Summary
Een aantal verschillende procedures voor het voorbereiden van nanodeeltjes voor oppervlakteanalyse worden gepresenteerd (druppelgieten, spincoating, afzetting van poeders en cryofixatie). We bespreken de uitdagingen, kansen en mogelijke toepassingen van elke methode, met name met betrekking tot de veranderingen in de oppervlakte-eigenschappen veroorzaakt door de verschillende bereidingsmethoden.
Abstract
Nanodeeltjes hebben de afgelopen jaren steeds meer aandacht gekregen vanwege hun potentieel en toepassing op verschillende gebieden, waaronder geneeskunde, cosmetica, chemie en hun potentieel om geavanceerde materialen mogelijk te maken. Om de fysisch-chemische eigenschappen en mogelijke nadelige effecten van nanodeeltjes effectief te begrijpen en te reguleren, moeten gevalideerde meetprocedures voor de verschillende eigenschappen van nanodeeltjes worden ontwikkeld. Hoewel de procedures voor het meten van de grootte en grootteverdeling van nanodeeltjes al zijn vastgesteld, zijn gestandaardiseerde methoden voor analyse van hun oppervlaktechemie nog niet aanwezig, hoewel de invloed van de oppervlaktechemie op de eigenschappen van nanodeeltjes onbetwist is. Met name de opslag en voorbereiding van nanodeeltjes voor oppervlakteanalyse heeft een sterke invloed op de analyseresultaten van verschillende methoden, en om consistente resultaten te verkrijgen, moet de monstervoorbereiding zowel geoptimaliseerd als gestandaardiseerd zijn. In deze bijdrage presenteren we in detail enkele standaardprocedures voor het voorbereiden van nanodeeltjes voor oppervlakteanalyse. In principe kunnen nanodeeltjes uit suspensie of als poeder op een geschikt substraat worden afgezet. Silicium (Si) wafers worden vaak gebruikt als substraat, maar hun reiniging is van cruciaal belang voor het proces. Voor monstervoorbereiding uit suspensie zullen we drop-casting en spin-coating bespreken, waarbij niet alleen de reinheid van het substraat en de zuiverheid van de suspensie, maar ook de concentratie ervan een belangrijke rol spelen voor het succes van de bereidingsmethodologie. Voor nanodeeltjes met gevoelige ligandschillen of coatings is depositie als poeders meer geschikt, hoewel deze methode bijzondere zorg vereist bij het fixeren van het monster.
Introduction
Nanomaterialen worden gedefinieerd als materialen met een externe dimensie tussen 1 nm en 100 nm of met een interne of oppervlaktestructuur op deze schaal1. Vanwege de unieke eigenschappen die voortvloeien uit hun kleine schaal en dienovereenkomstig grote oppervlakte (naast andere factoren), vinden ze steeds meer gebruik in een breed scala van gebieden, waaronder landbouw, chemie, autobouw, cosmetica, milieu, geneeskunde, drukwerk, energie en textiel. Dit toegenomen gebruik betekent dat zowel mens als milieu op tot nu toe onbekende schaal zullen worden blootgesteld aan deze materialen waarvan de toxicologische eigenschappen nog niet volledig bekend zijn en waarvan de omvang hun gemakkelijke integratie in biologische of milieusystemen mogelijk maakt2.
Na de fundamentele eigenschappen van oppervlakte en deeltjesgrootte/grootteverdeling werden oppervlaktechemie en coatings geïdentificeerd als de meest cruciale eigenschap van nanomaterialen3; kleinere deeltjes hebben een hoger oppervlak per massa-eenheid, en dus een hogere verhouding van oppervlakte- tot bulkatomen. Inderdaad, voor nanodeeltjes van 1 nm grootte is meer dan 70% van de atomen te vinden op hoeken of randen; dit heeft een sterke invloed op oppervlakte-eigenschappen zoals chemisorptie die sterk afhankelijk is van de morfologie van het oppervlak op atomaire schaal4. Regelgeving met betrekking tot nanomaterialen vereist nauwkeurige gegevens over fysisch-chemische eigenschappen en betrouwbare schattingen van de toxicologische eigenschappen van deze materialen. Om toxicologische eigenschappen van fysische en chemische eigenschappen van nanomaterialen efficiënt te schatten, heeft de nanomaterialengemeenschap betrouwbare, gestandaardiseerde en geverifieerde analyseprocedures nodig. Projecten zoals ACEnano5 zijn gericht op het verzamelen en correleren van nauwkeurige en verifieerbare fysieke gegevens van nanodeeltjes in een kader dat betere regulering en karakterisering van nanomaterialen mogelijk maakt. Dit streven naar gestandaardiseerde analyseprocedures werd ook ondersteund door de redactie van ACS Nano, die "methoden voor karakterisering en minimumniveaus van analyse van materialen wilde consolideren en overeenkomen6". Bovendien bieden XPS en ToF-SIMS nieuwe mogelijkheden voor het ophelderen van de deeltjesarchitectuur van nanodeeltjes in de kernschaal7,8.
Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) en Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), vergeleken in tabel 1, zijn gevestigde methoden voor onderzoek van oppervlakteatomen. In XPS wordt het monster bestraald met röntgenstralen met een energie tussen 1 en 2 keV, waardoor elektronen worden uitgezonden als gevolg van het foto-elektrische effect. Deze uitgezonden elektronen, met een kinetische energie in hetzelfde bereik, correleren met de bindingsenergie van de elektronen in de vaste stof; het verschijnen van foto-elektronen bij deze gedefinieerde bindingsenergieën en meetbare intensiteiten maakt daarom kwantitatieve analyse van de samenstelling mogelijk. Aangezien de gemiddelde vrije route van deze foto-elektronen lager is dan 10 nm, is XPS een zeer oppervlaktegevoelige techniek voor kwantitatieve analyse. Bovendien maakt een gedetailleerde analyse van de bindingsenergieën in sterk opgeloste spectra de kwantitatieve bepaling van de valentietoestanden van deze elektronen mogelijk.
In ToF-SIMS wordt het oppervlak gesputterd met een gerichte ionenbundel (primaire ionen), waarbij de ionen uit het materiaal worden uitgestoten (secundaire ionen) verzameld en geanalyseerd in een time-of-flight massaspectrometer. Het verkregen massa/ladingspatroon maakt het mogelijk om de elementaire, isotopische of moleculaire samenstelling te bepalen. Door de gemiddelde vrije route van de secundaire ionen is deze techniek ook zeer oppervlaktegevoelig en heeft een informatiediepte van 1-2 nm maar is op zijn best semi-kwantitatief, vanwege het matrixeffect waarbij de ionisatiekans (en dus opbrengst) van secundaire ionen sterk wordt beïnvloed door hun omringende matrix. ToF-SIMS kan zowel in statische als dynamische modus worden bediend; het verschil tussen de twee is de primaire ionenflux die het oppervlak beïnvloedt. Statische SIMS houdt de primaire ionenflux op een niveau dat (d.w.z. fragmenten) maximaal 1% -10% van het oppervlak beïnvloedt; het oppervlak blijft relatief ongestoord, waardoor analyse van de bovenste atomaire lagen materiaal mogelijk is. Omdat zelfs statische SIMS enige vernietiging aan de oppervlakte veroorzaken, wordt het beschouwd als minder "niet-destructief" van de twee methoden.
Deze oppervlaktegevoelige technieken maken analyse van de eerste paar nanometers van het materiaal mogelijk, inclusief opzettelijke of onbedoelde coatings, die voor nanomaterialen de materiaaleigenschappen aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Voorbeelden van opzettelijke coatings zijn het afdekken van lagen op quantum dots om de kwantumopbrengsten van fotoluminescentie te verbeteren en omgevingsreactiviteit te verminderen9, aluminiumoxide- of silicacoatings voor de preventie van fotokatalytische activiteit van titania-nanodeeltjes in zonneblokkers10, oppervlaktefunctionalisatie om bioconjugatie en daaropvolgende biologische activiteit mogelijk te maken11, coatings voor diagnostische en medicijnafgiftetoepassingen12 en fluorkoolstofcoatings op magnetische deeltjes voor ferrofluïden en kern-omhulselmetaalsystemen om de eigenschappen van de katalysator te verbeteren13. Onbedoelde coatings, zoals oxidatie, oppervlakteverontreiniging of eiwitcoronas in biologische systemen hebben een even sterke invloed op de eigenschappen van nanodeeltjes en het is van cruciaal belang dat experimentele bereidingsprocedures ervoor zorgen dat de coating en meer in het algemeen de oppervlaktechemie van het nanomateriaal niet wordt vernietigd of getransformeerd. Het is ook cruciaal om de eigenschappen van de nanodeeltjes te evalueren omdat ze in-situ zijn, omdat hun eigenschappen drastisch kunnen worden veranderd door de verandering2,14,15. Bovendien kan de concentratie van stabilisatoren in de nanodeeltjessuspensie de analyse en structurele integriteit van de nanodeeltjes dramatisch beïnvloeden; de aanwezigheid van een stabilisator kan resulteren in grote ongewenste signalen (bijvoorbeeld C, H, O en Na) in de analyse, terwijl de verwijdering ervan kan leiden tot schade of agglomeratie van de nanodeeltjes.
Vanwege hun grootte en oppervlakte hebben de opslagomstandigheden van nanodeeltjes ook invloed op hun gedrag, zowel als opgeslagen poeders / suspensies als als bereide monsters. Het effect van suboptimale opslagomstandigheden, met name opslag op kamertemperatuur en blootstelling aan licht, is in verschillende studies aangetoond dat het degradatie van de nanodeeltjes veroorzaakt, waarvan is aangetoond dat het de fysische, chemische en / of toxicologische eigenschappen van de deeltjes verandert14,15,16,17,18 . Van kleinere nanodeeltjes is aangetoond dat ze sneller oxideren dan grotere met oxidatie- / degradatiesnelheden afhankelijk van de opslagomstandigheden15 en de oppervlaktechemie14. Het is aangetoond dat de effecten van de afbraak van nanodeeltjes tijdens opslag de fysisch-chemische eigenschappen, waaronder toxiciteit14, aanzienlijk beïnvloeden, terwijl de oxidatieve groei naar binnen kan gaan ten koste van de kern15.
De zorgvuldige opslag en voorbereiding van nanomaterialen is daarom essentieel voor een nauwkeurige oppervlakteanalyse en alle factoren die van invloed kunnen zijn op het monsteroppervlak en/of de kwaliteit van de metingen moeten zorgvuldig worden overwogen. Opgemerkt moet worden dat vanwege de relatief lage ruimtelijke resolutie van XPS (in het μm-bereik) en ToF-SIMS (een paar honderd nm), slechts een kleine subset van de nanodeeltjes kan worden onderzocht; deze methoden zijn gemiddeld over een gebied en hebben niet de mogelijkheid om afzonderlijke deeltjes in beeld te brengen zoals mogelijk is met technieken zoals elektronenmicroscopie. Om deze reden vereist elke analyse afzetting van de nanodeeltjes in een continue laag om ervoor te zorgen dat er geen interferentie van het substraat is. Elektronenmicroscopie en XPS/ToF-SIMS worden daarom vaak samen gebruikt als complementaire methoden voor nanomateriaalanalyse.
Afgezien van veranderingen in de oppervlaktechemie, zijn de belangrijkste uitdagingen voor de bereiding van nanodeeltjesmonsters voor XPS- en ToF-SIMS-analyse het voorbereiden van een laag die: homogeen is, om de reproduceerbaarheid te vergroten; gapless, om de bijdrage van het substraat aan de spectra te minimaliseren; dun genoeg om oplaadeffecten te voorkomen (voor niet-geleidende monsters); en stevig bevestigd aan het substraat, om te voorkomen dat vrije nanodeeltjes binnendringen en ultrahoge vacuüminstrumenten beschadigen
Nanodeeltjes kunnen vanuit suspensie of als poeder op het substraat worden afgezet. Ten eerste zullen we de verschillende methoden bespreken voor het deponeren van nanodeeltjes uit suspensie. Siliciumwafers zijn een veelgebruikt substraat voor suspensieafzetting, omdat ze relatief goedkoop zijn, gemakkelijk verkrijgbaar als een zeer zuiver product bestaande uit zuiver of gedopeerd silicium (doping vermijdt oplaadeffecten), en voor de meeste nanodeeltjes overlappen de spectrale pieken niet met pieken die typisch zijn voor nanodeeltjes. Dit laatste punt is belangrijk; vóór de analyse moet ervoor worden gezorgd dat de substraatpieken goed gescheiden zijn van de verwachte pieken van de nanodeeltjes, anders is de interpretatie van de spectra gecompliceerd of onmogelijk en kan de continue dekking van het substraat door de nanodeeltjes niet worden geverifieerd. Voor het gebruik van siliciumwafers is een uitgebreide reinigingsprocedure (beschreven in deze publicatie) noodzakelijk om (organische) verontreinigingen te verwijderen en de bevochtigbaarheid van het oppervlak te vergroten. Andere geschikte substraten zoals goudfilms, zeer geordende pyrolytisch grafiet (HOPG) of indiumfolies zijn met succes gebruikt, maar een discussie over hun bereiding valt buiten het bestek van dit werk19,20,21,22.
Ten tweede presenteren we methoden voor het deponeren van nanodeeltjespoeders op een substraat voor XPS- en ToF-SIMS-analyse en presenteren we de voor- en nadelen van elke methode, waardoor onderzoekers die nieuw zijn in de technieken de optimale bereidingsmethode voor hun doeleinden kunnen vinden. Ten derde bespreken we cryofixatie, wat een geschikte bereidingsmethode is om kenmerken te behouden zoals het agglomeratiegedrag, organische corona, vaste / waterige interface23,24 of distributie in biologische media25 van NP's. Cryofixatie, meestal snel bevriezen van materiaal in een vloeibaar stikstofgekoeld cryogeen en analyse in de bevroren gehydrateerde toestand, maakt de analyse en visualisatie van nanodeeltjes direct in complexe matrices mogelijk. Deze procedure veroorzaakt geen ijskristalvorming, maar vormt amorf ijs dat membranen en cellulaire en weefselstructuren in hun oorspronkelijke biologische toestand houdt, schade veroorzaakt door waterkristallisatieprocessen vermijdt en de exacte chemische verdeling van alle celmetabolieten en celmembraanverbindingen kan worden gehandhaafd26,27,28 . Deze bereidingsmethode kan van bijzonder belang zijn voor het presenteren van een exacte chemische kaart van het werkelijke NP-agglomeraat of heteroagglomeraat, het visualiseren van de exacte chemische ruimte in de nabijheid van het nanodeeltje direct in suspensie, of het correleren van celweefselspecifieke kenmerken of intracellulaire compartimenten binnen NP-agglomeraten of heteroagglomeraten.
Zoals blijkt uit de resultaten die in dit werk worden gepresenteerd, is de meest geschikte procedure in een bepaald geval afhankelijk van een verscheidenheid aan parameters, zoals de hydrofilie, stabiliteit, geleidbaarheid, toestand (bijv. Poeder of suspensie) van de nanodeeltjes en de analytische vraag die voorhanden is (bijv. Grootte, bulkeigenschappen of oppervlaktecoatings). Hier worden verschillende methoden gepresenteerd die kunnen worden gebruikt voor de voorbereiding van NP's voor oppervlakteanalyse, evenals een vergelijking van hun voor- en nadelen.
Protocol
LET OP: De toxicologische eigenschappen van nanodeeltjes worden nog onderzocht; vanwege hun grootte kunnen ze unieke gevaren opleveren voor zowel mensen als in het milieu, zelfs als ze bestaan uit intrinsiek ongevaarlijke materialen. Voordat er met nanodeeltjes wordt gewerkt, moet een goede risicobeoordeling worden uitgevoerd en moeten passende technische controles, laboratoriumprocedures en PBM's (persoonlijke beschermingsmiddelen) worden ingevoerd, afhankelijk van het gevarenniveau van de te bestuderen materialen29,30,31,32.
1. Bereiding van Si wafers
LET OP: Deze stappen zijn nodig om ongewenste (organische) vervuiling te verwijderen en de bevochtigbaarheid van het oppervlak te vergroten. Alle gebruikte oplosmiddelen moeten ten minste ACS-kwaliteit zijn. Een standaard ultrasoonapparaatbad (35 kH en 120 Watt) is geschikt.
- Natte chemische reiniging van Si wafers
- Doe de Si wafer in een bekerglas met isopropanol en ultrasoon gedurende 5 min.
- Breng de Si-wafer over in een bekerglas met een alkaliglasreinigingsoplossing en ultrasoon gedurende 10 minuten.
- Doe de wafel in een bekerglas met ultrapuur water. Ververs het water 10 keer door het water uit te gieten en het bekerglas bij te vullen; de Si-wafers blijven aan de onderkant zitten door het capillaire effect.
- Droog de wafer met schoon N2-gas .
OPMERKING: Drogen met N2 voorkomt de vorming van "koffieringen" en andere artefacten door het drogen van water. - Doe de wafer in een tweede beker met isopropanol en ultrasoon gedurende 10 minuten.
- Droog de wafer met schoon N2-gas .
- Doe de wafer in een bekerglas met ethanol en ultrasoonapparaat gedurende 10 minuten.
- Droog de wafer met schoon N2-gas . Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
- Plasma- of UV/ozonreiniging van siliciumwafers
- Breng de Si-wafer in het plasma of de UV/ozonreiniger en schakel deze gedurende 30 minuten in.
OPMERKING: Wafers moeten onmiddellijk voor gebruik plasma- of UV/ozon-gereinigd worden.
- Breng de Si-wafer in het plasma of de UV/ozonreiniger en schakel deze gedurende 30 minuten in.
2. Nanodeeltjesafzetting door suspensie
OPMERKING: De meest voorkomende blootstellingsroute voor nanodeeltjes is door inademing. Werken met suspensies kan blootstellingsrisico's minimaliseren.
- Bereiding van nanodeeltjessuspensie uit poeder
OPMERKING: Alle hier beschreven hoeveelheden zijn voorbeelden. De methode moet worden geoptimaliseerd voor de specifieke nanodeeltjes die in elk geval worden gebruikt.- Weeg nauwkeurig 15 mg nanodeeltjespoeder (± 10%) in een buis van 10 ml.
- Weeg nauwkeurig ongeveer 8 ml ultrapuur water af.
- Sluit de buis, verpak in een centrifugebuis van 50 ml met keukenpapier en plaats deze gedurende 15 minuten bij 3.000 tpm in de vortexer.
- Drop-casting van elektrisch geleidende nanodeeltjes uit waterige suspensie
- Plaats de wafer gedurende 30 minuten in de UV/ozonreiniger.
- Plaats de wafer in de ene helft van de waferhouder en plaats een druppel nanodeeltjessuspensie van 3 μL in het midden van de ring.
- Monteer een Viton O-ring met een diameter van 6,07 mm op de wafer rond de druppel. Zorg ervoor dat de ring de druppel niet raakt.
- Plaats de wafer gedurende 15 minuten in een vacuümsiccator onder een vacuüm van 4 mbar om de wafer te drogen.
- Verwijder de wafer uit de exsiccator en onderzoek met behulp van lichtmicroscopie en XPS of de deeltjeslaag homogeen en gesloten is. Herhaal stap 2.2.1 en 2.2.2 totdat uit de analyse een gesloten en homogene laag blijkt. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
- Spin-coating van elektrisch niet-geleidende nanodeeltjes uit waterige suspensie
- Plaats de wafer gedurende 30 minuten in de UV/ozonreiniger.
OPMERKING: Door spin-coating suspensies van verschillende concentraties met behulp van hetzelfde protocol, kunnen verschillende niveaus van oppervlaktebedekking worden bereikt. - Programmeer de spin-coater. Een geschikt voorbeeldprogramma is: stap 1: 500 rpm/s ramp tot 1.000 rpm (5 s); stap 2: 1.000 rpm/s ramp tot 2.000 rpm (3 min); stap 3: vertraging bij 2.000 rpm/s tot 0 rpm.
- Plaats de wafer in de spin-coater en schakel het vacuüm in voor bevestiging.
- Deponeer 80 μL van de suspensie op de wafer en start het programma.
- Verwijder de wafer uit de spin-coater.
- Bewaar het monster in een nieuwe, schone wafertray. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
- Analyseer het monster met SEM om de gapless dekking van het substraat te bevestigen.
- Plaats de wafer gedurende 30 minuten in de UV/ozonreiniger.
3. Nanodeeltjesafzetting van poeder
- Nanodeeltjesafzetting op dubbelzijdige tapes ("stick and go")
- Bevestig de dubbelzijdige lijm op de monsterhouder en verwijder de voering.
- Neem een spatelpunt van het nanodeeltjespoeder en doop deze op de lijm.
- Verdeel het monster over de lijm en druk met de spatel in de kleefstof, totdat zoveel mogelijk van het poeder is gehecht.
- Controleer of het poeder op de kraan is bevestigd door de monsterhouder om te keren en erop te tikken en door er een stroom gas (bijvoorbeeld stikstof) overheen te blazen. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
OPMERKING: Als alternatief kan een kleine hoeveelheid poeder op een gereinigd oppervlak (Alu-folie of glasplaat) worden geplaatst en van bovenaf worden geperst met de kleefstof en dubbelzijdige monsterhouder. - Plaats een spatelpunt van het poeder op het gereinigde oppervlak. Druk de monsterhouder met de lijm van bovenaf op het poeder.
- Controleer of het poeder op de kraan is bevestigd door de monsterhouder om te keren en erop te tikken en door er een stroom gas (bijvoorbeeld stikstof) overheen te blazen. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
-
Bereiding van geperste poederkorrels
- Reinig alle delen van de pelletmatrijs grondig en zorg ervoor dat u het gepolijste oppervlak niet bekrast.
- Keer de pelletmatrijs om en rust op een kleine afstandhouder.
- Plaats de zuiger en een roestvrijstalen pellet, met gepolijste kant naar boven, en trek de zuiger door totdat er voldoende ruimte is om te vullen met het poedervormige monster.
- Vul de matrijs met een kleine hoeveelheid monster (1 grote spatelpunt) en plaats vervolgens de tweede roestvrijstalen pellet met de gepolijste kant naar het monster gericht.
- Plaats de basis op het lichaam en keer voorzichtig om. Als een vacuüm gewenst en beschikbaar is, bevestigt u de vacuümpomp aan de basis van de pelletmatrijs.
- Plaats de matrijs in een pers en zorg ervoor dat deze gecentreerd is.
- Breng een lichte belasting (2 kN) aan gedurende ongeveer 20 s en laat los.
- Breng gedurende 2 minuten een zwaardere belasting (6 kN) aan en laat los.
- Nadat de belasting is losgelaten, laat u de vacuümpomp los.
OPMERKING: Vanwege de verschillende materiaaleigenschappen van verschillende nanodeeltjes, kan het voordelig zijn om een reeks pellets met verschillende belastingen en laadtijden te bereiden om de optimale pelletpersomstandigheden te bepalen. - Keer de matrijs om, plaats de afzuigring op zijn plaats en plaats een lichte belasting (tot 1 kN) tussen de zuiger en de afzuigring.
- Verwijder de matrijsdelen uit de pers en haal de monsterkorrel voorzichtig met een pincet.
- Monteer het monster voorzichtig op een gereinigde Si-wafer met dubbelzijdige lijm. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
4. Cryofixatie van nanodeeltjessuspensies
- Vul de hoofdkamer van het snelvriesapparaat met vloeibare stikstof.
- Vul de afgekoelde snelvrieskamer met het cryogeen (propaan).
- Laat het snelvriesapparaat afkoelen tot de bedrijfstemperatuur.
OPMERKING: Het snelvriesapparaat heeft enige tijd nodig om de bedrijfstemperatuur te bereiken voorafgaand aan de monstervoorbereiding, daarom is een redelijke termijn (een paar uur) vereist voor het cryofixeren van de monsters. - Giet 10-20 μL NP-suspensie op een gereinigde Si-wafer met een pipet.
- Houd de Si-wafer vast met een bevestigingspincet en plaats deze in het plunge freeze-apparaat.
- Verplaats het bevestigingspincet naar de duikpositie.
- Druk op de knop om het monster in het cryogene te laten vallen.
- Wacht enkele seconden totdat het monster volledig bevroren is.
- Breng de ingevroren monsters zo snel mogelijk over in een gekoelde omgeving.
- Plaats het gecryopzette monster (Si-wafer) in de monsterhouder en breng het over in het instrument.
OPMERKING: Voor transport wordt droogijs aanbevolen en is kortdurende monsteropslag mogelijk. De monsters kunnen in bevroren toestand worden gemeten met een gekoeld instrument of met conventionele ToF-SIMS-instellingen na stabilisatie door het monster te vriesdrogen.
Representative Results
Dit artikel presenteert een verscheidenheid aan monstervoorbereidingsmethoden voor oppervlakteanalyse van nanodeeltjes. Aangezien de fysisch-chemische eigenschappen van een specifiek NP zowel de optimale methode voor monstervoorbereiding (bv. druppelgieten versus spincoating) als de beste procedure voor die methode (bijvoorbeeld verschillende substraten of oplosmiddelen vereisen) bepalen, moet de geschiktheid van de gebruikte methode worden gevalideerd via alternatieve analysemethoden en indien nodig worden geoptimaliseerd. De resultaten in deze publicatie zijn in overeenstemming met eerder gepubliceerde literatuur en tonen de noodzaak aan van consistente protocollen en procedures voor monstervoorbereiding, evenals de noodzaak van kwaliteitscontroles om ervoor te zorgen dat de monstervoorbereidings- en zuiveringsmethoden geschikt en succesvol zijn en de nanodeeltjes niet beschadigen22,33,34,35,36.
Bemonsterings- en opslagmethoden voor NP's zijn hier niet behandeld, omdat ze in detail worden beschreven in verschillende andere referenties14,15,16,17,18,34,37,38,39. Uiteraard moet er goed op worden gelet dat de geanalyseerde monsters representatief zijn voor de totale verdeling van nanodeeltjes en dat geschikte bemonsteringsmethoden zijn ontwikkeld en gevalideerd. Het is ook aangetoond dat de opslagomstandigheden de eigenschappen van nanodeeltjes gedurende een periode van maanden sterk beïnvloeden en daarom zorgvuldig moeten worden overwogen. Als voorbeeld raden we aan om nanodeeltjes in kleine hoeveelheden te bewaren in afgesloten containers uit de buurt van licht, idealiter onder 4 °C. Het is ook van cruciaal belang dat opslag, bemonstering en monstervoorbereiding consequent worden uitgevoerd volgens gevalideerde procedures en in detail worden gedocumenteerd. Deze documentatie moet de metagegevens van de NP's zelf bevatten, zoals herkomstinformatie en opslagcondities40. Hulpmiddelen zoals elektronische lab notebooks (ELN's) kunnen nuttig zijn voor consistente documentatie van procedures en NP-metadata, evenals het mogelijk maken van de productie van gegevens volgens het FAIR-principe (Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable).
Nauwkeurige en correcte oppervlakteanalyse van NP's vereist in de eerste plaats een geschikte substraatkeuze. We hebben gereinigde Si-wafers als substraten gebruikt omdat ze gemakkelijk verkrijgbaar, duurzaam, gemakkelijk te reinigen, geleidend en voldoende vlak zijn, maar afhankelijk van de doelen van de analyse kan de oxide-oppervlaktelaag een nadeel zijn, omdat de onvoorziene koolwaterstoffen op het substraat niet kunnen worden onderscheiden van die op de nanodeeltjes. Indien nodig kunnen andere materialen zoals goud- of polymere coatings op Si-wafers, Si3N4-wafers of HOPG (hooggeoriënteerd pyrolytisch grafiet) worden gebruikt19,20,21,22. De eerste stap in de monstervoorbereiding die in dit artikel wordt beschreven, is het reinigen van de Si-wafer, weergegeven als een schema in figuur 1. De werkzaamheid van het reinigingsproces kan worden geverifieerd met behulp van verschillende methoden, waaronder XPS, zoals weergegeven in figuur 2. De belangrijkste verontreiniging (onvoorziene koolstof) is typisch voor monsters die in lucht zijn opgeslagen en wordt na het reinigingsproces aanzienlijk verminderd. Bovendien voorkomt hydroxyleren van het waferoppervlak via UV- of ozonbehandeling het koffieringeffect van afzetting van waterige suspensie door de bevochtigbaarheid te verbeteren en daarom te leiden tot een homogenere verdeling van de nanodeeltjes zoals weergegeven in figuur 3. Indien nodig kunnen alternatieve natte chemische reinigingsmethoden voor Si-wafers worden gebruikt; hier is alleen een reproduceerbaar schoon oppervlak vereist in plaats van de volledige verwijdering van alle organische verontreinigingen of de oxidelaag. Als het protocol wordt gepauzeerd tussen de reinigings- en suspensiedepositiestappen, moet de wafer opnieuw worden behandeld onder plasma of UV/ozon en moet de suspensie idealiter binnen 15 minuten na de behandeling worden afgezet.
De suspensie van 60 nm Au-Ag core-shell nanodeeltjes zoals weergegeven in paragraaf 2.2 bevatte een aanzienlijke hoeveelheid natriumcitraat als stabilisator, wat vaak voorkomt in nanodeeltjessuspensies. Voor een nauwkeurige analyse van deze deeltjes en hun oppervlakte-eigenschappen, met name via XPS, moet zoveel mogelijk stabilisator worden verwijderd, omdat het het signaal van de nanodeeltjes dempt en oplaadeffecten veroorzaakt. Om de optimale zuiveringsmethode voor deze nanodeeltjes vast te stellen, weergegeven als SEM-micrografieën in figuur 4, werden ze ofwel gedialyseerd in ultrapuur water of gezuiverd met behulp van centrifugatie en re-dispersie in drievoud. Hoewel dialyse een zachtere methode lijkt en centrifugering en herdispersie meer kans hebben om agglomeratie en aggregatie van de deeltjes te veroorzaken, tonen de SEM-beelden een significante vervorming en schade van de Au-Ag nanodeeltjes na dialyse (figuur 4B), terwijl de gecentrifugeerde / opnieuw gedispergeerde deeltjes nog steeds intact zijn (figuur 4C ). Dit is vooral opmerkelijk bij metallische nanodeeltjes; onze hypothese is dat er een optimale hoeveelheid natriumcitraat is die enige stabilisatie van de oplossing mogelijk maakt zonder het signaal voor de nanodeeltjes te verstoren, en verwijdering van te veel stabilisator veroorzaakt schade aan de nanodeeltjes. Uit een eerder rapport blijkt dat er een optimaal aantal centrifugatiecycli is voor het verwijderen van het grootste deel van het natriumcitraat; het overschrijden van dit aantal veroorzaakt enige NP-aggregatie33. In deze studie waren negen dialysecycli (in totaal 36 uur) nodig om een vergelijkbare citraatconcentratie te verkrijgen; deze methode resulteerde echter in een hogere hoeveelheid aggregatie dan centrifugering en veroorzaakte een afname van de oppervlaktefunctionalisatie. Deze resultaten tonen het belang aan van het verifiëren van elke stap in de bereidingsprocedure voor elk ander type nanodeeltje, met name met onbekende monsters.
De 60 nm Au-Ag core-shell nanodeeltjes die in dit voorbeeld worden gebruikt, zijn geschikt voor drop-casting vanwege hun elektrische geleidbaarheid, omdat oplaadeffecten geen probleem zijn en een dikke vlek kan worden gegenereerd door herhaalde afzetting met relatief weinig apparatuur. Deze dikkere laag heeft het voordeel dat het meer reproduceerbare metingen geeft, en gieten vanuit een meer geconcentreerde suspensie kan tijd besparen door het aantal afzettingsstappen te verminderen. De afzetting kan worden beïnvloed door de bevochtigbaarheid van het substraat; slechte bevochtiging kan een dikke nanodeeltjesvlek produceren die voordelig is voor geleidende monsters, terwijl goede bevochtiging een meer homogene nanodeeltjeslaag kan produceren, wat nuttig kan zijn voor zowel geleidende als isolerende monsters. Zoals beschreven in het protocol, vereist het druppelgieten van nanodeeltjessuspensies meestal herhaalde toepassingen om een dikke laag met volledige dekking te verkrijgen; dit moet worden geverifieerd met XPS, maar kan ook snel en eenvoudig worden geverifieerd met behulp van optische microscopie. Figuur 5 toont de evolutie van de druppeldekking in een druppelgietsel van Au-Ag core-shell nanodeeltjes uit waterige oplossing; in dit geval zijn 13 drop-casting stappen vereist om volledige dekking te bereiken. Druppelgieten is met name geschikt voor geleidende deeltjes, of die waar laadeffecten adequaat kunnen worden gecompenseerd. Net als bij de andere methoden die in deze publicatie worden beschreven, moet het druppelgieten voor elk monster worden geoptimaliseerd, omdat verschillende NP-materialen verschillende eigenschappen hebben met betrekking tot informatiediepte en concentratie en filmdiktelimieten. Het is belangrijk om te dikke films te vermijden die stapeling van organische stoffen kunnen veroorzaken en op hun beurt het NP-signaal remmen.
Een homogene coating van goede kwaliteit zorgt voor consistente en reproduceerbare resultaten. Naast de parameters voor de suspensieconcentratie, oplosmiddel en spincoating kan de kwaliteit van spin-gecoate suspensies ook negatief worden beïnvloed door de aanwezigheid van stof of andere grote macro- of microscopische deeltjes. Figuur 6 toont de verbetering van de spin-coatingkwaliteit van een nanodeeltjessuspensie na filtratie met een spuitfilter van 0,45 μm. Het filter moet worden geselecteerd om ervoor te zorgen dat het geen nanodeeltjes uit de suspensie verwijdert. De drie verschillende suspensieconcentraties beschreven in het protocol (90, 9,0 en 0,9 mg / ml van 135 nm PS-PTFE core-shell nanodeeltjes) werden onder dezelfde omstandigheden spin-gegoten en geanalyseerd met sem en xps. De bovenste afbeelding en het spectrum in figuur 7 tonen de filmcast van de 90 mg / ml suspensie, die een dikke en gapless meerlaagse dekking in het SEM-beeld toont, evenals een opmerkelijke afwezigheid van Si-pieken in de CPS-spectra, wat aangeeft dat er geen bijdrage van het substraat aan het spectrum is. Dit voorbeeld is ideaal voor XPS- of ToF-SIMS-analyse; bovendien zijn de kleinere F1's pieken uit de schil van de deeltjes duidelijk te zien in afwezigheid van een groot signaal van het substraat. Het tweede monster gegoten uit de 9,0 mg/ml suspensie toont de deeltjes in kleine enkellaagse agglomeraten, die het oppervlak niet volledig bedekken. Dit monster is te dun en inhomogeen voor XPS- of ToF-SIMS-analyse. Bovendien kan de kwantitatieve analyse worden aangetast door de bijdrage van onvoorziene koolstof aan het substraat, zelfs na zorgvuldige reiniging; op zijn minst moet een dergelijk effect worden meegenomen in het onzekerheidsbudget van de meting. Dit monster zou echter ideaal zijn voor SEM- of TEM-analyse van deeltjesgrootteverdeling met behulp van beeldanalysesoftware, omdat de deeltjes in een enkele laag en in een voldoende aantal (binnen het beeld) aanwezig zijn om een statistisch significante evaluatie te bieden. Het monster dat uit de laagste concentratie (0,9 mg/ml) wordt gegoten, biedt geen continue dekking of voldoende deeltjesdichtheid om het geschikt te maken voor analyse van oppervlaktechemie of deeltjesgrootteverdeling. Een betrouwbare kwantitatieve analyse is helemaal niet mogelijk door de dominante invloed van het substraat.
Al2O3-TiO2 core-shell NP's met een PDMS- of glycerol-buitenlaag werden bereid via drop-casting uit suspensie en uit poeder met behulp van de "stick-and-go" -methode om de effecten van de verschillende bereidingsmethoden op de gevoelige buitenlaag te vergelijken. De monsters werden geanalyseerd met ToF-SIMS, waar in de spectra werd geanalyseerd met behulp van Principal Components Analysis (PCA). PCA is een statistische techniek voor het verminderen van de dimensionaliteit van grote datasets door nieuwe niet-gecorreleerde variabelen (de belangrijkste componenten) te creëren, die de variantie in de gegevens maximaliseren41,42,43,44,45. De scheiding van verschillende monstersets op de hoofdcomponentengrafiek maakt het mogelijk om de resultaten gemakkelijker te analyseren en te groeperen. Op de PCA-scoresplot in figuur 8B, die de discriminatiekracht van elke dataset toont in vergelijking met alle andere datasets (d.w.z. tussen verschillende monstersets), vertonen de twee monsters bereid uit poeder zeer verschillende scores, terwijl de monsters bereid uit dispersie zeer vergelijkbare scores laten zien. De in figuur 8C getoonde beladingsdiagrammen geven de relatie tussen variabelen aan, d.w.z. welke pieken het meest bijdragen aan de respectieve hoofdcomponenten. Alle hoofdcomponenten worden gesorteerd op basis van hun bijdrage aan het waargenomen verschil tussen de datasets, d.w.z. PCA1 draagt het meest bij aan de waargenomen scheiding van de verschillende datasets. PC1 wordt gedomineerd door de aanwezigheid (PDMS-gecoate NP's bereid uit poeder) of afwezigheid (alle andere monsters) van PDMS-pieken, terwijl PC2, de factor die verantwoordelijk is voor de op een na grootste variatie binnen de datasets, de differentiatie van de Al2O3 en de organische aftopping op de NP's mogelijk maakt. Dit geeft aan dat de gemeten spectra van NP's bereid uit suspensie zeer vergelijkbaar zijn en suggereert dat de PDMS- en glycerollagen mogelijk zijn verwijderd of beschadigd door voorbereiding van suspensie, van de suspensie zelf of het droogproces, met dominante signalen van de Al2O3 of TiO2.
Hoewel geperste pellets voordelen kunnen bieden voor de bereiding van poedervormige monsters, zoals gebruiksgemak en stabiliteit in ultrahoogvacuüminstrumenten (inclusief het vermogen om te sputteren zonder NP's in de hoogvacuümkamer te ontwrichten), kunnen de hoge krachten die erbij betrokken zijn ook gevoelige nanodeeltjes beschadigen, zoals al is gezien bij andere bereidingsmethoden. Er moet een geschikt protocol worden opgesteld en gevalideerd.
In het geval van NP-dispersies vermijdt cryofixatie van drop-cast monstersuspensies koffieringeffecten (vanwege de onmiddellijke fixatie van de NP-suspensie en dus eliminatie van droogeffecten) evenals het behoud van grotere structuren die in de suspensie aanwezig zijn. Bovendien wordt het aanbrengen van plakband vermeden. Dit wordt op zijn beurt weerspiegeld in verminderde signalen, die kunnen worden toegeschreven aan zouten, verontreinigingen of andere artefacten van de monstervoorbereidingsprocedure in de respectieve massaspectra zoals weergegeven in figuur 9. Het belangrijkste voordeel van cryofixatie is het vermogen om de chemische ruimte rond de nanodeeltjes en / of de chemische entiteit van de deeltjesagglomeraten of heteroagglomeraten te behouden, evenals hun correlatie met biologische kenmerken in weefsels of afzonderlijke cellen of zelfs de co-lokalisatie naar intracellulaire compartimenten, zonder verstoring van monsterverwerkingsstappen zoals drogen, drop-casting, etc46'47. We hebben de toepasbaarheid van de cryofixatietechniek binnen het huidige papier aangetoond en de voordelen van cryofixatie voor TiO2-nanodeeltjes benadrukt. We benadrukken dat cryofixatie bijzonder geschikt is voor de analyse van biologische monsters in hun natuurlijke staat zonder de dislocatie van chemicaliën als gevolg van artefacten voor monstervoorbereiding. Voor meer diepgaande informatie over fixatietechnieken voor biologische monsters wordt verwezen naar literatuur19,25,27,48,49.
| Xps | ToF-Sims | |
| Sondebundel | Fotonen | Ionen |
| Analysebundel | Elektronen | Ionen |
| Ruimtelijke resolutie* | > 1 μm | 0,1 μm |
| Bemonsteringsdiepte | 0,5 – 7,5 nm | <2 nm |
| Detectie limiet | 0,01 -0,1 atoom % | Ppb |
| Kwantificering | Uitstekend (semi kwantitatief) | Uitdagend (matrixeffecten) |
| Inhoud van de informatie | Elementaire Chemische binding |
Elementaire Moleculair |
| Organische analyse | Uitstekend | Uitstekend in statische modus |
| * gespecificeerd door de fabrikant | ||
Tabel 1: Vergelijking van verschillende methoden voor oppervlakteanalyse.
| Methode | Geschikt voor | Geeft | Voordelen | Nadelen | Voorzichtigheid | Besturingselementen | Cheque |
| Dialyse | Zuivering | Verwijdering van stabilisatoren/onzuiverheden | Eenvoudig, weinig inspanning, geen ingewikkelde apparatuur | Gebrek aan controle over het proces | Kan schade aan nanodeeltjes veroorzaken | Tijd | Schade aan nanodeeltjes (SEM) |
| Centrifugeren/re-dispersie | Zuivering | Verwijdering van stabilisatoren/onzuiverheden | Meer controle over het proces, gelijktijdige concentratie | Arbeidsintensief, vereist centrifuge | Kan aggregatie of agglomeratie veroorzaken | Rotatiesnelheid van de centrifuge, hoeveelheid oplosmiddel | Agglomeratie/ aggregatie/ schade aan nanodeeltjes (SEM) |
| Drop casting (ophanging) | Geleidende NP's zonder gevoelige buitenlaag | Relatief dikke gecoate plek | Eenvoudige, geen ingewikkelde apparatuur | Kan inhomogene dikte geven, tijdsintensief | Suspensievoorbereiding kan gevoelige NP-schalen beschadigen | Suspensieconcentratie, oplosmiddel (bevochtigbaarheid van het substraat) | Dekking (lichtmicroscopie/XPS) |
| spin coating (suspensie) | Geleidende of niet-geleidende NP's zonder gevoelige buitenlaag | Dunne homogene laag, of enkele deeltjes | Consistente instellingen | Vereist experimentele bepaling van optimale parameters | Filter stof/onzuiverheden weg, de dekking kan inconsistent zijn | Concentratie, spin coating parameters, oplosmiddel | Voorfiltratie, dekking, laagdikte (SEM/XPS) |
| "stick and go" (poeder) | Anorganisch geleidende en niet-geleidende NPS met gevoelige buitenlaag | Poedervlek op lijm | Eenvoudig, weinig inspanning, geen ingewikkelde apparatuur | Ongeschikt voor organische of C-bevattende NP's, inconsistente filmdikte | Gevaar van NP-vrijgave in instrumenten | Fixatie van NP's op lijm | Stabiliteit onder hoge vacuümomstandigheden |
| afzetting in gat van een stomp (poeder) | XPS-analyse; geleidende/niet-geleidende organische of anorganische deeltjes | Licht geperst nanodeeltjesmonster | Geen contact met andere materialen | Geen veilige fixatie van NP's; ongeschikt voor ToF-SIMS | Dager van NP release in instrumenten | Geen | Kantel lichtjes naar de zijkant, om ervoor te zorgen dat poeder wordt verdicht |
| Geperste pellets (poeder) | Geleidende en niet-geleidende NPS, polymere NPS's | Vaste pellet | Maakt analyse van polymere NP's als poeder mogelijk | Kan het NP-oppervlak beschadigen of verontreinigen | Materialen moeten grondig worden gereinigd om oppervlakteverontreiniging te voorkomen; kan het oppervlak beschadigen | Grootte, druk, tijd | Stabiliteit onder hoge vacuümomstandigheden |
| Cryofixatie (suspensie) | NP-suspensies met gevoelige ligandlaag; biologische monsters | Vast monster | Conserveert morfologie, inheemse biologische toestand en corona, vermindert koffieringeffect | Geavanceerde en dure voorbereiding en monsterbehandeling, vereist bekwame gebruiker | hoge mate van vaardigheden die vereist zijn voor monsterbehandeling en monsteropslag | Concentratie, druppelgrootte, temperatuur | Behoud van vitrificatie |
Tabel 2: Vergelijking van verschillende monstervoorbereidingsmethoden.
Figuur 1: Reinigingsproces voor Si wafers. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: XP spectra van Si wafer voor en na reiniging. Enquête voor (grijs) en na (rood) reinigen, waaruit de afname van de koolstofhoeveelheid blijkt van 13 bij% naar 2 bij%. De spectra werden verkregen met een Kratos Supra DLD (Manchester, UK) met een monochromatische Al Kα straling. De monsters werden bevestigd met dubbelklevende tape op de monsterhouder, pass-energie was 80 eV, stapbreedte 1 eV, verblijftijd 500 ms. Er werd gebruik gemaakt van de "hybride lensmodus". De röntgenvlekgrootte was 300 x 700 μm². Een overstromingskanon werd gebruikt voor de compensatie van de aanklacht. Voor kwantitatieve analyse werd het softwarepakket UNIFit 202050 gebruikt, met behulp van de piekgebieden van de overeenkomstige foto-elektronpieken gecorrigeerd met een Tougaard-achtergrond en genormaliseerd met Scofield-factoren, inelastische gemiddelde vrije paden en de transmissiefunctie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Effect van UV/Ozon reiniging op de homogeniteit van deeltjesdispersie in de drop-casting van PTFE-PMMA core-shell nanodeeltjes uit waterige suspensie. De met UV/ozon gereinigde wafels vertonen een significante afname van koffieringen, evenals een betere hechting van de deeltjes aan het oppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Behandelingsopties voor het verwijderen van onzuiverheden (bijv. stabilisatoren) uit suspensies van nanodeeltjes SEM-beelden die het effect van dialyse (rechtsboven) en centrifugering en re-dispersie in drievoud (rechtsonder) op 60 nm Au-Ag core-shell nanodeeltjes laten zien. De nanodeeltjes worden duidelijk beschadigd door de dialyse, terwijl centrifugeren geen zichtbaar effect heeft. Alle schaalbalken zijn 100 nm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Optische microscoopbeelden van drop-casting van Au-Ag core-shell nanodeeltjes met een diameter van 60 nm uit waterige suspensie op siliciumwafers, die voldoende dekking tonen na 13 druppels. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Spin-coated nanodeeltjessuspensie, voor (links) en na (rechts) filtratie met een spuitfilter van 0,45 μm. De verbetering van de kwaliteit na filtratie is duidelijk te zien. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: SEM-beelden en XPS-spectra van PMMA-PTFE core-shell nanodeeltjes spin-cast in verschillende concentraties, die het effect van substraatpieken (van onvoldoende dekking) op de XPS-spectra laten zien. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Principal Component Analysis (PCA) score plot, afgeleid van ToF-SIMS spectra van glycerol- en PDMS-gecoate Al2O3-TiO2 core-shell NP's. (A) Schematische np-structuur; (B) Scores en (C) Laadplots na ToF-SIMS analyse van drop-cast (dispersie) en "stick-and go" (poeder) bereidingsmethoden. PC1 vertegenwoordigt pieken die correleren met PDMS-fragmenten; PC2 scheidt monsters met een organische coating (monsters bereid uit poeder) van Al2O3-pieken schijnbaar zonder oppervlaktecoating. Spectra werden gemeten in positieve modus op een IONTOF ToF-SIMS IV instrument (ION-TOF GmbH, Münster, Duitsland) in de spectrometriemodus (HCBU) met een 25 kV Bi3+ ionenbundel met een maximale dosisdichtheid van 1012 ionen/cm2. Een gezichtsveld van 150 x 150 μm werd gescand in zaagtandmodus met 125 x 125 pixels. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Sectie van ToF-SIMS massaspectra van TiO2 NP's . (A) bereid uit poeder met de "stick and go"-methode en (B) na cryofixatie van de NP-dispersie. Een ToF-SIMS instrument (ION-TOF V; Ion-TOF GmbH, Münster, Duitsland) werd gebruikt voor massaspectrometrieanalyses met een gepulseerd 30 keV Bi3+ vloeibaar metaalionenpistool (LMIG, gelijkstroom (dc), 16 nA). Elk spectrum werd verkregen door de ionenbundel te scannen over een monstergebied van 500 × 500 μm. Positieve secundaire ionen werden verkregen in het massabereik 0-1.200 Da met behulp van 106 Bi3+ pulsen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussion
Er zijn een aantal methoden gepresenteerd voor de voorbereiding van nanodeeltjes voor oppervlakteanalyse met XPS en ToF-SIMS. We hebben de voor- en nadelen van deze methoden, evenals mogelijke bronnen van fouten en geschiktheid voor verschillende materialen, samengevat in tabel 2. Zoals blijkt uit de representatieve resultaten, kan de bereiding van nanodeeltjes het succes van de resulterende oppervlakteanalyse sterk beïnvloeden. Bovendien zijn niet alle methoden geschikt voor alle deeltjestypen vanwege factoren zoals signaalinterferentie met het substraat of montagematerialen, oplaadeffecten in niet-geleidende dikke films, toestand van de nanodeeltjes als poeder of suspensie, mogelijke schade aan gevoelige buitenlagen, vernietiging van biologische structuren en informatie over aggregatie en interfaces, of kwetsbaarheid van gevoelige ultrahoogvacuüminstrumenten voor vrije nanodeeltjes.
Omdat XPS- en ToF-SIMS-metingen gemiddeld over een gebied gaan in plaats van afzonderlijke deeltjes te meten, is het alleen mogelijk om reproduceerbare resultaten te verkrijgen van homogene lagen; aggregatie of agglomeratie van de deeltjes op het substraat moet daarom worden vermeden. Bovendien veroorzaken te dikke lagen niet-geleidende materialen laadeffecten tijdens de analyse, wat kan leiden tot ongewenste artefacten in de spectra, vooral gedeeltelijke lading die niet kan worden gecompenseerd met een overstromingskanon. Aan de andere kant vertonen onvolledige films sterke signalen van het substraat of bevestigingsmaterialen (bijvoorbeeld lijmen), die gevoelige pieken van het deeltjesoppervlak kunnen verstoren. De ideale dikte van de film is materiaalafhankelijk en moet experimenteel worden bepaald door analyse van films van verschillende diktes. In het bijzonder moeten monsters die zijn bereid met behulp van spincoating worden geanalyseerd met SEM om de volledigheid van de coating te garanderen.
Werken met NP-suspensies brengt minder blootstellingsrisico's en veiligheidseisen met zich mee in vergelijking met het werken met NP-poeders. Drop-casting is een relatief eenvoudige methode met lage apparatuurvereisten en is met name geschikt voor geleidende nanodeeltjes in suspensie waar filmdikte geen probleem is. Hoewel de monsters gemakkelijk kunnen worden gedroogd onder atmosferische omstandigheden, dient de vacuümsiccator om de droogtijd voor de druppels te verkorten en de wafers te beschermen tegen verontreiniging. De Viton-ring wordt gebruikt om de verdampingspatronen van de druppel te wijzigen en daardoor de vorming van koffieringen te minimaliseren. Verdampingspatronen kunnen ook worden beïnvloed door de hydrofiiliteit van het substraat te variëren met behulp van reinigingsprotocollen of door het aanbrengen van alternatieve coatings51,52, door verdamping in oplosmiddelatmosferen53 of zelfs door het substraat te verwarmen54. Spin-coating wordt aanbevolen voor suspensies van niet-geleidende nanodeeltjes in suspensie omdat het in staat is om een homogene deeltjeslaag te genereren die dun genoeg is om oplaadeffecten te voorkomen, maar nog steeds dik genoeg om te voorkomen dat het Si-substraat bijdraagt aan de XPS- en ToF-SIMS-spectra. Voor elk afzonderlijk NP-systeem en elke concentratie moeten zowel de centrifuge- als de spincoatingparameters worden geoptimaliseerd, maar kunnen dan zeer betrouwbaar worden gereproduceerd, zelfs op verschillende instrumenten. Omdat de spin-coated druppel zich altijd in het midden van de wafer bevindt, is de rotatieradius irrelevant en kan de eenheid "omwentelingen per minuut" (rpm) worden gebruikt. De schorsing kan ook na het starten van het programma op de wafer worden gedeponeerd; dit zou echter verschillende spin-coatingparameters en een grotere hoeveelheid suspensie vereisen om een dikkere coating te verkrijgen.
Vanwege hun extreem kleine formaat kunnen nanodeeltjes loskomen van het substraat en vrij bewegen in de ultrahoge vacuümkamer wanneer ze worden beïnvloed door een ionen- of röntgenstraal. Dit is met name een probleem voor monsters bereid met poeder. In sommige gevallen kunnen de nanodeeltjes doordringen in de gevoelige componenten van het instrument die duur en tijdrovend onderhoud vereisen. Door de toegepaste acceleratiespanning is het gevaar van beschadiging van gevoelige onderdelen bij ToF-SIMS groter dan bij XPS. Poedervormige monsters, met name die bereid met behulp van de "stick and go" -methode, moeten zorgvuldig worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de poeders veilig genoeg worden bevestigd, vooral voor ToF-SIMS-analyse. Dit kan bijvoorbeeld worden bevestigd door het monster ondersteboven te houden en er een gasstroom (bijvoorbeeld N2) overheen te blazen. Voorafgaand aan de analyse kunnen de monsters ook 's nachts in de luchtsluis of een andere initiële monsterinvoerkamer van het instrument worden achtergelaten, waar een stabiel vacuüm kan aangeven dat er geen losse deeltjes uit het monster komen. Nanodeeltjes bereid als pellets kunnen echter zelfs worden gesputterd (bij lage versnellingsspanningen) zonder het instrument te beschadigen; deze methode kan verontreinigingen, met name koolwaterstoffen, die uit de pers worden geïntroduceerd, elimineren en kan ook bulkanalyse van de deeltjes mogelijk maken.
Bereiding van NP-poeders in de monsterhouderstomp maakt het mogelijk monsters te bereiden met een gedefinieerde geometrie en een macroscopisch vlak oppervlak. Kritieke punten zijn de reinheid van het gereedschap voor het persen van het monster en het gebruik van een lage druk om veranderingen in het oppervlak van de nanodeeltjes als gevolg van deze procedure te voorkomen. Het heeft de nadelen van het nodig hebben van een relatief grote hoeveelheid materiaal en potentiële problemen met materiaalverlies in hoogvacuüminstrumenten. We raden deze methode niet aan voor ToF-SIMS-analyse, omdat de deeltjes op geen enkele manier worden samengeperst of beveiligd.
Met betrekking tot het NP-materiaal is de eerste overweging voor monstervoorbereiding het elimineren of minimaliseren van interferentie tussen NP's en substraten van vergelijkbaar materiaal; Si-wafers zijn bijvoorbeeld een ongeschikt substraat voor analyse van SiO2 NP's met XPS en ToF-SIMS, zelfs met voldoende monsterdekking. Metallische of anorganische nanodeeltjes kunnen gemakkelijk worden geanalyseerd als poeder op een kleefstof (ervan uitgaande dat ze geen organische lagen of coatings bevatten) vanwege het gebrek aan signaalinterferentie tussen de nanodeeltjes en de dubbelzijdige kleefstof, een bereidingsmethode die ongeschikt zou zijn voor polymere NP's. Metalen nanodeeltjes hebben meer flexibiliteit in termen van mogelijke filmdikte die wordt gebruikt vanwege de afwezigheid van oplaadeffecten, en kan met relatief weinig apparatuur worden gedropt; ze bevatten echter waarschijnlijk grote hoeveelheden onzuiverheden en stabilisatoren uit hun synthese, die zorgvuldig moeten worden verwijderd zonder de deeltjes te beschadigen. Polymere nanodeeltjes kunnen gemakkelijker worden beschadigd door het persen van matrijzen, maar kunnen ook gemakkelijker bij elkaar blijven in de pellet, afhankelijk van de gebruikte druk. Pellets of zachte organische coatings op het NP-oppervlak kunnen ook schadegevoelig zijn. Directe afzetting uit de oplossing heeft het potentieel om gevoelige coatings te beschadigen, hetzij door de suspensie of het droogproces, maar is voordelig voor het analyseren van NP's die al in suspensie aanwezig zijn. Cryofixatie is een geschikte methode voor de analyse van chemische structuren, oppervlakken of interfaces in suspensie die zouden worden beschadigd of vernietigd door verschillende andere monstervoorbereidingstechnieken, maar vereist een gespecialiseerde cryo-uitrusting voor zowel XPS als ToF-SIMS46'47.
Hoewel dit artikel verschillende voorbeeldige methoden beschrijft die kunnen worden gebruikt voor monstervoorbereiding, moet de methode in elk geval worden geoptimaliseerd en gevalideerd met behulp van alternatieve analysemethoden. Onlangs is een gedetailleerd overzicht van de invloed van verschillende factoren gepubliceerd22. Naast de ontwikkeling en validatie van geschikte bereidingsmethoden is ook de documentatie van deze stappen van het grootste belang40. Deze publicatie presenteert enkele eenvoudig te hanteren methoden en is een gids om nieuwe methoden aan te passen of te ontwikkelen volgens de vereisten van de specifieke taak.
Disclosures
De auteurs hebben geen tegenstrijdige belangen om bekend te maken.
Acknowledgments
Dit project heeft financiering ontvangen van het Horizon 2020-programma van de Europese Unie (H2020) onder subsidieovereenkomst nr. 720952 (ACEnano). De auteurs willen Sigrid Benemann bedanken voor SEM-metingen, Markus Schneider voor ToF-SIMS-metingen en PCA en Philipp Reichardt voor hulp bij het filmen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 4-figure Laboratory balance | Kern & Sohn GmbH | ADB200-4A | |
| 5 mm Pellet die | Specac | GS03060 | |
| Alkali glass cleaning solution | Sigma-Aldrich | Hellmanex™ III Z805939 | Special cleaning solution for cuvettes |
| Carbon adhesive tabs | Plano | "Leit-Tabs" G3347 | |
| Clean laboratory beakers | any | e.g. 300 mL | |
| Cryo-freezer | Electron Microscopy Sciences | EMS-002 Cryo Workstation | |
| Dialysis tube with fasteners | Medicell Membranees Ltd | DTV12000.06.30 | Molecular weight cut-off (MWCO) 12-14 kDa |
| Die press | any | Capable of 2 kN force | |
| Disposable syringe, 1 mL, Luer-slip | TH Geyer | Labsolute 7657545 | Any appropriate volume can be used |
| Double-sided adhesive | 3M | Removable Repositionable Tape 665 | |
| Dry ice | Linde AG | ICEBITZZZ® | For short term storage/cooling |
| Eppendorf transfer pipette and tips | Eppendorf | various | Check correct size for planned pipetting volume |
| Ethanol, ACS grade | Merck KGaA | 1009832500 | |
| FFP2 or FFP3 mask | various | For working with nanoparticles from non-hazardous materials, when not in a fume hood or glove box | |
| Isopropanol, ACS grade | Merck KGaA | 1096342500 | |
| Lab coat, gloves and goggles | any | ||
| Laboratory centrifuge | Eppendorf | Centrifuge 5430 | |
| Laboratory fume hood | any | necessary for working with nanoparticles | |
| Laboratory stirrer & stirrer bar | NeoLab | D-6010 | |
| Lint-free wipes | Kimberley Clark Professional | Kimtech Science Precision wipes | Recommended for working with Si wafers |
| Liquid Nitrogen | Linde AG | Stickstoff flüssig 5.0 | Only for cooling of the cryogen. |
| Microtube/centrifuge tube 1,5 mL | T.H. Geyer GmbH & Co. KG | Labsolute 7696751 | |
| Nitrogen 5.0 | any | 99.999% purity | |
| Pasteur pipette, PE, plastic 3 mL | TH Geyer | Labsolute 7 691 203 | |
| Pasteur pipette, PE, plastic 3 mL | TH Geyer | Labsolute 7 691 203 | |
| Powder sample holder | BAM workshop | "Home-made" sample holder | |
| Propane | Sigma-Aldrich | 769037 | The cryogen should be of highest possible purity. |
| Sample vial or centrifuge tube 1 mL | Greiner Bio-One GmbH | Cellstar 188 261 | Should be capable of being fixed in the Vortexer |
| Silicon wafers | any | ideally 1cm2 pre-cut | |
| Spin-coater | SPS Europe | SPIN150i-NPP | |
| Syringe filter 0,45 µm | Th Geyer | Labsolute 7699803 | For smaller samples; larger versions exist for larger sample volumes |
| ToF-SIMS | IONTOF GmbH | ToF-SIMS IV or V, equipped with Bi LMIG and flood gun | |
| Tweezers for handling Si wafers | any | ||
| ultrapure water | TKA | MicroPure 08.1202 | |
| Ultrasonicator | Bandelin | Sonorex Super | |
| UV/Ozone cleaner | NanoBioAnalytics | UVC-1014 | |
| Vacuum dessicator | any | ||
| Vacuum pump (membrane/diaphragm) | Vacuubrand GmbH | Type MD-4T | |
| Viton O-ring 6.07 x 1.78 mm | Betech GmbH | 2-010, FKM 80 | |
| Vortexer | Heathrow Scientific | Vortexer HS120212 | |
| Wafer Holder 25mm coin style | Semiconductor Production Systems Europe | eWB0091-ASSY-1 | |
| XPS | Kratos | Kratos Axis Ultra DLD |
References
- ISO/TS 18110:2015 in Nanotechnologies - Vocabularies for science, technology and innovation indicators. International Organization for Standardization. , Available from: https://www.iso.org/obp/ui/iso:std:61482:en (2015).
- Valsami-Jones, E., Lynch, I.
- EU Regulation Commission. Commission Regulation (EU) 2018/1881. Official Journal of the European. , (2018).
- Rotello, V. Nanoparticles: Building Blocks for Nanotechnology. , 9042-9046 (2004).
- ACEnano Analytical and Characterisation Excellence. , Available from: http://www.acenano-project.eu/ (2020).
- Mulvaney, P., Parak, W. J., Caruso, F., Weiss, P. S.
- Müller, A., et al. Determining the thickness and completeness of the shell of polymer core-shell nanoparticles by X-ray photoelectron spectroscopy, secondary ion mass spectrometry, and transmission scanning electron microscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (49), 29765-29775 (2019).
- Powell, C. J., Werner, W. S. M., Shard, A. G., Castner, D. G. Evaluation of Two Methods for Determining Shell Thicknesses of Core-Shell Nanoparticles by X-ray Photoelectron Spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (39), 22730-22738 (2016).
- Shirasaki, Y., Supran, G. J., Bawendi, M. G., Bulović, V. Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nature Photonics. 7 (1), 13-23 (2013).
- Smijs, T. G., Pavel, S. Titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles in sunscreens: focus on their safety and effectiveness. Nanotechnology, Science and Applications. 4, 95-112 (2011).
- Medintz, I. L., Uyeda, H. T., Goldman, E. R., Mattoussi, H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nature Materials. 4 (6), 435-446 (2005).
- Byrne, J. D., Betancourt, T., Brannon-Peppas, L. Active targeting schemes for nanoparticle systems in cancer therapeutics. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (15), 1615-1626 (2008).
- Serpell, C. J., Cookson, J., Ozkaya, D., Beer, P. D. Core@shell bimetallic nanoparticle synthesis via anion coordination. Nature Chemistry. 3 (6), 478-483 (2011).
- Izak-Nau, E., et al. Impact of storage conditions and storage time on silver nanoparticles' physicochemical properties and implications for their biological effects. RSC Advances. 5 (102), 84172-84185 (2015).
- Widdrat, M., et al. Keeping Nanoparticles Fully Functional: Long-Term Storage and Alteration of Magnetite. ChemPlusChem. 79 (8), 1225-1233 (2014).
- Gorham, J. M., et al. Storage wars: how citrate-capped silver nanoparticle suspensions are affected by not-so-trivial decisions. Journal of Nanoparticle Research. 16 (4), 2339 (2014).
- Velgosová, O., Elena, Č, Malek, J., Kavuličová, J. Effect of storage conditions on long-term stability of Ag nanoparticles formed via green synthesis. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 24, (2017).
- Zaloga, J., et al. Different storage conditions influence biocompatibility and physicochemical properties of iron oxide nanoparticles. International Journal of Molecular Sciences. 16 (5), (2015).
- Benettoni, P., et al. Identification of nanoparticles and their localization in algal biofilm by 3D-imaging secondary ion mass spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 34 (6), 1098-1108 (2019).
- Ndlovu, G. F., et al. Epitaxial deposition of silver ultra-fine nano-clusters on defect-free surfaces of HOPG-derived few-layer graphene in a UHV multi-chamber by in situ STM, ex situ XPS, and ab initio calculations. Nanoscale Research Letters. 7 (1), 173 (2012).
- Caprile, L., et al. Interaction of l-cysteine with naked gold nanoparticles supported on HOPG: a high resolution XPS investigation. Nanoscale. 4 (24), 7727-7734 (2012).
- Baer, D. R., et al. Chapter 4.2 - Preparation of nanoparticles for surface analysis. Characterization of Nanoparticles. , 295-347 (2020).
- Škvarla, J., Kaňuchová, M., Shchukarev, A., Girová, A., Brezáni, I. Cryo-XPS - A new technique for the quantitative analysis of the structure of electric double layer at colloidal particles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 586, 124234 (2020).
- Shchukarev, A., Ramstedt, M. Cryo-XPS: probing intact interfaces in nature and life. Surface and Interface Analysis. 49 (4), 349-356 (2017).
- Suhard, D., et al. Intracellular uranium distribution: Comparison of cryogenic fixation versus chemical fixation methods for SIMS analysis. Microscopy Research and Technique. 81 (8), 855-864 (2018).
- Piwowar, A. M., et al. Effects of cryogenic sample analysis on molecular depth profiles with TOF-secondary ion mass spectrometry. Analytical Chemistry. 82 (19), 8291-8299 (2010).
- Winograd, N., Bloom, A. Sample preparation for 3D SIMS chemical imaging of cells. Methods in Molecular Biology. 1203, Clifton, N.J. 9-19 (2015).
- Schaepe, K., et al. Characterization of Nanoparticles. , 481-509 (2020).
- Managing nanomaterials in the workplace. European Agency for Safety and Health at Work. , Available from: https://osha.europa.eu/en/emerging-risks/nanomaterials (2020).
- European Union Programme for Employment and Social Solidarity. Working safely with manufactured nanomaterials: guidance for workers. European Union Programme for Employment and Social Solidarity. , (2014).
- Recommendation of the council on the safety testing and assessment of manufactured nanomaterials in C(2019)55/REV1. , Available from: https://legalinstruments.oecd.org/en/instruments/298 (2013).
- Working safely with nanomaterials in research and development. NanoSafety Partnership Group. , Available from: https://www.safenano.org/media/64896/Working_Safely_with_Nanomaterials_-_Release_200_-_Aug2012.pdf (2012).
- La Spina, R., Spampinato, V., Gilliland, D., Ojea-Jimenez, I., Ceccone, G. Influence of different cleaning processes on the surface chemistry of gold nanoparticles. Biointerphases. 12 (3), 031003 (2017).
- Belsey, N. A., et al. Versailles Project on Advanced Materials and Standards Interlaboratory Study on Measuring the Thickness and Chemistry of Nanoparticle Coatings Using XPS and LEIS. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (42), 24070-24079 (2016).
- Ghomrasni, N. B., Chivas-Joly, C., Devoille, L., Hochepied, J. F., Feltin, N. Challenges in sample preparation for measuring nanoparticles size by scanning electron microscopy from suspensions, powder form and complex media. Powder Technology. 359, 226-237 (2020).
- Lu, P. J., et al. Methodology for sample preparation and size measurement of commercial ZnO nanoparticles. Journal of Food and Drug Analysis. 26 (2), 628-636 (2018).
- Allen, T. Powder Sampling and Particle Size Determination. , Elsevier Science. 1-55 (2003).
- Allen, T. Particle Size Measurement. Powder Technology Series. , Springer. (1981).
- Brittain, H. G. Pharmaceutical Technology. 67-73, (2002).
- ISO. Part 4: Reporting information related to the history, preparation, handling and mounting of nano-objects prior to surface analysis. ISO. , (2018).
- Bro, R., Smilde, A. K.
- Graham, D. J., Castner, D. G. Multivariate Analysis of ToF-SIMS Data from Multicomponent Systems: The Why, When, and How. Biointerphases. 7 (1), 49 (2012).
- Jolliffe, I. T., Cadima, J. Principal component analysis: a review and recent developments. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 374 (2065), 20150202 (2016).
- Lever, J., Krzywinski, M., Altman, N.
- Shiens, J. A tutorial on principal component analysis. , (2014).
- Fletcher, J. S., Lockyer, N. P., Vaidyanathan, S., Vickerman, J. C. TOF-SIMS 3D biomolecular imaging of xenopus laevis oocytes using buckminsterfullerene (C60) primary ions. Analytical Chemistry. 79 (6), 2199-2206 (2007).
- Fletcher, J. S., Rabbani, S., Henderson, A., Lockyer, N. P., Vickerman, J. C. Three-dimensional mass spectral imaging of HeLa-M cells - preparation, data interpretation and visualisation. Rapid Communications in Mass Spectrometry: RCM. 25 (7), 925-932 (2011).
- Malm, J., Giannaras, D., Riehle, M., Gadegaard, N., Sjövall, P. Fixation and Drying Protocols for the Preparation of Cell Samples for Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry Analysis. Analytical Chemistry. 81, 7197-7205 (2009).
- Chandra, S. Challenges of biological sample preparation for SIMS imaging of elements and molecules at subcellular resolution. Applied Surface Science. 255, 1273-1284 (2008).
- Hesse, R., Bundesmann, C., Denecke, R. Automatic spike correction using UNIFIT 2020. Surface and Interface Analysis. 51 (13), 1342-1350 (2019).
- Lee, H. H., Fu, S. C., Tso, C. Y., Chao, C. Y. H. Study of residue patterns of aqueous nanofluid droplets with different particle sizes and concentrations on different substrates. International Journal of Heat and Mass Transfer. 105, 230-236 (2017).
- Lin, S. Y., Yang, K. C., Chen, L. J. Effect of surface hydrophobicity on critical pinning concentration of nanoparticles to trigger the coffee ring formation during the evaporation process of sessile drops of nanofluids. Journal of Physical Chemistry. C. 119 (6), 3050-3059 (2015).
- Majumder, M., et al. Overcoming the "Coffee-Stain" effect by compositional marangoni-flow-assisted drop-drying. Journal of Physical Chemistry. B. 116 (22), 6536-6542 (2012).
- Zhong, X., Wu, C. L., Duan, F. From enhancement to elimination of dual-ring pattern of nanoparticles from sessile droplets by heating the substrate. Applied Thermal Engineering. 115, 1418-1423 (2017).
