Name: Preparación de nanopartículas para análisis ToF-SIMS y XPS (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 24 s
Description: Aprenda métodos de preparación de nanopartículas para análisis de superficie mediante ToF-SIMS y XPS. Explore técnicas de drop casting, spin coating y criofijación para caracterización confiable de materiales nanométricos.

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Este proyecto ha recibido financiación del Programa Horizonte 2020 de la Unión Europea (H2020) en virtud del acuerdo de subvención n.º 720952 (ACEnano). A los autores les gustaría agradecer a Sigrid Benemann por las mediciones SEM, Markus Schneider por las mediciones ToF-SIMS y PCA, y Philipp Reichardt por la ayuda con la filmación.

PRECAUCIÓN: Las propiedades toxicológicas de las nanopartículas aún están bajo investigación; debido a su tamaño, pueden presentar peligros únicos en los seres humanos, así como en el medio ambiente, incluso cuando consisten en materiales intrínsecamente no peligrosos. Antes de realizar cualquier trabajo con nanopartículas, se debe completar una evaluación de riesgos adecuada y establecer controles de ingeniería, procedimientos de laboratorio y EPI (equipos de protección individual) adecuados, dependiendo del nivel de peligro de los materiales a estudiar29,30,31,32.
1. Preparación de obleas de Si
NOTA: Estos pasos son necesarios para eliminar la contaminación no deseada (orgánica) y aumentar la humectabilidad de la superficie. Todos los disolventes utilizados deben ser al menos de grado ACS. Un baño de sonicación estándar (35 kH y 120 vatios) es adecuado.
<ol><li>Limpieza química húmeda de obleas de Si<ol>
<li>Coloque la oblea Si en un vaso de precipitados con isopropanol y ultrasonido durante 5 min.</li>
		<li>Transfiera la oblea Si a un vaso de precipitados con una solución de limpieza de vidrio alcalino y ultrasonido durante 10 minutos.</li>
		<li>Coloque la oblea en un vaso de precipitados con agua ultrapura. Cambie el agua 10 veces vertiendo el agua y rellenando el vaso de precipitados; las obleas de Si permanecerán en la parte inferior debido al efecto capilar.</li>
		<li>Seque la oblea con gas N2 limpio. NOTA: El secado con N2 evita la formación de "anillos de café" y otros artefactos del secado con agua.</li>
		<li>Coloque la oblea en un segundo vaso de precipitados con isopropanol y ultrasonido durante 10 minutos.</li>
		<li>Seque la oblea con gas N2 limpio.</li>
		<li>Coloque la oblea en un vaso de precipitados con etanol y ultrasonido durante 10 minutos.</li>
		<li>Seque la oblea con gas N2 limpio. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Limpieza por plasma o UV/ozono de obleas de silicio<ol>
<li>Introduzca la oblea Si en el plasma o el limpiador UV/ozono y enciéndala durante 30 min. NOTA: Las obleas deben limpiarse con plasma o UV/ozono inmediatamente antes de su uso.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Deposición de nanopartículas de la suspensión
NOTA: La vía de exposición más común para las nanopartículas es por inhalación. Trabajar con suspensiones puede minimizar los riesgos de exposición.
<ol><li>Preparación de la suspensión de nanopartículas a partir de polvo NOTA: Todas las cantidades descritas aquí son ejemplos. El método debe optimizarse para las nanopartículas particulares utilizadas en cada caso.<ol>
<li>Pesar con precisión 15 mg de polvo de nanopartículas (± 10%) en un tubo de 10 ml.</li>
		<li>Pesa con precisión aproximadamente 8 ml de agua ultrapura.</li>
		<li>Cierre el tubo, embale un tubo centrífugo de 50 ml con toalla de papel y colóquelo en el vórtice a 3.000 rpm durante 15 min.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fundición a gota de nanopartículas eléctricamente conductoras a partir de suspensión acuosa<ol>
<li>Coloque la oblea en el limpiador UV/ozono durante 30 min.</li>
		<li>Coloque la oblea en la mitad del soporte de la oblea y coloque una gota de 3 μL de suspensión de nanopartículas en el centro del anillo.</li>
		<li>Monte una junta tórica Viton de 6,07 mm de diámetro en la oblea alrededor de la gota. Tenga cuidado de que el anillo no toque la gota.</li>
		<li>Coloque la oblea en un desecador al vacío bajo un vacío de 4 mbar durante 15 minutos para secar la oblea.</li>
		<li>Retire la oblea del desecador y examine utilizando microscopía de luz y XPS para determinar que la capa de partículas es homogénea y cerrada. Repita los pasos 2.2.1 y 2.2.2 hasta que el análisis muestre una capa cerrada y homogénea. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Recubrimiento por espín de nanopartículas eléctricamente no conductoras de suspensión acuosa<ol>
<li>Coloque la oblea en el limpiador UV/ozono durante 30 min. NOTA: Mediante suspensiones de recubrimiento por espín de diferentes concentraciones utilizando el mismo protocolo, se pueden lograr diferentes niveles de cobertura superficial.</li>
		<li>Programe el spin-coater. Un programa de muestra adecuado es: paso 1: rampa de 500 rpm/s a 1.000 rpm (5 s); paso 2: rampa de 1.000 rpm/s a 2.000 rpm (3 min); paso 3: desaceleración a 2.000 rpm/s a 0 rpm.</li>
		<li>Inserte la oblea en el recubrimiento de centrifugado y encienda el vacío para la fijación.</li>
		<li>Deposite 80 μL de la suspensión en la oblea e inicie el programa.</li>
		<li>Retire la oblea del recubrimiento giratorio.</li>
		<li>Guarde la muestra en un nuevo wafertray limpio. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
		<li>Analice la muestra utilizando SEM para confirmar la cobertura sin huecos del sustrato.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Deposición de nanopartículas a partir de polvo
<ol><li>Deposición de nanopartículas en cintas adhesivas de doble cara ("stick and go")<ol>
<li>Fije el adhesivo de doble cara al soporte de la muestra y retire el revestimiento.</li>
		<li>Tome una punta de espátula del polvo de nanopartículas y sumérjala sobre el adhesivo.</li>
		<li>Extienda la muestra sobre el adhesivo y presione en el adhesivo con la espátula, hasta que se adhiera la mayor cantidad posible del polvo.</li>
		<li>Compruebe que el polvo está fijado en el grifo invirtiendo y golpeando el soporte de la muestra, y soplando una corriente de gas (por ejemplo, nitrógeno) a través de él. El protocolo se puede pausar aquí. NOTA: Alternativamente, se puede colocar una pequeña cantidad de polvo sobre una superficie limpia (lámina de aluminio o portaobjetos de vidrio) y presionarse desde arriba con el adhesivo y el soporte de muestra de doble cara.</li>
		<li>Coloque una punta de espátula del polvo sobre la superficie limpia. Presione el soporte de la muestra con el adhesivo sobre el polvo desde arriba.</li>
		<li>Compruebe que el polvo está fijado en el grifo invirtiendo y golpeando el soporte de la muestra, y soplando una corriente de gas (por ejemplo, nitrógeno) a través de él. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparación de pellets de polvo prensado
	<ol>
<li>Limpie a fondo todas las partes de la matriz de pellets, teniendo cuidado de no rayar la superficie pulida.</li>
		<li>Invierta el troquel de pellets y descanse en un pequeño espaciador.</li>
		<li>Inserte el émbolo y un gránulo de acero inoxidable, con el lado pulido hacia arriba, y tire del émbolo hasta que haya suficiente espacio para llenar con la muestra en polvo.</li>
		<li>Llene el troquel con una pequeña cantidad de muestra (1 punta de espátula grande) y luego inserte el segundo pellet de acero inoxidable con el lado pulido frente a la muestra.</li>
		<li>Coloque la base sobre el cuerpo y invierta cuidadosamente. Si se desea un vacío y está disponible, conecte la bomba de vacío a la base de la matriz de pellets.</li>
		<li>Coloque el troquel en una prensa, asegurándose de que esté centrado.</li>
		<li>Aplicar una carga ligera (2 kN) durante aproximadamente 20 s y soltar.</li>
		<li>Aplicar una carga más pesada (6 kN) durante 2 min y soltar.</li>
		<li>Después de liberar la carga, suelte la bomba de vacío. NOTA: Debido a las diferentes propiedades del material de varias nanopartículas, puede ser ventajoso preparar una serie de pellets con diferentes cargas y tiempos de carga para determinar las condiciones óptimas de prensado de pellets.</li>
		<li>Invierta la matriz, coloque el anillo extractor en su posición y coloque una carga ligera (hasta 1 kN) entre el émbolo y el anillo extractor.</li>
		<li>Retire las piezas de la matriz de la prensa y extraiga cuidadosamente el pellet de muestra con pinzas.</li>
		<li>Monte suavemente la muestra en una oblea de Si limpia con adhesivo de doble cara. El protocolo se puede pausar aquí.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Criofijación de suspensiones de nanopartículas
<ol><li>Llene la cámara principal del dispositivo de congelación rápida con nitrógeno líquido.</li>
	<li>Llene la cámara de congelación rápida enfriada con el criógeno (propano).</li>
	<li>Permita que el dispositivo de congelación rápida se enfríe a su temperatura de funcionamiento. NOTA: El dispositivo de congelación rápida requiere algún tiempo para alcanzar la temperatura de funcionamiento antes de la preparación de la muestra, por lo tanto, se requiere un plazo razonable (unas pocas horas) para la criofija de las muestras.</li>
	<li>Fundición a gota de 10–20 μL de suspensión NP sobre una oblea de Si limpia con una pipeta.</li>
	<li>Sosteniendo la oblea Si con pinzas de fijación, colóquela dentro del dispositivo de congelación de inmersión.</li>
	<li>Mueva las pinzas de fijación a la posición de hundimiento.</li>
	<li>Presione el botón para dejar caer la muestra dentro del criógeno.</li>
	<li>Espere varios segundos hasta que la muestra esté completamente congelada.</li>
	<li>Transfiera las muestras congeladas lo más rápido posible a un ambiente enfriado.</li>
	<li>Coloque la muestra criofijada (oblea de Si) en el soporte de la muestra y transfiérala dentro del instrumento. NOTA: Para el transporte, se recomienda el hielo seco y es posible el almacenamiento de muestras a corto plazo. Las muestras se pueden medir en estado congelado con un instrumento refrigerado o con ajustes ToF-SIMS convencionales después de la estabilización mediante la liofilización de la muestra.</li>
</ol>

Los autores no tienen intereses contrapuestos que revelar.

Se han presentado varios métodos para la preparación de nanopartículas para el análisis de superficies utilizando XPS y ToF-SIMS. Hemos resumido las ventajas y desventajas de estos métodos, así como las posibles fuentes de error e idoneidad para diferentes materiales, en la Tabla 2. Como se muestra en los resultados representativos, la preparación de nanopartículas puede influir fuertemente en el éxito del análisis de superficie resultante. Además, no todos los métodos son adecuados para todos los tipos de partículas debido a factores como la interferencia de la señal con el sustrato o los materiales de montaje, los efectos de carga en películas gruesas no conductoras, el estado de las nanopartículas como polvo o suspensión, el daño potencial a las capas externas sensibles, la destrucción de estructuras biológicas e información sobre agregación e interfaces, o la vulnerabilidad de los instrumentos sensibles de ultra alto vacío a las nanopartículas libres.
Debido a que las mediciones de XPS y ToF-SIMS promedian sobre un área en lugar de medir partículas individuales, solo es posible obtener resultados reproducibles a partir de capas homogéneas; por lo tanto, debe evitarse la agregación o aglomeración de las partículas en el sustrato. Además, las capas demasiado gruesas de materiales no conductores causan efectos de carga durante el análisis, lo que puede conducir a artefactos no deseados en los espectros, especialmente la carga parcial que no se puede compensar con una pistola de inundación. Por otro lado, las películas incompletas muestran señales fuertes del sustrato o materiales de montaje (por ejemplo, adhesivos), que pueden interferir con picos sensibles de la superficie de partículas. El espesor ideal de la película depende del material y debe determinarse experimentalmente mediante el análisis de películas de diferentes espesores. En particular, las muestras preparadas con recubrimiento de espín deben analizarse con SEM para garantizar la integridad del recubrimiento.
Trabajar con suspensiones NP presenta menos riesgos de exposición y requisitos de seguridad en comparación con trabajar con polvos NP. La fundición por gota es un método relativamente simple con bajos requisitos de equipo y es particularmente adecuado para nanopartículas conductoras en suspensión donde el grosor de la película no es una preocupación. Si bien las muestras se pueden secar fácilmente en condiciones atmosféricas, el desecador al vacío sirve para reducir el tiempo de secado de las gotas, así como para proteger las obleas de la contaminación. El anillo Viton se utiliza para modificar los patrones de evaporación de la gota y, por lo tanto, minimizar la formación de anillos de café. Los patrones de evaporación también pueden verse influenciados por la variación de la hidrofilia del sustrato mediante protocolos de limpieza o por la aplicación de recubrimientos alternativos51,52, por la evaporación en atmósferas solventes53, o incluso por el calentamiento del sustrato54. El recubrimiento por espín se recomienda para suspensiones de nanopartículas no conductoras en suspensión porque es capaz de generar una capa de partículas homogénea que es lo suficientemente delgada como para evitar efectos de carga, pero lo suficientemente gruesa como para evitar que el sustrato de Si contribuya a los espectros XPS y ToF-SIMS. Para cada sistema NP individual y concentración, tanto la centrífuga como los parámetros de recubrimiento de espín deben optimizarse, pero luego se pueden reproducir de manera muy confiable incluso en diferentes instrumentos. Debido a que la gota recubierta de espín siempre está en el medio de la oblea, el radio de rotación es irrelevante y se puede usar la unidad "revoluciones por minuto" (rpm). Alternativamente, la suspensión podría depositarse en la oblea después de iniciar el programa; sin embargo, esto requeriría diferentes parámetros de recubrimiento de espín y una mayor cantidad de suspensión para obtener un recubrimiento más grueso.
Debido a su tamaño extremadamente pequeño, las nanopartículas pueden desprenderse del sustrato y moverse libremente dentro de la cámara de ultra alto vacío cuando se impactan con un haz de iones o rayos X. Este es un problema particular para las muestras preparadas con polvo. En algunos casos, las nanopartículas pueden penetrar en los componentes sensibles del instrumento, lo que requiere un mantenimiento costoso y lento. Debido al voltaje de aceleración aplicado, el peligro de dañar piezas sensibles es mayor con ToF-SIMS que con XPS. Las muestras en polvo, en particular las preparadas con el método "stick and go", deben revisarse cuidadosamente para garantizar que los polvos se fijen de manera lo suficientemente segura, especialmente para el análisis ToF-SIMS. Esto se puede confirmar, por ejemplo, sosteniendo la muestra boca abajo y soplando una corriente de gas (por ejemplo, N2) a través de ella. Antes del análisis, las muestras también se pueden dejar durante la noche en la esclusa de aire u otra cámara de entrada de muestra inicial del instrumento, donde un vacío estable puede indicar que no hay partículas sueltas de la muestra. Las nanopartículas preparadas como gránulos, sin embargo, pueden incluso ser pulverizadas (a bajas tensiones de aceleración) sin dañar el instrumento; este método puede eliminar contaminantes, particularmente hidrocarburos, introducidos desde la prensa y también puede permitir el análisis a granel de las partículas.
La preparación de polvos NP en el talón del portamuestras permite la preparación de muestras con geometría definida y una superficie macroscópicamente plana. Los puntos críticos son la limpieza de la herramienta para presionar la muestra y el uso de una presión baja para evitar cambios en la superficie de las nanopartículas debido a este procedimiento. Tiene las desventajas de necesitar una cantidad relativamente alta de material y problemas potenciales con la pérdida de material en instrumentos de alto vacío. No recomendamos este método para el análisis ToF-SIMS, ya que las partículas no están comprimidas ni aseguradas de ninguna manera.
Con respecto al material NP, la primera consideración para la preparación de muestras es la eliminación o minimización de la interferencia entre NP y sustratos de material similar; por ejemplo, las obleas de Si son un sustrato inadecuado para el análisis de NP de SiO2 utilizando XPS y ToF-SIMS, incluso con suficiente cobertura de muestra. Las nanopartículas metálicas o inorgánicas pueden analizarse fácilmente como polvo en un adhesivo (suponiendo que no contengan capas o recubrimientos orgánicos) debido a la falta de interferencia de señal entre las nanopartículas y el adhesivo de doble cara, un método de preparación que no sería adecuado para NP poliméricos. Las nanopartículas metálicas tienen más flexibilidad en términos de posible espesor de película utilizado debido a la ausencia de efectos de carga, y pueden ser lanzados con relativamente poco equipo; sin embargo, es probable que contengan grandes cantidades de impurezas y estabilizadores de su síntesis, que deben eliminarse cuidadosamente sin dañar las partículas. Las nanopartículas poliméricas pueden dañarse más fácilmente por el prensado de troqueles, pero también pueden mantenerse unidas más fácilmente en el pellet, dependiendo de las presiones utilizadas. Los gránulos o recubrimientos orgánicos blandos en la superficie de NP también pueden ser sensibles al daño. La deposición directa de la solución tiene el potencial de dañar los recubrimientos sensibles, ya sea a través de la suspensión o el proceso de secado, pero es ventajosa para analizar los NP ya presentes en la suspensión. La criofijación es un método adecuado para el análisis de estructuras químicas, superficies o interfaces en suspensión que podrían dañarse o destruirse por otras técnicas de preparación de muestras, pero requiere un crioequipo especializado tanto para XPS como para ToF-SIMS46'47.
Si bien este documento describe varios métodos ejemplares que se pueden utilizar para la preparación de muestras, en todos los casos el método debe optimizarse y validarse utilizando métodos analíticos alternativos. Recientemente se publicó una descripción detallada de la influencia de diferentes factores22. Además del desarrollo y la validación de métodos de preparación adecuados, la documentación de estos pasos también es de suma importancia40. Esta publicación presenta algunos métodos fáciles de manejar y es una guía para modificar o desarrollar nuevos métodos de acuerdo con los requisitos de la tarea específica.

Los nanomateriales se definen como materiales que tienen cualquier dimensión externa entre 1 nm y 100 nm o que tienen una estructura interna o superficial a esta escala1. Debido a las propiedades únicas que surgen de su pequeña escala y, en consecuencia, su gran superficie (entre otros factores), encuentran un uso cada vez mayor en una amplia variedad de campos, incluidos la agricultura, la química, la construcción automotriz, los cosméticos, el medio ambiente, la medicina, la impresión, la energía y los textiles. Este mayor uso significa que tanto el ser humano como el medio ambiente estarán expuestos, a una escala hasta ahora desconocida, a estos materiales cuyas propiedades toxicológicas aún no se conocen completamente, y cuyo tamaño permite su fácil integración en sistemas biológicos o ambientales2.
Después de las propiedades fundamentales del área de superficie y la distribución del tamaño de partícula / tamaño, la química de la superficie y los recubrimientos se identificaron como la propiedad más crucial de los nanomateriales3; Las partículas más pequeñas tienen un área de superficie más alta por unidad de masa y, por lo tanto, una mayor proporción de átomos superficiales a granel. De hecho, para nanopartículas de tamaño de 1 nm, más del 70% de los átomos se pueden encontrar en esquinas o bordes; esto influye fuertemente en las propiedades de la superficie, como la quimisorción, que depende en gran medida de la morfología de la superficie a escala atómica4. Las regulaciones que se ocupan de los nanomateriales requieren datos precisos sobre las propiedades fisicoquímicas y estimaciones confiables de las propiedades toxicológicas de estos materiales. Para estimar eficientemente las propiedades toxicológicas a partir de las propiedades físicas y químicas de los nanomateriales, la comunidad de nanomateriales requiere procedimientos analíticos confiables, estandarizados y verificados. Proyectos como ACEnano5 tienen como objetivo recopilar y correlacionar datos físicos precisos y verificables de nanopartículas en un marco que permita una mejor regulación y caracterización de los nanomateriales. Este impulso hacia procedimientos analíticos estandarizados también ha sido apoyado por los editores de ACS Nano, que desean "consolidar y acordar métodos de caracterización y niveles mínimos de análisis de materiales6". Además, XPS y ToF-SIMS ofrecen nuevas posibilidades para dilucidar la arquitectura de partículas de las nanopartículas core-shell7,8.
La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y la espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (ToF-SIMS), comparadas en la Tabla 1, son métodos bien establecidos para la investigación de átomos de superficie. En XPS, la muestra se irradia con rayos X que tienen una energía entre 1 y 2 keV, causando emisión de electrones debido al efecto fotoeléctrico. Estos electrones emitidos, que tienen una energía cinética en el mismo rango, se correlacionan con la energía de unión de los electrones en el sólido; por lo tanto, la aparición de fotoelectrones en estas energías de unión definidas e intensidades medibles permite el análisis cuantitativo de la composición. Dado que la vía libre media de estos fotoelectrones es inferior a 10 nm, XPS es una técnica altamente sensible a la superficie para el análisis cuantitativo. Además, el análisis detallado de las energías de unión en espectros altamente resueltos permite la determinación cuantitativa de los estados de valencia de estos electrones.
En ToF-SIMS, la superficie se pulveriza con un haz de iones enfocado (iones primarios), con los iones expulsados del material (iones secundarios) recogidos y analizados en un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo. El patrón de masa/carga obtenido permite la determinación de la composición elemental, isotópica o molecular. Debido a la vía libre media de los iones secundarios, esta técnica también es altamente sensible a la superficie y tiene una profundidad de información de 1-2 nm, pero es en el mejor de los casos semicuantitativa, debido al efecto de matriz por el cual la probabilidad de ionización (y por lo tanto el rendimiento) de los iones secundarios está fuertemente influenciada por su matriz circundante. ToF-SIMS se puede operar en modo estático o dinámico; la diferencia entre los dos es el flujo iónico primario que afecta a la superficie. El SIMS estático mantiene el flujo de iones primario a un nivel que impacta (es decir, fragmentos) en un máximo del 1% al 10% de la superficie; la superficie permanece relativamente intacta, lo que permite el análisis de las capas atómicas superiores de material. Dado que incluso el SIMS estático causa cierta destrucción en la superficie, se considera que es menos "no destructivo" de los dos métodos.
Estas técnicas sensibles a la superficie permiten el análisis de los primeros nanómetros del material, incluidos los recubrimientos intencionales o no intencionales, que, para los nanomateriales, pueden influir significativamente en las propiedades del material. Ejemplos de recubrimientos intencionales son capas de recubrimiento en puntos cuánticos para mejorar los rendimientos cuánticos de fotoluminiscencia y reducir la reactividad ambiental9, recubrimientos de alúmina o sílice para la prevención de la actividad fotocatalítica de nanopartículas de titania en bloqueadores solares10, funcionalización de superficies para permitir la bioconjugación y la actividad biológica posterior11, recubrimientos para aplicaciones de diagnóstico y administración de fármacos12 , y recubrimientos de fluorocarbono sobre partículas magnéticas para ferrofluidos y sistemas metálicos core-shell para mejorar las propiedades del catalizador13. Los recubrimientos no intencionales, como la oxidación, la contaminación superficial o las coronas de proteínas en los sistemas biológicos tienen una influencia igualmente fuerte en las propiedades de las nanopartículas y es crucial que los procedimientos de preparación experimental garanticen que el recubrimiento y, en general, la química superficial del nanomaterial no se destruyan ni transformen. También es crucial evaluar las propiedades de las nanopartículas tal como están in situ, ya que sus propiedades pueden verse drásticamente alteradas por el cambio2,14,15. Además, la concentración de estabilizadores en la suspensión de nanopartículas puede influir dramáticamente en el análisis y la integridad estructural de las nanopartículas; la presencia de un estabilizador puede dar lugar a grandes señales no deseadas (por ejemplo, C, H, O y Na) en el análisis, mientras que su eliminación puede provocar daños o aglomeración de las nanopartículas.
Debido a su tamaño y superficie, las condiciones de almacenamiento de las nanopartículas también afectan su comportamiento, tanto como polvos/suspensiones almacenados como muestras preparadas. En diversos estudios se ha demostrado que el efecto de las condiciones de almacenamiento subóptimas, en particular el almacenamiento a temperatura ambiente y la exposición a la luz, causan la degradación de las nanopartículas, lo que ha demostrado alterar las propiedades físicas, químicas y/o toxicológicas de las partículas14,15,16,17,18 . Se ha demostrado que las nanopartículas más pequeñas se oxidan más rápidamente que las más grandes con tasas de oxidación/degradación dependientes de las condiciones de almacenamiento15 y de la química de la superficie14. Se ha demostrado que los efectos de la degradación de las nanopartículas durante el almacenamiento afectan significativamente las propiedades fisicoquímicas, incluida la toxicidad14, mientras que el crecimiento oxidativo puede avanzar hacia el interior a expensas del núcleo15.
Por lo tanto, el almacenamiento y la preparación cuidadosos de los nanomateriales son esenciales para un análisis preciso de la superficie, y cualquier factor que pueda influir en la superficie de la muestra y / o la calidad de las mediciones debe considerarse cuidadosamente. Cabe señalar que debido a la resolución espacial relativamente baja de XPS (en el rango de μm) y ToF-SIMS (unos pocos cientos de nm), solo se puede investigar un pequeño subconjunto de las nanopartículas; estos métodos promedian sobre un área y no tienen la capacidad de obtener imágenes de partículas individuales como es posible con técnicas como la microscopía electrónica. Por esta razón, cualquier análisis requiere la deposición de las nanopartículas en una capa continua para garantizar que no haya interferencias del sustrato. Por lo tanto, la microscopía electrónica y XPS / ToF-SIMS se utilizan a menudo juntos como métodos complementarios para el análisis de nanomateriales.
Aparte de los cambios en la química de la superficie, los principales desafíos para la preparación de muestras de nanopartículas para el análisis XPS y ToF-SIMS son preparar una capa que sea: homogénea, para aumentar la reproducibilidad; gapless, para minimizar la contribución del sustrato a los espectros; lo suficientemente delgado como para evitar efectos de carga (para muestras no conductoras); y fijado de forma segura al sustrato, para evitar que las nanopartículas libres entren y dañen los instrumentos de ultra alto vacío
Las nanopartículas se pueden depositar sobre el sustrato desde la suspensión o como polvo. En primer lugar, discutiremos los diferentes métodos para depositar nanopartículas a partir de la suspensión. Las obleas de silicio son un sustrato comúnmente utilizado para la deposición en suspensión, porque son relativamente baratas, fácilmente disponibles como un producto altamente puro que consiste en silicio puro o dopado (el dopaje evita los efectos de carga), y para la mayoría de las nanopartículas los picos espectrales no se superponen con los picos típicos de las nanopartículas. Este último punto es importante; antes del análisis, debe asegurarse de que los picos del sustrato estén bien separados de los picos esperados de las nanopartículas, de lo contrario la interpretación de los espectros es complicada o imposible y no se puede verificar la cobertura continua del sustrato por parte de las nanopartículas. Antes de usar obleas de silicio, es necesario un procedimiento de limpieza extenso (descrito en esta publicación) para eliminar los contaminantes (orgánicos) y aumentar la humectabilidad de la superficie. Otros sustratos adecuados como películas de oro, grafito pirolítico altamente ordenado (HOPG) o láminas de indio se han utilizado con éxito, pero una discusión sobre su preparación está más allá del alcance de este trabajo19,20,21,22.
En segundo lugar, presentamos métodos para depositar polvos de nanopartículas en un sustrato para el análisis XPS y ToF-SIMS y presentamos las ventajas y desventajas de cada método, lo que permite a los investigadores nuevos en las técnicas encontrar el método de preparación óptimo para sus propósitos. En tercer lugar, discutimos la criofijación, que es un método de preparación adecuado para conservar características como el comportamiento de aglomeración, la corona orgánica, la interfaz sólido/acuosa23,24 o la distribución en medios biológicos25 de NP. La criofijación, típicamente congelación rápida de material en un criógeno líquido refrigerado por nitrógeno y análisis en estado congelado-hidratado, permite el análisis y visualización de nanopartículas directamente en matrices complejas. Este procedimiento no causa la formación de cristales de hielo, sino que forma hielo amorfo que mantiene las membranas y las estructuras celulares y tisulares en su estado biológico nativo, evitando el daño causado por los procesos de cristalización del agua y permitiendo mantener la distribución química exacta de todos los metabolitos celulares y compuestos de la membrana celular26,27,28 . Este método de preparación puede ser de particular interés para presentar un mapa químico exacto del aglomerado o heteroaglomerado NP real, visualizar el espacio químico exacto en las proximidades de la nanopartícula directamente en suspensión, o correlacionar características específicas del tejido celular o compartimentos intracelulares dentro de aglomerados o heteroaglorados NP.
Como se muestra a través de los resultados presentados en este trabajo, el procedimiento más adecuado en un caso particular depende de una variedad de parámetros como la hidrofilicidad, estabilidad, conductividad, estado (por ejemplo, polvo o suspensión) de las nanopartículas y la cuestión analítica en cuestión (por ejemplo, tamaño, propiedades a granel o recubrimientos superficiales). Aquí se presenta una variedad de métodos que se pueden utilizar para la preparación de NP para el análisis de superficie, así como una comparación de sus ventajas y desventajas.

<table><tbody><tr><td>Balanza de laboratorio de 4 cifras</td><td>Kern & Sohn GmbH</td><td>ADB200-4A</td><td></td></tr><tr><td>5 mm Troquel de pellets</td><td>Specac</td><td>GS03060</td><td></td></tr><tr><td>Solución de limpieza de vidrio alcalino</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Hellmanex&trade; III Z805939</td><td>Solución de limpieza especial para cubetas</td></tr><tr><td>Lengüetas adhesivas de carbono</td><td>Plano</td><td>"Leit-Tabs" G3347</td><td></td></tr><tr><td>Limpie los vasos de precipitados de laboratorio</td>, <td>por</td><td></td><td>ejemplo, 300 mL</td></tr><tr><td>Criocongelador</td><td>Microscopía electrónica Ciencias</td><td>EMS-002 Estación</td><td></td>de trabajo criogénica</tr><tr><td>Tubo de diálisis con sujetadores</td><td>Medicell Membranees Ltd</td><td>DTV12000.06.30</td><td>Molecular corte de peso (MWCO) 12-14 kDa</td></tr><tr><td>Prensa de troquel</td><td>cualquiera</td><td></td><td>Capaz de una fuerza de 2 kN</td></tr><tr><td>Jeringa desechable, 1 mL, Luer-slip</td><td>TH Geyer</td><td>Labsolute 7657545</td><td>Se puede utilizar cualquier volumen adecuado</td></tr><tr><td>Adhesivo de doble cara</td><td>3M</td><td>Cinta removible reposicionable 665</td><td></td></tr><tr><td>Hielo seco</td><td>Linde AG</td><td>ICEBITZZZ&reg; </td><td>Para almacenamiento/enfriamiento a corto plazo</td></tr><tr><td>Pipeta de transferencia Eppendorf y puntas</td><td>Eppendorf</td><td>varios</td><td>Compruebe el tamaño correcto para el volumen de pipeteo previsto</td></tr><tr><td>Etanol, grado</td><td>ACS Merck KGaA</td><td>1009832500</td><td></td></tr><tr><td>Mascarilla FFP2 o FFP3</td><td>varios</td><td></td><td>Para trabajar con nanopartículas de materiales no peligrosos, cuando no se encuentran en una campana extractora o guantera</td></tr><tr><td>Isopropanol, grado ACS</td><td>Merck KGaA</td><td>1096342500</td><td></td></tr><tr><td>Bata de laboratorio, guantes y gafas</td><td>de laboratorio Centrífuga</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Eppendorf</td><td>5430</td><td></td></tr><tr><td>Campana extractora de gases de laboratorio</td><td>cualquier</td><td></td><td>necesario para trabajar con nanopartículas</td></tr><tr><td>Agitador de laboratorio y barra agitadora</td><td>NeoLab</td><td>D-6010</td><td></td></tr><tr><td>Toallitas</td> <td>sin pelusaKimberley Clark</td><td>Toallitas profesionales Kimtech Science Precision</td><td>Recomendadas para trabajar con obleas de Si</td></tr><tr><td>Nitrógeno líquido</td><td>Linde AG</td><td>Stickstoff fl&uuml; ssig 5.0</td><td>Solo para el enfriamiento del criógeno.</td></tr><tr><td>Microtubo/tubo de centrífuga 1,5 mL</td><td>T.H. Geyer GmbH & Co. KG</td><td>Labsolute 7696751</td><td></td></tr><tr><td>Nitrógeno 5,0</td><td>cualquier</td><td></td><td>pureza del 99,999%</td></tr><tr><td>Pipeta Pasteur, PE, plástico 3 mL</td><td>TH Geyer</td><td>Labsolute 7 691 203</td><td></td></tr><tr><td>Pipeta Pasteur, PE, plástico 3 mL</td><td>TH Geyer</td><td>Labsolute 7 691 203</td><td></td></tr><tr><td>Portamuestras de polvo</td><td>Taller</td><td></td> <td>BAMPortamuestras "casero"</td></tr><tr><td>Propane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>769037</td><td>El criógeno debe ser de la mayor pureza posible.</td></tr><tr><td>Frasco de muestra o tubo de centrífuga 1 mL</td><td>Greiner Bio-One GmbH</td><td>Cellstar 188 261</td><td>Debe poder fijarse en las</td></tr><tr><td>obleas de</td><td></td><td></td> silicona Vortexer, <td>idealmente 1 cm2 precortado</td></tr><tr><td>Spin-coater</td><td>SPS Europe</td><td>SPIN150i-NPP</td><td></td></tr><tr><td>Filtro de jeringa 0,45 &micro; m</td><td>Th Geyer</td><td>Labsolute 7699803</td><td>Para muestras más pequeñas; Existen versiones más grandes para volúmenes de muestra más grandes</td></tr><tr><td>ToF-SIMS</td><td>IONTOF GmbH</td><td>ToF-SIMS IV o V, equipadas con Bi LMIG y pistola</td><td></td>de inundación</tr><tr><td>Pinzas para la manipulación de obleas de Si</td><td>cualquier</td><td></td><td></td></tr><tr><td>agua ultrapura</td><td>TKA</td><td>MicroPure 08.1202</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonicador</td><td>Bandelin</td><td>Sonorex Super</td><td></td></tr><tr><td>Limpiador UV/Ozono</td><td>NanoBioAnalytics</td><td>UVC-1014</td><td></td></tr><tr><td>Desecador de vacío</td><td>cualquiera</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bomba de vacío (membrana/diafragma)</td><td>Vacuubrand GmbH</td><td>Tipo MD-4T</td><td></td></tr><tr><td>Junta tórica de Viton 6,07 x 1,78 mm</td><td>Betech GmbH</td><td>2-010, FKM 80</td><td></td></tr><tr><td>Vortexer</td><td>Heathrow Scientific</td><td>Vortexer HS120212</td><td></td></tr><tr><td>Soporte para obleas </td><td>Sistemas de producción de semiconductores</td> estilo moneda de 25 mm Europa <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>

preparación de nanopartículas para análisis tof-sims y xps

Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis

Las nanopartículas han ganado cada vez más atención en los últimos años debido a su potencial y aplicación en diferentes campos, incluidos la medicina, la cosmética, la química y su potencial para permitir materiales avanzados. Para comprender y regular eficazmente las propiedades físico-químicas y los posibles efectos adversos de las nanopartículas, es necesario desarrollar procedimientos de medición validados para las diversas propiedades de las nanopartículas. Si bien los procedimientos para medir el tamaño y la distribución del tamaño de las nanopartículas ya están establecidos, aún no se han establecido métodos estandarizados para el análisis de su química superficial, aunque la influencia de la química de la superficie en las propiedades de las nanopartículas es indiscutible. En particular, el almacenamiento y la preparación de nanopartículas para el análisis de superficies influyen fuertemente en los resultados analíticos de varios métodos, y para obtener resultados consistentes, la preparación de la muestra debe optimizarse y estandarizarse. En esta contribución, presentamos, en detalle, algunos procedimientos estándar para preparar nanopartículas para análisis de superficies. En principio, las nanopartículas se pueden depositar sobre un sustrato adecuado desde la suspensión o como polvo. Las obleas de silicio (Si) se usan comúnmente como sustrato, sin embargo, su limpieza es crítica para el proceso. Para la preparación de muestras a partir de la suspensión, discutiremos la fundición por gota y el recubrimiento por centrifugado, donde no solo la limpieza del sustrato y la pureza de la suspensión, sino también su concentración juegan un papel importante para el éxito de la metodología de preparación. Para nanopartículas con capas o recubrimientos de ligandos sensibles, la deposición como polvos es más adecuada, aunque este método requiere un cuidado particular en la fijación de la muestra.

Se presentan varios procedimientos diferentes para preparar nanopartículas para el análisis de superficies (fundición por gota, recubrimiento por espín, deposición de polvos y criofijación). Discutimos los desafíos, oportunidades y posibles aplicaciones de cada método, particularmente con respecto a los cambios en las propiedades de la superficie causados por los diferentes métodos de preparación.

Preparación de nanopartículas para análisis ToF-SIMS y XPS

Nanoparticles have gained increasing attention in recent years due to their potential and application in different fields including medicine, cosmetics, ...

Debido a las propiedades únicas de las nanopartículas, la simple preparación tiene una influencia significativa en las mediciones del análisis de superficie. Estos métodos ofrecen varias opciones diferentes para la preparación de muestras, dependiendo de la cuestión analítica en cuestión y de la forma en que estén disponibles las nanopartículas. Las principales preocupaciones son la seguridad y las contaminaciones.Dado que estos métodos pueden y deben modificarse según corresponda al experimento, es importante verificar cada paso con otras técnicas analíticas. Para la preparación de nanopartículas a partir de una suspensión, se pesan 15 miligramos de polvo de nanopartículas en un tubo de 10 mililitros, seguido de la adición de ocho mililitros de agua ultrapura. Después de taponar, coloque el tubo en un vórtice a 3000 revoluciones durante 15 minutos.Para realizar el método de secado en gota, primero transfiera una oblea de silicona preparada al limpiador de ozono UV durante 30 minutos antes de colocar la oblea en la mitad del soporte de la oblea. Coloque una gota de tres microlitros de suspensión de nanopartículas en el centro del anillo y monte una junta tórica de 6,07 milímetros de diámetro en la oblea alrededor de la gota, teniendo cuidado de que el anillo no toque la gota. Coloque la oblea en un profanador de vacío a cuatro milibares de presión de vacío durante 15 minutos para secar la oblea.Y observe la oblea bajo microscopía óptica para evaluar la distribución de partículas en la superficie de la oblea. Luego repita el secado en gota hasta que se observe una capa homogénea de partículas. Para preparar suspensiones de nanopartículas mediante recubrimiento de centrifugado, coloque una oblea preparada en el limpiador de ozono UV durante 30 minutos y programe el codificador de espín como se indica.Al final del tratamiento, inserte la oblea en el codificador de espín y encienda el vacío para la fijación. Deposite 80 microlitros de la suspensión en la oblea e inicie el programa. Al final de la deposición, transfiera la muestra a una bandeja de obleas limpia y analice la muestra mediante microscopía electrónica de barrido para confirmar la cobertura sin huecos del sustrato.Para la deposición de las nanopartículas de un polvo, fije un trozo de cinta adhesiva de doble cara al portamuestras y retire el revestimiento. A continuación, recoja la punta de una espátula de polvo de nanopartículas y coloque la muestra sobre el adhesivo. Utilice la espátula para esparcir la muestra sobre el adhesivo antes de presionar firmemente la muestra sobre el adhesivo hasta que se adhiera la mayor cantidad posible de la muestra.Invierta y golpee el portamuestras, y sople un chorro de gas a través de la muestra para confirmar que el polvo está fijado a la cinta. Alternativamente, coloque la punta de una espátula de polvo sobre una superficie limpia y presione el soporte con el adhesivo sobre el polvo desde arriba. A continuación, compruebe que el polvo está fijado en la cinta como se acaba de demostrar.Para la criofijación de la suspensión de nanopartículas depositadas, construya la cámara principal de un dispositivo de congelación rápida con nitrógeno líquido y llene una cámara de congelación rápida enfriada con el criógeno. En el dispositivo de congelación rápida enfriado a su temperatura de funcionamiento, use una pipeta para dejar caer de 10 a 20 microlitros de suspensión de nanopartículas sobre una oblea de silicio limpia. Sosteniendo la oblea con pinzas de fijación, coloque la oblea dentro del dispositivo de congelación por inmersión y mueva las pinzas a la posición de inmersión.Presione el botón para dejar caer la muestra en el criógeno y espere varios segundos para que la muestra esté completamente congelada. Tan pronto como la muestra esté congelada, transfiera la oblea a un ambiente enfriado y coloque la muestra de oblea de silicio en el portamuestras. La mejora de la humectabilidad de la superficie mediante tratamiento UV u ozono evita el efecto anillo de café, lo que resulta en una distribución más homogénea de las nanopartículas.Las imágenes de microscopía electrónica de barrido muestran una difamación significativa de las nanopartículas de oro y plata de 60 nanómetros después de la diálisis, mientras que las partículas centrifugadas y redistribuidas permanecieron intactas. La fundición por caída de nanopartículas suele requerir aplicaciones repetidas para obtener una capa con una cobertura total. Esta película representativa moldeada a partir de una suspensión de 90 miligramos por mililitro muestra una cobertura multicapa espesa y sin huecos, así como una notable ausencia de picos de silicio en los espectros XPS, lo que la convierte en una muestra ideal para el análisis de superficies.Esta muestra moldeada de una suspensión de nueve miligramos por mililitro muestra partículas y una pequeña capa individual de glomerado que no cubre completamente la superficie, lo que la hace inadecuada para el análisis de superficie de las nanopartículas, pero ideal para analizar, por ejemplo, la distribución del tamaño de las partículas. La muestra moldeada a partir de una concentración de 0,9 miligramos por mililitro no proporciona una cobertura continua ni una densidad de partícula suficiente para que sea adecuada para la química de superficies o el análisis de distribución de tamaño de partícula. Además de preservar las estructuras más grandes dentro de la suspensión, la criofijación evita los efectos de los anillos de café que resultan en una reducción de las señales, que pueden atribuirse a las sales u otros contaminantes observados con otros métodos de preparación de muestras.Al realizar el análisis de la superficie de los nanomateriales, recuerde realizar una validación cruzada del método utilizando una técnica analítica para preparar el método de forma coherente y documentar cuidadosamente los resultados. Estos métodos de preparación son una parte importante de una caracterización fiable de la superficie de las nanopartículas y son necesarios para una comprensión detallada de cómo interactúan las nanopartículas con su entorno.

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Research

Investigación

JoVE Journal

Chemistry

Química

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