Name: preparation of nanoparticles for tof-sims and xps analysis
Uploaded: 2020-09-13T14:00:00
Duration: 6 min 24 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis at JoVE.com

Dit project heeft financiering ontvangen van het Horizon 2020-programma van de Europese Unie (H2020) onder subsidieovereenkomst nr. 720952 (ACEnano). De auteurs willen Sigrid Benemann bedanken voor SEM-metingen, Markus Schneider voor ToF-SIMS-metingen en PCA en Philipp Reichardt voor hulp bij het filmen.

LET OP: De toxicologische eigenschappen van nanodeeltjes worden nog onderzocht; vanwege hun grootte kunnen ze unieke gevaren opleveren voor zowel mensen als in het milieu, zelfs als ze bestaan uit intrinsiek ongevaarlijke materialen. Voordat er met nanodeeltjes wordt gewerkt, moet een goede risicobeoordeling worden uitgevoerd en moeten passende technische controles, laboratoriumprocedures en PBM's (persoonlijke beschermingsmiddelen) worden ingevoerd, afhankelijk van het gevarenniveau van de te bestuderen materialen29,30,31,32.
1. Bereiding van Si wafers
LET OP: Deze stappen zijn nodig om ongewenste (organische) vervuiling te verwijderen en de bevochtigbaarheid van het oppervlak te vergroten. Alle gebruikte oplosmiddelen moeten ten minste ACS-kwaliteit zijn. Een standaard ultrasoonapparaatbad (35 kH en 120 Watt) is geschikt.
<ol><li>Natte chemische reiniging van Si wafers<ol>
<li>Doe de Si wafer in een bekerglas met isopropanol en ultrasoon gedurende 5 min.</li>
		<li>Breng de Si-wafer over in een bekerglas met een alkaliglasreinigingsoplossing en ultrasoon gedurende 10 minuten.</li>
		<li>Doe de wafel in een bekerglas met ultrapuur water. Ververs het water 10 keer door het water uit te gieten en het bekerglas bij te vullen; de Si-wafers blijven aan de onderkant zitten door het capillaire effect.</li>
		<li>Droog de wafer met schoon N2-gas . OPMERKING: Drogen met N2 voorkomt de vorming van "koffieringen" en andere artefacten door het drogen van water.</li>
		<li>Doe de wafer in een tweede beker met isopropanol en ultrasoon gedurende 10 minuten.</li>
		<li>Droog de wafer met schoon N2-gas .</li>
		<li>Doe de wafer in een bekerglas met ethanol en ultrasoonapparaat gedurende 10 minuten.</li>
		<li>Droog de wafer met schoon N2-gas . Het protocol kan hier worden gepauzeerd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Plasma- of UV/ozonreiniging van siliciumwafers<ol>
<li>Breng de Si-wafer in het plasma of de UV/ozonreiniger en schakel deze gedurende 30 minuten in. OPMERKING: Wafers moeten onmiddellijk voor gebruik plasma- of UV/ozon-gereinigd worden.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Nanodeeltjesafzetting door suspensie
OPMERKING: De meest voorkomende blootstellingsroute voor nanodeeltjes is door inademing. Werken met suspensies kan blootstellingsrisico's minimaliseren.
<ol><li>Bereiding van nanodeeltjessuspensie uit poeder OPMERKING: Alle hier beschreven hoeveelheden zijn voorbeelden. De methode moet worden geoptimaliseerd voor de specifieke nanodeeltjes die in elk geval worden gebruikt.<ol>
<li>Weeg nauwkeurig 15 mg nanodeeltjespoeder (± 10%) in een buis van 10 ml.</li>
		<li>Weeg nauwkeurig ongeveer 8 ml ultrapuur water af.</li>
		<li>Sluit de buis, verpak in een centrifugebuis van 50 ml met keukenpapier en plaats deze gedurende 15 minuten bij 3.000 tpm in de vortexer.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Drop-casting van elektrisch geleidende nanodeeltjes uit waterige suspensie<ol>
<li>Plaats de wafer gedurende 30 minuten in de UV/ozonreiniger.</li>
		<li>Plaats de wafer in de ene helft van de waferhouder en plaats een druppel nanodeeltjessuspensie van 3 μL in het midden van de ring.</li>
		<li>Monteer een Viton O-ring met een diameter van 6,07 mm op de wafer rond de druppel. Zorg ervoor dat de ring de druppel niet raakt.</li>
		<li>Plaats de wafer gedurende 15 minuten in een vacuümsiccator onder een vacuüm van 4 mbar om de wafer te drogen.</li>
		<li>Verwijder de wafer uit de exsiccator en onderzoek met behulp van lichtmicroscopie en XPS of de deeltjeslaag homogeen en gesloten is. Herhaal stap 2.2.1 en 2.2.2 totdat uit de analyse een gesloten en homogene laag blijkt. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Spin-coating van elektrisch niet-geleidende nanodeeltjes uit waterige suspensie<ol>
<li>Plaats de wafer gedurende 30 minuten in de UV/ozonreiniger. OPMERKING: Door spin-coating suspensies van verschillende concentraties met behulp van hetzelfde protocol, kunnen verschillende niveaus van oppervlaktebedekking worden bereikt.</li>
		<li>Programmeer de spin-coater. Een geschikt voorbeeldprogramma is: stap 1: 500 rpm/s ramp tot 1.000 rpm (5 s); stap 2: 1.000 rpm/s ramp tot 2.000 rpm (3 min); stap 3: vertraging bij 2.000 rpm/s tot 0 rpm.</li>
		<li>Plaats de wafer in de spin-coater en schakel het vacuüm in voor bevestiging.</li>
		<li>Deponeer 80 μL van de suspensie op de wafer en start het programma.</li>
		<li>Verwijder de wafer uit de spin-coater.</li>
		<li>Bewaar het monster in een nieuwe, schone wafertray. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.</li>
		<li>Analyseer het monster met SEM om de gapless dekking van het substraat te bevestigen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Nanodeeltjesafzetting van poeder
<ol><li>Nanodeeltjesafzetting op dubbelzijdige tapes ("stick and go")<ol>
<li>Bevestig de dubbelzijdige lijm op de monsterhouder en verwijder de voering.</li>
		<li>Neem een spatelpunt van het nanodeeltjespoeder en doop deze op de lijm.</li>
		<li>Verdeel het monster over de lijm en druk met de spatel in de kleefstof, totdat zoveel mogelijk van het poeder is gehecht.</li>
		<li>Controleer of het poeder op de kraan is bevestigd door de monsterhouder om te keren en erop te tikken en door er een stroom gas (bijvoorbeeld stikstof) overheen te blazen. Het protocol kan hier worden gepauzeerd. OPMERKING: Als alternatief kan een kleine hoeveelheid poeder op een gereinigd oppervlak (Alu-folie of glasplaat) worden geplaatst en van bovenaf worden geperst met de kleefstof en dubbelzijdige monsterhouder.</li>
		<li>Plaats een spatelpunt van het poeder op het gereinigde oppervlak. Druk de monsterhouder met de lijm van bovenaf op het poeder.</li>
		<li>Controleer of het poeder op de kraan is bevestigd door de monsterhouder om te keren en erop te tikken en door er een stroom gas (bijvoorbeeld stikstof) overheen te blazen. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Bereiding van geperste poederkorrels
	<ol>
<li>Reinig alle delen van de pelletmatrijs grondig en zorg ervoor dat u het gepolijste oppervlak niet bekrast.</li>
		<li>Keer de pelletmatrijs om en rust op een kleine afstandhouder.</li>
		<li>Plaats de zuiger en een roestvrijstalen pellet, met gepolijste kant naar boven, en trek de zuiger door totdat er voldoende ruimte is om te vullen met het poedervormige monster.</li>
		<li>Vul de matrijs met een kleine hoeveelheid monster (1 grote spatelpunt) en plaats vervolgens de tweede roestvrijstalen pellet met de gepolijste kant naar het monster gericht.</li>
		<li>Plaats de basis op het lichaam en keer voorzichtig om. Als een vacuüm gewenst en beschikbaar is, bevestigt u de vacuümpomp aan de basis van de pelletmatrijs.</li>
		<li>Plaats de matrijs in een pers en zorg ervoor dat deze gecentreerd is.</li>
		<li>Breng een lichte belasting (2 kN) aan gedurende ongeveer 20 s en laat los.</li>
		<li>Breng gedurende 2 minuten een zwaardere belasting (6 kN) aan en laat los.</li>
		<li>Nadat de belasting is losgelaten, laat u de vacuümpomp los. OPMERKING: Vanwege de verschillende materiaaleigenschappen van verschillende nanodeeltjes, kan het voordelig zijn om een reeks pellets met verschillende belastingen en laadtijden te bereiden om de optimale pelletpersomstandigheden te bepalen.</li>
		<li>Keer de matrijs om, plaats de afzuigring op zijn plaats en plaats een lichte belasting (tot 1 kN) tussen de zuiger en de afzuigring.</li>
		<li>Verwijder de matrijsdelen uit de pers en haal de monsterkorrel voorzichtig met een pincet.</li>
		<li>Monteer het monster voorzichtig op een gereinigde Si-wafer met dubbelzijdige lijm. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Cryofixatie van nanodeeltjessuspensies
<ol><li>Vul de hoofdkamer van het snelvriesapparaat met vloeibare stikstof.</li>
	<li>Vul de afgekoelde snelvrieskamer met het cryogeen (propaan).</li>
	<li>Laat het snelvriesapparaat afkoelen tot de bedrijfstemperatuur. OPMERKING: Het snelvriesapparaat heeft enige tijd nodig om de bedrijfstemperatuur te bereiken voorafgaand aan de monstervoorbereiding, daarom is een redelijke termijn (een paar uur) vereist voor het cryofixeren van de monsters.</li>
	<li>Giet 10-20 μL NP-suspensie op een gereinigde Si-wafer met een pipet.</li>
	<li>Houd de Si-wafer vast met een bevestigingspincet en plaats deze in het plunge freeze-apparaat.</li>
	<li>Verplaats het bevestigingspincet naar de duikpositie.</li>
	<li>Druk op de knop om het monster in het cryogene te laten vallen.</li>
	<li>Wacht enkele seconden totdat het monster volledig bevroren is.</li>
	<li>Breng de ingevroren monsters zo snel mogelijk over in een gekoelde omgeving.</li>
	<li>Plaats het gecryopzette monster (Si-wafer) in de monsterhouder en breng het over in het instrument. OPMERKING: Voor transport wordt droogijs aanbevolen en is kortdurende monsteropslag mogelijk. De monsters kunnen in bevroren toestand worden gemeten met een gekoeld instrument of met conventionele ToF-SIMS-instellingen na stabilisatie door het monster te vriesdrogen.</li>
</ol>

De auteurs hebben geen tegenstrijdige belangen om bekend te maken.

Er zijn een aantal methoden gepresenteerd voor de voorbereiding van nanodeeltjes voor oppervlakteanalyse met XPS en ToF-SIMS. We hebben de voor- en nadelen van deze methoden, evenals mogelijke bronnen van fouten en geschiktheid voor verschillende materialen, samengevat in tabel 2. Zoals blijkt uit de representatieve resultaten, kan de bereiding van nanodeeltjes het succes van de resulterende oppervlakteanalyse sterk beïnvloeden. Bovendien zijn niet alle methoden geschikt voor alle deeltjestypen vanwege factoren zoals signaalinterferentie met het substraat of montagematerialen, oplaadeffecten in niet-geleidende dikke films, toestand van de nanodeeltjes als poeder of suspensie, mogelijke schade aan gevoelige buitenlagen, vernietiging van biologische structuren en informatie over aggregatie en interfaces, of kwetsbaarheid van gevoelige ultrahoogvacuüminstrumenten voor vrije nanodeeltjes.
Omdat XPS- en ToF-SIMS-metingen gemiddeld over een gebied gaan in plaats van afzonderlijke deeltjes te meten, is het alleen mogelijk om reproduceerbare resultaten te verkrijgen van homogene lagen; aggregatie of agglomeratie van de deeltjes op het substraat moet daarom worden vermeden. Bovendien veroorzaken te dikke lagen niet-geleidende materialen laadeffecten tijdens de analyse, wat kan leiden tot ongewenste artefacten in de spectra, vooral gedeeltelijke lading die niet kan worden gecompenseerd met een overstromingskanon. Aan de andere kant vertonen onvolledige films sterke signalen van het substraat of bevestigingsmaterialen (bijvoorbeeld lijmen), die gevoelige pieken van het deeltjesoppervlak kunnen verstoren. De ideale dikte van de film is materiaalafhankelijk en moet experimenteel worden bepaald door analyse van films van verschillende diktes. In het bijzonder moeten monsters die zijn bereid met behulp van spincoating worden geanalyseerd met SEM om de volledigheid van de coating te garanderen.
Werken met NP-suspensies brengt minder blootstellingsrisico's en veiligheidseisen met zich mee in vergelijking met het werken met NP-poeders. Drop-casting is een relatief eenvoudige methode met lage apparatuurvereisten en is met name geschikt voor geleidende nanodeeltjes in suspensie waar filmdikte geen probleem is. Hoewel de monsters gemakkelijk kunnen worden gedroogd onder atmosferische omstandigheden, dient de vacuümsiccator om de droogtijd voor de druppels te verkorten en de wafers te beschermen tegen verontreiniging. De Viton-ring wordt gebruikt om de verdampingspatronen van de druppel te wijzigen en daardoor de vorming van koffieringen te minimaliseren. Verdampingspatronen kunnen ook worden beïnvloed door de hydrofiiliteit van het substraat te variëren met behulp van reinigingsprotocollen of door het aanbrengen van alternatieve coatings51,52, door verdamping in oplosmiddelatmosferen53 of zelfs door het substraat te verwarmen54. Spin-coating wordt aanbevolen voor suspensies van niet-geleidende nanodeeltjes in suspensie omdat het in staat is om een homogene deeltjeslaag te genereren die dun genoeg is om oplaadeffecten te voorkomen, maar nog steeds dik genoeg om te voorkomen dat het Si-substraat bijdraagt aan de XPS- en ToF-SIMS-spectra. Voor elk afzonderlijk NP-systeem en elke concentratie moeten zowel de centrifuge- als de spincoatingparameters worden geoptimaliseerd, maar kunnen dan zeer betrouwbaar worden gereproduceerd, zelfs op verschillende instrumenten. Omdat de spin-coated druppel zich altijd in het midden van de wafer bevindt, is de rotatieradius irrelevant en kan de eenheid "omwentelingen per minuut" (rpm) worden gebruikt. De schorsing kan ook na het starten van het programma op de wafer worden gedeponeerd; dit zou echter verschillende spin-coatingparameters en een grotere hoeveelheid suspensie vereisen om een dikkere coating te verkrijgen.
Vanwege hun extreem kleine formaat kunnen nanodeeltjes loskomen van het substraat en vrij bewegen in de ultrahoge vacuümkamer wanneer ze worden beïnvloed door een ionen- of röntgenstraal. Dit is met name een probleem voor monsters bereid met poeder. In sommige gevallen kunnen de nanodeeltjes doordringen in de gevoelige componenten van het instrument die duur en tijdrovend onderhoud vereisen. Door de toegepaste acceleratiespanning is het gevaar van beschadiging van gevoelige onderdelen bij ToF-SIMS groter dan bij XPS. Poedervormige monsters, met name die bereid met behulp van de "stick and go" -methode, moeten zorgvuldig worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de poeders veilig genoeg worden bevestigd, vooral voor ToF-SIMS-analyse. Dit kan bijvoorbeeld worden bevestigd door het monster ondersteboven te houden en er een gasstroom (bijvoorbeeld N2) overheen te blazen. Voorafgaand aan de analyse kunnen de monsters ook 's nachts in de luchtsluis of een andere initiële monsterinvoerkamer van het instrument worden achtergelaten, waar een stabiel vacuüm kan aangeven dat er geen losse deeltjes uit het monster komen. Nanodeeltjes bereid als pellets kunnen echter zelfs worden gesputterd (bij lage versnellingsspanningen) zonder het instrument te beschadigen; deze methode kan verontreinigingen, met name koolwaterstoffen, die uit de pers worden geïntroduceerd, elimineren en kan ook bulkanalyse van de deeltjes mogelijk maken.
Bereiding van NP-poeders in de monsterhouderstomp maakt het mogelijk monsters te bereiden met een gedefinieerde geometrie en een macroscopisch vlak oppervlak. Kritieke punten zijn de reinheid van het gereedschap voor het persen van het monster en het gebruik van een lage druk om veranderingen in het oppervlak van de nanodeeltjes als gevolg van deze procedure te voorkomen. Het heeft de nadelen van het nodig hebben van een relatief grote hoeveelheid materiaal en potentiële problemen met materiaalverlies in hoogvacuüminstrumenten. We raden deze methode niet aan voor ToF-SIMS-analyse, omdat de deeltjes op geen enkele manier worden samengeperst of beveiligd.
Met betrekking tot het NP-materiaal is de eerste overweging voor monstervoorbereiding het elimineren of minimaliseren van interferentie tussen NP's en substraten van vergelijkbaar materiaal; Si-wafers zijn bijvoorbeeld een ongeschikt substraat voor analyse van SiO2 NP's met XPS en ToF-SIMS, zelfs met voldoende monsterdekking. Metallische of anorganische nanodeeltjes kunnen gemakkelijk worden geanalyseerd als poeder op een kleefstof (ervan uitgaande dat ze geen organische lagen of coatings bevatten) vanwege het gebrek aan signaalinterferentie tussen de nanodeeltjes en de dubbelzijdige kleefstof, een bereidingsmethode die ongeschikt zou zijn voor polymere NP's. Metalen nanodeeltjes hebben meer flexibiliteit in termen van mogelijke filmdikte die wordt gebruikt vanwege de afwezigheid van oplaadeffecten, en kan met relatief weinig apparatuur worden gedropt; ze bevatten echter waarschijnlijk grote hoeveelheden onzuiverheden en stabilisatoren uit hun synthese, die zorgvuldig moeten worden verwijderd zonder de deeltjes te beschadigen. Polymere nanodeeltjes kunnen gemakkelijker worden beschadigd door het persen van matrijzen, maar kunnen ook gemakkelijker bij elkaar blijven in de pellet, afhankelijk van de gebruikte druk. Pellets of zachte organische coatings op het NP-oppervlak kunnen ook schadegevoelig zijn. Directe afzetting uit de oplossing heeft het potentieel om gevoelige coatings te beschadigen, hetzij door de suspensie of het droogproces, maar is voordelig voor het analyseren van NP's die al in suspensie aanwezig zijn. Cryofixatie is een geschikte methode voor de analyse van chemische structuren, oppervlakken of interfaces in suspensie die zouden worden beschadigd of vernietigd door verschillende andere monstervoorbereidingstechnieken, maar vereist een gespecialiseerde cryo-uitrusting voor zowel XPS als ToF-SIMS46'47.
Hoewel dit artikel verschillende voorbeeldige methoden beschrijft die kunnen worden gebruikt voor monstervoorbereiding, moet de methode in elk geval worden geoptimaliseerd en gevalideerd met behulp van alternatieve analysemethoden. Onlangs is een gedetailleerd overzicht van de invloed van verschillende factoren gepubliceerd22. Naast de ontwikkeling en validatie van geschikte bereidingsmethoden is ook de documentatie van deze stappen van het grootste belang40. Deze publicatie presenteert enkele eenvoudig te hanteren methoden en is een gids om nieuwe methoden aan te passen of te ontwikkelen volgens de vereisten van de specifieke taak.

Nanomaterialen worden gedefinieerd als materialen met een externe dimensie tussen 1 nm en 100 nm of met een interne of oppervlaktestructuur op deze schaal1. Vanwege de unieke eigenschappen die voortvloeien uit hun kleine schaal en dienovereenkomstig grote oppervlakte (naast andere factoren), vinden ze steeds meer gebruik in een breed scala van gebieden, waaronder landbouw, chemie, autobouw, cosmetica, milieu, geneeskunde, drukwerk, energie en textiel. Dit toegenomen gebruik betekent dat zowel mens als milieu op tot nu toe onbekende schaal zullen worden blootgesteld aan deze materialen waarvan de toxicologische eigenschappen nog niet volledig bekend zijn en waarvan de omvang hun gemakkelijke integratie in biologische of milieusystemen mogelijk maakt2.
Na de fundamentele eigenschappen van oppervlakte en deeltjesgrootte/grootteverdeling werden oppervlaktechemie en coatings geïdentificeerd als de meest cruciale eigenschap van nanomaterialen3; kleinere deeltjes hebben een hoger oppervlak per massa-eenheid, en dus een hogere verhouding van oppervlakte- tot bulkatomen. Inderdaad, voor nanodeeltjes van 1 nm grootte is meer dan 70% van de atomen te vinden op hoeken of randen; dit heeft een sterke invloed op oppervlakte-eigenschappen zoals chemisorptie die sterk afhankelijk is van de morfologie van het oppervlak op atomaire schaal4. Regelgeving met betrekking tot nanomaterialen vereist nauwkeurige gegevens over fysisch-chemische eigenschappen en betrouwbare schattingen van de toxicologische eigenschappen van deze materialen. Om toxicologische eigenschappen van fysische en chemische eigenschappen van nanomaterialen efficiënt te schatten, heeft de nanomaterialengemeenschap betrouwbare, gestandaardiseerde en geverifieerde analyseprocedures nodig. Projecten zoals ACEnano5 zijn gericht op het verzamelen en correleren van nauwkeurige en verifieerbare fysieke gegevens van nanodeeltjes in een kader dat betere regulering en karakterisering van nanomaterialen mogelijk maakt. Dit streven naar gestandaardiseerde analyseprocedures werd ook ondersteund door de redactie van ACS Nano, die "methoden voor karakterisering en minimumniveaus van analyse van materialen wilde consolideren en overeenkomen6". Bovendien bieden XPS en ToF-SIMS nieuwe mogelijkheden voor het ophelderen van de deeltjesarchitectuur van nanodeeltjes in de kernschaal7,8.
Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) en Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), vergeleken in tabel 1, zijn gevestigde methoden voor onderzoek van oppervlakteatomen. In XPS wordt het monster bestraald met röntgenstralen met een energie tussen 1 en 2 keV, waardoor elektronen worden uitgezonden als gevolg van het foto-elektrische effect. Deze uitgezonden elektronen, met een kinetische energie in hetzelfde bereik, correleren met de bindingsenergie van de elektronen in de vaste stof; het verschijnen van foto-elektronen bij deze gedefinieerde bindingsenergieën en meetbare intensiteiten maakt daarom kwantitatieve analyse van de samenstelling mogelijk. Aangezien de gemiddelde vrije route van deze foto-elektronen lager is dan 10 nm, is XPS een zeer oppervlaktegevoelige techniek voor kwantitatieve analyse. Bovendien maakt een gedetailleerde analyse van de bindingsenergieën in sterk opgeloste spectra de kwantitatieve bepaling van de valentietoestanden van deze elektronen mogelijk.
In ToF-SIMS wordt het oppervlak gesputterd met een gerichte ionenbundel (primaire ionen), waarbij de ionen uit het materiaal worden uitgestoten (secundaire ionen) verzameld en geanalyseerd in een time-of-flight massaspectrometer. Het verkregen massa/ladingspatroon maakt het mogelijk om de elementaire, isotopische of moleculaire samenstelling te bepalen. Door de gemiddelde vrije route van de secundaire ionen is deze techniek ook zeer oppervlaktegevoelig en heeft een informatiediepte van 1-2 nm maar is op zijn best semi-kwantitatief, vanwege het matrixeffect waarbij de ionisatiekans (en dus opbrengst) van secundaire ionen sterk wordt beïnvloed door hun omringende matrix. ToF-SIMS kan zowel in statische als dynamische modus worden bediend; het verschil tussen de twee is de primaire ionenflux die het oppervlak beïnvloedt. Statische SIMS houdt de primaire ionenflux op een niveau dat (d.w.z. fragmenten) maximaal 1% -10% van het oppervlak beïnvloedt; het oppervlak blijft relatief ongestoord, waardoor analyse van de bovenste atomaire lagen materiaal mogelijk is. Omdat zelfs statische SIMS enige vernietiging aan de oppervlakte veroorzaken, wordt het beschouwd als minder "niet-destructief" van de twee methoden.
Deze oppervlaktegevoelige technieken maken analyse van de eerste paar nanometers van het materiaal mogelijk, inclusief opzettelijke of onbedoelde coatings, die voor nanomaterialen de materiaaleigenschappen aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Voorbeelden van opzettelijke coatings zijn het afdekken van lagen op quantum dots om de kwantumopbrengsten van fotoluminescentie te verbeteren en omgevingsreactiviteit te verminderen9, aluminiumoxide- of silicacoatings voor de preventie van fotokatalytische activiteit van titania-nanodeeltjes in zonneblokkers10, oppervlaktefunctionalisatie om bioconjugatie en daaropvolgende biologische activiteit mogelijk te maken11, coatings voor diagnostische en medicijnafgiftetoepassingen12 en fluorkoolstofcoatings op magnetische deeltjes voor ferrofluïden en kern-omhulselmetaalsystemen om de eigenschappen van de katalysator te verbeteren13. Onbedoelde coatings, zoals oxidatie, oppervlakteverontreiniging of eiwitcoronas in biologische systemen hebben een even sterke invloed op de eigenschappen van nanodeeltjes en het is van cruciaal belang dat experimentele bereidingsprocedures ervoor zorgen dat de coating en meer in het algemeen de oppervlaktechemie van het nanomateriaal niet wordt vernietigd of getransformeerd. Het is ook cruciaal om de eigenschappen van de nanodeeltjes te evalueren omdat ze in-situ zijn, omdat hun eigenschappen drastisch kunnen worden veranderd door de verandering2,14,15. Bovendien kan de concentratie van stabilisatoren in de nanodeeltjessuspensie de analyse en structurele integriteit van de nanodeeltjes dramatisch beïnvloeden; de aanwezigheid van een stabilisator kan resulteren in grote ongewenste signalen (bijvoorbeeld C, H, O en Na) in de analyse, terwijl de verwijdering ervan kan leiden tot schade of agglomeratie van de nanodeeltjes.
Vanwege hun grootte en oppervlakte hebben de opslagomstandigheden van nanodeeltjes ook invloed op hun gedrag, zowel als opgeslagen poeders / suspensies als als bereide monsters. Het effect van suboptimale opslagomstandigheden, met name opslag op kamertemperatuur en blootstelling aan licht, is in verschillende studies aangetoond dat het degradatie van de nanodeeltjes veroorzaakt, waarvan is aangetoond dat het de fysische, chemische en / of toxicologische eigenschappen van de deeltjes verandert14,15,16,17,18 . Van kleinere nanodeeltjes is aangetoond dat ze sneller oxideren dan grotere met oxidatie- / degradatiesnelheden afhankelijk van de opslagomstandigheden15 en de oppervlaktechemie14. Het is aangetoond dat de effecten van de afbraak van nanodeeltjes tijdens opslag de fysisch-chemische eigenschappen, waaronder toxiciteit14, aanzienlijk beïnvloeden, terwijl de oxidatieve groei naar binnen kan gaan ten koste van de kern15.
De zorgvuldige opslag en voorbereiding van nanomaterialen is daarom essentieel voor een nauwkeurige oppervlakteanalyse en alle factoren die van invloed kunnen zijn op het monsteroppervlak en/of de kwaliteit van de metingen moeten zorgvuldig worden overwogen. Opgemerkt moet worden dat vanwege de relatief lage ruimtelijke resolutie van XPS (in het μm-bereik) en ToF-SIMS (een paar honderd nm), slechts een kleine subset van de nanodeeltjes kan worden onderzocht; deze methoden zijn gemiddeld over een gebied en hebben niet de mogelijkheid om afzonderlijke deeltjes in beeld te brengen zoals mogelijk is met technieken zoals elektronenmicroscopie. Om deze reden vereist elke analyse afzetting van de nanodeeltjes in een continue laag om ervoor te zorgen dat er geen interferentie van het substraat is. Elektronenmicroscopie en XPS/ToF-SIMS worden daarom vaak samen gebruikt als complementaire methoden voor nanomateriaalanalyse.
Afgezien van veranderingen in de oppervlaktechemie, zijn de belangrijkste uitdagingen voor de bereiding van nanodeeltjesmonsters voor XPS- en ToF-SIMS-analyse het voorbereiden van een laag die: homogeen is, om de reproduceerbaarheid te vergroten; gapless, om de bijdrage van het substraat aan de spectra te minimaliseren; dun genoeg om oplaadeffecten te voorkomen (voor niet-geleidende monsters); en stevig bevestigd aan het substraat, om te voorkomen dat vrije nanodeeltjes binnendringen en ultrahoge vacuüminstrumenten beschadigen
Nanodeeltjes kunnen vanuit suspensie of als poeder op het substraat worden afgezet. Ten eerste zullen we de verschillende methoden bespreken voor het deponeren van nanodeeltjes uit suspensie. Siliciumwafers zijn een veelgebruikt substraat voor suspensieafzetting, omdat ze relatief goedkoop zijn, gemakkelijk verkrijgbaar als een zeer zuiver product bestaande uit zuiver of gedopeerd silicium (doping vermijdt oplaadeffecten), en voor de meeste nanodeeltjes overlappen de spectrale pieken niet met pieken die typisch zijn voor nanodeeltjes. Dit laatste punt is belangrijk; vóór de analyse moet ervoor worden gezorgd dat de substraatpieken goed gescheiden zijn van de verwachte pieken van de nanodeeltjes, anders is de interpretatie van de spectra gecompliceerd of onmogelijk en kan de continue dekking van het substraat door de nanodeeltjes niet worden geverifieerd. Voor het gebruik van siliciumwafers is een uitgebreide reinigingsprocedure (beschreven in deze publicatie) noodzakelijk om (organische) verontreinigingen te verwijderen en de bevochtigbaarheid van het oppervlak te vergroten. Andere geschikte substraten zoals goudfilms, zeer geordende pyrolytisch grafiet (HOPG) of indiumfolies zijn met succes gebruikt, maar een discussie over hun bereiding valt buiten het bestek van dit werk19,20,21,22.
Ten tweede presenteren we methoden voor het deponeren van nanodeeltjespoeders op een substraat voor XPS- en ToF-SIMS-analyse en presenteren we de voor- en nadelen van elke methode, waardoor onderzoekers die nieuw zijn in de technieken de optimale bereidingsmethode voor hun doeleinden kunnen vinden. Ten derde bespreken we cryofixatie, wat een geschikte bereidingsmethode is om kenmerken te behouden zoals het agglomeratiegedrag, organische corona, vaste / waterige interface23,24 of distributie in biologische media25 van NP's. Cryofixatie, meestal snel bevriezen van materiaal in een vloeibaar stikstofgekoeld cryogeen en analyse in de bevroren gehydrateerde toestand, maakt de analyse en visualisatie van nanodeeltjes direct in complexe matrices mogelijk. Deze procedure veroorzaakt geen ijskristalvorming, maar vormt amorf ijs dat membranen en cellulaire en weefselstructuren in hun oorspronkelijke biologische toestand houdt, schade veroorzaakt door waterkristallisatieprocessen vermijdt en de exacte chemische verdeling van alle celmetabolieten en celmembraanverbindingen kan worden gehandhaafd26,27,28 . Deze bereidingsmethode kan van bijzonder belang zijn voor het presenteren van een exacte chemische kaart van het werkelijke NP-agglomeraat of heteroagglomeraat, het visualiseren van de exacte chemische ruimte in de nabijheid van het nanodeeltje direct in suspensie, of het correleren van celweefselspecifieke kenmerken of intracellulaire compartimenten binnen NP-agglomeraten of heteroagglomeraten.
Zoals blijkt uit de resultaten die in dit werk worden gepresenteerd, is de meest geschikte procedure in een bepaald geval afhankelijk van een verscheidenheid aan parameters, zoals de hydrofilie, stabiliteit, geleidbaarheid, toestand (bijv. Poeder of suspensie) van de nanodeeltjes en de analytische vraag die voorhanden is (bijv. Grootte, bulkeigenschappen of oppervlaktecoatings). Hier worden verschillende methoden gepresenteerd die kunnen worden gebruikt voor de voorbereiding van NP's voor oppervlakteanalyse, evenals een vergelijking van hun voor- en nadelen.

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

preparation of nanoparticles for tof-sims and xps analysis

Nanodeeltjes hebben de afgelopen jaren steeds meer aandacht gekregen vanwege hun potentieel en toepassing op verschillende gebieden, waaronder geneeskunde, cosmetica, chemie en hun potentieel om geavanceerde materialen mogelijk te maken. Om de fysisch-chemische eigenschappen en mogelijke nadelige effecten van nanodeeltjes effectief te begrijpen en te reguleren, moeten gevalideerde meetprocedures voor de verschillende eigenschappen van nanodeeltjes worden ontwikkeld. Hoewel de procedures voor het meten van de grootte en grootteverdeling van nanodeeltjes al zijn vastgesteld, zijn gestandaardiseerde methoden voor analyse van hun oppervlaktechemie nog niet aanwezig, hoewel de invloed van de oppervlaktechemie op de eigenschappen van nanodeeltjes onbetwist is. Met name de opslag en voorbereiding van nanodeeltjes voor oppervlakteanalyse heeft een sterke invloed op de analyseresultaten van verschillende methoden, en om consistente resultaten te verkrijgen, moet de monstervoorbereiding zowel geoptimaliseerd als gestandaardiseerd zijn. In deze bijdrage presenteren we in detail enkele standaardprocedures voor het voorbereiden van nanodeeltjes voor oppervlakteanalyse. In principe kunnen nanodeeltjes uit suspensie of als poeder op een geschikt substraat worden afgezet. Silicium (Si) wafers worden vaak gebruikt als substraat, maar hun reiniging is van cruciaal belang voor het proces. Voor monstervoorbereiding uit suspensie zullen we drop-casting en spin-coating bespreken, waarbij niet alleen de reinheid van het substraat en de zuiverheid van de suspensie, maar ook de concentratie ervan een belangrijke rol spelen voor het succes van de bereidingsmethodologie. Voor nanodeeltjes met gevoelige ligandschillen of coatings is depositie als poeders meer geschikt, hoewel deze methode bijzondere zorg vereist bij het fixeren van het monster.

Watch this Scientific Journal Video about Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis at JoVE.com

Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis

Een aantal verschillende procedures voor het voorbereiden van nanodeeltjes voor oppervlakteanalyse worden gepresenteerd (druppelgieten, spincoating, afzetting van poeders en cryofixatie). We bespreken de uitdagingen, kansen en mogelijke toepassingen van elke methode, met name met betrekking tot de veranderingen in de oppervlakte-eigenschappen veroorzaakt door de verschillende bereidingsmethoden.

Voorbereiding van nanodeeltjes voor ToF-SIMS- en XPS-analyse

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Preparation of Silica Nanoparticles Through Microwave-assisted Acid-catalysis

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

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

Isolatie en bereiding van bacteriële celwanden voor compositorische analyse door Ultra Performance Liquid Chromatography

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

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

Preparation and Characterization of SDF-1ÃƒÅ½Ã‚Â±-Chitosan-Dextran Sulfate Nanoparticles

Bereiding en karakterisering van SDF-1α-Chitosan-Dextransulfaat Nanodeeltjes

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

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

Voorbereiding van Mica en Silicon substraten voor DNA Origami Analyse en Experimentation

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

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

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

In Situ karakterisering van gehydrateerde Eiwitten in Water door SALVI en ToF-SIMS

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

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

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

In Situ Detectie en eencellige kwantificering van metaaloxide nanodeeltjes met behulp van nucleaire Microprobe analyse

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

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

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

In Situ Karakterisatie van Shewanella oneidensis MR1 Biofilms door SALVI en ToF-SIMS

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

Liquid-cell Transmission Electron Microscopy for Tracking Self-assembly of Nanoparticles

Vloeistof-cel transmissie-elektronenmicroscopie voor Tracking zelf-assemblage van nanodeeltjes

Drying a nanoparticle dispersion is a versatile way to create self-assembled structures of nanoparticles, but the mechanism of this process is not fully ...

Ligand-Mediated Nucleation and Growth of Palladium Metal Nanoparticles

Ligand-gemedieerde nucleatie en groei van Palladium metalen nanodeeltjes

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

Bio-inspired Polydopamine Surface Modification of Nanodiamonds and Its Reduction of Silver Nanoparticles

Bio-inspired Polydopamine oppervlak wijziging van Nanodiamonds en de vermindering van zilveren nanodeeltjes

Surface functionalization of nanodiamonds (NDs) is still challenging due to the diversity of functional groups on the ND surfaces. Here, we demonstrate a ...