Charakterisierung von Nanokristallgrößenverteilung mittels Raman-Spektroskopie mit einem Multi-Partikel Phonon Confinement Modell
22. August 2015
Wir zeigen, wie man die Größenverteilung der Halbleiter-Nanokristalle in einer quantitativen Weise zu bestimmen unter Verwendung der Raman-Spektroskopie unter Verwendung eines analytisch definierten Mehrkorn Phonon-Confinement-Modell. Die erhaltenen Ergebnisse sind in hervorragender Übereinstimmung mit den anderen Größenanalyse-Techniken wie Transmissionselektronenmikroskopie und Photolumineszenz-Spektroskopie.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mit Hilfe der Ramen-Spektroskopie die Größenverteilung der Nanopartikel schnell, zuverlässig und zerstörungsfrei zu bestimmen. Dies wird erreicht, indem zunächst das Ramen-Spektrum der interessierenden Nanopartikel erfasst wird. Der zweite Schritt besteht darin, die Messdaten zu analysieren und die darin enthaltenen Unterverteilungen mit Hilfe des Vielteilchen-Phon-Confinement-Modells zu lokalisieren.
Als nächstes werden die mittlere Größe und der Breitenfaktor der Teilverteilungen aus dem angepassten Modell bestimmt. Der letzte Schritt besteht darin, die erhaltenen Parameter zu verwenden, um die tatsächliche Größenverteilung der interessierenden Nanopartikel zu bestimmen. Letztendlich wird die Ramen-Spektroskopie eingesetzt, um zu zeigen, dass es möglich ist, die Größenverteilung der Nanopartikel schnell, zuverlässig und zerstörungsfrei zu bestimmen.
Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie der Transmissionselektronenmikroskopie und der Röntgenbeugung besteht darin, dass die Rama-Spektroskopie schnelle und zuverlässige Ergebnisse auf zerstörungsfreie Weise liefert und in den meisten Labors auf Anfrage verfügbar ist. Beginnen Sie mit der Synthese von Nanokristallen, die Sie interessieren. Die Silizium-Nanokristalle werden durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung auf ein Glassubstrat aufgebracht.
Hier werden Silizium-Nanokristalle mit einer ungefähren Größe von zwei bis 120 Nanometern und einer bimodalen Verteilung im Bereich von zwei bis 10 Nanometern und 40 bis 120 Nanometern synthetisiert. Schalten Sie als Nächstes den Laser des Ramen-Spektroskopie-Setups ein und lassen Sie ihn etwa 15 Minuten lang aufwärmen, damit sich die Laserintensität stabilisiert, stellen Sie sicher, dass der Laser und das aktive Licht ausgeschaltet sind, bevor Sie die Tür öffnen, um vor der unerwünschten Beleuchtung des Betriebslasers geschützt zu sein. Nächste Presstür.
Lassen Sie die Tür der Messkammer los und öffnen Sie sie. Legen Sie die Probe auf den Probenhaltertisch. Wählen Sie das 50-fach-Objektiv und fokussieren Sie sich auf die Oberfläche des Nanokristallpulvers.
Schließen Sie dann die Tür der Messkammer. Entfernen Sie anschließend den Auslöser, indem Sie auf die Schaltfläche zum Ausschalten des Auslösers klicken. Das Laserschild sollte nun grün blinken und das aktive Zeichen sollte aus dem Livebild rot blinken. Fein.
Stimmen Sie den Fokus der Probe mit dem Radmanipulator ab, bis der kleinste Laserpunkt auf dem Live-Bild zu sehen ist. Wählen Sie dann in der Messsymbolleiste die neue Option für die spektrale Erfassung aus dem Popup-Fenster Stellen Sie den Messbereich auf 150 bis 700 inverse Zentimeter ein. Stellen Sie die Zeit für die Messung auf 30 Sekunden, die Gesamtzahl der Erfassungen auf zwei und den Prozentsatz der Laserleistung auf 0,5 % ein, basierend auf einem 25-Milliwatt-Laser.
Starten Sie anschließend die Messung, indem Sie in der Menüleiste auf die Schaltfläche zum Starten der Erfassung klicken. Nachdem die Messung abgeschlossen ist, setzen Sie den Verschluss ein, indem Sie auf die Schaltfläche Auslöser klicken, und speichern Sie die Daten sowohl als eine WXD-Datei als auch als TXT-Datei. Die Textdatei wird für die Analyse der experimentellen Daten verwendet.
Beachten Sie, dass die Lichter des Lasers und des aktiven Lasers ausgeschaltet sind. Drücken Sie dann die Türentriegelung und öffnen Sie die Tür der Messkammer. Messen Sie dann eine Massenreferenz des Nanomaterials, indem Sie diesen Vorgang wiederholen.
Schätzen Sie anhand einer Referenzprobe aus der Spitzenposition des Schüttguts die relative Verschiebung. Öffnen Sie zunächst die Textdateien der Messungen für die Nano-Krystal-Messung und die Bulk-Referenz, bevor Sie die Daten plotten. Glätten Sie sie mit Kubik, Spline, und normalisieren Sie die Daten auf eins an ihren höchsten Spitzenpositionen.
Um einen guten Vergleich der relativen Peak-Verschiebungen zu erhalten, zeichnen Sie das Silizium-Nanokrysttal und die Referenz-Siliziumdaten auf. Bestimmen Sie die Spitzenposition des Referenzsiliziums und schätzen Sie den Betrag der Verschiebung, falls vorhanden, von der tatsächlichen Spitzenposition von 521 inversen Zentimetern. Speichern Sie dann die Prozess-Silizium-Nano-Krystal-Daten als TXT-Datei.
Starten Sie dann den Anpassvorgang für den Anpassvorgang. Geben Sie die hier gezeigte Anpassungsfunktion in ein Analyseprogramm wie z.B. Mathematica ein. Stellen Sie sicher, dass das Intervall für die Schiefe zwischen 0,1 und 1,0 liegt und das mittlere Größenintervall zwischen zwei Nanometern und 20 Nanometern liegt. Importieren Sie für das Anpassungsverfahren zunächst die normalisierten und korrigierten Daten als Eingabe für das nichtlineare Anpassungsmodell.
Mit dem Importbefehl drücken Sie die Umschalttaste und die Eingabetaste, um den Anpassungsvorgang durchzuführen. Fügen Sie danach die erhaltenen Werte für die mittlere Größe und die Schiefe in die hier gezeigte vordefinierte generische Verteilungsfunktion ein. Markieren Sie abschließend die hier gezeigte Größenverteilungsgleichung und zeichnen Sie die Größenverteilung von zwei bis 15 Nanometern mit dem Befehl plot als untere und obere Grenze der Verteilung.
Die Partikel in der hier gezeigten Probe wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie gemessen und wiesen eine bimodale Größenverteilung von Nanopartikeln auf. Die kleinen Nanopartikel waren zwischen zwei und 10 Nanometern groß, die großen Nanopartikel zwischen 40 und 120 Nanometern. Die Analyse des Ramen-Spektrums zeigt, dass die Größenverteilung kleiner Partikel tatsächlich im Bereich von zwei bis 10 Nanometern liegt.
Es wurde festgestellt, dass die Verteilung logarithmisch normal ist mit einer mittleren Größe von 4,2 Nanometern und einer Schiefe von 0,27. Die Ramen-Spektroskopie ist eine ideale Methode, um den geringen Größenunterschied von Silizium-Nanopartikeln zu messen, die mit zwei verschiedenen Flussraten von Sane gebildet werden: Wenn die Flussrate von drei Standardkubikzentimetern pro Sekunde auf 10 erhöht wurde, sank der durchschnittliche Partikeldurchmesser und die Schiefe nahm leicht zu. Diese Technik kann in nur wenigen Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.
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Übersicht
In diesem Artikel wird eine Methode zur Bestimmung der Größenverteilung von Halbleiternanokristallen mittels Raman-Spektroskopie vorgestellt. Der Ansatz nutzt ein Phononen-Einschlussmodell für Mehrteilchensysteme und liefert Ergebnisse, die gut mit anderen Größenanalyseverfahren übereinstimmen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Nanotechnologie
- Materialwissenschaft
- Spektroskopie
Hintergrund
- Das Verständnis der Partikelgrößenverteilung von Nanopartikeln ist entscheidend für zahlreiche Anwendungen.
- Raman-Spektroskopie bietet eine zerstörungsfreie Methode zur Analyse.
- Mehrteilchen-Phononen-Einschlussmodelle erhöhen die Genauigkeit der Größenbestimmung.
- Der Vergleich mit anderen Techniken bestätigt die Ergebnisse.
Zweck der Studie
- Eine zuverlässige Methode zur Analyse der Partikelgrößenverteilung von Nanopartikeln bereitstellen.
- Die Wirksamkeit der Raman-Spektroskopie in diesem Kontext demonstrieren.
- Die Ergebnisse mit etablierten Techniken wie der Transmissionselektronenmikroskopie vergleichen.
Verwendete Methoden
- Aufnahme von Raman-Spektren von Nanopartikeln.
- Datenanalyse zur Identifizierung von Teilverteilungen mithilfe des Phononen-Einschlussmodells.
- Berechnung der mittleren Größe und Breitenfaktoren aus dem angepassten Modell.
- Bestimmung der tatsächlichen Größenverteilung basierend auf den erhaltenen Parametern.
Hauptergebnisse
- Mittels Raman-Spektroskopie lässt sich die Größenverteilung von Nanopartikeln effektiv bestimmen.
- Die Ergebnisse stimmen mit Befunden der Transmissionselektronenmikroskopie überein.
- Die Methode ist schnell, zuverlässig und zerstörungsfrei.
- Teilverteilungen werden mithilfe des Phononen-Einschränkungsmodells genau identifiziert.
Schlussfolgerungen
- Die Studie bestätigt die Eignung der Raman-Spektroskopie für die Analyse von Nanopartikeln.
- Mehrpunkte-Phonon-Einschlussmodelle verbessern die Messgenauigkeit.
- Zukünftige Anwendungen könnten sich auf verschiedene Nanomaterialien ausdehnen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die genaue Analyse der Nanokristallgrößenverteilung ist entscheidend, um die größenabhängigen Eigenschaften von Halbleitermaterialien, die in der Arzneimittelabgabe, Bildgebung und Biosensorik eingesetzt werden, zu optimieren. Die Raman-Spektroskopie in Kombination mit einem Phononen-Einschlussmodell für Mehrfachpartikel bietet eine schnelle, zerstörungsfreie und zuverlässige Methode zur quantitativen Abschätzung der Größenverteilung und ermöglicht eine rasche Rückkopplung in Synthese- und Formulierungsprozessen von Nanomaterialien. Dieser Ansatz erhöht die Vorhersagesicherheit in der frühen Entwicklung von Nanomedizin, indem er die Abhängigkeit von langsameren, zerstörenden Verfahren wie der TEM verringert.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung größenabhängiger quantenmechanischer Einschränkungseffekte in Halbleiter-Nanokristallen für die Entwicklung von Biomarkern oder Sensoren.
- Operativer Wert: Bietet schnelle Rückmeldung zur Größenverteilung ohne Zerstörung der Probe und unterstützt so den iterativen Entwurf nanokristallbasierter Sonden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Trennung und die Bestimmung des volumetrischen Verhältnisses gemischter Größenverteilungen, was für die Standardisierung von Assays unter Verwendung heterogener Nanokristallpopulationen entscheidend ist.
- Operativer Wert: Liefert quantitative Größenparameter aus Raman-Spektren, die mit funktionellen optischen oder elektronischen Ausgangsgrößen in Screening-Kampagnen korrelieren.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Unterstützt die Modellierung krankheitsrelevanter Systeme, indem die Herstellung von größenabgestimmten Nanokristallen mit validierten Verteilungsprofilen ermöglicht wird.
- Operationaler Wert: Gewährleistet Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung durch reproduzierbare, schonende Größencharakterisierung in mehreren Stadien.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode fügt sich in den Entdeckungsprozess der Nanomedizin von der frühen Nanopartikelsynthese bis zur präklinischen Bewertung ein und bietet eine wiederverwendbare Möglichkeit zur Korrelation größenabhängiger Eigenschaften.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung zu größenabhängigen biologischen Wechselwirkungen, indem genaue Größenverteilungsdaten für funktionelle Nanokristallbibliotheken bereitgestellt werden.
- Screening: Ermöglicht die Bereitschaft für Assays durch standardisierte Trennung und Quantifizierung der Nanokristallgröße und verbessert so die Reproduzierbarkeit in Hochdurchsatzformaten.
- Analytik: Erzeugt Mittelwertgrößen und Breitenfaktoren aus angepassten Phononen-Einschlussmodellen und ermöglicht dadurch einen quantitativen Vergleich zwischen verschiedenen Synthesebedingungen.
- Translationale Forschung: Verbindet Syntheseparameter mit präklinischen Ergebnissen über die Kontrolle der Größenverteilung, einem entscheidenden Faktor für die Biodistribution und Clearance von Nanokristallen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Etabliert die Raman-Spektroskopie als Plattformtechnologie für die routinemäßige Qualitätskontrolle von Nanokristallen über Projekte und Teams hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagegenauigkeit bei der zuordnenden Eigenschaft bezogen auf die Größe, wodurch mechanistische Unklarheiten bezüglich der Leistung von Nanokristallen reduziert werden.
- Operativer Wert: Standardisierung und Reproduzierbarkeit von Größenverteilungsmessungen über verschiedene Labore und Chargen hinweg.
- Strategischer Wert: Verbesserte Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch bei der Entwicklung von Nanokristallen durch schnelle und zuverlässige Überprüfung der Größe.
- Portfolio-Wirkung: Risikoadjustierte Priorisierung von Nanokristallformulierungen basierend auf verifizierten Profilen der Größenverteilung.
Durchführungsüberlegungen
- Expertise in der Raman-Spektroskopie und Phononen-Einschränkungs-Modellierung zur genauen Anpassung und Interpretation von Daten.
- Zugang zu Raman-Spektrometern mit geeigneter Laserstabilität und spektralem Bereich (150–700 cm⁻¹) für die Analyse von Nanokristallen.
- Standardisierung von Referenzprotokollen über Teamgrenzen hinweg zur Normierung an massiven Materialien und Schätzung von Peakverschiebungen.
- Überlegungen zur Anpassung auf verschiedene Nanokristallmaterialien jenseits von Silizium, die eine Neukalibrierung des Modells an materialabhängige Phononeneigenschaften erfordern.
- Praktische Einschränkung: Die Modellgenauigkeit hängt von einem ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnis und der korrekten Isolierung größenabhängiger Phononeneinschränkungseffekte von anderen spektralen Beiträgen ab.
