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

Dette prosjektet har fått støtte fra European Union Horizon 2020 Programme (H2020) under tilskuddsavtale 720952 nr. Forfatterne vil takke Sigrid Benemann for SEM-målingene, Markus Schneider for ToF-SIMS-målinger og PCA, og Philipp Reichardt for hjelp til filming.

FORSIKTIG: De toksikologiske egenskapene til nanopartikler er fortsatt under etterforskning; På grunn av deres størrelse kan de presentere unike farer hos mennesker så vel som i miljøet, selv når de består av iboende ikke-farlige materialer. Før du utfører arbeid med nanopartikler, bør en riktig risikovurdering fullføres, og passende tekniske kontroller, laboratorieprosedyrer og personlig verneutstyr (personlig verneutstyr) på plass, avhengig av farenivået til materialene som skal studeres29,30,31,32.
1. Forberedelse av Si wafers
MERK: Disse trinnene er nødvendige for å fjerne uønsket (organisk) forurensning og øke overflatens fuktbarhet. Alle løsemidler som brukes skal være av minst ACS-grad. Et standard sonikeringsbad (35 kH og 120 watt) er egnet.
<ol><li>Våt kjemisk rengjøring av Si wafers<ol>
<li>Sett Si wafer i et beger med isopropanol og ultralyd i 5 min.</li>
		<li>Overfør Si wafer til et beger med en alkali glassrengjøringsløsning og ultralyd i 10 min.</li>
		<li>Sett skiven i et beger med ultrarent vann. Bytt vannet 10 ganger ved å helle ut vannet og fylle på begeret; Si wafers vil forbli på bunnen på grunn av kapillæreffekten.</li>
		<li>Tørk skiven med ren N2-gass . MERK: Tørking med N2 forhindrer dannelse av "kafferinger" og andre gjenstander fra vanntørking.</li>
		<li>Sett waferen i et annet beger med isopropanol og ultralyd i 10 min.</li>
		<li>Tørk skiven med ren N2-gass .</li>
		<li>Sett skiven i et beger med etanol og ultralyd i 10 min.</li>
		<li>Tørk skiven med ren N2-gass . Protokollen kan settes på pause her.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Plasma- eller UV/ozonrengjøring av silisiumskiver<ol>
<li>Introduser Si-skiven i plasma eller UV/ozonrenseren og slå den på i 30 minutter. MERK: Skivene skal plasma- eller UV/ozonrenses umiddelbart før bruk.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Nanopartikkelavsetning fra suspensjon
MERK: Den vanligste eksponeringsruten for nanopartikler er ved innånding. Arbeid med suspensjoner kan minimere eksponeringsfarer.
<ol><li>Fremstilling av nanopartikkelfjæring fra pulver MERK: Alle mengder som er beskrevet her, er eksempler. Metoden bør optimaliseres for de spesielle nanopartiklene som brukes i hvert tilfelle.<ol>
<li>Vei nøyaktig 15 mg nanopartikkelpulver (± 10%) inn i et 10 ml rør.</li>
		<li>Vei nøyaktig inn ca. 8 ml ultrarent vann.</li>
		<li>Lukk røret, pakk i et 50 ml sentrifugerør med papirhåndkle og plasser i virvelen ved 3000 o/min i 15 minutter.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Drop-casting av elektrisk ledende nanopartikler fra vandig suspensjon<ol>
<li>Plasser skiven i UV/ozonrenseren i 30 min.</li>
		<li>Plasser skiven i den ene halvdelen av waferholderen og legg en 3 μL dråpe nanopartikkelfjæring i midten av ringen.</li>
		<li>Monter en Viton O-ring med diameter på 6,07 mm på skiven rundt dråpen. Pass på at ringen ikke berører dråpen.</li>
		<li>Legg skiven i en vakuumdesiccator under et vakuum på 4 mbar i 15 minutter for å tørke skiven.</li>
		<li>Fjern skiven fra tørkeren og undersøk ved hjelp av lysmikroskopi og XPS for å fastslå at partikkellaget er homogent og lukket. Gjenta trinn 2.2.1 og 2.2.2 til analysen viser et lukket og homogent lag. Protokollen kan settes på pause her.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Spin-belegg av elektrisk ikke-ledende nanopartikler fra vandig suspensjon<ol>
<li>Plasser skiven i UV/ozonrenseren i 30 min. MERK: Ved spin-belegg suspensjoner av forskjellige konsentrasjoner ved hjelp av samme protokoll, kan ulike nivåer av overflatedekning oppnås.</li>
		<li>Programmer spin-coateren. Et passende prøveprogram er: trinn 1: 500 rpm / s rampe til 1000 rpm (5 s); trinn 2: 1000 rpm / s rampe til 2000 rpm (3 min); trinn 3: retardasjon ved 2000 o/s til 0 o/min.</li>
		<li>Sett skiven inn i spin-coateren og slå på vakuumet for fiksering.</li>
		<li>Deponer 80 μL av suspensjonen på skiven og start programmet.</li>
		<li>Fjern skiven fra spin-coateren.</li>
		<li>Oppbevar prøven i et nytt, rent wafertray. Protokollen kan settes på pause her.</li>
		<li>Analyser prøven ved hjelp av SEM for å bekrefte gapløs dekning av substratet.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Nanopartikkelavsetning fra pulver
<ol><li>Nanopartikkelavsetning på dobbeltsidig tape («stick and go»)<ol>
<li>Fest det dobbeltsidige limet til prøveholderen og fjern innerstøvelen.</li>
		<li>Ta en spatelspiss av nanopartikkelpulveret og dypp det på limet.</li>
		<li>Spred prøven over limet og trykk inn i limet med spatelen, til så mye av pulveret er festet som mulig.</li>
		<li>Kontroller at pulveret er festet på springen ved å snu og tappe prøveholderen, og ved å blåse en strøm av gass (f.eks. nitrogen) over den. Protokollen kan settes på pause her. MERK: Alternativt kan en liten mengde pulver plasseres på en rengjort overflate (Alu folie eller glasssklie) og trykkes ovenfra med den selvklebende og dobbeltsidige prøveholderen.</li>
		<li>Legg en slikkespiss av pulveret på den rensede overflaten. Trykk prøveholderen med limet på pulveret ovenfra.</li>
		<li>Kontroller at pulveret er festet på springen ved å snu og tappe prøveholderen, og ved å blåse en strøm av gass (f.eks. nitrogen) over den. Protokollen kan settes på pause her.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Fremstilling av pressede pulverpellets
	<ol>
<li>Rengjør alle deler av pelletsen grundig, pass på at du ikke riper på den polerte overflaten.</li>
		<li>Snu pelletsen die og hvile på en liten spacer.</li>
		<li>Sett stempelet og en pellets i rustfritt stål, med polert side opp, og trekk stempelet gjennom til det er nok plass til å fylle med den pulveriserte prøven.</li>
		<li>Fyll matrisen med en liten mengde prøve (1 stor spatelspiss), og sett deretter inn den andre pelletsen i rustfritt stål med den polerte siden vendt mot prøven.</li>
		<li>Plasser basen på kroppen og inverter forsiktig. Hvis et vakuum er ønsket og tilgjengelig, fest vakuumpumpen til bunnen av pelletsdøden.</li>
		<li>Plasser terningen i en presse, og sørg for at den er sentrert.</li>
		<li>Påfør en lett belastning (2 kN) i ca. 20 s og slipp.</li>
		<li>Påfør en tyngre belastning (6 kN) i 2 min og slipp.</li>
		<li>Når lasten er sluppet, slipper du vakuumpumpen. MERK: På grunn av de forskjellige materialegenskapene til ulike nanopartikler, kan det være fordelaktig å forberede en serie pellets med forskjellige belastninger og lastetider for å bestemme de optimale pelletspresseforholdene.</li>
		<li>Snu terningen, plasser avtrekksringen på plass, og legg en lett belastning (opptil 1 kN) mellom stempelet og avtrekksringen.</li>
		<li>Fjern skjæredelene fra pressen og trekk forsiktig ut prøvepellet med pinsett.</li>
		<li>Monter prøven forsiktig på en rengjort Si-skive ved hjelp av dobbeltsidig lim. Protokollen kan settes på pause her.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Kryofixation av nanopartikkel suspensjoner
<ol><li>Fyll hovedkammeret til hurtigfrysingsenheten med flytende nitrogen.</li>
	<li>Fyll det avkjølte hurtigfrysingskammeret med kryoogenet (propan).</li>
	<li>La hurtigfrysingsanordningen avkjøles til driftstemperaturen. MERK: Hurtigfrysingsanordningen krever litt tid for å nå driftstemperaturen før prøveprepareringen, derfor kreves det en rimelig tidsramme (noen timer) for å kryofiksere prøvene.</li>
	<li>Drop-cast 10-20 μL NP suspensjon på en rengjort Si wafer med en pipette.</li>
	<li>Hold Si wafer med feste pinsett, plasser den inne i stupefryseenheten.</li>
	<li>Flytt feste pinsettene til stupestilling.</li>
	<li>Trykk på knappen for å slippe prøven inne i kryogenet.</li>
	<li>Vent noen sekunder til prøven er helt frossen.</li>
	<li>Overfør de frosne prøvene så raskt som mulig inn i et avkjølt miljø.</li>
	<li>Plasser den kryofikserte prøven (Si wafer) i prøveholderen og overfør den inne i instrumentet. MERK: For transport anbefales tørris og kortsiktig prøvelagring er mulig. Prøvene kan måles i frossen tilstand med et avkjølt instrument eller med konvensjonelle ToF-SIMS-innstillinger etter stabilisering ved å fryse tørking av prøven.</li>
</ol>

Forfatterne har ingen konkurrerende interesser å avsløre.

En rekke metoder har blitt presentert for utarbeidelse av nanopartikler for overflateanalyse ved hjelp av XPS og ToF-SIMS. Vi har oppsummert fordelene og ulempene ved disse metodene, samt mulige feilkilder og egnethet for ulike materialer, i tabell 2. Som vist i de representative resultatene, kan utarbeidelsen av nanopartikler sterkt påvirke suksessen til den resulterende overflateanalysen. I tillegg er ikke alle metoder egnet for alle partikkeltyper på grunn av faktorer som signalforstyrrelser med substratet eller monteringsmaterialene, ladeeffekter i ikke-ledende tykke filmer, tilstanden til nanopartiklene som pulver eller suspensjon, potensiell skade på sensitive ytre lag, ødeleggelse av biologiske strukturer og informasjon om aggregering og grensesnitt, eller sårbarhet av sensitive ultrahigh-vakuuminstrumenter for å frigjøre nanopartikler.
Fordi XPS- og ToF-SIMS-målinger er gjennomsnittlige over et område i stedet for å måle enkeltpartikler, er det bare mulig å oppnå reproduserbare resultater fra homogene lag; aggregering eller agglomerering av partiklene på substratet bør derfor unngås. I tillegg forårsaker for tykke lag med ikke-ledende materialer ladeeffekter under analyse, noe som kan føre til uønskede gjenstander i spektraet, spesielt delvis lading som ikke kan kompenseres med en flompistol. På den annen side viser ufullstendige filmer sterke signaler fra substratet eller monteringsmaterialene (f.eks. lim), noe som kan forstyrre følsomme topper fra partikkeloverflaten. Den ideelle tykkelsen på filmen er materialavhengig og bør bestemmes eksperimentelt ved analyse av filmer av forskjellige tykkelser. Spesielt bør prøver utarbeidet ved hjelp av spinnbelegg analyseres med SEM for å sikre fullstendig belegg.
Arbeid med NP-suspensjoner gir færre eksponeringsfarer og sikkerhetskrav sammenlignet med arbeid med NP-pulver. Drop-casting er en relativt enkel metode med lave utstyrskrav og er spesielt egnet for ledende nanopartikler i suspensjon der filmtykkelse ikke er en bekymring. Mens prøvene lett kan tørkes under atmosfæriske forhold, tjener vakuumdesiccatoren til å redusere tørketiden for dråpene, samt beskytte waferne mot forurensning. Viton-ringen brukes til å modifisere fordampningsmønstrene til dråpen og dermed minimere dannelsen av kafferinger. Fordampningsmønstre kan også påvirkes av å variere substratets hydrofilitet ved hjelp av rengjøringsprotokoller eller ved påføring av alternative belegg51,52, ved å fordampe i løsningsmiddelatmosfærer53, eller til og med ved oppvarming av substratet54. Spin-belegg anbefales for suspensjoner av ikke-ledende nanopartikler i suspensjon fordi det er i stand til å generere et homogent partikkellag som er tynt nok til å unngå ladeeffekter, men likevel tykk nok til å forhindre at Si-substratet bidrar til XPS- og ToF-SIMS-spektraet. For hvert enkelt NP-system og konsentrasjon må både sentrifuge- og spin-beleggparametrene optimaliseres, men kan da reproduseres veldig pålitelig selv på forskjellige instrumenter. Fordi den spin-belagte dråpen alltid er midt i waferen, er rotasjonsradiusen irrelevant og enheten "omdreininger per minutt" (rpm) kan brukes. Suspensjonen kan alternativt depones på waferen etter at du har startet programmet; Dette vil imidlertid kreve forskjellige spin-beleggparametere og en større mengde suspensjon for å oppnå et tykkere belegg.
På grunn av deres ekstremt små størrelse kan nanopartikler løsne fra substratet og bevege seg fritt inne i ultrahøyvakuumkammeret når de påvirkes med en ion- eller røntgenstråle. Dette er et spesielt problem for prøver tilberedt med pulver. I noen tilfeller kan nanopartiklene trenge inn i de følsomme komponentene i instrumentet som krever dyrt og tidkrevende vedlikehold. På grunn av den påførte akselerasjonsspenningen er faren for å skade sensitive deler større med ToF-SIMS enn med XPS. Pulveriserte prøver, spesielt de som er tilberedt med "stick and go"-metoden, bør kontrolleres nøye for å sikre at pulverene er festet sikkert nok, spesielt for ToF-SIMS-analyse. Dette kan bekreftes ved for eksempel å holde prøven opp ned og blåse en strøm av gass (f.eks. N2) over den. Før analysen kan prøvene også etterlates over natten i luftslusen eller andre innledende prøveinngangskammer på instrumentet, der et stabilt vakuum kan indikere at det ikke er løse partikler fra prøven. Nanopartikler fremstilt som pellets kan imidlertid til og med sputteres (ved lave akselerasjonsspenninger) uten å skade instrumentet; denne metoden kan eliminere forurensninger, spesielt hydrokarboner, introdusert fra pressen og kan også muliggjøre bulkanalyse av partiklene.
Forberedelse av NP pulver i prøveholderstubben gjør det mulig å forberede prøver med definert geometri og en makroskopisk flat overflate. Kritiske punkter er rensligheten av verktøyet for å trykke på prøven, og bruk av lavt trykk for å unngå endringer i nanopartikkeloverflaten på grunn av denne prosedyren. Den har ulempene ved å trenge en relativt høy mengde materiale, og potensielle problemer med tap av materiale i høyvakuuminstrumenter. Vi anbefaler ikke denne metoden for ToF-SIMS-analyse, da partiklene ikke komprimeres eller sikres på noen måte.
Når det gjelder NP-materialet, er det første hensynet til prøvepreparering eliminering eller minimering av interferens mellom NPs og substrater av lignende materiale; Si-wafere er for eksempel et uegnet substrat for analyse av SiO2-NPer ved hjelp av XPS og ToF-SIMS, selv med tilstrekkelig prøvedekning. Metalliske eller uorganiske nanopartikler kan enkelt analyseres som pulver på et lim (forutsatt at de ikke inneholder organiske lag eller belegg) på grunn av mangel på signalforstyrrelser mellom nanopartiklene og det dobbeltsidige limet, en forberedelsesmetode som ville være uegnet for polymere NPs. Metalliske nanopartikler har mer fleksibilitet når det gjelder mulig filmtykkelse som brukes på grunn av fravær av ladeeffekter, og kan være drop-cast med relativt lite utstyr; Imidlertid vil de sannsynligvis inneholde store mengder urenheter og stabilisatorer fra syntesen, som må fjernes forsiktig uten skade på partiklene. Polymere nanopartikler kan lettere bli skadet ved terningpressing, men kan også lettere holde sammen i pelletsen, avhengig av trykket som brukes. Pellets eller myke organiske belegg på NP-overflaten kan også være skadefølsomme. Direkte avsetning fra løsningen har potensial til å skade sensitive belegg enten gjennom suspensjonen eller tørkeprosessen, men er fordelaktig for å analysere NPs som allerede er til stede i suspensjon. Kryofiksering er en egnet metode for analyse av kjemiske strukturer, overflater eller grensesnitt i suspensjon som vil bli skadet eller ødelagt av ulike andre prøveforberedelsesteknikker, men krever en spesialisert kryoequipment for både XPS og ToF-SIMS46'47.
Selv om dette dokumentet beskriver flere eksemplariske metoder som kan brukes til prøvepreparering, bør metoden i alle tilfeller optimaliseres og valideres ved hjelp av alternative analytiske metoder. En detaljert oversikt over påvirkning av ulike faktorer ble nylig publisert22. Foruten utvikling og validering av egnede forberedelsesmetoder, er dokumentasjonen av disse trinnene også av avgjørende betydning40. Denne publikasjonen presenterer noen metoder som er enkle å håndtere, og er en veiledning for å endre eller utvikle nye metoder i henhold til kravene i den bestemte oppgaven.

Nanomaterialer er definert som materialer som har en ekstern dimensjon mellom 1 nm og 100 nm eller har en intern eller overflatestruktur på denne skalaen1. På grunn av de unike egenskapene som oppstår fra deres lille skala og tilsvarende store overflateareal (blant annet), finner de økende bruk på et bredt spekter av felt, inkludert landbruk, kjemi, bilkonstruksjon, kosmetikk, miljø, medisin, utskrift, energi og tekstiler. Denne økte bruken betyr at både mennesker og miljø vil bli utsatt, i hittil ukjent skala, for disse materialene hvis toksikologiske egenskaper ennå ikke er fullt kjent, og hvis størrelse muliggjør deres facile integrasjon i biologiske eller miljømessige systemer2.
Etter de grunnleggende egenskapene til overflateareal og partikkelstørrelse / størrelsesfordeling ble overflatekjemi og belegg identifisert som den mest avgjørende egenskapen til nanomaterialer3; mindre partikler har et høyere overflateareal per enhetsmasse, og derfor et høyere forhold mellom overflate og bulkatomer. Faktisk, for nanopartikler av 1 nm størrelse, kan over 70% av atomer bli funnet i hjørner eller kanter; Dette påvirker sterkt overflateegenskaper som chemisorpsjon som er svært avhengig av atomskala overflatemorfologi4. Forskrifter som omhandler nanomaterialer krever nøyaktige data om fysisk-kjemiske egenskaper og pålitelige estimater av de toksikologiske egenskapene til disse materialene. For å effektivt estimere toksikologiske egenskaper fra fysiske og kjemiske egenskaper til nanomaterialer, krever nanomaterialer samfunnet pålitelige, standardiserte og verifiserte analytiske prosedyrer. Prosjekter som ACEnano5 tar sikte på å samle inn og korrelere nøyaktige og verifiserbare fysiske data fra nanopartikler i et rammeverk som gir bedre regulering og karakterisering av nanomaterialer. Dette pådrivet mot standardiserte analytiske prosedyrer har også blitt støttet av redaktørene av ACS Nano, som ønsker "å konsolidere og bli enige om metoder for karakterisering og minimumsnivåer av analyse av materialer6". Videre tilbyr XPS og ToF-SIMS nye muligheter for å belyse partikkelarkitekturen til nanopartikler i kjerneskallet7,8.
Røntgen fotoelektronspektroskopi (XPS) og Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), sammenlignet i tabell 1, er veletablerte metoder for undersøkelse av overflateatomer. I XPS bestråles prøven med røntgenstråler som har en energi mellom 1 og 2 keV, noe som forårsaker utslipp av elektroner på grunn av den fotoelektriske effekten. Disse avgitte elektronene, som har en kinetisk energi i samme område, korrelerer med bindingsenergien til elektronene i faststoffet; Utseendet til fotoelektroner ved disse definerte bindende energiene og målbare intensitetene tillater derfor kvantitativ analyse av sammensetningen. Siden gjennomsnittsfribanen til disse fotoelektronene er under 10 nm, er XPS en svært overflatesensitiv teknikk for kvantitativ analyse. Videre muliggjør detaljert analyse av bindingsenergiene i svært løst spektra den kvantitative bestemmelsen av valenstilstandene til disse elektronene.
I ToF-SIMS er overflaten sputtered med en fokusert ionstråle (primære ioner), med ionene kastet ut av materialet (sekundære ioner) samlet og analysert i et massespektrometer. Det oppnådde masse-/lademønsteret gjør det mulig å bestemme elementær, isotopisk eller molekylær sammensetning. På grunn av den gjennomsnittlige frie banen til sekundærionene, er denne teknikken også svært overflatefølsom og har en informasjonsdybde på 1-2 nm, men er i beste fall semi-kvantitativ, på grunn av matriseeffekten der ioniseringssannsynligheten (og derfor utbyttet) av sekundære ioner er sterkt påvirket av deres omkringliggende matrise. ToF-SIMS kan betjenes i enten statisk eller dynamisk modus; forskjellen mellom de to er den primære ionfluksen som påvirker overflaten. Statiske SIMMER holder den primære ionstrømmen til et nivå som påvirker (dvs. fragmenter) maksimalt 1%-10% av overflaten; overflaten forblir relativt uforstyrret, noe som gjør det mulig å analysere de øverste atomlagene av materiale. Siden selv statiske SIMMER forårsaker noe ødeleggelse på overflaten, anses det å være mindre "ikke-destruktivt" av de to metodene.
Disse overflatefølsomme teknikkene tillater analyse av de første nanometerene i materialet, inkludert forsettlige eller utilsiktede belegg, som for nanomaterialer kan påvirke materialegenskapene betydelig. Eksempler på forsettlige belegg er capping lag på kvanteprikker for å forbedre fotoluminescens kvanteutbytter og redusere miljømessig reaktivitet9, alumina eller silika belegg for forebygging av fotokatalytisk aktivitet av titania nanopartikler i solblokkere10, overflatefunksjonalisering for å muliggjøre biokonjugering og påfølgende biologisk aktivitet11, belegg for diagnostiske og narkotika levering applikasjoner12 , og fluorkarbonbelegg på magnetiske partikler for ferrofluider og kjerneskall metalliske systemer for å forbedre katalysatoregenskapene13. Utilsiktede belegg, som oksidasjon, overflateforurensning eller protein koronaer i biologiske systemer har en tilsvarende sterk innflytelse på nanopartikkelegenskaper, og det er avgjørende at eksperimentelle forberedelsesprosedyrer sikrer at belegget og mer generelt overflatekjemien til nanomaterialet ikke blir ødelagt eller forvandlet. Det er også avgjørende å evaluere egenskapene til nanopartiklene som de er in-situ, da deres egenskaper kan endres drastisk av endringen2,14,15. I tillegg kan konsentrasjonen av stabilisatorer i nanopartikkelfjæringen dramatisk påvirke nanopartiklenes analyse og strukturelle integritet; Tilstedeværelsen av en stabilisator kan resultere i store uønskede signaler (for eksempel C, H, O og Na) i analysen, mens fjerningen kan føre til skade eller agglomerering av nanopartiklene.
På grunn av deres størrelse og overflateareal påvirker lagringsforholdene til nanopartikler også deres oppførsel, både som lagrede pulver / suspensjoner og som forberedte prøver. Effekten av suboptimale lagringsforhold, spesielt lagring av romtemperatur og eksponering for lys, har vist seg i ulike studier for å forårsake nedbrytning av nanopartiklene som har vist seg å endre partiklenes fysiske, kjemiske og/eller toksikologiske egenskaper14,15,16,17,18 . Mindre nanopartikler har vist seg å oksidere raskere enn større med oksidasjons-/nedbrytningshastigheter avhengig av lagringsforhold15 samt overflatekjemi14. Effekten av nanopartikkelforringelsen under lagring har vist seg å påvirke fysisk-kjemiske egenskaper betydelig, inkludert toksisitet14, mens den oksidative veksten kan fortsette innover på bekostning av core15.
Forsiktig lagring og tilberedning av nanomaterialer er derfor avgjørende for en nøyaktig overflateanalyse, og eventuelle faktorer som kan påvirke prøveoverflaten og/eller kvaliteten på målingene bør vurderes nøye. Det skal bemerkes at på grunn av den relativt lave romlige oppløsningen til XPS (i μm-serien) og ToF-SIMS (noen få hundre nm), kan bare en liten undergruppe av nanopartiklene undersøkes; disse metodene er gjennomsnittlige over et område og har ikke evnen til å bilde enkeltpartikler som mulig med teknikker som elektronmikroskopi. Av denne grunn krever enhver analyse avsetning av nanopartiklene i et kontinuerlig lag for å sikre ingen forstyrrelser fra substratet. Elektronmikroskopi og XPS/ToF-SIMS brukes derfor ofte sammen som komplementære metoder for nanomaterialeanalyse.
Bortsett fra endringer i overflatekjemi, er hovedutfordringene for fremstilling av nanopartikkelprøver for XPS- og ToF-SIMS-analyse å forberede et lag som er: homogent, for å øke reproduserbarheten; gapløs, for å minimere substratets bidrag til spektraet; tynn nok til å unngå ladeeffekter (for ikke-ledende prøver); og sikkert festet til substratet, for å unngå at frie nanopartikler kommer inn og skader ultrahøye vakuuminstrumenter
Nanopartikler kan deponeres på substratet fra suspensjon eller som pulver. For det første vil vi diskutere de forskjellige metodene for deponering av nanopartikler fra suspensjon. Silisiumskiver er et vanlig brukt substrat for suspensjonsavsetning, fordi de er relativt billige, lett tilgjengelige som et svært rent produkt som består av ren eller dopet silisium (doping unngår ladeeffekter), og for de fleste nanopartikler overlapper ikke spektraltoppene med topper som er typiske for nanopartikler. Dette siste punktet er viktig; Før analyse bør det sikres at substrattoppene er godt skilt fra toppene som forventes fra nanopartiklene, ellers er tolkning av spektra komplisert eller umulig, og den kontinuerlige dekningen av substratet av nanopartiklene kan ikke verifiseres. Før du bruker silisiumskiver, er det nødvendig med en omfattende rengjøringsprosedyre (beskrevet i denne publikasjonen) for å fjerne (organiske) forurensninger og øke overflatens fuktbarhet. Andre egnede substrater som gullfilmer, høyt bestilt pyrolytisk grafitt (HOPG) eller indiumfolier har blitt brukt, men en diskusjon om deres forberedelse er utenfor omfanget av dette arbeidet19,20,21,22.
For det andre presenterer vi metoder for å deponere nanopartikkelpulver på et substrat for XPS- og ToF-SIMS-analyse og presentere fordelene og ulempene ved hver metode, slik at forskere kan finne den optimale forberedelsesmetoden for deres formål. For det tredje diskuterer vi kryofiksering, som er en passende forberedelsesmetode for å bevare funksjoner som agglomerasjonsatferd, organisk korona, fast / vandig grensesnitt23,24 eller distribusjon i biologiske medier25 av NPs. Kryofixation, vanligvis rask frysing av materiale i et flytende nitrogenkjølt kryogen og analyse i frossen-hydrert tilstand, tillater analyse og visualisering av nanopartikler direkte i komplekse matriser. Denne prosedyren forårsaker ikke iskrystalldannelse, men danner amorf is som holder membraner og cellulære og vevsstrukturer i sin opprinnelige biologiske tilstand, unngår skade forårsaket av vannkrystalliseringsprosesser og gjør det mulig å opprettholde den nøyaktige kjemiske fordelingen av alle cellemetabolitter og cellemembranforbindelser. . Denne forberedelsesmetoden kan være spesielt interessant for å presentere et nøyaktig kjemisk kart over det faktiske NP-agglomeratet eller heteroagglomeratet, visualisere det nøyaktige kjemiske rommet i nærheten av nanopartikkelen direkte i suspensjon, eller korrelere enten cellevevsspesifikke egenskaper eller intracellulære rom i NP-agglomerater eller heteroagglomerater.
Som vist gjennom resultatene som presenteres i dette arbeidet, er den mest passende prosedyren i et bestemt tilfelle avhengig av en rekke parametere som nanopartiklenes hydrofilisitet, stabilitet, ledningsevne, tilstand (f.eks. pulver eller suspensjon) og det analytiske spørsmålet for hånden (f.eks. størrelse, bulkegenskaper eller overflatebelegg). Her presenteres en rekke metoder som kan brukes til utarbeidelse av NPs til overflateanalyse, samt en sammenligning av deres fordeler og ulemper.

<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

Nanopartikler har fått økende oppmerksomhet de siste årene på grunn av deres potensial og anvendelse på forskjellige felt, inkludert medisin, kosmetikk, kjemi og deres potensial til å muliggjøre avanserte materialer. For å effektivt forstå og regulere de fysisk-kjemiske egenskapene og potensielle bivirkninger av nanopartikler, må validerte måleprosedyrer for de ulike egenskapene til nanopartikler utvikles. Mens prosedyrer for måling av nanopartikkelstørrelse og størrelsesfordeling allerede er etablert, er standardiserte metoder for analyse av overflatekjemien ennå ikke på plass, selv om påvirkningen av overflatekjemien på nanopartikkelegenskaper er ubestridt. Spesielt påvirker lagring og tilberedning av nanopartikler for overflateanalyse de analytiske resultatene fra ulike metoder, og for å oppnå konsistente resultater må prøvepreparering både optimaliseres og standardiseres. I dette bidraget presenterer vi i detalj noen standardprosedyrer for å forberede nanopartikler for overflateanalyse. I prinsippet kan nanopartikler deponeres på et passende substrat fra suspensjon eller som pulver. Silisium (Si) wafers brukes ofte som substrat, men rengjøringen er kritisk for prosessen. For prøvepreparering fra suspensjon vil vi diskutere drop-casting og spin-coating, hvor ikke bare rensligheten av substratet og renheten av suspensjonen, men også konsentrasjonen spiller viktige roller for suksessen til forberedelsesmetoden. For nanopartikler med følsomme ligandskall eller belegg er avsetning som pulver mer egnet, selv om denne metoden krever spesiell forsiktighet for å fikse prøven.

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

En rekke forskjellige prosedyrer for å forberede nanopartikler for overflateanalyse presenteres (dråpestøping, spinnbelegg, avsetning fra pulver og kryofiksering). Vi diskuterer utfordringer, muligheter og mulige anvendelser av hver metode, spesielt når det gjelder endringene i overflateegenskapene forårsaket av de ulike forberedelsesmetodene.

Forberedelse av nanopartikler for ToF-SIMS og 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

Isolering og fremstilling av bakterielle cellevegger for komposisjonsanalyse ved ultraytelses væskekromatografi

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

Utarbeidelse og karakterisering av SDF-1α-Chitosan-dekstransulfat Nanopartikler

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

Utarbeidelse av Mica og Silicon Underlag for DNA Origami analyse og eksperimentering

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 av Hydratiserte Proteiner i vann ved Salvi og 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 Gjenkjennings- og enkeltcelle kvantifisering av metalloksid nanopartikler kjernefysiske 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 Karakterisering av Shewanella oneidensis MR1 biofilm SALVI og 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

Væske-celle overføring elektronmikroskop for sporing selvstendig montering av nanopartikler

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-mediert Nucleation og vekst av Palladium metall nanopartikler

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-inspirert Polydopamine overflaten modifikasjon av Nanodiamonds og dens reduksjon av Silver nanopartikler

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