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

Bu proje, 720952 (ACEnano) hibe anlaşması kapsamında Avrupa Birliği Horizon 2020 Programı'ndan (H2020) finansman almıştır. Yazarlar SEM ölçümleri için Sigrid Benemann'a, ToF-SIMS ölçümleri ve PCA için Markus Schneider'a ve çekim konusunda yardım için Philipp Reichardt'a teşekkür ediyor.

DİkKAT: Nanopartiküllerin toksikolojik özellikleri hala incelenmektedir; boyutları nedeniyle, özünde tehlikeli olmayan malzemelerden oluştuğunda bile insanlarda ve çevrede benzersiz tehlikeler oluşturabilirler. Nanopartiküllerle herhangi bir çalışma yapmadan önce, uygun bir risk değerlendirmesi tamamlanmalı ve çalışılacak malzemelerin tehlike seviyesine bağlı olarak uygun mühendislik kontrolleri, laboratuvar prosedürleri ve KKD (kişisel koruyucu ekipman) uygulanmalıdır29,30,31,32.
1. Si gofretlerin hazırlanması
NOT: Bu adımlar istenmeyen (organik) kirlenmeyi gidermek ve yüzey ıslatabilirliğini artırmak için gereklidir. Kullanılan tüm çözücüler en az ACS sınıfı olmalıdır. Standart bir sonikasyon banyosu (35 kH ve 120 Watt) uygundur.
<ol><li>Si gofretlerin ıslak kimyasal temizliği<ol>
<li>Si gofret izopropanol ve ultrasonicate ile bir beher içine 5 dakika koyun.</li>
		<li>Si gofreti alkali cam temizleme çözeltisi ve ultrasonicate ile bir behere 10 dakika aktarın.</li>
		<li>Gofret ultra saf su ile bir beher içine koyun. Suyu dökerek ve kabı doldurarak suyu 10 kez değiştirin; Si gofretleri kılcal damar etkisi nedeniyle altta kalacaktır.</li>
		<li>Gofretleri temiz N2 gazı ile kurulayın. NOT: N2 ile kurutma, "kahve halkaları" ve diğer eserlerin su kurumasını önler.</li>
		<li>Gofret izopropanol ve ultrasonicate ile ikinci bir beher içine 10 dakika koyun.</li>
		<li>Gofretleri temiz N2 gazı ile kurulayın.</li>
		<li>Gofret 10 dakika boyunca etanol ve ultrasonicate ile bir beher içine koyun.</li>
		<li>Gofretleri temiz N2 gazı ile kurulayın. Protokol burada duraklatılabilir.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Silikon gofretlerin plazma veya UV/ozon temizliği<ol>
<li>Plazma veya UV/ozon temizleyicideki Si gofretini tanıtın ve 30 dakika boyunca açık olun. NOT: Gofretler kullanımdan hemen önce plazma veya UV/ozon ile temizlenmelidir.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Süspansiyondan nanopartikül birikimi
NOT: Nanopartiküller için en yaygın maruz kalma yolu solumadır. Süspansiyonlarla çalışmak maruz kalma tehlikelerini en aza indirebilir.
<ol><li>Tozdan nanopartikül süspansiyonunun hazırlanması NOT: Burada açıklanan tüm miktarlar örnektir. Yöntem, her durumda kullanılan belirli nanopartiküller için optimize edilmelidir.<ol>
<li>15 mg nanopartikül tozunun (%10 ±) 10 mL'lik bir tüpe doğru bir şekilde tartın.</li>
		<li>Yaklaşık 8 mL ultra saf suda doğru şekilde tartın.</li>
		<li>Tüpü kapatın, kağıt havlulu 50 mL santrifüj tüpüne paketleyin ve 15 dakika boyunca 3.000 rpm'de girdap içine yerleştirin.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sulu süspansiyondan elektriksel iletken nanopartiküllerin damla dökümü<ol>
<li>Gofret UV/ozon temizleyiciye 30 dakika yerleştirin.</li>
		<li>Gofreti gofret tutucunun bir yarısına yerleştirin ve halkanın ortasına 3 μL'lik bir nanopartikül süspansiyon damlası yerleştirin.</li>
		<li>Damlacık etrafındaki gofrete 6,07 mm çapında viton O-ring takın. Yüzüğün damlacıklara dokunmamasına dikkat edin.</li>
		<li>Gofreti kurutmak için 15 dakika boyunca 4 mbarlık bir vakumun altına vakum kurutucuya yerleştirin.</li>
		<li>Gofreti kurutucudan çıkarın ve parçacık tabakasının homojen ve kapalı olduğunu belirlemek için hafif mikroskopi ve XPS kullanarak inceleyin. Analiz kapalı ve homojen bir katman gösterene kadar 2.2.1 ve 2.2.2 adımlarını yineleyin. Protokol burada duraklatılabilir.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sulu süspansiyondan elektriksel olarak iletken olmayan nanopartiküllerin spin kaplaması<ol>
<li>Gofret UV/ozon temizleyiciye 30 dakika yerleştirin. NOT: Aynı protokolü kullanarak farklı konsantrasyonlardaki spin kaplama süspansiyonları ile farklı yüzey kapsama seviyeleri elde edilebilir.</li>
		<li>Spin-coater'ı programla. Uygun bir örnek program: adım 1: 500 rpm / s rampası 1.000 rpm 'ye (5 s); adım 2: 1.000 rpm/s rampadan 2.000 rpm'ye (3 dk); adım 3: 2.000 rpm/sn ile 0 rpm arasında delerasyon.</li>
		<li>Gofreti spin-coater'a takın ve sabitleme için vakuma geçin.</li>
		<li>Süspansiyonun 80 μL'yi gofrete yatırın ve programı başlatın.</li>
		<li>Gofreti spin-coater'dan çıkarın.</li>
		<li>Örneği yeni, temiz bir gofrette saklayın. Protokol burada duraklatılabilir.</li>
		<li>Alt tabakanın boşluksuz kapsamını doğrulamak için numuneyi SEM kullanarak analiz edin.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Tozdan nanopartikül birikimi
<ol><li>Çift taraflı yapışkan bantlarda nanopartikül birikimi ("yapış ve git")<ol>
<li>Çift taraflı yapıştırıcıyı numune tutucusuna sabitle ve astarı çıkarın.</li>
		<li>Nanopartikül tozunun bir spatula ucunu alın ve yapıştırıcıya batırın.</li>
		<li>Numuneyi yapıştırıcının üzerine yayın ve tozun mümkün olduğunca büyük bir kısmı yapışana kadar spatula ile yapıştırıcıya bastırın.</li>
		<li>Numune tutucuyu ters çevirip dokunarak ve üzerinde bir gaz akışı (örneğin azot) üfleyerek tozun musluğa sabitlenerek sabit olup olmadığını kontrol edin. Protokol burada duraklatılabilir. NOT: Alternatif olarak, temizlenmiş bir yüzeye (Alu folyo veya cam slayt) az miktarda toz yerleştirilecek ve yapıştırıcı ve çift taraflı numune tutucu ile yukarıdan bastırılabilir.</li>
		<li>Temizlenen yüzeye tozun bir spatula ucunu yerleştirin. Numune tutucuyu yapıştırıcı ile yukarıdan tozun üzerine bastırın.</li>
		<li>Numune tutucuyu ters çevirip dokunarak ve üzerinde bir gaz akışı (örneğin azot) üfleyerek tozun musluğa sabitlenerek sabit olup olmadığını kontrol edin. Protokol burada duraklatılabilir.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preslenmiş toz peletlerin hazırlanması
	<ol>
<li>Peletin tüm parçalarını iyice temizleyin, cilalı yüzeyi çizmemeye dikkat edin.</li>
		<li>Pelet döküm ters ve küçük bir ara üzerinde dinlenmek.</li>
		<li>Pistonu ve bir paslanmaz çelik peleni cilalı bir şekilde yukarı yerleştirin ve toz numune ile doldurmak için yeterli alan olana kadar pistonu çekin.</li>
		<li>Kalıpları az miktarda numuneyle (1 büyük spatula ucu) doldurun ve ardından ikinci paslanmaz çelik peleği cilalı tarafı numuneye bakacak şekilde yerleştirin.</li>
		<li>Tabanı gövdeye yerleştirin ve dikkatlice ters çevirin. Bir vakum isteniyorsa ve mevcutsa, vakum pompasını pelet kalıp tabanına takın.</li>
		<li>Kalıp, ortalanmış olduğundan emin olarak bir pres içine yerleştirin.</li>
		<li>Yaklaşık 20 sn boyunca hafif bir yük (2 kN) uygulayın ve bırakın.</li>
		<li>2 dakika boyunca daha ağır bir yük (6 kN) uygulayın ve bırakın.</li>
		<li>Yük serbest bırakıldıktan sonra vakum pompasını serbest bırakın. NOT: Çeşitli nanopartiküllerin farklı malzeme özellikleri nedeniyle, optimum pelet presleme koşullarını belirlemek için farklı yüklere ve yükleme sürelerine sahip bir dizi pelet hazırlamak avantajlı olabilir.</li>
		<li>Kalıp ters çevirin, çıkarıcı halkayı yerine yerleştirin ve piston ile çıkarıcı halka arasına hafif bir yük (1 kN'ye kadar) yerleştirin.</li>
		<li>Kalıp parçalarını presten çıkarın ve örnek peleti cımbızla dikkatlice çıkarın.</li>
		<li>Örneği çift taraflı yapıştırıcı kullanarak temizlenmiş bir Si gofrete hafifçe monte edin. Protokol burada duraklatılabilir.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Nanopartikül süspansiyonlarının kriyofixasyonu
<ol><li>Hızlı dondurma cihazının ana odasını sıvı nitrojenle doldurun.</li>
	<li>Soğutulmuş hızlı dondurma odasını kriyojen (propan) ile doldurun.</li>
	<li>Hızlı donan cihazın çalışma sıcaklığına soğumasını bekleyin. NOT: Hızlı donan cihazın numune hazırlamadan önce çalışma sıcaklığına ulaşması için biraz zaman gerekir, bu nedenle numunelerin kriyofixingi için makul bir zaman dilimi (birkaç saat) gerekir.</li>
	<li>Pipetli temizlenmiş bir Si gofrete 10-20 μL NP süspansiyon bırakın.</li>
	<li>Si gofretini sabitleme cımbızla tutarak, dalma dondurma cihazının içine yerleştirin.</li>
	<li>Sabitleme cımbızını dalma konumuna getirin.</li>
	<li>Örneği kriyojenin içine bırakmak için düğmeye basın.</li>
	<li>Numune tamamen donana kadar birkaç saniye bekleyin.</li>
	<li>Dondurulan numuneleri mümkün olduğunca hızlı bir şekilde soğutulmuş bir ortama aktarın.</li>
	<li>Kriyofixed numuneyi (Si gofret) numune tutucusuna yerleştirin ve cihazın içine aktarın. NOT: Taşıma için kuru buz önerilir ve kısa süreli numune depolama mümkündür. Numuneler, soğutulmuş bir aletle donmuş durumda veya stabilizasyondan sonra numuneyi dondurarak kurutarak geleneksel ToF-SIMS ayarlarıyla ölçülebilir.</li>
</ol>

Yazarların açıklayacak rakip çıkarları yoktur.

XPS ve ToF-SIMS kullanılarak yüzey analizi için nanopartiküllerin hazırlanması için bir dizi yöntem sunulmuştur. Bu yöntemlerin avantaj ve dezavantajlarının yanı sıra farklı malzemeler için olası hata ve uygunluk kaynaklarını Tablo 2'de özetledik. Temsili sonuçlarda gösterildiği gibi, nanopartiküllerin hazırlanması, elde eden yüzey analizinin başarısını güçlü bir şekilde etkileyebilir. Buna ek olarak, substrat veya montaj malzemelerine sinyal paraziti, iletken olmayan kalın filmlerdeki şarj etkileri, nanopartiküllerin toz veya süspansiyon olarak durumu, hassas dış katmanlara potansiyel hasar, biyolojik yapıların ve toplama ve arayüzler hakkındaki bilgilerin tahrip edilmesi veya hassas ultra yüksek vakumlu aletlerin nanopartikülleri serbest bırakma güvenlik açığı gibi faktörler nedeniyle tüm yöntemler tüm parçacık tipleri için uygun değildir.
XPS ve ToF-SIMS ölçümleri tek parçacıkları ölçmek yerine bir alan üzerinde ortalama olduğundan, yalnızca homojen katmanlardan tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek mümkündür; bu nedenle alt tabakadaki parçacıkların toplanmasından veya bir araya toplanmasından kaçınılmalıdır. Ek olarak, iletken olmayan malzemelerin çok kalın katmanları analiz sırasında şarj etkilerine neden olur, bu da spektrumda istenmeyen eserlere, özellikle de sel tabancasıyla telafi edilemeyen kısmi şarja yol açabilir. Öte yandan, tamamlanmamış filmler, parçacık yüzeyinden hassas tepelere müdahale edebilecek alt tabaka veya montaj malzemelerinden (örneğin yapıştırıcılar) güçlü sinyaller gösterir. Filmin ideal kalınlığı malzemeye bağlıdır ve farklı kalınlıklara sahip filmlerin analizi ile deneysel olarak belirlenmelidir. Özellikle spin kaplama kullanılarak hazırlanan numuneler, kaplamanın eksiksizliğini sağlamak için SEM ile analiz edilmelidir.
NP süspansiyonlarla çalışmak, NP tozlarıyla çalışmaya kıyasla daha az maruz kalma tehlikesi ve güvenlik gereksinimi sunar. Damla döküm, düşük ekipman gereksinimlerine sahip nispeten basit bir yöntemdir ve özellikle film kalınlığının önemli olmadığı süspansiyondaki iletken nanopartiküller için uygundur. Numuneler atmosferik koşullar altında kolayca kurutulabilirken, vakum kurutucu damlacıkların kuruma süresini azaltmanın yanı sıra gofretleri kontaminasyondan korumaya yarar. Viton halkası, damlacıkların buharlaşma desenlerini değiştirmek ve böylece kahve halkalarının oluşumunu en aza indirmek için kullanılır. Buharlaşma desenleri ayrıca temizlik protokolleri kullanılarak substrat hidrofilizinin farklılaştırılmasından veya alternatif kaplamaların uygulanmasından51,52, solvent atmosferlerinde buharlaşmadan53 veya hatta substrat54'ün ısıtılmasıyla da etkilenebilir. Spin-kaplama, süspansiyondaki iletken olmayan nanopartiküllerin süspansiyonları için önerilir, çünkü şarj etkilerini önlemek için yeterince ince ancak Si substratının XPS ve ToF-SIMS spektrumlarına katkıda bulunmasını önleyecek kadar kalın homojen bir parçacık katmanı üretebilir. Her bir NP sistemi ve konsantrasyonu için, hem santrifüj hem de spin kaplama parametreleri optimize edilmelidir, ancak daha sonra farklı aletlerde bile çok güvenilir bir şekilde çoğaltılabilir. Spin kaplı damla her zaman gofretin ortasında olduğundan, dönme yarıçapı önemsizdir ve "dakikada devir" (rpm) ünitesi kullanılabilir. Süspansiyon alternatif olarak programa başladıktan sonra gofrete yatırılabilir; ancak, bu farklı spin kaplama parametreleri ve daha kalın bir kaplama elde etmek için daha fazla miktarda süspansiyon gerektirir.
Son derece küçük boyutları nedeniyle, nanopartiküller bir iyon veya x-ışını ışını ışını ile etkilendiğinde alt tabakadan ayrılabilir ve ultra yüksek vakum odasının içinde serbestçe hareket edebilir. Bu, tozla hazırlanan numuneler için özel bir sorundur. Bazı durumlarda, nanopartiküller pahalı ve zaman alıcı bakım gerektiren cihazın hassas bileşenlerine nüfuz edebilir. Uygulanan hızlanma gerilimi nedeniyle, ToF-SIMS ile hassas parçalara zarar verme tehlikesi XPS'ye göre daha büyüktür. Özellikle "yapıştır ve git" yöntemi kullanılarak hazırlanan toz numuneler, özellikle ToF-SIMS analizi için tozların yeterince güvenli bir şekilde sabit olduğundan emin olmak için dikkatlice kontrol edilmelidir. Bu, örneğin numuneyi baş aşağı tutarak ve bir gaz akışını (örneğin, N2) üfleyerek doğrulanabilir. Analizden önce, numuneler, sabit bir vakumun numuneden gevşek parçacıklar olmadığını gösterebileceği hava kilidine veya cihazın diğer ilk numune giriş odasına bir gecede bırakılabilir. Bununla birlikte, pelet olarak hazırlanan nanopartiküller, cihaza zarar vermeden (düşük hızlanma voltajlarında) bile parçalanabilir; bu yöntem, özellikle hidrokarbonlar olmak üzere, presten getirilen kirleticileri ortadan kaldırabilir ve ayrıca parçacıkların toplu analizini sağlayabilir.
Numune tutucu saplamada NP tozlarının hazırlanması, tanımlanmış geometriye ve makroskopik olarak düz bir yüzeye sahip numunelerin hazırlanmasını sağlar. Kritik noktalar, numuneye basmak için aletin temizliği ve bu prosedür nedeniyle nanopartikül yüzeyindeki değişiklikleri önlemek için düşük basınç kullanılmasıdır. Nispeten yüksek miktarda malzemeye ihtiyaç duymanın dezavantajlarına ve yüksek vakumlu aletlerde malzeme kaybı ile ilgili potansiyel sorunlara sahiptir. Parçacıklar herhangi bir şekilde sıkıştırılmadığı veya sabitlenmediği için ToF-SIMS analizi için bu yöntemi önermiyoruz.
NP malzemesi ile ilgili olarak, numune hazırlama için ilk dikkat edilmesi gereken, NP'ler ve benzer malzemenin substratları arasındaki parazitin ortadan kaldırılması veya en aza indirilmesidir; örneğin, Si gofretler, yeterli numune kapsamına sahip olsa bile XPS ve ToF-SIMS kullanarak SiO2 NP'lerin analizi için uygun olmayan bir substrattır. Metalik veya inorganik nanopartiküller, nanopartiküller ve çift taraflı yapıştırıcı arasındaki sinyal parazitinin olmaması nedeniyle bir yapıştırıcı üzerinde toz olarak kolayca analiz edilebilir (organik tabaka veya kaplama içermedikleri varsayılarak), polimerik NP'ler için uygun olmayan bir hazırlık yöntemi metalik nanopartiküller, şarj etkilerinin olmaması nedeniyle kullanılan olası film kalınlığı açısından daha fazla esnekliğe sahiptir, ve nispeten az ekipmanla damla dökümü olabilir; bununla birlikte, sentezlerinden büyük miktarda safsızlık ve stabilizatör içermeleri muhtemeldir, bu da parçacıklara zarar vermeden dikkatlice çıkarılmalıdır. Polimerik nanopartiküller kalıp presleme ile daha kolay zarar verebilir, ancak kullanılan basınçlara bağlı olarak pelet içinde daha kolay bir şekilde bir arada kalabilir. NP yüzeyindeki peletler veya yumuşak organik kaplamalar da hasara duyarlı olabilir. Çözeltiden doğrudan biriktirme, süspansiyon veya kurutma işlemi yoluyla hassas kaplamalara zarar verme potansiyeline sahiptir, ancak süspansiyonda zaten mevcut olan NP'leri analiz etmek için avantajlıdır. Kriyofixation, diğer çeşitli numune hazırlama teknikleri tarafından hasar gören veya tahrip olan süspansiyondaki kimyasal yapıların, yüzeylerin veya arayüzlerin analizi için uygun bir yöntemdir, ancak hem XPS hem de ToF-SIMS46'47 için özel bir kriyoequipment gerektirir.
Bu makalede, numune hazırlama için kullanılabilecek birkaç örnek yöntem açıklanırken, her durumda yöntem alternatif analitik yöntemler kullanılarak optimize edilmeli ve doğrulanmalıdır. Farklı faktörlerin etkisine ilişkin ayrıntılı bir genel bakış yakın zamanda yayınlandı22. Uygun hazırlık yöntemlerinin geliştirilmesi ve doğrulanmasının yanı sıra, bu adımların belgelenmesi de son derece önemlidir40. Bu yayın, kullanımı kolay bazı yöntemler sunar ve belirli bir görevin gereksinimlerine göre yeni yöntemler değiştirmek veya geliştirmek için bir kılavuzdur.

Nanomalzemeler, 1 nm ile 100 nm arasında herhangi bir dış boyuta sahip veya bu ölçekte bir iç veya yüzey yapısına sahip malzemeler olarak tanımlanır1. Küçük ölçeklerinden ve buna bağlı olarak geniş yüzey alanlarından kaynaklanan benzersiz özellikleri nedeniyle (diğer faktörlerin yanı sıra), tarım, kimya, otomotiv inşaatı, kozmetik, çevre, tıp, baskı, enerji ve tekstil dahil olmak üzere çok çeşitli alanlarda artan kullanım alanı buluyorlar. Bu artan kullanım, toksikolojik özellikleri henüz tam olarak bilinmeyen ve büyüklüğü biyolojik veya çevresel sistemlere facile entegrasyonunu sağlayan bu malzemelere hem insanların hem de çevrenin bilinmeyen bir ölçekte maruz kalacağı anlamına gelir2.
Yüzey alanının temel özellikleri ve partikül boyutu/boyutu dağılımından sonra, yüzey kimyası ve kaplamalar nanomalzemelerin en önemli özelliği olarak tanımlanmıştır3; daha küçük parçacıklar birim kütle başına daha yüksek bir yüzey alanına ve dolayısıyla yüzeyin kütle atomlarına oranının daha yüksek olmasına sahiptir. Gerçekten de, 1 nm büyüklüğündeki nanopartiküller için, atomların% 70'inden fazlası köşelerde veya kenarlarda bulunabilir; bu, atomik ölçekli yüzey morfolojisine oldukça bağımlı olan chemisorption gibi yüzey özelliklerini güçlü bir şekilde etkiler4. Nanomalzemelerle ilgili düzenlemeler, fizikokimyasal özelliklerle ilgili doğru veriler ve bu malzemelerin toksikolojik özellikleri hakkında güvenilir tahminler gerektirir. Nanomalzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinden toksikolojik özellikleri verimli bir şekilde tahmin etmek için nanomalzemeler topluluğu güvenilir, standartlaştırılmış ve doğrulanmış analitik prosedürler gerektirir. ACEnano5 gibi projeler, nanomalzemelerin daha iyi düzenlenmesini ve karakterizasyonunu sağlayan bir çerçevede nanopartiküllerden doğru ve doğrulanabilir fiziksel verilerin toplanmasını ve ilişkilendirilmeyi amaçlamaktadır. Standartlaştırılmış analitik prosedürlere yönelik bu dürtü, ACS Nano editörleri tarafından da desteklenmiştir ve "malzemenin karakterizasyon yöntemlerini ve minimum analiz seviyelerini pekiştirmek ve kabul etmek" diler6. Ayrıca, XPS ve ToF-SIMS çekirdek kabuklu nanopartiküllerin parçacık mimarisini çıkarmak için yeni olanaklar sunar7,8.
X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve Uçuş Zamanı İkincil İyon Kütle Spektrometresi (ToF-SIMS), Tablo 1'de karşılaştırıldığında, yüzey atomlarının araştırılması için iyi kurulmuş yöntemlerdir. XPS'de, örnek 1 ila 2 keV arasında bir enerjiye sahip x ışınları ile ışınlanır ve fotoelektrik etki nedeniyle elektronların emisyona neden olur. Aynı aralıkta kinetik bir enerjiye sahip olan bu yayılan elektronlar, katıdaki elektronların bağlama enerjisi ile ilişkilidir; fotoelekronların bu tanımlanmış bağlama enerjilerinde ve ölçülebilir yoğunluklarda ortaya çıkması, bu nedenle bileşimin nicel analizine izin verir. Bu fotoelekronların ortalama serbest yolu 10 nm'nin altında olduğundan, XPS nicel analiz için yüzeye son derece duyarlı bir tekniktir. Ayrıca, son derece çözülmüş spektrumlardaki bağlama enerjilerinin ayrıntılı analizi, bu elektronların değer durumlarının nicel olarak belirlenmesini sağlar.
ToF-SIMS'de yüzey odaklanmış bir iyon ışını (birincil iyonlar) ile serpiştirilir ve iyonlar malzemeden (ikincil iyonlar) toplanır ve uçuş zamanı kütle spektrometresinde analiz edilir. Elde edilen kütle/yük deseni elementel, izotopik veya moleküler bileşimin belirlenmesini sağlar. İkincil iyonların ortalama serbest yolu nedeniyle, bu teknik aynı zamanda yüzeye son derece duyarlıdır ve 1-2 nm bilgi derinliğine sahiptir, ancak ikincil iyonların iyonlaşma olasılığının (ve dolayısıyla veriminin) çevreleyen matrislerinden güçlü bir şekilde etkilendiği matris etkisi nedeniyle en iyi yarı niceldir. ToF-SIMS statik veya dinamik modda çalıştırılabilir; ikisi arasındaki fark, yüzeyi etkileyen birincil iyon akısıdır. Statik SIMS, birincil iyon akısını yüzeyin maksimum %1-10'unu etkileyen bir seviyede tutar; yüzey nispeten bozulmadan kalır, bu da malzemenin üst atomik katmanlarının analizini sağlar. Statik SIMS bile yüzeyde bir miktar tahribata neden olduğundan, iki yöntemin daha az "tahribatsız" olduğu düşünülmektedir.
Bu yüzeye duyarlı teknikler, nanomalzemeler için malzeme özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilen kasıtlı veya kasıtsız kaplamalar da dahil olmak üzere malzemenin ilk birkaç nanometresinin analizini sağlar. Kasıtlı kaplamalara örnek olarak, fotolüminesans kuantum verimini iyileştirmek ve çevresel reaktiviteyi azaltmak için kuantum noktalarına katmanlar kaplanmasıdır9, güneş engelleyicilerde titania nanopartiküllerinin fotokatalize aktivitesinin önlenmesi için alümina veya silika kaplamalar10, biyokonjugasyonu ve sonraki biyolojik aktiviteyi etkinleştirmek için yüzey fonksiyonelleştirme11, teşhis ve ilaç dağıtım uygulamaları için kaplamalar12 ve katalizör özelliklerini geliştirmek için ferrofluidler ve çekirdek kabuklu metalik sistemler için manyetik parçacıklar üzerinde florokarbon kaplamalar13. Biyolojik sistemlerdeki oksidasyon, yüzey kirlenmesi veya protein koronaları gibi kasıtsız kaplamalar nanopartikül özellikleri üzerinde benzer şekilde güçlü bir etkiye sahiptir ve deneysel hazırlık prosedürlerinin kaplamanın ve daha genel olarak nanomalzemenin yüzey kimyasının tahrip olmamasını veya dönüştürülmemesini sağlaması çok önemlidir. Nanopartiküllerin özelliklerini yerinde oldukları için değerlendirmek de çok önemlidir, çünkü özellikleri değişim2,14,15 ile büyük ölçüde değiştirilebilir. Ek olarak, nanopartikül süspansiyonundaki stabilizatörlerin konsantrasyonu, nanopartiküllerin analizini ve yapısal bütünlüğünü önemli ölçüde etkileyebilir; bir stabilizatör varlığı analizde büyük istenmeyen sinyallere (örneğin, C, H, O ve Na) neden olabilirken, çıkarılması nanopartiküllerin hasar görmesine veya aglomeralanmasına neden olabilir.
Boyutları ve yüzey alanları nedeniyle, nanopartiküllerin depolama koşulları da hem depolanan tozlar / süspansiyonlar hem de hazırlanmış numuneler olarak davranışlarını etkiler. Başta oda sıcaklığında depolama ve ışığa maruz kalma olmak üzere alt optimal depolama koşullarının etkisi, parçacıkların fiziksel, kimyasal ve/veya toksikolojik özelliklerini değiştirdiği gösterilen nanopartiküllerin bozulmasına neden olmak için çeşitli çalışmalarda gösterilmiştir14,15,16,17,18 . Daha küçük nanopartiküllerin, depolama koşullarına bağlı oksidasyon/bozulma oranları ile daha büyük olanlardan daha hızlı oksitlenmesi gösterilmiştir15 ve yüzey kimyası14. Depolama sırasında nanopartikül bozulmasının etkilerinin toksisite14 de dahil olmak üzere fizikokimyasal özellikleri önemli ölçüde etkilediği, oksidatif büyümenin ise çekirdek pahasına içe doğru ilerleyebileceği gösterilmiştir15.
Bu nedenle nanomalzemelerin dikkatli bir şekilde depolanmasının ve hazırlanması doğru bir yüzey analizi için gereklidir ve numune yüzeyini ve/veya ölçümlerin kalitesini etkileyebilecek faktörler dikkatlice düşünülmelidir. XPS (μm aralığında) ve ToF-SIMS'nin (birkaç yüz nm) nispeten düşük uzamsal çözünürlüğü nedeniyle, nanopartiküllerin sadece küçük bir alt kümesinin araştırılabildiği belirtilmelidir; bu yöntemler bir alan üzerinde ortalamadır ve elektron mikroskopisi gibi tekniklerle mümkün olduğunca tek parçacıkları görüntüleme yeteneğine sahip değildir. Bu nedenle, herhangi bir analiz, alt tabakadan parazit olmamasını sağlamak için nanopartiküllerin sürekli bir tabaka halinde birikmesini gerektirir. Bu nedenle elektron mikroskopisi ve XPS/ToF-SIMS nanomalzeme analizi için tamamlayıcı yöntemler olarak sıklıkla birlikte kullanılmaktadır.
Yüzey kimyasındaki değişikliklerin yanı sıra, XPS ve ToF-SIMS analizi için nanopartikül örneklerinin hazırlanmasındaki temel zorluklar, homojen, tekrarlanabilirliği artırmak için bir katman hazırlamaktır; boşluksuz, substratın spektruma katkısını en aza indirmek için; şarj etkilerini önleyebilecek kadar ince (iletken olmayan numuneler için); ve ultra yüksek vakum aletlerine giren ve zarar veren serbest nanopartikülleri önlemek için substrata güvenli bir şekilde sabitlenmiştir.
Nanopartiküller süspansiyondan veya toz olarak substrata biriktirilebilir. İlk olarak, süspansiyondan nanopartikülleri biriktirmek için farklı yöntemleri tartışacağız. Silikon gofretler süspansiyon biriktirme için yaygın olarak kullanılan bir substrattır, çünkü nispeten ucuzdurlar, saf veya doped silikondan oluşan son derece saf bir ürün olarak kolayca bulunurlar (doping şarj etkilerini önler) ve çoğu nanopartikül için spektral tepeler nanopartiküller için tipik tepelerle çakışmaz. Bu son nokta önemlidir; analizden önce, substrat tepelerinin nanopartiküllerden beklenen zirvelerden iyi ayrıldığından emin olunmalıdır, aksi takdirde spektrumun yorumlanması karmaşık veya imkansızdır ve substratın nanopartiküller tarafından sürekli kapsamı doğrulanamaz. Silikon gofretleri kullanmadan önce, (organik) kirleticileri çıkarmak ve yüzey ıslanabilirliğini artırmak için kapsamlı bir temizleme prosedürü (bu yayında açıklanmıştır) gereklidir. Altın filmler, yüksek dereceli pirolitik grafit (HOPG) veya indiyum folyolar gibi diğer uygun substratlar başarıyla kullanılmıştır, ancak hazırlıkları hakkında bir tartışma bu çalışmanın kapsamı dışındadır19,20,21,22.
İkinci olarak, XPS ve ToF-SIMS analizi için bir substrata nanopartikül tozları biriktirmek için yöntemler sunuyoruz ve her yöntemin avantajlarını ve dezavantajlarını sunuyoruz, bu da tekniklere yeni katılan araştırmacıların amaçları için en uygun hazırlama yöntemini bulmalarını sağlıyor. Üçüncü olarak, agglomerasyon davranışı, organik korona, katı/sulu arayüz23,24 veya NPs'nin biyolojik ortamda dağılımı gibi özellikleri korumak için uygun bir hazırlık yöntemi olan kriyofixasyonu tartışıyoruz. Bu prosedür buz kristali oluşumuna neden olmaz, ancak membranları ve hücresel ve doku yapılarını kendi biyolojik durumlarında tutan, su kristalizasyon işlemlerinin neden olduğu hasarı önleyen ve tüm hücre metabolitlerinin ve hücre zarı bileşiklerinin tam kimyasal dağılımının korunmasını sağlayan amorf buz oluşturur26,27,28 . Bu hazırlık yöntemi, gerçek NP aglomerasının veya heteroagglomeranın tam bir kimyasal haritasını sunmak, nanopartiküle yakın olan tam kimyasal alanı doğrudan süspansiyonda görselleştirmek veya NP aglomeraları veya heteroagglomeratları içindeki hücre dokusuna özgü özellikleri veya hücre içi bölmeleri ilişkilendirmek için özel olarak ilgi çekici olabilir.
Bu çalışmada sunulan sonuçlarla gösterildiği gibi, belirli bir durumda en uygun prosedür, nanopartiküllerin hidrofilizi, stabilitesi, iletkenliği, durumu (örneğin, toz veya süspansiyon) ve eldeki analitik soru (örneğin, boyut, dökme özellikler veya yüzey kaplamaları) gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. Burada, NP'lerin yüzey analizi için hazırlanmasının yanı sıra avantajlarının ve dezavantajlarının karşılaştırılması için kullanılabilecek çeşitli yöntemler sunulmaktadır.

<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

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

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

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

ToF-SIMS ve XPS Analizi için Nanopartiküllerin Hazırlanması

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

Ultra Performanslı Sıvı Kromatografisi ile Bileşimsel Analiz için Bakteriyel Hücre Duvarlarının İzolasyonu ve Hazırlanması

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

SDF-1α-Kitosan-Dekstran Sülfat nano partiküllerin hazırlanması ve Karakterizasyonu

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

DNA Origami Analiz ve Deney için Mika ve Silikon Yüzeyler Hazırlanması

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

SALVI ve TOF-SIMS tarafından Su Sönmüş Proteinlerin In Situ Karakterizasyonu içinde

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

Situ Algılama ve Metal Oksit nano tanecikleri nükleer Microprobe analizi ile tek hücre miktar

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

Situ Shewanella Corynebacterium MR1 biyofilmler SALVI ve ToF-SIMS tarafından karakterizasyonu

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

Hücre içi sıvı iletim elektron mikroskobu nano tanecikleri, kendinden montajlı takibi için

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

Çekirdekleşme ligand-aracılı ve Paladyum Metal nano tanecikleri gelişmesi

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

Nanodiamonds ve gümüş nano tanecikleri onun azaltılması biyo-ilham Polydopamine yüzey modifikasyonu

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