartikül süspansiyon damlası yerleştirin.
   3. Damlacık etrafındaki gofrete 6,07 mm çapında viton O-ring takın. Yüzüğün damlacıklara dokunmamasına dikkat edin.
   4. Gofreti kurutmak için 15 dakika boyunca 4 mbarlık bir vakumun altına vakum kurutucuya yerleştirin.
   5. Gofreti kurutucudan çıkarın ve parçacık tabakasının homojen ve kapalı olduğunu belirlemek için hafif mikroskopi ve XPS kullanarak inceleyin. Analiz kapalı ve homojen bir katman gösterene kadar 2.2.1 ve 2.2.2 adımlarını yineleyin. Protokol burada duraklatılabilir.
3. Sulu süspansiyondan elektriksel olarak iletken olmayan nanopartiküllerin spin kaplaması
   1. Gofret UV/ozon temizleyiciye 30 dakika yerleştirin.
      NOT: Aynı protokolü kullanarak farklı konsantrasyonlardaki spin kaplama süspansiyonları ile farklı yüzey kapsama seviyeleri elde edilebilir.
   2. Spin-coater'ı programla. Uygun bir örnek program: adım 1: 500 rpm / s rampası 1.000 rpm 'ye (5 s); adım 2: 1.000 rpm/s rampadan 2.000 rpm'ye (3 dk); adım 3: 2.000 rpm/sn ile 0 rpm arasında delerasyon.
   3. Gofreti spin-coater'a takın ve sabitleme için vakuma geçin.
   4. Süspansiyonun 80 μL'yi gofrete yatırın ve programı başlatın.
   5. Gofreti spin-coater'dan çıkarın.
   6. Örneği yeni, temiz bir gofrette saklayın. Protokol burada duraklatılabilir.
   7. Alt tabakanın boşluksuz kapsamını doğrulamak için numuneyi SEM kullanarak analiz edin.

3. Tozdan nanopartikül birikimi

1. Çift taraflı yapışkan bantlarda nanopartikül birikimi ("yapış ve git")
   1. Çift taraflı yapıştırıcıyı numune tutucusuna sabitle ve astarı çıkarın.
   2. Nanopartikül tozunun bir spatula ucunu alın ve yapıştırıcıya batırın.
   3. Numuneyi yapıştırıcının üzerine yayın ve tozun mümkün olduğunca büyük bir kısmı yapışana kadar spatula ile yapıştırıcıya bastırın.
   4. Numune tutucuyu ters çevirip dokunarak ve üzerinde bir gaz akışı (örneğin azot) üfleyerek tozun musluğa sabitlenerek sabit olup olmadığını kontrol edin. Protokol burada duraklatılabilir.
      NOT: Alternatif olarak, temizlenmiş bir yüzeye (Alu folyo veya cam slayt) az miktarda toz yerleştirilecek ve yapıştırıcı ve çift taraflı numune tutucu ile yukarıdan bastırılabilir.
   5. Temizlenen yüzeye tozun bir spatula ucunu yerleştirin. Numune tutucuyu yapıştırıcı ile yukarıdan tozun üzerine bastırın.
   6. Numune tutucuyu ters çevirip dokunarak ve üzerinde bir gaz akışı (örneğin azot) üfleyerek tozun musluğa sabitlenerek sabit olup olmadığını kontrol edin. Protokol burada duraklatılabilir.
2. Preslenmiş toz peletlerin hazırlanması
   1. Peletin tüm parçalarını iyice temizleyin, cilalı yüzeyi çizmemeye dikkat edin.
   2. Pelet döküm ters ve küçük bir ara üzerinde dinlenmek.
   3. Pistonu ve bir paslanmaz çelik peleni cilalı bir şekilde yukarı yerleştirin ve toz numune ile doldurmak için yeterli alan olana kadar pistonu çekin.
   4. Kalıpları az miktarda numuneyle (1 büyük spatula ucu) doldurun ve ardından ikinci paslanmaz çelik peleği cilalı tarafı numuneye bakacak şekilde yerleştirin.
   5. Tabanı gövdeye yerleştirin ve dikkatlice ters çevirin. Bir vakum isteniyorsa ve mevcutsa, vakum pompasını pelet kalıp tabanına takın.
   6. Kalıp, ortalanmış olduğundan emin olarak bir pres içine yerleştirin.
   7. Yaklaşık 20 sn boyunca hafif bir yük (2 kN) uygulayın ve bırakın.
   8. 2 dakika boyunca daha ağır bir yük (6 kN) uygulayın ve bırakın.
   9. Yük serbest bırakıldıktan sonra vakum pompasını serbest bırakın.
      NOT: Çeşitli nanopartiküllerin farklı malzeme özellikleri nedeniyle, optimum pelet presleme koşullarını belirlemek için farklı yüklere ve yükleme sürelerine sahip bir dizi pelet hazırlamak avantajlı olabilir.
   10. Kalıp ters çevirin, çıkarıcı halkayı yerine yerleştirin ve piston ile çıkarıcı halka arasına hafif bir yük (1 kN'ye kadar) yerleştirin.
   11. Kalıp parçalarını presten çıkarın ve örnek peleti cımbızla dikkatlice çıkarın.
   12. Örneği çift taraflı yapıştırıcı kullanarak temizlenmiş bir Si gofrete hafifçe monte edin. Protokol burada duraklatılabilir.

4. Nanopartikül süspansiyonlarının kriyofixasyonu

1. Hızlı dondurma cihazının ana odasını sıvı nitrojenle doldurun.
2. Soğutulmuş hızlı dondurma odasını kriyojen (propan) ile doldurun.
3. Hızlı donan cihazın çalışma sıcaklığına soğumasını bekleyin.
   NOT: Hızlı donan cihazın numune hazırlamadan önce çalışma sıcaklığına ulaşması için biraz zaman gerekir, bu nedenle numunelerin kriyofixingi için makul bir zaman dilimi (birkaç saat) gerekir.
4. Pipetli temizlenmiş bir Si gofrete 10-20 μL NP süspansiyon bırakın.
5. Si gofretini sabitleme cımbızla tutarak, dalma dondurma cihazının içine yerleştirin.
6. Sabitleme cımbızını dalma konumuna getirin.
7. Örneği kriyojenin içine bırakmak için düğmeye basın.
8. Numune tamamen donana kadar birkaç saniye bekleyin.
9. Dondurulan numuneleri mümkün olduğunca hızlı bir şekilde soğutulmuş bir ortama aktarın.
10. Kriyofixed numuneyi (Si gofret) numune tutucusuna yerleştirin ve cihazın içine aktarın.
    NOT: Taşıma için kuru buz önerilir ve kısa süreli numune depolama mümkündür. Numuneler, soğutulmuş bir aletle donmuş durumda veya stabilizasyondan sonra numuneyi dondurarak kurutarak geleneksel ToF-SIMS ayarlarıyla ölçülebilir.

Sonuçlar

Bu makale nanopartiküllerin yüzey analizi için çeşitli numune hazırlama yöntemleri sunun. Belirli bir NP'nin fizikokimyasal özellikleri hem numune hazırlama için en uygun yöntemi (örneğin, damla döküm ve spin kaplama) hem de bu yöntem için en iyi prosedürü (örneğin, farklı substratlar veya çözücüler gerektiren) tanımlayacağından, kullanılan yöntemin uygunluğu alternatif analitik yöntemlerle doğrulanmalı ve gerekirse optimize edilmelidir. Bu yayında görülen sonuçlar, numune hazırlama ve saflaştırma yöntemlerinin uygun, başarılı ve nanopartiküllere zarar vermemesini sağlamak için kalite kontrollerine duyulan ihtiyacın yanı sıra numune hazırlama için tutarlı protokol ve prosedürlere duyulan ihtiyacı gösteren daha önce yayınlanmış literatür ile tutarlıdır22,33,34,35,36.

NP'ler için örnekleme ve depolama yöntemleri, çeşitli diğer referanslarda ayrıntılı olarak açıklandığı gibi burada ele alınmamıştır14,15,16,17,18,34,37,38,39. Doğal olarak, analiz edilen örneklerin genel nanopartikül dağılımını ve geliştirilen ve doğrulanan uygun örnekleme yöntemlerini temsil etmesine büyük özen belirtilmelidir. Depolama koşullarının da nanopartikül özelliklerini aylar boyunca güçlü bir şekilde etkilediği gösterilmiştir ve bu nedenle dikkatlice düşünülmelidir. Örnek olarak, nanopartiküllerin ışıktan uzak, ideal olarak 4 °C'nin altında kapalı kaplarda küçük miktarlarda saklanmalarını öneririz. Depolama, örnekleme ve numune hazırlamanın doğrulanmış prosedürlere göre tutarlı bir şekilde yapılması ve ayrıntılı olarak belgelenilmesi de çok önemlidir. Bu belge, kanıtlanmışlık bilgileri ve depolama ^{koşulları40} gibi NP'lerin kendilerinden gelen meta verileri içermelidir. Elektronik laboratuvar not defterleri (ELN'ler) gibi araçlar, prosedürlerin ve NP meta verilerinin tutarlı bir şekilde belgelenmesi ve FAIR ilkesine (Bulunabilir, Erişilebilir, Birlikte Çalışabilir ve Yeniden Kullanılabilir) göre veri üretiminin etkinleştirilmesi için yararlı olabilir.

NP'lerin doğru ve doğru yüzey analizi öncelikle uygun bir substrat seçimi gerektirir. Temizlenmiş Si gofretleri substrat olarak kullandık, çünkü kolayca kullanılabilir, dayanıklı, kolayca temizlenir, iletken ve yeterince düztür, ancak analizin hedeflerine bağlı olarak oksit yüzey tabakası bir dezavantaj olabilir, çünkü substrat üzerindeki maceracı hidrokarbonlar nanopartiküllerdekilerden ayırt edilemez. Gerektiğinde, Si gofretler, _Si3N4 gofretler veya HOPG (yüksek odaklı pirolitik grafit) üzerindeki altın veya polimerik kaplamalar gibi diğer malzemeler ^{kullanılabilir19,20,21,22}. Bu makalede açıklanan örnek hazırlamanın ilk adımı, Şekil 1'de şematik olarak gösterilen Si gofreti temizlemektir. Temizleme işleminin etkinliği, Şekil 2'de gösterildiği gibi XPS de dahil olmak üzere çeşitli yöntemlerle doğrulanabilir. Ana kirletici (maceracı karbon), havada depolanan numuneler için tipiktir ve temizleme işleminden sonra önemli ölçüde azalır. Ek olarak, gofret yüzeyinin UV veya ozon tedavisi yoluyla hidroksilaslanması, ıslanabilirliği artırarak sulu süspansiyondan biriktirmeden kahve halkası etkisini önler ve bu nedenle Şekil 3'te gösterildiği gibi nanopartiküllerin daha homojen bir dağılımına yol açar. Si gofretler için alternatif ıslak kimyasal temizleme yöntemleri gerektiğinde kullanılabilir; burada tüm organik kirleticilerin veya oksit tabakasının tamamen çıkarılması yerine sadece tekrar tekrar temiz bir yüzey gereklidir. Protokol temizlik ve süspansiyon biriktirme adımları arasında duraklatılırsa, gofret plazma veya UV/ ozon altında tekrar tedavi edilmeli ve süspansiyon ideal olarak tedaviden 15 dakika içinde biriktirilmelidir.

Bölüm 2.2'de gösterilen 60 nm Au-Ag çekirdek kabuklu nanopartiküllerin süspansiyonu, nanopartikül süspansiyonlarında yaygın bir durum olan stabilizatör olarak önemli miktarda sodyum sitrat içeriyordu. Bu parçacıkların ve yüzey özelliklerinin doğru analizi için, özellikle XPS aracılığıyla, nanopartiküllerden gelen sinyali hafiflettiği ve şarj etkilerine neden olduğu için mümkün olduğunca fazla stabilizatör çıkarılmalıdır. Şekil 4'te SEM mikrografileri olarak gösterilen bu nanopartiküller için en uygun arıtma yöntemini oluşturmak için, ultra saf suda çaprazlandılar veya üç taraflı santrifüjleme ve yeniden dağılma kullanılarak arıtıldılar. Diyaliz daha nazik bir yöntem gibi görünse de ve parçacıkların aglomeralanmasına ve toplanmasına neden olma olasılığı daha yüksek olsa da, SEM görüntüleri diyalizden sonra Au-Ag nanopartiküllerinin önemli deformasyonunu ve hasarını gösterir (Şekil 4B), santrifüjlenmiş / yeniden dağılmış parçacıklar hala sağlamdır (Şekil 4C ). Bu özellikle metalik nanopartiküller ile dikkat çekicidir; Hipotezimiz, nanopartiküller için sinyale müdahale etmezken çözeltinin bir miktar stabilizasyonunu sağlayan optimum miktarda sodyum sitrat olduğu ve çok fazla stabilizatörun çıkarılması nanopartiküllere zarar verdiğidir. Önceki bir rapor, sodyum sitratın çoğunun çıkarılması için optimum sayıda santrifüj döngüsü olduğunu göstermektedir; bu sayının aşılması bazı NP ^{toplama33 neden} olur. Bu çalışmada, benzer sitrat konsantrasyonu elde etmek için dokuz diyaliz döngüsü (toplam 36 saat) gerekiyordu; bununla birlikte, bu yöntem santrifüjlemeden daha yüksek miktarda toplamanın yanı sıra yüzey fonksiyonelleştirmesinde bir azalmaya neden oldu. Bu sonuçlar, özellikle bilinmeyen örneklerle, her farklı nanopartikül türü için hazırlık prosedüründeki her adımı doğrulamanın önemini göstermektedir.

Bu örnekte kullanılan 60 nm Au-Ag çekirdek kabuklu nanopartiküller, elektrik iletkenliği nedeniyle damla döküm için uygundur, çünkü şarj efektleri bir sorun değildir ve nispeten az ekipman kullanılarak tekrarlanan biriktirme ile kalın bir nokta oluşturulabilir. Bu daha kalın tabaka daha tekrarlanabilir ölçümler verme avantajına sahiptir ve daha konsantre bir süspansiyondan döküm, biriktirme adımlarının sayısını azaltarak zaman kazandırabilir. Biriktirme, substrat ıslanabilirliğinden etkilenebilir; zayıf ıslatma, iletken numuneler için avantajlı olan kalın bir nanopartikül noktası üretebilirken, iyi ıslatma hem iletken hem de yalıtımlı numuneler için yararlı olabilecek daha homojen bir nanopartikül tabakası üretebilir. Protokolde açıklandığı gibi, nanopartikül süspansiyonlarının damla dökümü genellikle tam kapsama alanına sahip kalın bir tabaka elde etmek için tekrarlanan uygulamalar gerektirir; bu, XPS kullanılarak doğrulanmalıdır, ancak optik mikroskopi kullanılarak da hızlı ve kolay bir şekilde doğrulanabilir. Şekil 5 , Au-Ag çekirdek kabuklu nanopartiküllerin sulu çözeltiden damla dökümünde damlacık kapsamının evrimini göstermektedir; bu durumda, tam kapsama elde etmek için 13 damla döküm adımı gereklidir. Damla dökümü özellikle iletken parçacıklar veya şarj etkilerinin yeterince telafi edilebildiği parçacıklar için uygundur. Bu yayında açıklanan diğer yöntemlerde olduğu gibi, farklı NP malzemeleri bilgi derinliği ve konsantrasyonu ve film kalınlığı sınırları ile ilgili farklı özelliklere sahip olacağından, damla dökümü her örnek için optimize edilmelidir. Organiklerin istiflenmesine neden olabilecek çok kalın filmlerden kaçınmak ve NP sinyalini engellemek önemlidir.

Homojen ve kaliteli kaplama, tutarlı ve tekrarlanabilir sonuçlar elde etmeye yardımcı olur. Süspansiyon konsantrasyonu, çözücü ve spin kaplama parametrelerine ek olarak, spin kaplı süspansiyonların kalitesi de toz veya diğer büyük makro veya mikroskobik parçacıkların varlığından olumsuz etkilenebilir. Şekil 6 , 0,45 μm şırıngam filtresi ile filtrasyondan sonra nanopartikül süspansiyonunun spin kaplama kalitesindeki iyileşmeyi göstermektedir. Filtre, süspansiyondan nanopartikülleri çıkarmamasını sağlamak için seçilmelidir. Protokolde açıklanan üç farklı süspansiyon konsantrasyonu (135 nm PS-PTFE çekirdek kabuklu nanopartiküllerin 90, 9.0 ve 0.9 mg/mL'si) aynı koşullar altında spin-cast yapıldı ve SEM ve XPS kullanılarak analiz edildi. Şekil 7'deki en üst görüntü ve spektrum, SEM görüntüsünde kalın ve boşluksuz bir çok katmanlı kapsama alanının yanı sıra CPS spektrumunda Si zirvelerinin önemli bir yokluğunu gösteren 90 mg / mL süspansiyondan elde edilen filmi gösterir, bu da substratın spektruma hiçbir katkısını göstermez. Bu örnek XPS veya ToF-SIMS analizi için idealdir; ek olarak, parçacıkların kabuğundan daha küçük F1'ler zirveleri, substrattan büyük bir sinyalin yokluğunda açıkça görülebilir. 9.0 mg/mL süspansiyondan elde edilen ikinci örnek, yüzeyi tamamen kaplamayan küçük tek katmanlı aglomeralardaki parçacıkları gösterir. Bu örnek XPS veya ToF-SIMS analizi için çok ince ve inhomogeneous. Ayrıca, dikkatli temizlik sonrası bile yaratıcı karbonun substrata katkısı nedeniyle nicel analiz bozulabilir; en azından, böyle bir etki ölçümün belirsizlik bütçesinde göz önünde bulundurulmalıdır. Bununla birlikte, bu örnek, parçacıklar istatistiksel olarak anlamlı bir değerlendirme sağlamak için tek bir katmanda ve yeterli sayıda (görüntü içinde) mevcut olduğu için görüntü analizi yazılımı kullanılarak parçacık boyutu dağılımının SEM veya TEM analizi için ideal olacaktır. En düşük konsantrasyondan (0,9 mg/mL) elde edilen numune dökümü, yüzey kimyası veya partikül boyutu dağılımının analizi için uygun hale getirmek için sürekli kapsama alanı veya yeterli partikül yoğunluğu sağlamaz. Substratın baskın etkisi nedeniyle güvenilir bir nicel analiz mümkün değildir.

PDMS veya gliserol dış tabakasına sahip _Al2O3-TiO2 çekirdek kabuklu NP'ler, farklı hazırlık yöntemlerinin hassas dış tabaka üzerindeki etkilerini karşılaştırmak için süspansiyondan ve "stick-and-go" yöntemi kullanılarak tozdan damla dökümü ile hazırlanmıştır. Örnekler ToF-SIMS ile analiz edildi ve burada spektrada Ana Bileşenler Analizi (PCA) kullanılarak analiz edildi. PCA, verilerdeki farkı en üst düzeye çıkaran yeni düzeltilmemiş değişkenler (ana bileşenler) oluşturarak büyük veri kümelerinin boyutsallığını azaltmak için istatistiksel bir tekniktir41,42,43,44,45. Ana bileşen grafiğinde farklı numune kümelerinin ayrılması, sonuçların daha kolay analiz edilmesine ve gruplandırılmasına olanak tanır. Diğer tüm veri setlerine kıyasla her veri kümesinin ayrımcılık gücünü gösteren Şekil 8B'deki PCA puanları çiziminde (yani farklı örnek kümeleri arasında) tozdan hazırlanan iki örnek çok farklı puanlar gösterirken, dispersiyondan hazırlanan örnekler çok benzer puanlar göstermektedir. Şekil 8C'de gösterilen yükleme çizimleri değişkenler arasındaki ilişkiyi gösterir, yani hangi zirveler ilgili ana bileşenlere en çok katkıda bulunur. Tüm ana bileşenler, veri kümeleri arasındaki gözlemlenen farka katkılarına göre sıralanır, yani PCA1, farklı veri kümelerinin gözlemlenen ayrımına en fazla katkıda bulunur. PC1'e PDMS tepelerinin varlığı (TOZdan hazırlanmış PDMS kaplı NP'ler) veya yokluğu (diğer tüm örnekler) hakimdir, veri kümelerindeki ikinci en büyük varyasyonu oluşturan faktör olan PC2 ise _Al2O3'ün farklılaştırılmasını ve NP'lerdeki organik kapaklamayı sağlar. Bu, süspansiyondan hazırlanan NP'lerin ölçülen spektrumunun çok benzer olduğunu gösterir ve PDMS ve gliserol katmanlarının, Süspansiyonun kendisinden veya kurutma işleminden, _{Al2O3 veya TiO2'den} gelen baskın sinyallerle süspansiyondan hazırlanarak çıkarılmış veya hasar görmüş olabileceğini _{göstermektedir.}

Preslenmiş peletler, ultra yüksek vakumlu aletlerde kullanım kolaylığı ve stabilite gibi toz numunelerin hazırlanması için avantajlar sağlayabilirken (yüksek vakumlu haznedeki NP'leri yerinden etmeden sputter yeteneği dahil), ilgili yüksek kuvvetler, diğer hazırlama yöntemlerinde görüldüğü gibi hassas nanopartiküllere de zarar verebilir. Uygun bir protokol hazırlanmalı ve doğrulanmalıdır.

NP dispersiyonları durumunda, damla döküm numune süspansiyonlarının kriyofixasyonu kahve halkası etkilerini önler (NP süspansiyonunun anlık sabitlenmesi ve dolayısıyla kurutma etkilerinin ortadan kaldırılması nedeniyle) ve süspansiyonda bulunan daha büyük yapıların korunmasını önler. Ayrıca yapışkan bant uygulamasından kaçınılır. Bu da Şekil 9'da gösterildiği gibi ilgili kütle spektrumunda tuzlara, kirleticilere veya numune hazırlama prosedürünün diğer eserlerine atfedilebilecek azaltılmış sinyallere yansır. Kriyofixasyonun en büyük avantajı, nanopartiküllerin ve/veya parçacık aglomeralarının veya heteroagglomeratların kimyasal varlığının etrafındaki kimyasal alanı ve bunların dokular veya tek hücreler içindeki biyolojik özelliklerle korelasyonunu ve hatta kuruma gibi numune işleme adımlarından kesintiye gitmeden hücre içi bölmelere eş lokalizasyonunu "olduğu gibi" koruyabilme yeteneğidir. damla döküm, ^vb46'47. Kriyofixasyon tekniğinin mevcut kağıt içindeki uygulanabilirliğini gösterdik ve _TiO2 nanopartikülleri için kriyofixasyonun avantajlarını vurguladık. Kriyofixasyonun, numune hazırlama eserleri nedeniyle kimyasalların yerinden çıkmadan doğal hallerinde olması gereken biyolojik numunelerin analizi için özellikle uygun olduğunu vurguluyoruz. Biyolojik örnekler için fiksasyon teknikleri hakkında daha ayrıntılı bilgi için okuyucu literatüre atıfta bulunulmaktadır19,25,27,48,49.

	XPS	TOF-SIMS
Prob Işın	Foton	Iyon
Analiz Işın	Elektron	Iyon
Uzamsal Çözünürlük*	> 1 μm	0,1 μm
Örnekleme Derinliği	0,5 – 7,5 nm	<2 nm
Algılama Sınırı	0,01 -0,1 atom %	Ppb
Miktar	Mükemmel (yarı nicel)	Zorlu (matris efektleri)
Bilgi İçeriği	Elemental Kimyasal yapıştırma	Elemental Moleküler
Organik Analiz	Mükemmel	Statik modda mükemmel
* üretici tarafından belirtilir

Tablo 1: Yüzey analizi için çeşitli yöntemlerin karşılaştırılması.

Yöntem	için uygundur	Verir	Avantaj -ları	Dezavantaj -ları	Dikkat	Denetim	Çek
Diyaliz	Arıtma	Stabilizatörlerin/ safsızlıkların giderilmesi	Basit, düşük eforlu, karmaşık ekipman yok	Süreç üzerinde kontrol eksikliği	Nanopartiküllerde hasara neden olabilir	Saat	Nanopartiküllerde hasar (SEM)
Santrifüjleme/yeniden dağılım	Arıtma	Stabilizatörlerin/ safsızlıkların giderilmesi	Süreç üzerinde daha fazla kontrol, eşzamanlı konsantrasyon	Emek yoğun, santrifüj gerektirir	Toplama veya aglomerasyona neden olabilir	Santrifüj dönüş hızı, çözücü miktarı	Aglomerasyon/ toplama / nanopartiküllere zarar verme (SEM)
Damla döküm (süspansiyon)	Hassas dış katman olmadan iletken NP'ler	Nispeten kalın kaplamalı nokta	Basit, karmaşık ekipman yok	Ev içi kalınlık, zaman yoğun verebilir	Süspansiyon hazırlığı hassas NP mermilerine zarar verebilir	Süspansiyon konsantrasyonu, çözücü (substrat ıslanabilirliği)	Kapsam (hafif mikroskopi/XPS)
spin kaplama (süspansiyon)	Hassas dış katman olmadan iletken veya iletken olmayan NP'ler	İnce homojen tabaka veya tek parçacıklar	Tutarlı ayarlar	Optimal parametrelerin deneysel olarak belirlenmesini gerektirir	Toz/safsızlıkları filtreleyin, kapsama alanı tutarsız olabilir	Konsantrasyon, spin kaplama parametreleri, çözücü	Ön filtrasyon, Kapsama alanı, tabaka kalınlığı (SEM/XPS)
"sopa ve git" (toz)	Hassas dış katmanlı inorganik iletken ve iletken olmayan NPS	Yapıştırıcıda toz lekesi	Basit, düşük eforlu, karmaşık ekipman yok	Organik veya C içeren NP'ler için uygun olmayan, Tutarsız film kalınlığı	NP'nin enstrümanlara salınmış tehlikesi	NPS'lerin yapıştırıcıya sabitlenmesi	Yüksek vakum koşullarında stabilite
saplama deliğinde biriktirme (toz)	XPS analizi; iletken/iletken olmayan organik veya inorganik parçacıklar	Hafif preslenmiş nanopartikül örneği	Diğer malzemelerle temas yok	NP'lerin güvenli bir şekilde sabitlenmesi yok; ToF-SIMS için uygun değil	NP'nin Dager'i enstrümanlara salınıyor	Hiç kimse	Tozun sıkıştırılmasını sağlamak için yana hafifçe eğilin
Preslenmiş peletler (toz)	İletken ve iletken olmayan NPS, polimerik NP'ler	Katı pelet	Polimerik NP'lerin toz olarak analizini sağlar	NP yüzeyi zarar verebilir veya kirletebilir	Yüzey kirlenmesini önlemek için malzemeler iyice temizlenmelidir; yüzeye zarar verebilir	Boyut, basınç, zaman	Yüksek vakum koşullarında stabilite
Kriyo fiksasyonu (süspansiyon)	Hassas ligand tabakasına sahip NP süspansiyonları; biyolojik numuneler	Katı örnek	Morfolojiyi, yerli biyolojik durumu ve koronayı korur, kahve halkası etkisini azaltır	Sofistike ve pahalı hazırlık ve numune kullanımı, yetenekli kullanıcı gerektirir	numune taşıma ve numune depolama için gereken yüksek beceri derecesi	Konsantrasyon, damlacık boyutu, sıcaklık	Vitrifikasyonun korunması

Tablo 2: Farklı numune hazırlama yöntemlerinin karşılaştırılması.

Şekil 1: Si gofretler için temizleme işlemi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Temizlik öncesi ve sonrası Si gofret XP spektrumları. (Gri) ve sonra (kırmızı) temizlikten önce yapılan ankette, karbon miktarının %13'ten %2'ye düştüğü gösterilir. Spektra, tek renkli Al Kα radyasyonu olan bir Kratos Supra DLD (Manchester, İngiltere) ile elde edildi. Numuneler numune tutucusuna çift yapışkan bant ile sabitlenmiş, geçiş enerjisi 80 eV, adım genişliği 1 eV, durma süresi 500 ms idi. "Hibrit lens modu" kullanıldı. X-ışını spot boyutu 300 x 700 μm² idi. Şarj tazminatı için sel tabancası kullanıldı. Nicel analiz için, yazılım paketi UNIFit 202050, tougaard arka plan ile düzeltilen ve Scofield faktörleri, inelastik ortalama serbest yollar ve iletim fonksiyonu ile normalleştirilen ilgili fotoelekron tepelerinin tepe alanları kullanılarak kullanıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: UV/Ozon temizliğinin, PTFE-PMMA çekirdek kabuklu nanopartiküllerin sulu süspansiyondan damla dökümünde parçacık dağılımının homojenliği üzerindeki etkisi. UV/ozon ile temizlenen gofretler, kahve halkalarında önemli bir azalmanın yanı sıra parçacıkların yüzeye daha iyi yapıştırılmasını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Nanopartikül süspansiyonlarından safsızlıkları (örneğin stabilizatörleri) gidermek için tedavi seçenekleri Diyalizin (sağ üst) ve santrifüjlemenin etkisini gösteren SEM görüntüleri ve triplikatta (sağ alt) 60 nm Au-Ag çekirdek kabuk nanopartikülleri üzerinde yeniden dağılım. Nanopartiküller diyalizden açıkça zarar görürken, santrifüjlemenin görünür bir etkisi yoktur. Tüm ölçek çubukları 100 nm'dir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Sulu süspansiyondan silikon gofretlere 60 nm çapında Au-Ag çekirdek kabuk nanopartiküllerinin damla dökümünden optik mikroskop görüntüleri, 13 damladan sonra yeterli kapsama alanı gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Spin kaplı nanopartikül süspansiyonu, 0,45 μm şırıngam filtresi ile (sağda) filtrasyondan önce (solda) ve sonra . Filtrasyon sonrası kalitedeki iyileşme açıkça görülebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: PMMA-PTFE çekirdek kabuklu nanopartiküllerin SEM görüntüleri ve XPS spektrumları, substrat tepelerinin (yetersiz kapsama alanından) XPS spektrumu üzerindeki etkisini gösteren çeşitli konsantrasyonlarda spin-döküm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: Gliserol ve PDMS kaplı _Al2O3-TiO2 çekirdek kabuk NP'lerinin ToF-SIMS spektrumlarından türetilen Ana Bileşen Analizi (PCA) puan grafiği. (A) NP yapısının şeması; (B) Puanlar ve (C) Düşme-dökme (dağılım) ve "sopa ve git" (toz) hazırlama yöntemlerinin ToF-SIMS analizinden sonra arsaların yüklenmesi. PC1, PDMS parçalarıyla ilişkili tepeleri temsil eder; PC2, yüzey kaplaması olmadan örnekleri _al2O3 tepelerinden organik bir kaplama (tozdan hazırlanan numuneler) ile ayırır. Spektra, maksimum ¹⁰¹² iyon/^cm2 doz yoğunluğuna sahip 25 kV Bi3⁺ iyon ışınlı spektrometre modunda (HCBU) bir IONTOF _ToF-SIMS IV cihazında (ION-TOF GmbH, Münster, Almanya) pozitif modda ölçüldü. Testere otu modunda 125 x 125 piksel ile 150 x 150 μm görüş alanı tarandı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 9: _TiO2 NP'lerin ToF-SIMS kütle spektrumunun bölümü. (A) "sopa ve git" yöntemi ile tozdan ve (B) NP dağılımının kriyofixasyonundan sonra hazırlanır. Bir ToF-SIMS cihazı (ION-TOF V; İyon-TOF GmbH, Münster, Almanya) darbeli 30 keV _Bi3⁺ sıvı metal iyon tabancası (LMIG, doğru akım (dc), 16 nA) ile kütle spektrometresi analizleri için kullanılmıştır. Her spektrum, iyon ışınının 500 × 500 μm'lik bir örnek alan üzerinden taranarak elde edildi. Pozitif sekonder iyonlar 0–1.200 Da kütle aralığında ¹⁰⁶ _Bi3⁺ darbe kullanılarak elde edildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışmalar

XPS ve ToF-SIMS kullanılarak yüzey analizi için nanopartiküllerin hazırlanması için bir dizi yöntem sunulmuştur. Bu yöntemlerin avantaj ve dezavantajlarının yanı sıra farklı malzemeler için olası hata ve uygunluk kaynaklarını Tablo 2'de özetledik. Temsili sonuçlarda gösterildiği gibi, nanopartiküllerin hazırlanması, elde eden yüzey analizinin başarısını güçlü bir şekilde etkileyebilir. Buna ek olarak, substrat veya montaj malzemelerine sinyal paraziti, iletken olmayan kalın filmlerdeki şarj etkileri, nanopartiküllerin toz veya süspansiyon olarak durumu, hassas dış katmanlara potansiyel hasar, biyolojik yapıların ve toplama ve arayüzler hakkındaki bilgilerin tahrip edilmesi veya hassas ultra yüksek vakumlu aletlerin nanopartikülleri serbest bırakma güvenlik açığı gibi faktörler nedeniyle tüm yöntemler tüm parçacık tipleri için uygun değildir.

XPS ve ToF-SIMS ölçümleri tek parçacıkları ölçmek yerine bir alan üzerinde ortalama olduğundan, yalnızca homojen katmanlardan tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek mümkündür; bu nedenle alt tabakadaki parçacıkların toplanmasından veya bir araya toplanmasından kaçınılmalıdır. Ek olarak, iletken olmayan malzemelerin çok kalın katmanları analiz sırasında şarj etkilerine neden olur, bu da spektrumda istenmeyen eserlere, özellikle de sel tabancasıyla telafi edilemeyen kısmi şarja yol açabilir. Öte yandan, tamamlanmamış filmler, parçacık yüzeyinden hassas tepelere müdahale edebilecek alt tabaka veya montaj malzemelerinden (örneğin yapıştırıcılar) güçlü sinyaller gösterir. Filmin ideal kalınlığı malzemeye bağlıdır ve farklı kalınlıklara sahip filmlerin analizi ile deneysel olarak belirlenmelidir. Özellikle spin kaplama kullanılarak hazırlanan numuneler, kaplamanın eksiksizliğini sağlamak için SEM ile analiz edilmelidir.

NP süspansiyonlarla çalışmak, NP tozlarıyla çalışmaya kıyasla daha az maruz kalma tehlikesi ve güvenlik gereksinimi sunar. Damla döküm, düşük ekipman gereksinimlerine sahip nispeten basit bir yöntemdir ve özellikle film kalınlığının önemli olmadığı süspansiyondaki iletken nanopartiküller için uygundur. Numuneler atmosferik koşullar altında kolayca kurutulabilirken, vakum kurutucu damlacıkların kuruma süresini azaltmanın yanı sıra gofretleri kontaminasyondan korumaya yarar. Viton halkası, damlacıkların buharlaşma desenlerini değiştirmek ve böylece kahve halkalarının oluşumunu en aza indirmek için kullanılır. Buharlaşma desenleri ayrıca temizlik protokolleri kullanılarak substrat hidrofilizinin farklılaştırılmasından veya alternatif kaplamaların ^{uygulanmasından51,52}, solvent atmosferlerinde buharlaşmadan53 veya hatta ^{substrat54'ün} ısıtılmasıyla da etkilenebilir. Spin-kaplama, süspansiyondaki iletken olmayan nanopartiküllerin süspansiyonları için önerilir, çünkü şarj etkilerini önlemek için yeterince ince ancak Si substratının XPS ve ToF-SIMS spektrumlarına katkıda bulunmasını önleyecek kadar kalın homojen bir parçacık katmanı üretebilir. Her bir NP sistemi ve konsantrasyonu için, hem santrifüj hem de spin kaplama parametreleri optimize edilmelidir, ancak daha sonra farklı aletlerde bile çok güvenilir bir şekilde çoğaltılabilir. Spin kaplı damla her zaman gofretin ortasında olduğundan, dönme yarıçapı önemsizdir ve "dakikada devir" (rpm) ünitesi kullanılabilir. Süspansiyon alternatif olarak programa başladıktan sonra gofrete yatırılabilir; ancak, bu farklı spin kaplama parametreleri ve daha kalın bir kaplama elde etmek için daha fazla miktarda süspansiyon gerektirir.

Son derece küçük boyutları nedeniyle, nanopartiküller bir iyon veya x-ışını ışını ışını ile etkilendiğinde alt tabakadan ayrılabilir ve ultra yüksek vakum odasının içinde serbestçe hareket edebilir. Bu, tozla hazırlanan numuneler için özel bir sorundur. Bazı durumlarda, nanopartiküller pahalı ve zaman alıcı bakım gerektiren cihazın hassas bileşenlerine nüfuz edebilir. Uygulanan hızlanma gerilimi nedeniyle, ToF-SIMS ile hassas parçalara zarar verme tehlikesi XPS'ye göre daha büyüktür. Özellikle "yapıştır ve git" yöntemi kullanılarak hazırlanan toz numuneler, özellikle ToF-SIMS analizi için tozların yeterince güvenli bir şekilde sabit olduğundan emin olmak için dikkatlice kontrol edilmelidir. Bu, örneğin numuneyi baş aşağı tutarak ve bir gaz akışını (örneğin, _N2) üfleyerek doğrulanabilir. Analizden önce, numuneler, sabit bir vakumun numuneden gevşek parçacıklar olmadığını gösterebileceği hava kilidine veya cihazın diğer ilk numune giriş odasına bir gecede bırakılabilir. Bununla birlikte, pelet olarak hazırlanan nanopartiküller, cihaza zarar vermeden (düşük hızlanma voltajlarında) bile parçalanabilir; bu yöntem, özellikle hidrokarbonlar olmak üzere, presten getirilen kirleticileri ortadan kaldırabilir ve ayrıca parçacıkların toplu analizini sağlayabilir.

Numune tutucu saplamada NP tozlarının hazırlanması, tanımlanmış geometriye ve makroskopik olarak düz bir yüzeye sahip numunelerin hazırlanmasını sağlar. Kritik noktalar, numuneye basmak için aletin temizliği ve bu prosedür nedeniyle nanopartikül yüzeyindeki değişiklikleri önlemek için düşük basınç kullanılmasıdır. Nispeten yüksek miktarda malzemeye ihtiyaç duymanın dezavantajlarına ve yüksek vakumlu aletlerde malzeme kaybı ile ilgili potansiyel sorunlara sahiptir. Parçacıklar herhangi bir şekilde sıkıştırılmadığı veya sabitlenmediği için ToF-SIMS analizi için bu yöntemi önermiyoruz.

NP malzemesi ile ilgili olarak, numune hazırlama için ilk dikkat edilmesi gereken, NP'ler ve benzer malzemenin substratları arasındaki parazitin ortadan kaldırılması veya en aza indirilmesidir; örneğin, Si gofretler, yeterli numune kapsamına sahip olsa bile XPS ve ToF-SIMS kullanarak _SiO2 NP'lerin analizi için uygun olmayan bir substrattır. Metalik veya inorganik nanopartiküller, nanopartiküller ve çift taraflı yapıştırıcı arasındaki sinyal parazitinin olmaması nedeniyle bir yapıştırıcı üzerinde toz olarak kolayca analiz edilebilir (organik tabaka veya kaplama içermedikleri varsayılarak), polimerik NP'ler için uygun olmayan bir hazırlık yöntemi metalik nanopartiküller, şarj etkilerinin olmaması nedeniyle kullanılan olası film kalınlığı açısından daha fazla esnekliğe sahiptir, ve nispeten az ekipmanla damla dökümü olabilir; bununla birlikte, sentezlerinden büyük miktarda safsızlık ve stabilizatör içermeleri muhtemeldir, bu da parçacıklara zarar vermeden dikkatlice çıkarılmalıdır. Polimerik nanopartiküller kalıp presleme ile daha kolay zarar verebilir, ancak kullanılan basınçlara bağlı olarak pelet içinde daha kolay bir şekilde bir arada kalabilir. NP yüzeyindeki peletler veya yumuşak organik kaplamalar da hasara duyarlı olabilir. Çözeltiden doğrudan biriktirme, süspansiyon veya kurutma işlemi yoluyla hassas kaplamalara zarar verme potansiyeline sahiptir, ancak süspansiyonda zaten mevcut olan NP'leri analiz etmek için avantajlıdır. Kriyofixation, diğer çeşitli numune hazırlama teknikleri tarafından hasar gören veya tahrip olan süspansiyondaki kimyasal yapıların, yüzeylerin veya arayüzlerin analizi için uygun bir yöntemdir, ancak hem XPS hem de ToF-SIMS46'47 için özel bir kriyoequipment gerektirir.

Bu makalede, numune hazırlama için kullanılabilecek birkaç örnek yöntem açıklanırken, her durumda yöntem alternatif analitik yöntemler kullanılarak optimize edilmeli ve doğrulanmalıdır. Farklı faktörlerin etkisine ilişkin ayrıntılı bir genel bakış yakın zamanda ^{yayınlandı22}. Uygun hazırlık yöntemlerinin geliştirilmesi ve doğrulanmasının yanı sıra, bu adımların belgelenmesi de son derece ^önemlidir40. Bu yayın, kullanımı kolay bazı yöntemler sunar ve belirli bir görevin gereksinimlerine göre yeni yöntemler değiştirmek veya geliştirmek için bir kılavuzdur.

Malzemeler

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