Name: 用于ToF-SIMS和XPS分析的纳米颗粒的制备 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 24 s
Description: 学习纳米颗粒表面分析的制备方法，包括滴铸、旋涂、粉末沉积和冷冻固定技术。这些方法适用于ToF-SIMS和XPS分析，帮助研究人员获得可靠的表征结果并避免伪影。

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本项目获得了欧洲联盟“地平线2020”计划（H2020）的资助，资助协议编号为720952（ACEnano）。作者谨此感谢Sigrid Benemann提供的扫描电镜（SEM）测量支持，Markus Schneider提供的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）测量与主成分分析（PCA）支持，以及Philipp Reichardt在拍摄过程中提供的协助。

警告：纳米颗粒的毒理学特性仍在研究中；由于其尺寸，即使由本质上无害的材料组成，纳米颗粒在人体和环境中也可能带来独特的危害。在开展任何涉及纳米颗粒的工作之前，应完成适当的风险评估，并根据所研究材料的危害等级，采取相应的工程控制措施、实验室操作规程和个人防护装备（PPE）29,30,31,32。
1. 硅片的制备
注意：这些步骤对于去除不需要的（有机）污染物并提高表面润湿性是必要的。所使用的所有溶剂应至少为ACS级。标准超声波清洗机（35 kHz和120瓦）即可满足要求。
<ol>
	<li>硅片的湿法化学清洗
	<ol>
		<li>将硅片放入盛有异丙醇的烧杯中，超声处理5分钟。</li>
		<li>将硅片转移至盛有碱性玻璃清洗液的烧杯中，超声处理10分钟。</li>
		<li>将硅片放入盛有超纯水的烧杯中。通过倾倒并重新加水的方式换水10次；由于毛细作用，硅片会始终停留在烧杯底部。</li>
		<li>用洁净的N2气体吹干硅片。 
		注意：使用N2吹干可防止水分蒸发时形成“咖啡环”及其他水渍残留物。</li>
		<li>将硅片放入第二个盛有异丙醇的烧杯中，超声处理10分钟。</li>
		<li>用洁净的N2气体吹干硅片。</li>
		<li>将硅片放入盛有乙醇的烧杯中，超声处理10分钟。</li>
		<li>用洁净的N2气体吹干硅片。此步骤后可暂停实验流程。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>硅片的等离子体或紫外/臭氧清洗
	<ol>
		<li>将硅片放入等离子体清洗仪或紫外/臭氧清洗仪中，开启设备处理30分钟。 
		注意：硅片应在使用前立即进行等离子体或紫外/臭氧清洗。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 来自悬浮液的纳米颗粒沉积
注意：纳米颗粒最常见的暴露途径是通过吸入。使用悬浮液可降低暴露风险。
<ol>
	<li>从粉末制备纳米颗粒悬浮液 
	注意：此处描述的所有用量均为示例，应根据每种具体使用的纳米颗粒对方法进行优化。
	<ol>
		<li>准确称取15 mg纳米颗粒粉末（±10%）至10 mL离心管中。</li>
		<li>准确加入约8 mL超纯水。</li>
		<li>盖紧管盖，用纸巾包裹后放入50 mL离心管中，置于涡旋振荡器中以3,000 rpm处理15分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>从水相悬浮液中滴铸导电性纳米颗粒
	<ol>
		<li>将晶圆放入紫外/臭氧清洗仪中处理30分钟。</li>
		<li>将晶圆置于晶圆夹具的一半中，并在环形区域中心滴加3 µL纳米颗粒悬浮液。</li>
		<li>在晶圆上液滴周围安装一个直径为6.07 mm的Viton O型圈，注意O型圈不得接触液滴。</li>
		<li>将晶圆置于真空干燥器中，在4 mbar真空条件下干燥15分钟。</li>
		<li>从干燥器中取出晶圆，使用光学显微镜和X射线光电子能谱（XPS）进行检测，确认颗粒层均匀且致密。重复步骤2.2.1和2.2.2，直至分析结果显示形成连续且均匀的薄膜。此步骤可暂停。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>从水相悬浮液中旋涂非导电性纳米颗粒
	<ol>
		<li>将晶圆放入紫外/臭氧清洗仪中处理30分钟。 
		注意：通过使用相同方案旋涂不同浓度的悬浮液，可实现不同程度的表面覆盖率。</li>
		<li>设置旋涂仪程序。一个合适的示例程序为：第一步：以500 rpm/s加速至1,000 rpm（5 s）；第二步：以1,000 rpm/s加速至2,000 rpm（3 min）；第三步：以2,000 rpm/s减速至0 rpm。</li>
		<li>将晶圆装入旋涂仪中，并开启真空固定。</li>
		<li>在晶圆表面滴加80 µL悬浮液，启动程序。</li>
		<li>从旋涂仪中取出晶圆。</li>
		<li>将样品存放在新的洁净晶圆托盘中。此步骤可暂停。</li>
		<li>使用扫描电子显微镜（SEM）分析样品，确认基底表面被完全覆盖且无间隙。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 从粉末中沉积纳米颗粒
<ol>
	<li>纳米颗粒在双面胶带上的沉积（“粘贴即用”）
	<ol>
		<li>将双面胶带固定在样品台上，并移除离型纸。</li>
		<li>取少量纳米颗粒粉末（刮刀尖端的量），将其蘸取后接触胶面。</li>
		<li>用刮刀将样品在胶带上铺开，并压入胶中，尽可能使粉末牢固粘附。</li>
		<li>通过翻转并轻敲样品台，以及用气流（例如氮气）吹扫表面，检查粉末是否已牢固附着。此步骤可暂停。 
		注：也可将少量粉末置于清洁表面（铝箔或玻璃载片）上，再从上方用带有双面胶的样品台压紧。</li>
		<li>将少量粉末（刮刀尖端的量）置于清洁表面上，再将带胶的样品台从上方压在粉末上。</li>
		<li>通过翻转并轻敲样品台，以及用气流（例如氮气）吹扫表面，检查粉末是否已牢固附着。此步骤可暂停。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>压片粉末样品的制备
	<ol>
		<li>彻底清洁压片模具的所有部件，注意避免划伤抛光表面。</li>
		<li>将压片模具倒置，放置在小垫片上。</li>
		<li>插入冲头和一片不锈钢垫片（抛光面朝上），拉动冲头直至模具内有足够空间填充粉末样品。</li>
		<li>向模具中加入少量样品（约一大刮刀尖端的量），然后插入第二片不锈钢垫片，使其抛光面朝向样品。</li>
		<li>将底座装到模具主体上，小心翻转。如需且有条件使用真空，将真空泵连接至压片模具的底座。</li>
		<li>将模具放入压片机中，确保其居中放置。</li>
		<li>施加轻载荷（2 kN）约 20 秒，然后释放。</li>
		<li>施加较重载荷（6 kN）保持 2 分钟，然后释放。</li>
		<li>卸载后，关闭真空泵。 
		注：由于不同纳米材料的物理性质各异，建议制备一系列在不同压力和保压时间下成型的压片，以确定最佳压片条件。</li>
		<li>将模具翻转，装入顶出环，并在冲头与顶出环之间施加轻压（不超过 1 kN）。</li>
		<li>从压片机中取出模具部件，用镊子小心取出样品压片。</li>
		<li>使用双面胶将样品轻轻固定在清洁的硅片上。此步骤可暂停。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 纳米颗粒悬浮液的冷冻固定
<ol>
	<li>用液氮填充快速冷冻装置的主腔室。</li>
	<li>向已冷却的快速冷冻腔室中加入冷冻剂（丙烷）。</li>
	<li>使快速冷冻装置冷却至其工作温度。 
	注意：快速冷冻装置在样品制备前需要一定时间达到工作温度，因此冷冻固定样品需预留合理的时间（数小时）。</li>
	<li>用移液器将10–20 µL的纳米颗粒悬浮液滴加到已清洁的硅片上。</li>
	<li>用固定镊子夹持硅片，将其放入浸入式冷冻装置中。</li>
	<li>将固定镊子移至浸入位置。</li>
	<li>按下按钮，将样品投入冷冻剂中。</li>
	<li>等待数秒，直至样品完全冻结。</li>
	<li>尽快将冷冻后的样品转移至低温环境中。</li>
	<li>将冷冻固定的样品（硅片）装入样品台，并转移至仪器内。 
	注意：运输过程中建议使用干冰，样品可短期保存。样品可在冷冻状态下使用冷却仪器进行分析，或在经冷冻干燥稳定处理后，采用常规的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）条件进行检测。</li>
</ol>

作者声明无竞争利益需要披露。

已有多种方法用于制备适用于XPS和ToF-SIMS表面分析的纳米颗粒。我们已在表2中总结了这些方法的优缺点、可能的误差来源以及对不同材料的适用性。如代表性结果所示，纳米颗粒的制备方式会显著影响最终表面分析的成功与否。此外，由于基底或固定材料的信号干扰、非导电厚膜的荷电效应、纳米颗粒处于粉末或悬浮状态、可能对敏感外层造成损伤、生物结构及有关聚集和界面信息的破坏，以及敏感的超高真空仪器易受游离纳米颗粒影响等因素，并非所有方法都适用于所有类型的颗粒。
由于XPS和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）测量是对一定面积进行平均，而非针对单个颗粒进行测量，因此只有在均质层上才能获得可重复的结果；因此应避免颗粒在基底上发生聚集或团聚。此外，过厚的非导电材料层在分析过程中会产生电荷积累效应，可能导致谱图中出现不希望的伪影，尤其是无法通过电荷中和枪完全补偿的部分充电现象。另一方面，不完整的薄膜会显著显示出基底或固定材料（如粘合剂）的信号，可能干扰来自颗粒表面的敏感峰。薄膜的理想厚度取决于具体材料，应通过分析不同厚度薄膜的实验结果来确定。特别是采用旋涂法制备的样品，应使用扫描电子显微镜（SEM）进行分析，以确认涂层的完整性。
与处理纳米颗粒粉末相比，操作纳米颗粒悬浮液具有更少的暴露危害和更低的安全要求。滴涂法是一种设备需求较低且相对简单的方法，特别适用于对膜厚度无要求的导电性纳米颗粒悬浮液。虽然样品可在常压条件下轻松干燥，但使用真空干燥器有助于缩短液滴干燥时间，并保护晶圆免受污染。使用氟橡胶（Viton）环可改变液滴的蒸发模式，从而最大限度地减少咖啡环的形成。此外，还可通过采用不同的清洗方案调节基底亲水性，或施加其他涂层51,52、在溶剂气氛中蒸发53，甚至加热基底54等方式来调控蒸发模式。对于非导电性纳米颗粒悬浮液，推荐使用旋涂法，因其能够形成均匀的颗粒层，厚度足以避免电荷效应，同时又足够薄，以防止硅基底对XPS和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）信号产生干扰。针对每一种特定的纳米颗粒体系及其浓度，离心和旋涂参数均需优化，但一旦确定，即可在不同仪器上高度可靠地重复使用。由于旋涂时液滴始终位于晶圆中央，旋转半径无关紧要，因此可直接使用“每分钟转数”（rpm）作为单位。悬浮液也可在程序启动后滴加至晶圆上，但此方法需要调整旋涂参数，并使用更多的悬浮液以获得更厚的涂层。
由于纳米颗粒的尺寸极小，在受到离子束或X射线束轰击时，可能会从基底上脱落，并在超高真空腔体内自由移动。这对于粉末制备的样品尤为严重。在某些情况下，纳米颗粒可能进入仪器的敏感部件，导致昂贵且耗时的维护需求。由于飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）所使用的加速电压较高，其对敏感部件造成损坏的风险大于X射线光电子能谱（XPS）。特别是采用“粘附转移法”（stick and go）制备的粉末样品，应仔细检查以确保粉末已牢固固定，尤其是在进行ToF-SIMS分析时。可通过例如将样品倒置并用气流（如N2）吹扫的方式确认其固定程度。在分析前，还可将样品在仪器的过渡腔室或其他初始样品引入腔室中静置过夜，若能维持稳定的真空度，则表明样品无松散颗粒。然而，压片形式制备的纳米颗粒样品即使在低加速电压下进行溅射也不会损坏仪器；该方法可去除来自压片过程的污染物（尤其是碳氢化合物），并可实现对颗粒本体的分析。
在样品台底座中制备纳米颗粒粉末，可获得具有确定几何形状和宏观平坦表面的样品。关键点包括压片工具的清洁度，以及使用低压以避免因该操作导致纳米颗粒表面发生变化。该方法的缺点是需要相对大量的材料，并且在高真空仪器中可能存在样品损失的问题。我们不推荐将此方法用于飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析，因为颗粒未被压缩或固定。
关于纳米颗粒（NP）材料，样品制备的首要考虑因素是消除或尽量减少纳米颗粒与基底材料之间的相互干扰；例如，在使用XPS和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析SiO2纳米颗粒时，即使样品覆盖充分，硅晶圆（Si wafer）也不适合作为基底。金属或无机纳米颗粒在双面胶带上以粉末形式进行分析时通常较为可行（前提是其不含有机层或涂层），因为纳米颗粒与双面胶带之间不存在信号干扰，但该方法不适用于聚合物纳米颗粒。由于不存在荷电效应，金属纳米颗粒在可选薄膜厚度方面具有更大的灵活性，且可通过滴涂法实现，所需设备相对较少；然而，这些颗粒在合成过程中可能含有大量杂质和稳定剂，必须在不损伤颗粒的前提下仔细去除。聚合物纳米颗粒可能更容易在压片过程中受损，但根据所施加压力的不同，也可能更易于在压片后保持结构完整。纳米颗粒表面的压片体或软质有机涂层也&#160;可能对损伤敏感。直接从溶液中沉积的方法可能在分散或干燥过程中损伤敏感涂层，但其优势在于适用于分析原本就处于悬浮状态的纳米颗粒。冷冻固定法适用于分析在悬浮状态下的化学结构、表面或界面，这些结构可能在其他多种样品制备技术中受损或被破坏，但该方法需要专门的冷冻设备，才能用于XPS和ToF-SIMS分析46’47。
尽管本文描述了多种可用于样品制备的典型方法，但在每种情况下，都应使用替代的分析方法对所选方法进行优化和验证。不同因素影响的详细综述最近已有发表22。除了开发和验证合适的制备方法外，对这些步骤的记录同样至关重要40。本文介绍了一些易于操作的方法，并为根据特定任务的需求修改或开发新方法提供了指导。

纳米材料是指任意外部尺寸在1 nm至100 nm之间，或在此尺度上具有内部或表面结构的材料1。由于纳米材料具有因尺寸微小及相应的高比表面积（以及其他因素）而产生的独特性质，其在农业、化学、汽车制造、化妆品、环境、医学、印刷、能源和纺织等多个领域中的应用日益广泛。这种日益增长的应用意味着人类和环境将以前所未有的规模接触到这些材料，而这些材料的毒理学特性尚未完全明确，且其尺寸使其易于进入生物或环境系统2。
在比表面积和粒径/粒径分布等基本特性之后，表面化学性质及涂层被确定为纳米材料最关键的特性3；较小的颗粒单位质量具有更大的表面积，因而表面原子与体相原子的比例更高。事实上，对于尺寸为1 nm的纳米颗粒，超过70%的原子位于角或边缘处；这显著影响诸如化学吸附等表面性质，而化学吸附高度依赖于原子尺度的表面形貌4。针对纳米材料的法规要求提供有关其理化特性的准确数据以及对其毒理学特性的可靠评估。为了从纳米材料的物理和化学性质高效地预测其毒理学特性，纳米材料领域亟需可靠、标准化且经过验证的分析方法。诸如ACEnano5等项目旨在收集并关联纳米颗粒的准确且可验证的物理数据，建立一个有助于更好监管和表征纳米材料的框架。这一推动分析方法标准化的趋势也得到了《ACS Nano》编辑们的支持，他们希望“整合并统一材料表征方法及最低分析要求6”。此外，XPS和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）为揭示核-壳纳米颗粒的粒子结构提供了新的可能性7,8。
X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）是研究表面原子的成熟方法，其比较见表1。在XPS中，样品被能量为1至2 keV的X射线照射，由于光电效应而发射出电子。这些发射电子的动能处于相同能量范围，与其在固体中的电子结合能相关；因此，在特定结合能处出现且具有可测强度的光电子信号，可用于进行定量成分分析。由于这些光电子的平均自由程小于10 nm，XPS是一种对表面极为敏感的定量分析技术。此外，对高分辨率谱图中结合能的详细分析，可实现对这些电子价态的定量测定。
在飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）中，样品表面被聚焦的离子束（一次离子）溅射，从材料中溅射出的离子（二次离子）被收集并送入飞行时间质谱仪进行分析。所获得的质荷比图谱可用于确定元素、同位素或分子组成。由于二次离子的平均自由程较短，该技术对表面极为敏感，信息深度仅为1–2 nm；但由于基质效应的影响，其定量能力最多仅为半定量水平，即二次离子的电离概率（因而产率）强烈依赖于其周围的基质环境。ToF-SIMS 可在静态或动态模式下运行，两者之间的区别在于入射到表面的一次离子通量。静态 SIMS 将一次离子通量控制在仅影响（即破坏）表面最多1%–10%的水平，使表面保持相对完整，从而实现对材料最表层原子层的分析。尽管如此，静态 SIMS 仍会对表面造成一定程度的破坏，因此相较于其他方法，其“非破坏性”程度较低。
这些对表面敏感的技术可用于分析材料最表层的几个纳米，包括有意或无意的涂层，而这些涂层对于纳米材料而言会显著影响其材料特性。有意涂层的例子包括：用于提高量子点的光致发光量子产率并降低其环境反应活性的封端层9；用于防止防晒剂中二氧化钛纳米颗粒光催化活性的氧化铝或二氧化硅涂层10；实现生物偶联及后续生物活性的表面功能化修饰11；用于诊断和药物递送应用的涂层12；以及用于磁性流体和核-壳金属体系的氟碳涂层，以增强催化剂性能13。无意涂层，例如氧化、表面污染或生物系统中的蛋白冠，同样会显著影响纳米颗粒的性质，因此至关重要的是，实验制备过程必须确保纳米材料的涂层以及更广义上的表面化学性质不被破坏或发生转化。同时，评估纳米颗粒在原位状态下的性质也极为关键，因为其性质可能因环境变化而发生显著改变2,14,15。此外，纳米颗粒悬浮液中稳定剂的浓度会显著影响分析结果及纳米颗粒的结构完整性；稳定剂的存在可能在分析中产生强烈的干扰信号（例如 C、H、O 和 Na），而其去除则可能导致纳米颗粒的损伤或团聚。
由于纳米颗粒的尺寸和表面积，其储存条件会影响其行为，无论是以储存的粉末/悬浮液形式还是制备后的样品形式。已有研究表明，次优的储存条件（特别是室温储存和暴露于光照）会导致纳米颗粒降解，进而改变颗粒的物理、化学和/或毒理学性质14,15,16,17,18。较小的纳米颗粒比大颗粒氧化更快，其氧化/降解速率取决于储存条件15以及表面化学性质14。纳米颗粒在储存期间的降解已被证明会显著影响其理化性质，包括毒性14，而氧化生长可能向内进行，从而消耗颗粒核心15。
因此，纳米材料的妥善储存与制备对于准确的表面分析至关重要，任何可能影响样品表面和/或测量质量的因素都应仔细考虑。需要注意的是，由于XPS的空间分辨率相对较低（在 &#181;在微米范围（m范围）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS，几百纳米）下，仅能检测到少量纳米粒子；这些方法对特定区域进行平均化分析，无法实现单个粒子的成像，而电子显微镜等技术则具备此能力。因此，任何分析均需将纳米粒子沉积成连续层，以避免基底干扰。电子显微镜与XPS/ToF-SIMS因此常被结合使用，作为纳米材料分析的互补方法。
除了表面化学性质的变化外，为XPS和ToF-SIMS分析制备纳米颗粒样品的主要挑战在于制备出满足以下要求的样品层：均一，以提高重现性；无间隙，以最小化基底对谱图的贡献；足够薄，以避免非导电样品产生电荷积累效应；以及牢固地固定在基底上，以防止游离的纳米颗粒进入并损坏超高真空仪器
纳米颗粒可以通过悬浮液或粉末形式沉积到基底上。首先，我们将讨论从悬浮液中沉积纳米颗粒的不同方法。硅片是悬浮液沉积中常用的基底，因为其成本相对较低，易于获得，且通常为高纯度产品，由纯硅或掺杂硅组成（掺杂可避免电荷效应）；对于大多数纳米颗粒而言，其谱峰不会与硅片的特征峰发生重叠。最后这一点尤为重要：在分析前应确保基底的谱峰与纳米颗粒预期产生的谱峰充分分离，否则将难以甚至无法解析谱图，且无法验证纳米颗粒是否在基底上形成连续覆盖。在使用硅片之前，必须进行彻底的清洗程序（本文中将予以描述），以去除有机污染物并提高基底表面的润湿性。其他合适的基底，如金膜、高定向热解石墨（HOPG）或铟箔，也已被成功使用，但关于这些基底的制备讨论不在本研究范围之内19,20,21,22。
其次，我们介绍了将纳米颗粒粉末沉积到基底上以进行XPS和ToF-SIMS分析的方法，并阐述了每种方法的优缺点，使刚接触这些技术的研究人员能够根据自身需求选择最优的制备方法。第三，我们讨论了冷冻固定法，这是一种适用于保留纳米颗粒（NPs）聚集行为、有机冠层、固/液界面23,24或在生物介质中分布特征的样品制备方法25。冷冻固定通常指将样品在液氮冷却的冷冻剂中快速冷冻，并在冷冻水合状态下进行分析，从而实现对复杂基质中纳米颗粒的直接分析与可视化。该方法不会形成冰晶，而是形成非晶态冰，可使膜结构以及细胞和组织结构保持其天然生物学状态，避免因水结晶过程造成的损伤，从而精确维持所有细胞代谢物和细胞膜组分的化学分布26,27,28。该制备方法特别适用于精确呈现实际纳米颗粒聚集体或异质聚集体的化学分布图，可视化纳米颗粒附近悬浮液中的精确化学空间，或关联纳米颗粒聚集体或异质聚集体中特定细胞组织的特征及细胞内区室结构。
如本研究结果所示，特定情况下最合适的操作方法取决于多种参数，例如纳米颗粒的亲水性、稳定性、导电性、状态（如粉末或悬浮液）以及待分析的问题（如尺寸、体相性质或表面涂层）。本文介绍了多种可用于纳米颗粒表面分析前处理的方法，并比较了这些方法的优缺点。

<table><tbody><tr><td>四图实验室天平</td><td>克恩 &amp;amp; Sohn GmbH</td><td>ADB200-4A</td><td></td></tr><tr><td>5 mm 颗粒模具</td><td>Specac</td><td>GS03060</td><td></td></tr><tr><td>碱性玻璃清洗液</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Hellmanex&amp;trade; III Z805939</td><td>比色皿专用清洗液</td></tr><tr><td>碳导电胶带</td><td>平的</td><td>&quot;Leit-Tabs&quot; G3347</td><td></td></tr><tr><td>洁净的实验室烧杯</td><td>任何</td><td></td><td>例如，300 mL</td></tr><tr><td>超低温冰箱</td><td>电子显微镜科学公司</td><td>EMS-002 冷冻工作站</td><td></td></tr><tr><td>带夹子的透析管</td><td>Medicell Membranees Ltd</td><td>DTV12000.06.30</td><td>分子量截留值（MWCO）12-14 kDa</td></tr><tr><td>冲压模具</td><td>任何</td><td></td><td>可承受 2 kN 的力</td></tr><tr><td>一次性注射器，1 mL，鲁尔滑动接头</td><td>TH Geyer</td><td>Labsolute 7657545</td><td>可使用任意合适体积</td></tr><tr><td>双面胶带</td><td>3M</td><td>可移除可重定位胶带 665</td><td></td></tr><tr><td>干冰</td><td>Linde AG</td><td>ICEBITZZZ&lt;sup&gt;&amp;reg;&lt;/sup&gt;</td><td>用于短期储存/冷却</td></tr><tr><td>Eppendorf 移液器及吸头</td><td>Eppendorf</td><td>各种</td><td>检查移液量程的正确尺寸</td></tr><tr><td>乙醇，ACS 级</td><td>默克股份公司</td><td>1009832500</td><td></td></tr><tr><td>FFP2 或 FFP3 口罩</td><td>各种</td><td></td><td>对于使用非危险材料制备的纳米颗粒，若不在通风橱或手套箱中操作时</td></tr><tr><td>异丙醇，ACS 级</td><td>默克股份公司</td><td>1096342500</td><td></td></tr><tr><td>实验服、手套和护目镜</td><td>任何</td><td></td><td></td></tr><tr><td>实验室离心机</td><td>Eppendorf</td><td>Centrifuge 5430</td><td></td></tr><tr><td>实验室通风橱</td><td>任何</td><td></td><td>处理纳米颗粒所必需的</td></tr><tr><td>实验室搅拌器 &amp;和搅拌子</td><td>NeoLab</td><td>D-6010</td><td></td></tr><tr><td>无尘擦拭布</td><td>金伯利·克拉克专业版</td><td>Kimtech Science 精密擦拭巾</td><td>推荐用于硅晶圆操作</td></tr><tr><td>液氮</td><td>Linde AG</td><td>氮气流&amp;uuml;ssig 5.0</td><td>仅用于冷却冷冻剂。</td></tr><tr><td>1.5 mL 微量离心管</td><td>T.H. Geyer GmbH &amp;amp; Co. KG</td><td>Labsolute 7696751</td><td></td></tr><tr><td>氮气 5.0</td><td>任何</td><td></td><td>99.999% 纯度</td></tr><tr><td>巴斯德吸管，聚乙烯，塑料，3 mL</td><td>TH Geyer</td><td>Labsolute 7 691 203</td><td></td></tr><tr><td>巴斯德吸管，聚乙烯，塑料，3 mL</td><td>TH Geyer</td><td>Labsolute 7 691 203</td><td></td></tr><tr><td>粉末样品架</td><td>BAM 研讨会</td><td></td><td>&quot;自制&quot; 样品台</td></tr><tr><td>丙烷</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>769037</td><td>冷冻剂应尽可能高纯。</td></tr><tr><td>1 mL 样品瓶或离心管</td><td>Greiner Bio-One GmbH</td><td>Cellstar 188 261</td><td>应能够在涡旋振荡器中固定</td></tr><tr><td>硅片</td><td>任何</td><td></td><td>理想情况下为1 cm&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt; 预切</td></tr><tr><td>旋涂仪</td><td>SPS Europe</td><td>SPIN150i-NPP</td><td></td></tr><tr><td>0.45 微米注射器滤器 &amp;micro;m</td><td>Th Geyer</td><td>Labsolute 7699803</td><td>适用于较小样品；另有适用于较大样品体积的较大规格版本</td></tr><tr><td>飞行时间二次离子质谱</td><td>IONTOF GmbH</td><td>配备 Bi LMIG 和喷淋枪的 ToF-SIMS IV 或 V</td><td></td></tr><tr><td>用于操作硅片的镊子</td><td>任何</td><td></td><td></td></tr><tr><td>超纯水</td><td>全膝关节置换术</td><td>MicroPure 08.1202</td><td></td></tr><tr><td>超声波破碎仪</td><td>Bandelin</td><td>Sonorex Super</td><td></td></tr><tr><td>紫外/臭氧清洗仪</td><td>纳米生物分析</td><td>UVC-1014</td><td></td></tr><tr><td>真空干燥器</td><td>任何</td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空泵（膜式/隔膜式）</td><td>Vacuubrand GmbH</td><td>MD-4T型</td><td></td></tr><tr><td>Viton O形圈 6.07 x 1.78 mm</td><td>Betech GmbH</td><td>2-010，FKM 80</td><td></td></tr><tr><td>涡旋振荡器</td><td>Heathrow Scientific</td><td>Vortexer HS120212</td><td></td></tr><tr><td>25毫米硬币式晶圆夹具</td><td>半导体生产系统欧洲公司</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>

用于飞行时间二次离子质谱和x射线光电子能谱分析的纳米颗粒制备

Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis

近年来，纳米颗粒因其在医学、化妆品、化学等领域的潜在应用以及在先进材料开发中的前景而受到越来越多的关注。为了有效理解并调控纳米颗粒的理化性质及其潜在的不良效应，有必要建立针对纳米颗粒各种特性的经验证测量方法。尽管测量纳米颗粒尺寸及尺寸分布的方法已较为成熟，但分析其表面化学性质的标准化方法尚未建立，尽管表面化学性质对纳米颗粒特性的影响已毋庸置疑。特别是，纳米颗粒在储存和进行表面分析前的制备过程会显著影响多种分析方法的检测结果；因此，为了获得一致可靠的分析结果，样品制备过程必须经过优化并实现标准化。本文中，我们将详细介绍一些用于纳米颗粒表面分析的样品标准制备流程。原则上，纳米颗粒可通过悬浮液或粉末形式沉积在合适的基底上。硅（Si）晶片常被用作基底材料，但其清洁处理对整个过程至关重要。对于由悬浮液制备样品的方法，我们将讨论滴涂法和旋涂法；这些方法的成功不仅取决于基底的洁净度和悬浮液的纯度，还与悬浮液的浓度密切相关。对于具有敏感配体壳层或涂层的纳米颗粒，采用粉末形式沉积更为合适，但该方法在样品固定过程中需格外谨慎。

介绍了多种用于表面分析的纳米颗粒制备方法（滴涂法、旋涂法、粉末沉积法和冷冻固定法）。我们讨论了每种方法在应用中面临的挑战、优势以及可能的应用前景，特别是不同制备方法对纳米颗粒表面性质所造成的影响。

用于飞行时间二次离子质谱和X射线光电子能谱分析的纳米颗粒制备

近年来，纳米颗粒因其在医学、化妆品等多个领域的潜在应用而受到越来越多的关注，……

由于纳米颗粒具有独特的性质，其简单的制备过程会对表面分析测量产生显著影响。这些方法根据具体的分析问题以及纳米颗粒的可获得形式，提供了多种不同的样品制备选择。主要关注的问题是安全性和污染。由于这些方法可根据实验需求进行适当调整，因此使用其他分析技术验证每一步骤至关重要。制备悬浮液中的纳米颗粒时，取15毫克纳米颗粒粉末置于10毫升离心管中，随后加入8毫升超纯水。盖紧管盖后，将离心管放入涡旋振荡器中，在3000转/分钟条件下振荡15分钟。进行滴干法操作时，首先将制备好的硅片转移至紫外臭氧清洗仪中处理30分钟，然后将硅片放入晶圆夹具的一半中。在环形区域中心滴加3微升纳米颗粒悬浮液，随后在硅片上围绕液滴放置一个直径为6.07毫米的O型圈，注意确保O型圈不接触液滴。将硅片置于真空干燥器中，在4毫巴真空压力下保持15分钟，使硅片干燥。在光学显微镜下观察晶圆，以评估颗粒在晶圆表面的分布情况。然后重复滴加干燥过程，直至观察到均匀的颗粒层。通过旋涂法制备纳米颗粒悬浮液时，将制备好的晶圆放入紫外臭氧清洗仪中处理30分钟，并按照说明设置旋涂仪程序。处理结束后，将晶圆插入旋涂仪中并开启真空以固定。取80微升悬浮液滴加到晶圆表面，启动程序。沉积完成后，将样品转移至洁净的晶圆托盘中，并通过扫描电子显微镜分析样品，以确认基底表面已实现无间隙覆盖。对于从粉末中沉积纳米颗粒，先将一片双面胶带固定在样品台上，然后揭去衬纸。接着，用刮勺取少量纳米颗粒粉末，并将其置于胶带上。使用刮勺将样品在胶带上摊开，然后用力按压样品，使其尽可能牢固地粘附于胶带表面。倒置并轻敲样品台，同时向样品表面吹入一股气流，以确认粉末已牢固附着在胶带上。或者，将刮刀尖端取少量粉末置于洁净表面，从上方将带有粘合面的样品台压在粉末上。随后检查粉末是否如前所述牢固固定在胶带上。对于沉积的纳米颗粒悬浮液的冷冻固定，使用液氮构建快速冷冻装置的主腔室，并将冷却的快速冷冻腔室中充满冷冻剂。当快速冷冻装置冷却至其工作温度后，用移液器将10至20微升纳米颗粒悬浮液滴加到洁净的硅片上。用固定镊子夹持硅片，将其放入浸入式冷冻装置中，并将镊子移至浸入位置。按下按钮，使样品落入低温介质中，并等待数秒，直至样品完全冻结。样品一旦冻结，立即将晶圆转移至冷却环境中，并将硅片样品放入样品 holder 中。通过紫外光或臭氧处理增强表面润湿性，可避免咖啡环效应，从而实现纳米颗粒更均匀的分布。扫描电子显微镜成像显示，透析后的60纳米金银纳米颗粒发生显著变形，而经离心和重新分散的颗粒则保持完整。纳米颗粒滴涂通常需要多次重复涂布才能获得完全覆盖的薄膜。此代表性样品由90毫克/毫升的悬浮液制备而成，呈现出厚实且无间隙的多层覆盖，同时X射线光电子能谱（XPS）中硅峰显著缺失，使其成为表面分析的理想样品。从九毫克每毫升悬浮液制备的样品显示存在颗粒和少量单层团聚体，未能完全覆盖表面，因此不适合进行纳米颗粒的表面分析，但非常适合分析例如粒径分布。从0.9毫克每毫升浓度制备的样品既未提供连续覆盖，也未达到足够的颗粒密度，因此不适合表面化学或粒径分布分析。冷冻固定不仅可保留悬浮液中的较大结构，还可避免咖啡环效应，从而减少信号衰减，而使用其他样品制备方法时观察到的盐类或其他污染物可能导致此类信号衰减。进行纳米材料表面分析时，务必使用一种分析技术对方法进行交叉验证，以确保方法的稳定制备，并仔细记录实验结果。这些制备方法是可靠纳米颗粒表面表征的重要组成部分，对于深入理解纳米颗粒与其环境之间的相互作用至关重要。

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