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

פרויקט זה קיבל מימון מתוכנית Horizon 2020 של האיחוד האירופי (H2020) במסגרת הסכם מענק מס' 720952 (ACEnano). המחברים רוצים להודות לסיגריד בנימן על מדידות SEM, מרקוס שניידר על מדידות ToF-SIMS ו- PCA, ופיליפ רייכרט על הסיוע בצילומים.

זהירות: התכונות טוקסיקולוגיות של חלקיקים עדיין תחת חקירה; בשל גודלם הם יכולים להציג סכנות ייחודיות בבני אדם, כמו גם בסביבה גם כאשר הם מורכבים מחומרים לא מסוכנים באופן מהותי. לפני ביצוע כל עבודה עם חלקיקים, יש להשלים הערכת סיכונים נכונה, ובקרות הנדסיות מתאימות, נהלי מעבדה, PPE (ציוד מגן אישי) לשים במקום, בהתאם לרמת הסיכון של החומרים להיחקר29,30,31,32.
1. הכנת ופלים סי
הערה: שלבים אלה נחוצים כדי להסיר זיהום לא רצוי (אורגני) ולהגדיל את הנטות פני השטח. כל הממיסים המשמשים צריכים להיות לפחות כיתה ACS. אמבט סוניקציה סטנדרטי (35 kH ו-120 וואט) מתאים.
<ol><li>ניקוי כימי רטוב של ופלים Si<ol>
<li>שים את Si רקיק בכף עם איזופרופנול ultrasonicate במשך 5 דקות.</li>
		<li>העבר את Si רקיק לכוס עם פתרון ניקוי זכוכית אלקלי ultrasonicate במשך 10 דקות.</li>
		<li>שים את הוופל בקוב עם מים אולטרה-תות. לשנות את המים 10 פעמים על ידי שפיכת המים ומילוי מחדש את הכיס; ופלים Si יישארו בתחתית בשל האפקט נימי.</li>
		<li>יבש את הוופל עם גז N2 נקי. הערה: ייבוש עם N2 מונע היווצרות של "טבעות קפה" וחפצים אחרים מייבוש מים.</li>
		<li>שים את הוופל בכף שנייה עם איזופרופנול ו ultrasonicate במשך 10 דקות.</li>
		<li>יבש את הוופל עם גז N2 נקי.</li>
		<li>שים את הוופל בכוורת עם אתנול ו ultrasonicate במשך 10 דקות.</li>
		<li>יבש את הוופל עם גז N2 נקי. הפרוטוקול יכול להיות מושהה כאן.</li>
	</ol>
</li>
	<li>ניקוי פלזמה או UV/אוזון של ופלים מסיליקון<ol>
<li>הציגו את ה-Si רקיק בפלזמה או במנקה UV/אוזון והדליקו למשך 30 דקות. הערה: ופלים צריכים להיות פלזמה- או UV / אוזון ניקה מיד לפני השימוש.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. תצהיר ננו-חלקיקים מהשעיה
הערה: מסלול החשיפה הנפוץ ביותר עבור חלקיקים הוא על ידי שאיפה. עבודה עם השעיות יכולה למזער סיכוני חשיפה.
<ol><li>הכנת השעיית חלקיקים מאבקה הערה: כל הכמויות המתוארות כאן הן דוגמאות. השיטה צריכה להיות ממוטבת עבור חלקיקים מסוימים המשמשים בכל מקרה.<ol>
<li>שוקלים במדויק 15 מ"ג אבקת חלקיקים (± 10%) לתוך צינור 10 מ"ל.</li>
		<li>שוקלים במדויק מים אולטרה-תזר 8 מ"ל.</li>
		<li>סגרו את הצינור, ארזו צינור צנטריפוגה 50 מ"ל עם מגבת נייר והכניסו למערבולת ב-3,000 סל"ד למשך 15 דקות.</li>
	</ol>
</li>
	<li>יציקת טיפה של חלקיקים מוליכים חשמלית מהשעיה מימית<ol>
<li>מניחים את הוופל במנקה UV/אוזון למשך 30 דקות.</li>
		<li>מניחים את הוופל במחצית אחת של מחזיק הוופל ומניחים ירידה של 3 מיקרו-אל של השעיית ננו-חלקיקים במרכז הזירה.</li>
		<li>הר טבעת O וייטון בקוטר 6.07 מ"מ על הוופל סביב הטיפה. יש לדאוג שהטבעת לא תיגע בטירה.</li>
		<li>מניחים את הוופל בייבוש ואקום תחת ואקום של 4 מ"ר למשך 15 דקות כדי לייבש את הוופל.</li>
		<li>הסר את הוופל מן התשן ולבחון באמצעות מיקרוסקופיה קלה ו- XPS כדי לקבוע כי שכבת החלקיקים היא הומוגנית וסגורה. חזור על שלבים 2.2.1 ו- 2.2.2 עד שניתוח מראה שכבה סגורה והומוגנית. הפרוטוקול יכול להיות מושהה כאן.</li>
	</ol>
</li>
	<li>ספין-ציפוי של חלקיקים לא מוליכים חשמליים מהשעיה מימית<ol>
<li>מניחים את הוופל במנקה UV/אוזון למשך 30 דקות. הערה: על ידי השעיות ספין-ציפוי של ריכוזים שונים באמצעות אותו פרוטוקול, ניתן להשיג רמות שונות של כיסוי פני השטח.</li>
		<li>תכנת את מעיל הספין. תוכנית מדגם מתאימה היא: שלב 1: 500 סל"ד / s רמפה ל 1,000 סל"ד (5 s); שלב 2: 1,000 סל"ד/s רמפה ל-2,000 סל"ד (3 דקות); שלב 3: ההאטה ב-2,000 סל"ד/ש' ל-0 סל"ד.</li>
		<li>מכניסים את הוופל למעיל הספין ומדליקים את הוואקום לצורך קיבעון.</li>
		<li>הפקד 80 μL של ההשעיה על רקיק ולהתחיל את התוכנית.</li>
		<li>מוציאים את הוופל ממעיל הספין..</li>
		<li>אחסן את הדגימה בוופלטרי חדש ונקי. הפרוטוקול יכול להיות מושהה כאן.</li>
		<li>נתח את המדגם באמצעות SEM כדי לאשר כיסוי ללא רווח של המצע.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. תצהיר ננו-חלקיקים מאבקה
<ol><li>תצהיר ננו-חלקיקים על קלטות דבק דו-צדדיות ("מקל וללכת")<ol>
<li>תקן את הדבק הדו-צדדי למחזיק המדגם והסר את אניה.</li>
		<li>קח קצה מרית של אבקת הננו-חלקיקים ולטבול אותו על הדבק.</li>
		<li>מורחים את המדגם על הדבק ולוחצים לתוך הדבק עם מרית, עד כמה שיותר אבקה דבק ככל האפשר.</li>
		<li>בדוק כי האבקה קבועה על הברז על ידי היפוך והקשה על מחזיק המדגם, ועל ידי נושבת זרם של גז (למשל, חנקן) על פני זה. הפרוטוקול יכול להיות מושהה כאן. הערה: לחלופין, ניתן להניח כמות קטנה של אבקה על משטח נקי (רדיד Alu או שקופית זכוכית) ולחוץ מלמעלה עם מחזיק הדגימה הדביקה והדו-צדדית.</li>
		<li>מניחים קצה מרית של האבקה על המשטח המנוקה. לחץ על מחזיק המדגם עם הדבק על האבקה מלמעלה.</li>
		<li>בדוק כי האבקה קבועה על הברז על ידי היפוך והקשה על מחזיק המדגם, ועל ידי נושבת זרם של גז (למשל, חנקן) על פני זה. הפרוטוקול יכול להיות מושהה כאן.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
הכנת כדורי אבקה דחוסים
	<ol>
<li>לנקות ביסודיות את כל חלקי הכדור למות, דואג לא לגרד את המשטח המלוטש.</li>
		<li>הפוך את הכדור למות ולנוח על spacer קטן.</li>
		<li>הכנס את הבוכנה וכדור נירוסטה אחד, עם צד מלוטש למעלה, ולמשוך את הבוכנה דרך עד שיש מספיק מקום כדי למלא עם מדגם אבקת.</li>
		<li>מלא את die עם כמות קטנה של מדגם (1 קצה מרית גדולה), ולאחר מכן להכניס את גלולה נירוסטה השנייה עם הצד המלוטש מול המדגם.</li>
		<li>מניחים את הבסיס על הגוף והפוך בזהירות. אם ואקום רצוי וזמין, חברו את משאבת הוואקום לבסיס הכדור למות.</li>
		<li>מניחים את המוות לתוך עיתונות, מוודאים שהיא מרוכזת.</li>
		<li>יש למרוח עומס קל (2 kN) למשך כ-20 s ולשחרר אותו.</li>
		<li>יש למרוח עומס כבד יותר (6 kN) למשך 2 דקות ולשחרר.</li>
		<li>לאחר שחרור העומס, שחררו את משאבת הוואקום. הערה: בשל תכונות החומר השונות של חלקיקים שונים, זה עשוי להיות יתרון להכין סדרה של גלולים עם עומסים שונים זמני עומס כדי לקבוע את תנאי לחיצת גלולה אופטימליים.</li>
		<li>להפוך את למות, למקם את טבעת מחלץ למיקום, ומניחים עומס קל (עד 1 kN) בין הבוכנה ואת טבעת מחלץ.</li>
		<li>הסר את חלקי למות מן העיתונות בזהירות לחלץ את גלולה מדגם עם פינצטה.</li>
		<li>יש להרכיב בעדינות את הדגימה על רקיק Si מנוקה באמצעות דבק דו-צדדי. הפרוטוקול יכול להיות מושהה כאן.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Cryofixation של השעיות ננו-חלקיקים
<ol><li>מלאו את התא הראשי של מכשיר ההקפאה המהירה בחנקן נוזלי.</li>
	<li>מלאו את תא ההקפאה המהירה מקורר עם קריוגן (פרופאן).</li>
	<li>אפשרו להתקן ההקפאה המהירה להתקרר לטמפרטורת ההפעלה שלו. הערה: התקן ההקפאה המהירה דורש זמן להגיע לטמפרטורת ההפעלה לפני הכנת המדגם, ולכן נדרשת מסגרת זמן סבירה (כמה שעות) להקפאת הדגימות.</li>
	<li>טיפה יצוק 10-20 μL של השעיית NP על רקיק Si ניקה עם פיפטה.</li>
	<li>מחזיקים את הוופל סי עם פינצטה תיקון, למקם אותו בתוך מכשיר הקפאת לצלול.</li>
	<li>תזיז את פינצטה לתקן לעמדת הצלילה.</li>
	<li>לחץ על הכפתור כדי להפיל את הדגימה בתוך הקריוגן.</li>
	<li>המתן מספר שניות עד שהדגימה מוקפאת לחלוטין.</li>
	<li>מעבירים את הדגימות הקפואות מהר ככל האפשר לסביבה מקוררת.</li>
	<li>מניחים את המדגם הקריופיקס (Si רקיק) לתוך מחזיק המדגם ומעבירים אותו בתוך המכשיר. הערה: להובלה, קרח יבש מומלץ ואחסון מדגם לטווח קצר אפשרי. ניתן למדוד את הדגימות במצב קפוא עם מכשיר מקורר או עם הגדרות ToF-SIMS קונבנציונליות לאחר ייצוב על ידי הקפאה ייבוש המדגם.</li>
</ol>

למחברים אין אינטרסים מתחרים לחשוף.

מספר שיטות הוצגו להכנת חלקיקים לניתוח פני השטח באמצעות XPS ו- ToF-SIMS. סיכמנו את היתרונות והחסרונות של שיטות אלה, כמו גם מקורות אפשריים של שגיאה והתאמת חומרים שונים, בטבלה 2. כפי שמוצג בתוצאות הייצוגיות, הכנת חלקיקים יכולה להשפיע מאוד על הצלחת ניתוח פני השטח המתקבל. בנוסף, לא כל השיטות מתאימות לכל סוגי החלקיקים בשל גורמים כגון הפרעות אות עם המצע או חומרי הרכבה, השפעות טעינה בסרטים עבים שאינם מוליכים, מצב הננו-חלקיקים כאבקה או מתלה, נזק פוטנציאלי לשכבות חיצוניות רגישות, הרס מבנים ביולוגיים ומידע על צבירה וממשקים, או פגיעות של מכשירים רגישים אולטרה-האוור-ואקום לננו-חלקיקים בחינם.
מכיוון שמדידות XPS ו- ToF-SIMS ממוצעות על פני שטח במקום למדוד חלקיקים בודדים, ניתן להשיג רק תוצאות ניתנות לשחזור משכבות הומוגניות; לכן יש להימנע מצבירה או התפארות של החלקיקים על המצע. בנוסף, שכבות עבות מדי של חומרים לא מוליכים גורמות להשפעות טעינה במהלך הניתוח, מה שעלול להוביל לחפצים לא רצויים בספקטרום, במיוחד טעינה חלקית שלא ניתן לפצות עם אקדח הצפה. מצד שני, סרטים לא שלמים מראים אותות חזקים מהמצע או מחומרי הרכבה (למשל, דבקים), אשר יכול להפריע לפסגות רגישות מפני השטח החלקיקים. העובי האידיאלי של הסרט תלוי בחומר ויש לקבוע אותו באופן ניסיוני על ידי ניתוח סרטים בעוביים שונים. בפרט, דגימות מוכנות באמצעות ציפוי ספין צריך להיות מנותח עם SEM כדי להבטיח שלמות של הציפוי.
עבודה עם השעיות NP מציגה פחות סיכוני חשיפה ודרישות בטיחות בהשוואה לעבודה עם אבקות NP. יציקת טיפה היא שיטה פשוטה יחסית עם דרישות ציוד נמוכות והיא מתאימה במיוחד חלקיקים מוליכים בהשעיה שבהם עובי הסרט אינו דאגה. בעוד הדגימות ניתן בקלות להיות מיובש בתנאים אטמוספריים, ייבוש ואקום משמש כדי להפחית את זמן הייבוש עבור טיפות, כמו גם הגנה על ופלים מפני זיהום. טבעת ויטון משמשת לשינוי דפוסי האידוי של הטיפה ובכך למזער את היווצרות טבעות הקפה. דפוסי אידוי יכולים להיות מושפעים גם על ידי שינוי ההידרופיליות המצע באמצעות פרוטוקולי ניקוי או על ידי יישום של ציפויים חלופיים51,52, על ידי אידוי באטמוספרות ממס53, או אפילו על ידי חימום המצע54. ציפוי ספין מומלץ להשעיות של חלקיקים לא מוליכים בהשעיה מכיוון שהוא מסוגל לייצר שכבת חלקיקים הומוגנית שהיא דקה מספיק כדי להימנע מאפקטים של טעינה אך עדיין עבה מספיק כדי למנוע מהמצע של Si לתרום לספקטרום XPS ו- ToF-SIMS. עבור כל מערכת NP בודדים וריכוז, הן צנטריפוגה ו- ספין ציפוי הפרמטרים חייב להיות מותאם אבל אז יכול להיות משוחזר באופן אמין מאוד גם על מכשירים שונים. מכיוון שהטיפה מצופה הספין נמצאת תמיד באמצע הוופל, רדיוס הסיבוב אינו רלוונטי וניתן להשתמש ביחידה "מהפכות לדקה" (סל"ד). ההשעיה יכולה להיות מופקדה לחילופין על הוופל לאחר תחילת התוכנית; עם זאת, זה ידרוש פרמטרים שונים של ציפוי ספין כמות גדולה יותר של השעיה כדי לקבל ציפוי עבה יותר.
בשל גודלם הקטן ביותר, חלקיקים עשויים להתנתק מהמצע ולנוע בחופשיות בתוך תא הוואקום האולטרה-מהיר כאשר הם מושפעים מקרן יון או רנטגן. זוהי בעיה מסוימת עבור דגימות מוכן עם אבקה. במקרים מסוימים, הננו-חלקיקים יכולים לחדור לרכיבים הרגישים של המכשיר הדורשים תחזוקה יקרה וגוזלת זמן. בשל מתח התאוצה המוחל, הסכנה של פגיעה בחלקים רגישים גדולה יותר עם ToF-SIMS מאשר עם XPS. דגימות אבקה, במיוחד אלה שהוכנו בשיטת "מקל וללכת", יש לבדוק בקפידה כדי להבטיח את האבקות קבועים מספיק בבטחה, במיוחד עבור ניתוח ToF-SIMS. זה יכול להיות מאושר על ידי, למשל, מחזיק את המדגם הפוך נושבת זרם של גז (למשל, N2) על פני זה. לפני הניתוח, ניתן להשאיר את הדגימות גם למשך הלילה במנעל האוויר או בתא כניסה ראשוני אחר של המכשיר, שם ואקום יציב יכול להצביע על כך שאין חלקיקים רופפים מהדגימה. חלקיקים מוכנים כמו כדורי, עם זאת, יכול אפילו להיות מקרטע (במתחי תאוצה נמוכים) מבלי לפגוע במכשיר; שיטה זו יכולה לחסל מזהמים, במיוחד פחמימנים, שהוצגו מהעיתונות ויכולה גם לאפשר ניתוח בתפזורת של החלקיקים.
הכנת אבקות NP בפח מחזיק המדגם מאפשרת הכנת דגימות עם גיאומטריה מוגדרת ומשטח שטוח מקרוסקופי. נקודות קריטיות הן ניקיון הכלי ללחיצה על המדגם, ושימוש בלחץ נמוך כדי למנוע שינויים במשטח הננו-חלקיקים עקב הליך זה. יש לו את החסרונות של צורך בכמות גבוהה יחסית של חומר, ובעיות פוטנציאליות עם אובדן חומר במכשירים ואקום גבוה. איננו ממליצים על שיטה זו לניתוח ToF-SIMS, שכן החלקיקים אינם דחוסים או מאובטחים בשום דרך.
לגבי חומר NP, השיקול הראשון להכנת מדגם הוא חיסול או מזעור של הפרעה בין NPs ומצעים של חומר דומה; לדוגמה, ופלים של Si הם מצע לא מתאים לניתוח של SiO2 NPs באמצעות XPS ו- ToF-SIMS, אפילו עם כיסוי מדגם מספיק. חלקיקים מתכתיים או אנאורגניים ניתן לנתח בקלות כמו אבקה על דבק (בהנחה שהם אינם מכילים שכבות אורגניות או ציפויים) בשל היעדר הפרעות אות בין חלקיקים ודבק דו צדדי, שיטת הכנה אשר יהיה לא מתאים NPs פולימרי חלקיקים מתכתיים יש גמישות רבה יותר במונחים של עובי סרט אפשרי בשימוש בשל היעדר תופעות טעינה, ועשוי להיות יצוק טיפה עם ציוד קטן יחסית; עם זאת, הם עשויים להכיל כמויות גדולות של זיהומים ומייצבים מן הסינתזה שלהם, אשר יש להסיר בזהירות ללא נזק לחלקיקים. חלקיקים פולימריים עשויים להיפגע בקלות רבה יותר על ידי לחיצה למות, אבל יכול גם להחזיק יחד בקלות רבה יותר את הכדור, בהתאם ללחצים המשמשים. כדורים או ציפויים אורגניים רכים על פני השטח של NP יכולים גם הם להיות רגישים לנזק. לתצהיר ישיר מהפתרון יש פוטנציאל לפגוע בציפויים רגישים באמצעות ההשעיה או תהליך הייבוש, אך הוא יתרון לניתוח NPs שכבר קיימים בהשעיה. Cryofixation היא שיטה מתאימה לניתוח של מבנים כימיים, משטחים או ממשקים בהשעיה אשר ייפגעו או נהרסו על ידי טכניקות הכנה מדגם שונות אחרות, אבל דורש קריוקוויפינציה מיוחדת עבור XPS ו- ToF-SIMS46'47.
בעוד מאמר זה מתאר מספר שיטות למופת שניתן להשתמש בהן להכנת מדגם, בכל מקרה יש למטב ולאמת את השיטה בשיטות אנליטיות חלופיות. סקירה מפורטת של השפעת גורמים שונים פורסמה לאחרונה22. מלבד פיתוח ואימות של שיטות הכנה מתאימות, התיעוד של צעדים אלה הוא גם בעל חשיבות עליונה40. פרסום זה מציג כמה שיטות קלות לטיפול ומהווה מדריך לשינוי או פיתוח שיטות חדשות בהתאם לדרישות המשימה הספציפית.

ננו-חומרים מוגדרים כחומרים בעלי ממד חיצוני כלשהו בין 1 ננומטר ל- 100 ננומטר או בעלי מבנה פנימי או משטחי בקנה מידה זה1. בשל המאפיינים הייחודיים הנובעים בקנה המידה הקטן שלהם ושטח הפנים הגדול בהתאמה (בין היתר), הם מוצאים שימוש גובר במגוון רחב של תחומים כולל חקלאות, כימיה, בניית רכב, קוסמטיקה, סביבה, רפואה, הדפסה, אנרגיה וטקסטיל. שימוש מוגבר זה פירושו כי הן בני האדם והן הסביבה ייחשפו, בקנה מידה לא ידוע עד כה, לחומרים אלה שתכונותיהם טוקסיקולוגיות עדיין אינן ידועות במלואן, ושגודלם מאפשר את השתלבותם במערכות ביולוגיות או סביבתיות2.
לאחר המאפיינים הבסיסיים של שטח הפנים וחלוקת גודל /גודל החלקיקים, הכימיה של פני השטח וציפויים זוהו כמאפיין החיוני ביותר של nanomaterials3; לחלקיקים קטנים יותר יש שטח פנים גבוה יותר לכל מסת יחידה, ולכן יחס גבוה יותר של פני השטח לאטומים בתפזורת. ואכן, עבור חלקיקים בגודל של 1 ננומטר, מעל 70% של אטומים ניתן למצוא בפינות או קצוות; זה משפיע מאוד על תכונות פני השטח כגון כימיסורפטיון אשר תלוי מאוד מורפולוגיה פני השטח בקנה מידה אטומי4. תקנות העוסקות בננו-חומרים דורשות נתונים מדויקים לגבי תכונות פיזיולוגיות והערכות אמינות של התכונות טוקסיקולוגיות של חומרים אלה. על מנת להעריך ביעילות תכונות טוקסיקולוגיות ממאפיינים פיזיים וכימיים של ננו-חומרים, קהילת הננו-חומרים דורשת הליכים אנליטיים אמינים, סטנדרטיים ומאומתים. פרויקטים כגון ACEnano5 שואפים לאסוף ולתאמת נתונים פיזיים מדויקים וניתן לאימות מננו-חלקיקים במסגרת המאפשרת ויסות ואפיון טובים יותר של ננו-חומרים. דחף זה לקראת הליכים אנליטיים סטנדרטיים נתמך גם על ידי העורכים של ACS Nano, המבקשים "להתאחד ולהסכים על שיטות אפיון ורמות מינימום של ניתוח של חומרים6". יתר על כן, XPS ו- ToF-SIMS מציע אפשרויות חדשות להבהרת ארכיטקטורת החלקיקים של חלקיקי מעטפת הליבה7,8.
ספקטרוסקופיית פוטואלקטרון רנטגן (XPS) וספקטרומטריית מסת יון משנית (ToF-SIMS), בהשוואה לטבלה 1, הן שיטות מבוססות היטב לחקירה של אטומי שטח. ב- XPS, המדגם מוקרן עם צילומי רנטגן בעלי אנרגיה בין 1 ל 2 keV, גרימת פליטה של אלקטרונים עקב האפקט הפוטואלקטרי. אלקטרונים אלה נפלטים, בעלי אנרגיה קינטית באותו טווח, מתואמים לאנרגיה המחייבת של האלקטרונים שבמוצק; הופעתם של פוטואלקטרונים באנרגיות מחייבות מוגדרות אלה ובעוצמות מדידות מאפשרות אפוא ניתוח כמותי של ההרכב. מאז המסלול החופשי הממוצע של פוטואלקטרון אלה הוא מתחת 10 ננומטר, XPS היא טכניקה רגישה מאוד פני השטח לניתוח כמותי. יתר על כן, ניתוח מפורט של האנרגיות המחייבות בספקטרום פתור ביותר מאפשר קביעת כמותית של מצבי הערכיות של אלקטרונים אלה.
ב- ToF-SIMS המשטח מלוטש עם קרן יונים ממוקדת (יונים ראשוניים), כאשר היונים נפלטים מהחומר (יונים משניים) שנאספו ונותחו בספקטרומטר מסה בזמן טיסה. תבנית המסה/מטען המתקבלת מאפשרת קביעת ההרכב היסודי, האיזוטופי או המולקולרי. בשל המסלול החופשי הממוצע של היונים המשניים, טכניקה זו היא גם רגישה מאוד לפני השטח ויש לה עומק מידע של 1-2 ננומטר אך היא במקרה הטוב חצי כמותית, בשל אפקט המטריצה לפיו הסתברות היוניזציה (ולכן התשואה) של יונים משניים מושפעת מאוד מהמטריקס הסובב שלהם. ניתן להפעיל את ToF-SIMS במצב סטטי או דינמי; ההבדל בין השניים הוא שטף היונים העיקרי המשפיע על פני השטח. SIMS סטטי שומר על שטף היונים העיקרי לרמה המשפיעה (כלומר, שברים) לכל היותר 1%-10% מפני השטח; פני השטח נשארים יחסית ללא הפרעה, המאפשר ניתוח של השכבות האטומיות העליונות של החומר. מאז אפילו SIMS סטטי גורם הרס כלשהו על פני השטח, זה נחשב פחות "לא הרסני" של שתי השיטות.
טכניקות רגישות פני השטח מאפשרות ניתוח של הננומטרים הראשונים של החומר, כולל ציפויים מכוונים או לא מכוונים, אשר, עבור ננו-חומרים, יכולים להשפיע באופן משמעותי על תכונות החומר. דוגמאות לציפויים מכוונים הן מכסות שכבות על נקודות קוונטיות כדי לשפר את התפוקה הקוונטית פוטולומינציה ולהפחית את התגובה הסביבתית9, ציפויי אלומינה או סיליקה למניעת פעילות פוטוקטליטית של חלקיקי טיטניה חוסמי שמש10, פונקציונליזציה על פני השטח כדי לאפשר ביו-הסכמה ופעילות ביולוגית עוקבת11, ציפויים ליישומי אבחון ואספקת תרופות12 וציפוי פלואורוקרבון על חלקיקים מגנטיים עבור פרופלואידים ומערכות מתכתיות של מעטפת ליבה כדי לשפר את תכונות הזרז13., ציפויים לא מכוונים, כגון חמצון, זיהום פני השטח או קורונה חלבונית במערכות ביולוגיות יש השפעה חזקה דומה על תכונות ננו-חלקיקים וזה חיוני כי הליכי הכנה ניסיוניים להבטיח כי הציפוי ובאופן כללי יותר הכימיה פני השטח של הננו חומר לא נהרס או השתנה. זה גם חיוני כדי להעריך את המאפיינים של חלקיקים כפי שהם in-situ, כמו המאפיינים שלהם ניתן לשנות באופן דרסטי על ידי השינוי2,14,15. בנוסף, ריכוז המייצבים בהשעיית הננו-חלקיקים יכול להשפיע באופן דרמטי על הניתוח והשלמות המבנית של הננו-חלקיקים; נוכחות של מייצב יכולה לגרום אותות לא רצויים גדולים (למשל, C, H, O, ו Na) בניתוח, בעוד הסרתו יכולה לגרום נזק או agglomeration של חלקיקים.
בשל גודלם ושטח הפנים שלהם, תנאי האחסון של חלקיקים משפיעים גם על התנהגותם, הן כמו אבקות מאוחסנות / מתלים כמו דגימות מוכנות. ההשפעה של תנאי אחסון תת-אופטימליים, במיוחד אחסון בטמפרטורת החדר וחשיפה לאור, הוכחו במחקרים שונים כגורמים לירידה בננו-חלקיקים אשר הוכחו כמשפכים את התכונות הפיזיות, הכימיות ו/או הטוקסיקולוגיות של החלקיקים14,15,16,17,18 . חלקיקים קטנים יותר הוכחו להתחמצן מהר יותר מאשר אלה גדולים יותר עם שיעורי חמצון / השפלה תלוי בתנאי אחסון15, כמו גם כימיה פני השטח14. ההשפעות של השפלת הננו-חלקיקים במהלך האחסון הוכחו כמשפיעות באופן משמעותי על תכונות פיזיותכימיות כולל רעילות14, בעוד הצמיחה החמצונית יכולה להמשיך פנימה על חשבון הליבה15.
אחסון זהיר והכנת ננו-חומרים חיוניים אפוא לניתוח משטח מדויק, ויש לשקול בכובד ראש כל גורם שיכול להשפיע על פני השטח של המדגם ו/או על איכות המדידות. יש לציין כי בשל הרזולוציה המרחבית הנמוכה יחסית של XPS (בטווח מיקרומטר) ו- ToF-SIMS (כמה מאות ננומטר), ניתן לחקור רק תת-קבוצה קטנה של הננו-חלקיקים; שיטות אלה ממוצעות על פני שטח ואין להם את היכולת לדמיין חלקיקים בודדים ככל האפשר עם טכניקות כגון מיקרוסקופיה אלקטרונית. מסיבה זו, כל ניתוח דורש תצהיר של חלקיקים בשכבה רציפה כדי להבטיח שום הפרעה מן המצע. מיקרוסקופיית אלקטרונים ו- XPS / ToF-SIMS משמשים אפוא יחד כשיטות משלימות לניתוח ננו-חומרי.
מלבד שינויים בכימיה פני השטח, האתגרים העיקריים להכנת דגימות ננו-חלקיקים לניתוח XPS ו- ToF-SIMS הם להכין שכבה שהיא: הומוגנית, כדי להגדיל את הרבייה; ללא פערים, כדי למזער את תרומת המצע לספקטרום; דק מספיק כדי למנוע תופעות טעינה (עבור דגימות שאינן מוליכות); ותיקון מאובטח למצע, כדי למנוע חלקיקים חופשיים נכנסים ומזיקים למכשירי ואקום אולטרה-מהירים
חלקיקים ניתן להפקיד על המצע מן השעיה או כמו אבקה. ראשית, נדון בשיטות השונות להפקדת חלקיקים מהשעיה. ופלים סיליקון הם מצע נפוץ עבור תצהיר השעיה, כי הם זולים יחסית, זמין כמוצר טהור מאוד המורכב סיליקון טהור או מסומם (סמים מונעים אפקטים טעינה), עבור רוב חלקיקים הפסגות ספקטרליות אינם חופפים עם פסגות אופייניות חלקיקים. הנקודה האחרונה חשובה; לפני הניתוח יש להבטיח כי פסגות המצע מופרדות היטב מן הפסגות הצפויות מן הננו-חלקיקים, אחרת פרשנות של הספקטרום הוא מסובך או בלתי אפשרי ואת הכיסוי הרציף של המצע על ידי חלקיקים לא ניתן לאמת. לפני השימוש ופלים סיליקון, הליך ניקוי נרחב (המתואר בפרסום זה) יש צורך להסיר מזהמים (אורגני) ולהגביר את הנטיות פני השטח. מצעים מתאימים אחרים כגון סרטי זהב, גרפיט פירוליטי מסודר מאוד (HOPG), או רדידי אינדיום שימשו בהצלחה, אך דיון על הכנתם הוא מעבר להיקף העבודה הזו19,20,21,22.
שנית, אנו מציגים שיטות להפקדת אבקות ננו-חלקיקים על מצע לניתוח XPS ו- ToF-SIMS ומציגים את היתרונות והחסרונות של כל שיטה, ומאפשרים לחוקרים חדשים בטכניקות למצוא את שיטת ההכנה האופטימלית למטרותיהם. שלישית, אנו דנים cryofixation, המהווה שיטת הכנה מתאימה לשימור תכונות כגון התנהגות agglomeration, קורונה אורגנית, ממשק מוצק / מימי23,24 או הפצה במדיה ביולוגית25 של NPs. Cryofixation, בדרך כלל הקפאה מהירה של חומר בקריוגן מקורר חנקן נוזלי וניתוח במצב קרים קפוא, מאפשר ניתוח והדמיה של חלקיקים ישירות מטריצות מורכבות. הליך זה אינו גורם להיווצרות גבישי קרח אלא יוצר קרח אמורפי השומר על ממברנות ומבני תאים ורקמות במצבם הביולוגי הטבעי, תוך הימנעות מנזק שנגרם על ידי תהליכי התגבשות מים ומאפשרת לשמור על ההתפלגות הכימית המדויקת של כל מטבוליטים התא ותרכובות קרום התא26,27,28 . שיטת הכנה זו עשויה לעניין במיוחד להצגת מפה כימית מדויקת של ה- NP agglomerate או heteroagglomerate בפועל, לדמיין את המרחב הכימי המדויק בסמיכות לננו-חלקיק ישירות בהשעיה, או לתאם תכונות ספציפיות לרקמת התא או תאים בתוך agglomerates NP או heteroagglomerates.
כפי שמוצג באמצעות התוצאות המוצגות בעבודה זו, ההליך המתאים ביותר במקרה מסוים תלוי במגוון פרמטרים כגון ההידרופיליות של הננו-חלקיקים, יציבות, מוליכות, מצב (למשל, אבקה או השעיה) והשאלה האנליטית העומדת על הפרק (למשל, גודל, תכונות בתפזורת או ציפויי פני השטח). מגוון שיטות מוצגות כאן שניתן להשתמש בהן להכנת NPs לניתוח פני השטח, כמו גם השוואה של היתרונות והחסרונות שלהם.

<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

ננו-חלקיקים זכו לתשומת לב הולכת וגוברת בשנים האחרונות בשל הפוטנציאל והיישום שלהם בתחומים שונים כולל רפואה, קוסמטיקה, כימיה והפוטנציאל שלהם לאפשר חומרים מתקדמים. כדי להבין ולווסת ביעילות את המאפיינים הפיזיקו-כימיים ואת ההשפעות השליליות הפוטנציאליות של חלקיקים, הליכי מדידה מאומתים עבור המאפיינים השונים של חלקיקים צריך להיות מפותח. בעוד נהלים למדידת גודל ננו-חלקיקים וחלוקת גודל כבר נקבעו, שיטות סטנדרטיות לניתוח הכימיה שלהם פני השטח עדיין לא במקום, אם כי ההשפעה של הכימיה פני השטח על תכונות ננו-חלקיקים היא ללא עוררין. בפרט, אחסון והכנת חלקיקים לניתוח פני השטח משפיעים מאוד על התוצאות האנליטיות משיטות שונות, ועל מנת להשיג תוצאות עקביות, הכנת המדגם חייבת להיות ממוטבת ומתוקנית כאחד. בתרומה זו, אנו מציגים, בפירוט, כמה נהלים סטנדרטיים להכנת חלקיקים לניתוח פני השטח. באופן עקרוני, חלקיקים ניתן להפקיד על מצע מתאים מן השעיה או כמו אבקה. ופלים סיליקון (Si) משמשים בדרך כלל כמצע, עם זאת, הניקוי שלהם הוא קריטי לתהליך. להכנת מדגם מהשעיה, נדון בהטלת טיפה וציפוי ספין, שם לא רק את ניקיון המצע ואת טוהר ההשעיה, אלא גם את הריכוז שלה לשחק תפקידים חשובים להצלחת מתודולוגיית ההכנה. עבור חלקיקים עם קליפות ליגנד רגישות או ציפויים, תצהיר כמו אבקות מתאים יותר, אם כי שיטה זו דורשת טיפול מיוחד בתיקון המדגם.

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

מספר הליכים שונים להכנת חלקיקים לניתוח פני השטח מוצגים (יציקת טיפה, ציפוי ספין, תצהיר מאבקות, קריופיקסציה). אנו דנים באתגרים, בהזדמנויות וביישומים האפשריים של כל שיטה, במיוחד לגבי השינויים במאפייני פני השטח הנגרמים על ידי שיטות ההכנה השונות.

הכנת חלקיקים לניתוח ToF-SIMS ו- XPS

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

הכנה של חלקיקי סיליקה באמצעות חומצה קטליזה בסיוע מיקרוגל

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

בידוד והכנת קירות תא חיידקי לניתוח קומפוזיציוני על ידי כרומטוגרפיה נוזלית אולטרה ביצועים

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

הכנה ואפיון של SDF-1α-Chitosan-Dextran סולפט חלקיקים

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

הכנת מצעים נציץ והסיליקון לDNA אוריגמי ניתוח וניסויים

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

באפיון באתרו של חלבונים מימה במים על ידי Salvi ו 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

בחיי עיר זיהוי, כימות תא בודד של תחמוצת מתכת חלקיקים באמצעות ניתוח Microprobe גרעיני

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

בחיי עיר אפיון Biofilms MR1 Shewanella oneidensis על ידי SALVI וסימס תוף

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

במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים נוזלי-תא לצורך מעקב הרכבה עצמית של חלקיקים

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

התגרענות בתיווך ליגנד והצמיחה של חלקיקי מתכת פלדיום

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

שינוי בהשראה ביו השטח Polydopamine של Nanodiamonds והצמצום שלה של סילבר חלקיקים

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