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

Detta projekt har fått finansiering från Europeiska unionens Horisont 2020-program (H2020) inom ramen för bidragsavtal nr 720952 (ACEnano). Författarna vill tacka Sigrid Benemann för SEM-mätningar, Markus Schneider för ToF-SIMS-mätningar och PCA och Philipp Reichardt för hjälp med filmning.

VARNING: Nanopartiklarnas toxikologiska egenskaper är fortfarande under utredning. På grund av sin storlek kan de utgöra unika faror hos människor såväl som i miljön även när de består av i sig icke-farliga material. Innan du utför något arbete med nanopartiklar bör en korrekt riskbedömning göras och lämpliga tekniska kontroller, laboratorieförfaranden och personlig skyddsutrustning införas, beroende på risknivån för de material som ska studeras29,30,31,32.
1. Beredning av Si wafers
OBS: Dessa steg är nödvändiga för att avlägsna oönskad (organisk) förorening och öka ytans vätbarhet. Alla lösningsmedel som används ska vara av minst ACS-kvalitet. Ett standard ultraljudsbehandling bad (35 kH och 120 Watts) är lämplig.
<ol><li>Våt kemisk rengöring av Si wafers<ol>
<li>Sätt Si wafer i en bägare med isopropanol och ultraljud i 5 min.</li>
		<li>Överför Si wafer till en bägare med en alkaliglas rengöringslösning och ultraljud i 10 min.</li>
		<li>Lägg waferen i en bägare med ultrapure vatten. Byt vatten 10 gånger genom att hälla ut vattnet och fylla på bägaren; Si-plattorna kommer att ligga kvar i botten på grund av kapilläreffekten.</li>
		<li>Torka skivan med ren N2-gas . OBS: Torkning med N2 förhindrar bildandet av "kafferingar" och andra artefakter från vattentorkning.</li>
		<li>Sätt wafer i en andra bägare med isopropanol och ultraljud i 10 min.</li>
		<li>Torka skivan med ren N2-gas .</li>
		<li>Sätt wafer i en bägare med etanol och ultraljud i 10 min.</li>
		<li>Torka skivan med ren N2-gas . Protokollet kan pausas här.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Plasma- eller UV/ozonrengöring av kiselplattor<ol>
<li>Introducera Si-skivan i plasman eller UV/ozonrengöraren och slå på i 30 minuter. OBS: Wafers ska plasma- eller UV/ozonrengöras omedelbart före användning.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Nanopartikeldeposition från suspension
OBS: Den vanligaste exponeringsvägen för nanopartiklar är genom inandning. Att arbeta med suspensioner kan minimera exponeringsriskerna.
<ol><li>Beredning av nanopartikel suspension från pulver OBS: Alla kvantiteter som beskrivs här är exempel. Metoden bör optimeras för de specifika nanopartiklar som används i varje enskilt fall.<ol>
<li>Väg noggrant 15 mg nanopartikelpulver (± 10%) i ett 10 ml-rör.</li>
		<li>Väg noggrant in cirka 8 ml ultrapurvatten.</li>
		<li>Stäng röret, packa i ett 50 ml centrifugrör med pappershandduk och placera i virveln vid 3 000 varv/min i 15 minuter.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Droppgjutning av elektriskt ledande nanopartiklar från vattenupphängning<ol>
<li>Placera skivan i UV/ozonrengöraren i 30 minuter.</li>
		<li>Placera skivan i ena halvan av waferhållaren och placera en 3 μL droppe nanopartikelfjädring i mitten av ringen.</li>
		<li>Montera en Viton O-ring med diametern 6,07 mm på skivan runt droppen. Se till att ringen inte vidrör droppen.</li>
		<li>Placera skivan i en vakuumdesiccator under ett vakuum på 4 mbar i 15 minuter för att torka skivan.</li>
		<li>Ta bort skivan från desiccatorn och undersök med hjälp av ljusmikroskopi och XPS för att fastställa att partikelskiktet är homogent och stängt. Upprepa steg 2.2.1 och 2.2.2 tills analysen visar ett slutet och homogent skikt. Protokollet kan pausas här.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Spin-beläggning av elektriskt icke-ledande nanopartiklar från vattenhaltig suspension<ol>
<li>Placera skivan i UV/ozonrengöraren i 30 minuter. OBS: Genom spinnbeläggningsupphängningar av olika koncentrationer med samma protokoll kan olika nivåer av yttäckning uppnås.</li>
		<li>Programmera spin-coater. Ett lämpligt provprogram är: steg 1: 500 varv/s ramp till 1 000 varv/min (5 s); Steg 2: 1 000 varv/s-ramp till 2 000 varv/min (3 min). steg 3: retardation vid 2 000 varv/s till 0 varv/min.</li>
		<li>Sätt in skivan i spinnbeläggningen och sätt på vakuumet för fixering.</li>
		<li>Sätt in 80 μL av suspensionen på skivan och starta programmet.</li>
		<li>Ta bort skivan från spin-coater.</li>
		<li>Förvara provet i ett nytt, rent wafertray. Protokollet kan pausas här.</li>
		<li>Analysera provet med SEM för att bekräfta gapfri täckning av substratet.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Nanopartikeldeponering från pulver
<ol><li>Nanopartikeldeposition på dubbelsidiga tejper ("stick and go")<ol>
<li>Fäst det dubbelsidiga limet på provhållaren och ta bort fodrn.</li>
		<li>Ta en spatelspets av nanopartikelpulvret och doppa det på limet.</li>
		<li>Sprid provet över limet och tryck in i limet med spateln tills så mycket av pulvret är fastsatt som möjligt.</li>
		<li>Kontrollera att pulvret är fastsatt på kranen genom att vända och knacka på provhållaren och genom att blåsa en ström av gas (t.ex. kväve) över den. Protokollet kan pausas här. OBS: Alternativt kan en liten mängd pulver placeras på en rengjord yta (Alu-folie eller glasrutschbana) och pressas ovanifrån med den självhäftande och dubbelsidiga provhållaren.</li>
		<li>Placera en spatelspets av pulvret på den rengjorda ytan. Tryck provhållaren med limet på pulvret ovanifrån.</li>
		<li>Kontrollera att pulvret är fastsatt på kranen genom att vända och knacka på provhållaren och genom att blåsa en ström av gas (t.ex. kväve) över den. Protokollet kan pausas här.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Beredning av pressade pulverpellets
	<ol>
<li>Rengör noggrant alla delar av pelletsen, var försiktig så att du inte repar den polerade ytan.</li>
		<li>Invertera pelleten dö och vila på en liten distans.</li>
		<li>Sätt i kolven och en pellet i rostfritt stål, med polerad sida uppåt, och dra kolven genom tills det finns tillräckligt med utrymme för att fylla med det pulveriserade provet.</li>
		<li>Fyll matrisen med en liten mängd prov (1 stor spatelspets) och sätt sedan in den andra rostfria pelleten med den polerade sidan vänd mot provet.</li>
		<li>Placera basen på kroppen och vänd försiktigt in. Om ett vakuum önskas och finns tillgängligt, fäst vakuumpumpen på pelletsens botten.</li>
		<li>Placera matrisen i en press och se till att den är centrerad.</li>
		<li>Applicera en lätt belastning (2 kN) i cirka 20 s och släpp.</li>
		<li>Applicera en tyngre belastning (6 kN) i 2 min och släpp.</li>
		<li>Släpp vakuumpumpen när lasten har släppts. OBS: På grund av de olika materialegenskaperna hos olika nanopartiklar kan det vara fördelaktigt att förbereda en serie pellets med olika belastningar och lasttider för att bestämma optimala pelletspressförhållanden.</li>
		<li>Vänd matrisen, placera utsugsringen på plats och placera en lätt belastning (upp till 1 kN) mellan kolven och avsugarringen.</li>
		<li>Ta bort pressdelarna från pressen och extrahera försiktigt provpelleten med pincett.</li>
		<li>Montera försiktigt provet på en rengjord Si-skiva med dubbelsidigt lim. Protokollet kan pausas här.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Cryofixation av nanopartiklar suspensioner
<ol><li>Fyll snabbfrysningsanordningens huvudkammare med flytande kväve.</li>
	<li>Fyll den kylda snabbfryskammaren med kryoogenen (propan).</li>
	<li>Låt snabbfrysanordningen svalna till sin driftstemperatur. OBS: Snabbfrysningsanordningen kräver lite tid för att nå driftstemperaturen före provberedningen, därför krävs en rimlig tidsram (några timmar) för kryofixering av proverna.</li>
	<li>Droppgjuten 10–20 μL NP-fjädring på en rengjord Si-skiva med pipett.</li>
	<li>Håll Si-skivan med fixering av pincett, placera den inuti dykfrysningsanordningen.</li>
	<li>Flytta fäst pincetterna till dykläget.</li>
	<li>Tryck på knappen för att släppa provet inuti kryogenen.</li>
	<li>Vänta flera sekunder tills provet är helt fruset.</li>
	<li>Överför de frysta proverna så snabbt som möjligt till en kyld miljö.</li>
	<li>Placera det kryofixerade provet (Si wafer) i provhållaren och överför det inuti instrumentet. OBS: För transport rekommenderas torris och kortvarig provlagring är möjlig. Proverna kan mätas i fruset tillstånd med ett kylt instrument eller med konventionella ToF-SIMS-inställningar efter stabilisering genom att frysa provet.</li>
</ol>

Författarna har inga konkurrerande intressen att avslöja.

Ett antal metoder har presenterats för beredning av nanopartiklar för ytanalys med XPS och ToF-SIMS. Vi har sammanfattat fördelarna och nackdelarna med dessa metoder, liksom möjliga felkällor och lämplighet för olika material, i tabell 2. Som framgår av de representativa resultaten kan beredningen av nanopartiklar starkt påverka framgången för den resulterande ytanalysen. Dessutom är inte alla metoder lämpliga för alla partikeltyper på grund av faktorer som signalstörningar med substratet eller monteringsmaterialen, laddningseffekter i icke-ledande tjocka filmer, nanopartiklarnas tillstånd som pulver eller suspension, potentiell skada på känsliga yttre skikt, förstöring av biologiska strukturer och information om aggregering och gränssnitt, eller sårbarhet hos känsliga ultrahögvakuum vakuuminstrument för fria nanopartiklar.
Eftersom XPS- och ToF-SIMS-mätningar i genomsnitt över ett område i stället för att mäta enstaka partiklar är det endast möjligt att få reproducerbara resultat från homogena skikt. agglomeration av partiklarna på substratet bör därför undvikas. Dessutom orsakar alltför tjocka lager av icke-ledande material laddningseffekter under analysen, vilket kan leda till oönskade artefakter i spektrat, särskilt partiell laddning som inte kan kompenseras med en översvämningspistol. Å andra sidan visar ofullständiga filmer starka signaler från substratet eller monteringsmaterialen (t.ex. lim), vilket kan störa känsliga toppar från partikelytan. Filmens ideala tjocklek är materialberoende och bör bestämmas experimentellt genom analys av filmer av olika tjocklekar. I synnerhet bör prover som bereds med spinnbeläggning analyseras med SEM för att säkerställa att beläggningen är fullständig.
Att arbeta med NP-suspensioner innebär färre exponeringsrisker och säkerhetskrav jämfört med att arbeta med NP-pulver. Droppgjutning är en relativt enkel metod med låga utrustningskrav och är särskilt lämplig för ledande nanopartiklar i suspension där filmtjocklek inte är ett problem. Medan proverna lätt kan torkas under atmosfäriska förhållanden, tjänar vakuumavsiccatorn till att minska torktiden för dropparna samt skydda plattorna från förorening. Vitonringen används för att modifiera droppens avdunstningsmönster och därigenom minimera bildandet av kafferingar. Avdunstningsmönster kan också påverkas av att substratets hydrofilicitet varierar med hjälp av rengöringsprotokoll eller genom tillämpning av alternativa beläggningar51,52, genom avdunstning i lösningsmedelsatmosfärer53 eller till och med genom uppvärmning av substratet54. Spin-beläggning rekommenderas för suspensioner av icke-ledande nanopartiklar i suspension eftersom den kan generera ett homogent partikelskikt som är tillräckligt tunt för att undvika laddningseffekter men ändå tillräckligt tjockt för att förhindra att Si-substratet bidrar till XPS- och ToF-SIMS-spektrat. För varje enskilt NP-system och koncentration måste både centrifug- och spinnbeläggningsparametrarna optimeras men kan sedan mycket tillförlitligt reproduceras även på olika instrument. Eftersom den spinnbelagda droppen alltid är i mitten av skivan är rotationsradien irrelevant och enheten "varv per minut" (rpm) kan användas. Suspensionen kan alternativt deponeras på skivan efter att programmet har startats; Detta skulle dock kräva olika spinnbeläggningsparametrar och en större mängd suspension för att få en tjockare beläggning.
På grund av sin extremt lilla storlek kan nanopartiklar lossna från substratet och röra sig fritt inuti ultrahögvakuumkammaren när de påverkas med en jon- eller röntgenstråle. Detta är ett särskilt problem för prover som beretts med pulver. I vissa fall kan nanopartiklarna tränga in i instrumentets känsliga komponenter som kräver dyrt och tidskrävande underhåll. På grund av den applicerade accelerationsspänningen är risken för att känsliga delar skadas större med ToF-SIMS än med XPS. Pulverprover, särskilt de som beretts med "stick and go"-metoden, bör noggrant kontrolleras för att säkerställa att pulvern är tillräckligt ordentligt fastsatta, särskilt för ToF-SIMS-analys. Detta kan bekräftas genom att till exempel hålla provet upp och ner och blåsa en ström av gas (t.ex. N2) över det. Före analysen kan proverna också lämnas över natten i luftslussen eller annan första provinmatningskammare i instrumentet, där ett stabilt vakuum kan indikera att det inte finns några lösa partiklar från provet. Nanopartiklar beredda som pellets kan dock till och med sputtras (vid låga accelerationsspänningar) utan att skada instrumentet; Denna metod kan eliminera föroreningar, särskilt kolväten, som införs från pressen och kan också möjliggöra bulkanalys av partiklarna.
Beredning av NP-pulver i provhållarstubben gör det möjligt att ta prover med definierad geometri och en makroskopiskt plan yta. Kritiska punkter är renheten hos verktyget för att trycka på provet och användningen av ett lågt tryck för att undvika förändringar i nanopartikelytan på grund av denna procedur. Det har nackdelarna med att behöva en relativt hög mängd material och potentiella problem med förlust av material i högvakuuminstrument. Vi rekommenderar inte den här metoden för ToF-SIMS-analys, eftersom partiklarna inte komprimeras eller säkras på något sätt.
När det gäller NP-materialet är det första övervägandet för provberedning eliminering eller minimering av interferens mellan NPs och substrat av liknande material. Si wafers är till exempel ett olämpligt substrat för analys av SiO2 NPs med XPS och ToF-SIMS, även med tillräcklig provtäckning. Metalliska eller oorganiska nanopartiklar kan lätt analyseras som pulver på ett lim (förutsatt att de inte innehåller några organiska skikt eller beläggningar) på grund av bristen på signalstörningar mellan nanopartiklarna och det dubbelsidiga limet, en beredningsmetod som skulle vara olämplig för polymera NPs. Metalliska nanopartiklar har större flexibilitet när det gäller eventuell filmtjocklek som används på grund av frånvaron av laddningseffekter, och kan vara droppgjuten med relativt lite utrustning; De kommer dock sannolikt att innehålla stora mängder föroreningar och stabilisatorer från deras syntes, som måste avlägsnas försiktigt utan skador på partiklarna. Polymera nanopartiklar kan lättare skadas av pressning men kan också lättare hålla ihop i pelleten, beroende på vilket tryck som används. Pellets eller mjuka organiska beläggningar på NP-ytan kan också vara skadekänsliga. Direkt deponering från lösningen har potential att skada känsliga beläggningar antingen genom suspensionen eller torkningsprocessen men är fördelaktigt för att analysera NPs som redan finns i suspension. Cryofixation är en lämplig metod för analys av kemiska strukturer, ytor eller gränssnitt i suspension som skulle skadas eller förstöras av olika andra provberedningstekniker, men kräver en specialiserad kryoequipment för både XPS och ToF-SIMS46'47.
Även om detta dokument beskriver flera föredömliga metoder som kan användas för provberedning, bör metoden i varje fall optimeras och valideras med alternativa analysmetoder. En detaljerad översikt över påverkan av olika faktorer publicerades nyligen22. Förutom utveckling och validering av lämpliga beredningsmetoder är dokumentationen av dessa steg också av största vikt40. Denna publikation presenterar några lätthanterliga metoder och är en guide för att modifiera eller utveckla nya metoder enligt kraven för den specifika uppgiften.

Nanomaterial definieras som material som har någon yttre dimension mellan 1 nm och 100 nm eller som har en inre struktur eller ytstruktur på denna skala1. På grund av de unika egenskaperna som härrör från deras småskaliga och motsvarande stora yta (bland andra faktorer) finner de ökande användning inom en mängd olika områden inklusive jordbruk, kemi, fordonskonstruktion, kosmetika, miljö, medicin, tryck, energi och textilier. Denna ökade användning innebär att både människor och miljö i en hittills okänd skala kommer att exponeras för dessa material vars toxikologiska egenskaper ännu inte är helt kända och vars storlek möjliggör deras enkla integrering i biologiska eller miljömässiga system2.
Efter de grundläggande egenskaperna hos yt- och partikelstorlek/storleksfördelning identifierades ytkemi och beläggningar som nanomaterialens viktigaste egenskap3. mindre partiklar har en högre yta per enhetsmassa, och därför ett högre förhållande mellan yt-bulkatomer. För nanopartiklar av 1 nm storlek kan över 70% av atomerna hittas i hörn eller kanter; Detta påverkar starkt ytegenskaper såsom chemisorption som är mycket beroende av den atomska ytmorfologin4. Förordningar som behandlar nanomaterial kräver korrekta uppgifter om fysikalisk-kemiska egenskaper och tillförlitliga uppskattningar av dessa materials toxikologiska egenskaper. För att effektivt kunna uppskatta toxikologiska egenskaper från nanomaterialens fysikaliska och kemiska egenskaper kräver nanomaterialgemenskapen tillförlitliga, standardiserade och verifierade analysförfaranden. Projekt som ACEnano5 syftar till att samla in och korrelera exakta och verifierbara fysiska data från nanopartiklar inom en ram som möjliggör bättre reglering och karakterisering av nanomaterial. Denna strävan mot standardiserade analytiska procedurer har också stötts av redaktörerna för ACS Nano, som vill "konsolidera och komma överens om metoder för karakterisering och miniminivåer för analys av material6". Dessutom erbjuder XPS och ToF-SIMS nya möjligheter att belysa partikelarkitekturen hos kärnskalsnanopartiklar7,8.
Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och time-of-flight secondary ion massspektrometri (ToF-SIMS), jämfört med tabell 1, är väletablerade metoder för undersökning av ytatomer. I XPS bestrålas provet med röntgenstrålar med en energi mellan 1 och 2 keV, vilket orsakar utsläpp av elektroner på grund av den fotoelektriska effekten. Dessa avgivna elektroner, som har en kinetisk energi i samma intervall, korrelerar med elektronernas bindningsenergi i det fasta. Utseendet på fotoelektroner vid dessa definierade bindande energier och mätbara intensiteter möjliggör därför kvantitativ analys av kompositionen. Eftersom den genomsnittliga fria vägen för dessa fotoelektroner är under 10 nm, är XPS en mycket ytkänslig teknik för kvantitativ analys. Dessutom möjliggör detaljerad analys av de bindande energierna i mycket lösta spektra kvantitativ bestämning av dessa elektroners valenstillstånd.
I ToF-SIMS sputtras ytan med en fokuserad jonstråle (primära joner), med jonerna utstötta från materialet (sekundära joner) som samlas in och analyseras i en masspektrometer. Det erhållna mass-/laddningsmönstret gör det möjligt att bestämma den elementära, isotopiska eller molekylära sammansättningen. På grund av den genomsnittliga fria vägen för de sekundära jonerna är denna teknik också mycket ytkänslig och har ett informationsdjup på 1-2 nm men är i bästa fall semi-kvantitativ, på grund av matriseffekten där joniseringssannolikheten (och därmed avkastningen) av sekundära joner påverkas starkt av deras omgivande matris. ToF-SIMS kan användas i antingen statiskt eller dynamiskt läge. Skillnaden mellan de två är det primära jonflödet som påverkar ytan. Statiska SIMMAR håller det primära jonflödet till en nivå som påverkar (dvs. fragment) högst 1%-10% av ytan; ytan förblir relativt ostört, vilket möjliggör analys av de övre atomlagren av material. Eftersom även statiska SIMMAR orsakar viss förstörelse på ytan anses det vara mindre "icke-destruktivt" av de två metoderna.
Dessa ytkänsliga tekniker möjliggör analys av materialets första nanometer, inklusive avsiktliga eller oavsiktliga beläggningar, som för nanomaterial kan ha en betydande inverkan på materialegenskaperna. Exempel på avsiktliga beläggningar är kapning av lager på kvantprickar för att förbättra kvantutbytet för fotoluminescens och minska miljöreaktivitet9,aluminiumoxid- eller kiseldioxidbeläggningar för att förebygga fotokatalytisk aktivitet hos titaniananopartiklar i solblockerare10, ytfunktionalisering för att möjliggöra biokonjugation och efterföljande biologisk aktivitet11, beläggningar för diagnostiska och läkemedelsleveransapplikationer12 , och fluorkarbonbeläggningar på magnetiska partiklar för ferrofluider och metallsystem med kärnskal för att förbättra katalysatoregenskaperna13. Oavsiktliga beläggningar, såsom oxidation, ytkontaminering eller proteinkoron i biologiska system, har en lika stark inverkan på nanopartiklarnas egenskaper och det är viktigt att experimentella beredningsförfaranden säkerställer att beläggningen och mer allmänt nanomaterialets ytkemi inte förstörs eller omvandlas. Det är också viktigt att utvärdera nanopartiklarnas egenskaper eftersom de är på plats, eftersom deras egenskaper kan ändras drastiskt av förändringen2,14,15. Dessutom kan koncentrationen av stabilisatorer i nanopartikelupphängningen dramatiskt påverka nanopartiklarnas analys och strukturella integritet. Närvaron av en stabilisator kan resultera i stora oönskade signaler (till exempel C, H, O och Na) i analysen, medan dess avlägsnande kan leda till skador eller agglomeration av nanopartiklarna.
På grund av deras storlek och yta påverkar lagringsvillkoren för nanopartiklar också deras beteende, både som lagrade pulver / suspensioner och som beredda prover. Effekten av suboptimala lagringsförhållanden, särskilt lagring i rumstemperatur och exponering för ljus, har i olika studier visat sig orsaka nedbrytning av nanopartiklarna som har visat sig ändra partiklarnas fysikaliska, kemiska och/eller toxikologiska egenskaper14,15,16,17,18 . Mindre nanopartiklar har visat sig oxidera snabbare än större med oxidations-/nedbrytningshastigheter beroende på lagringsförhållanden15 samt ytkemi14. Effekterna av nanopartikelnedbrytningen under lagring har visat sig ha en signifikant inverkan på fysikalisk-kemiska egenskaper inklusive toxicitet14, medan den oxidativa tillväxten kan fortsätta inåt på bekostnad av kärnan15.
Noggrann lagring och beredning av nanomaterial är därför avgörande för en noggrann ytanalys, och alla faktorer som kan påverka provytan och/eller mätningarnas kvalitet bör noga övervägas. Det bör noteras att på grund av den relativt låga rumsliga upplösningen av XPS (i μm-intervallet) och ToF-SIMS (några hundra nm) kan endast en liten delmängd av nanopartiklarna undersökas. dessa metoder är genomsnittliga över ett område och har inte förmågan att avbilda enskilda partiklar som möjligt med tekniker som elektronmikroskopi. Av denna anledning kräver varje analys nedfall av nanopartiklarna i ett kontinuerligt skikt för att säkerställa ingen interferens från substratet. Elektronmikroskopi och XPS/ToF-SIMS används därför ofta tillsammans som kompletterande metoder för nanomaterialanalys.
Förutom förändringar i ytkemin är de största utmaningarna för beredning av nanopartiklar för XPS- och ToF-SIMS-analys att förbereda ett skikt som är: homogent, för att öka reproducerbarheten; gapless, för att minimera substratets bidrag till spektrat; tillräckligt tunn för att undvika laddningseffekter (för icke-ledande prover). och säkert fastsatta på substratet, för att undvika att fria nanopartiklar kommer in och skadar ultrahöga vakuuminstrument
Nanopartiklar kan deponeras på substratet från suspension eller som pulver. För det första kommer vi att diskutera de olika metoderna för att deponera nanopartiklar från suspension. Kiselplattor är ett vanligt substrat för upphängningsdeposition, eftersom de är relativt billiga, lätt tillgängliga som en mycket ren produkt som består av rent eller dopat kisel (dopning undviker laddningseffekter), och för de flesta nanopartiklar överlappar spektraltopparna inte med toppar som är typiska för nanopartiklar. Denna sista punkt är viktig. Före analysen bör det säkerställas att substratets toppar är väl åtskilda från de toppar som förväntas från nanopartiklarna, annars är tolkningen av spektrat komplicerad eller omöjlig och nanopartiklarnas kontinuerliga täckning av substratet kan inte verifieras. Innan du använder kiselplattor är det nödvändigt med ett omfattande rengöringsförfarande (som beskrivs i denna publikation) för att avlägsna (organiska) föroreningar och öka ytans vätbarhet. Andra lämpliga substrat som guldfilmer, mycket beställda pyrolytiska grafit (HOPG) eller indiumfolier har framgångsrikt använts, men en diskussion om deras förberedelse ligger utanför ramen för detta arbete19,20,21,22.
För det andra presenterar vi metoder för att deponera nanopartiklar på ett substrat för XPS- och ToF-SIMS-analys och presenterar fördelarna och nackdelarna med varje metod, vilket gör det möjligt för forskare som är nya i teknikerna att hitta den optimala förberedelsemetoden för sina ändamål. För det tredje diskuterar vi kryofixation, som är en lämplig förberedelsemetod för att bevara funktioner som agglomerationsbeteende, organisk korona, fast / vattenhaltigt gränssnitt23,24 eller distribution i biologiskt medium25 av NPs. Cryofixation, vanligtvis snabb frysning av material i en flytande kvävekyld kryogen och analys i frusen hydratiserat tillstånd, möjliggör analys och visualisering av nanopartiklar direkt i komplexa matriser. Denna procedur orsakar inte iskristallbildning utan bildar amorf is som håller membran och cellulära och vävnadsstrukturer i sitt ursprungliga biologiska tillstånd, vilket undviker skador orsakade av vattenkristalliseringsprocesser och gör det möjligt att upprätthålla den exakta kemiska fördelningen av alla cellmetaboliter och cellmembranföreningar26,27,28 . Denna beredningsmetod kan vara av särskilt intresse för att presentera en exakt kemisk karta över det faktiska NP-agglomeratet eller heteroagglogloglolatet, visualisera det exakta kemiska utrymmet i närheten av nanopartikeln direkt i suspension eller korrelera antingen cellvävnadsspecifika egenskaper eller intracellulära fack inom NP-agglomerater eller heteroagglomerater.
Som framgår av resultaten som presenteras i detta arbete är det lämpligaste förfarandet i ett visst fall beroende av en mängd olika parametrar såsom nanopartiklarnas hydrofilicitet, stabilitet, ledningsförmåga, tillstånd (t.ex. pulver eller suspension) och den analytiska fråga som finns till hands (t.ex. storlek, bulkegenskaper eller ytbeläggningar). En mängd olika metoder presenteras här som kan användas för beredning av NPs för ytanalys, liksom en jämförelse av deras fördelar och nackdelar.

<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

Nanopartiklar har fått allt större uppmärksamhet under de senaste åren på grund av deras potential och tillämpning inom olika områden, inklusive medicin, kosmetika, kemi och deras potential att möjliggöra avancerade material. För att effektivt förstå och reglera de fysikalisk-kemiska egenskaperna och potentiella negativa effekter av nanopartiklar måste validerade mätförfaranden för nanopartiklarnas olika egenskaper utvecklas. Även om förfaranden för mätning av nanopartiklars storlek och storleksfördelning redan är etablerade, är standardiserade metoder för analys av deras ytkemi ännu inte på plats, även om ytkemins påverkan på nanopartiklars egenskaper är obestridlig. I synnerhet påverkar lagring och beredning av nanopartiklar för ytanalys starkt analysresultaten från olika metoder, och för att uppnå konsekventa resultat måste provberedningen både optimeras och standardiseras. I detta bidrag presenterar vi i detalj vissa standardförfaranden för att förbereda nanopartiklar för ytanalys. I princip kan nanopartiklar deponeras på ett lämpligt substrat från suspension eller som pulver. Kiselplattor (Si) används ofta som substrat, men deras rengöring är avgörande för processen. För provberedning från suspension kommer vi att diskutera droppgjutning och spinnbeläggning, där inte bara renheten hos substratet och renheten hos suspensionen utan också dess koncentration spelar viktiga roller för att beredningsmetoden ska lyckas. För nanopartiklar med känsliga ligandskal eller beläggningar är deponering som pulver mer lämplig, även om denna metod kräver särskild försiktighet vid fixering av provet.

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

Ett antal olika procedurer för att förbereda nanopartiklar för ytanalys presenteras (droppgjutning, spinnbeläggning, deponering från pulver och kryofixering). Vi diskuterar utmaningar, möjligheter och möjliga tillämpningar av varje metod, särskilt när det gäller förändringar i ytegenskaperna som orsakas av de olika beredningsmetoderna.

Förberedelse av nanopartiklar för ToF-SIMS och XPS-analys

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 och beredning av bakteriella cellväggar för kompositionsanalys av ultraprestanda flytande kromatografi

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

Beredning och karakterisering av SDF-1α-Chitosan-Dextransulfat Nanopartiklar

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

Framställning av Mica och kiselsubstrat för DNA Origami analys och Experiment

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 Hydratiserade proteiner i vatten av Salvi och 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 Upptäckt och enda Cell kvantifiering av metalloxid nanopartiklar med nukleära Microprobe analys

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 biofilmer av SALVI och 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

Vätska-cell transmissionselektronmikroskopi för spårning självmontering av nanopartiklar

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-medierad kärnbildning och tillväxt av Palladium metall nanopartiklar

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-inspirerade Polydopamine yta ändring av Nanodiamonds och dess förminskning av Silvernanopartiklar

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