Karakterisering van Nanocrystal Size Distribution met Raman spectroscopie met een Multi-deeltje Phonon opsluiting Model
22 augustus 2015
We demonstreren hoe de grootteverdeling van halfgeleider nanokristallen bepalen kwantitatieve wijze met Raman spectroscopie toepassing van een analytisch gedefinieerde meerdere deeltjes fonon opsluiting model. De resultaten zijn in uitstekende overeenkomst met de andere grootte analyse technieken zoals transmissie-elektronenmicroscopie en fotoluminescentie spectroscopie.
Het algemene doel van deze procedure is om Raman-spectroscopie te gebruiken om de grootteverdeling van nanodeeltjes op een snelle, betrouwbare en niet-destructieve manier te bepalen. Dit wordt bereikt door eerst het Raman-spectrum van de betreffende nanodeeltjes te verkrijgen. De tweede stap is het analyseren van de meetgegevens en het lokaliseren van de subdistributies daarin met behulp van het multi-particle phonon confinement-model.
Vervolgens worden de gemiddelde grootte en de breedtefactor van de subdistributies uit het gefitte model bepaald. De laatste stap is het gebruik van de verkregen parameters om de werkelijke grootteverdeling van de betreffende nanodeeltjes vast te stellen. Uiteindelijk wordt Raman-spectroscopie gebruikt om aan te tonen dat het mogelijk is om de grootteverdeling van nanodeeltjes op een snelle, betrouwbare en niet-destructieve manier te bepalen.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals transmissie-elektronenmicroscopie en röntgendiffractie is dat Raman-spectroscopie snelle en betrouwbare resultaten geeft op een niet-destructieve manier, en dat het in de meeste laboratoria direct beschikbaar is. Begin met het synthetiseren van de gewenste nanokristallen. Zet de siliciumnanokristallen af op een glazen substraat met behulp van plasma-enhanced chemical vapor deposition.
Hier worden silicium-nanokristallen gesynthetiseerd met een geschatte grootte van 2 tot 120 nanometer en een bimodale verdeling in de bereiken van 2 tot 10 nanometer en 40 tot 120 nanometer. Zet vervolgens de laser van de Raman-spectroscopie-opstelling aan en laat deze ongeveer 15 minuten opwarmen zodat de laserintensiteit kan stabiliseren; zorg ervoor dat de laser en de actieve lampen uitstaan voordat u de deur opent, om veilig te zijn voor ongewenste blootstelling aan de werkende laser. Druk vervolgens op de deurknop.
Ontgrendel en open de deur van de meetkamer. Plaats de monster op de monsterhouder. Selecteer het 50 x objectief en focus op het oppervlak van het nanokristalpoeder.
Sluit vervolgens de deur van de meetkamer. Verwijder daarna het sluiterdoorlaatje door op de knop voor het openen van de sluiter te klikken. Het lasersignaal moet nu groen knipperen en het actieve signaal moet rood knipperen in het live-beeld. Correct.
Stel de focus van het monster in met het wielmechanisme totdat de kleinste laserspot op het live-beeld zichtbaar is. Selecteer vervolgens de optie voor nieuwe spectrale acquisitie in de meetwerkbalk. Stel in het pop-upvenster het meetbereik in op tussen 150 en 700 cm⁻¹. Zet de meetduur op 30 seconden, het totale aantal acquisities op twee en het laservermogen op 0,5% op basis van een 25 milliwatt laser.
Start vervolgens de meting door op de knop voor het starten van de acquisitie in de menubalk te klikken. Nadat de meting is voltooid, sluit u de sluiter door op de knop voor het sluiten van de sluiter te klikken en slaat u de gegevens op als zowel een A WXD-bestand als een TXT-bestand. Het tekstbestand zal worden gebruikt voor de analyse van de experimentele gegevens.
Controleer of de lampjes van de laser en de actieve status zijn uitgeschakeld. Druk vervolgens op de deuropening en open de deur van de meetkamer. Meet daarna een bulkreferentie van het nanomateriaal door dit proces te herhalen.
Schat de relatieve verschuiving door een referentie monster van de piekpositie van het bulkmateriaal te gebruiken. Open eerst de tekstbestanden van de metingen voor de nano Krystal-meting en de bulkreferentie voordat de gegevens worden uitgezet. Maak deze glad met behulp van cubics en splines, en normaliseer de gegevens naar één op hun hoogste piekposities.
Om een goede vergelijking van de relatieve piekverschuivingen te verkrijgen, worden de gegevens van het silicium nanokristal en het referentiesilicium uitgezet. Bepaal de piekpositie van het referentiesilicium en schat de omvang van de verschuiving, indien aanwezig, ten opzichte van de werkelijke piekpositie van 521 inverse centimeters. Sla vervolgens de gegevens van het bewerkte silicium nanokristal op als een TXT-bestand.
Start vervolgens de fitprocedure. Voer de hier getoonde fitfunctie in een analyseprogramma zoals Mathematica in. Zorg ervoor dat het interval voor de scheefheid tussen 0,1 en 1,0 ligt en dat het interval voor de gemiddelde grootte tussen 2 nm en 20 nm ligt. Importeer voor de fitprocedure eerst de genormaliseerde en gecorrigeerde gegevens als input voor het niet-lineaire fitmodel.
Gebruik het import-commando en druk op shift en enter om de fitting-procedure uit te voeren. Voer vervolgens de verkregen waarden voor de gemiddelde grootte en de scheefheid in de hier getoonde vooraf gedefinieerde algemene distributiefunctie in. Markeer ten slotte de hier getoonde vergelijking voor de grootteverdeling en plot de grootteverdeling van 2 tot 15 nanometers met behulp van het plot-commando als de onder- en bovengrenzen van de verdeling.
De deeltjes in het hier getoonde monster werden gemeten via transmissie-elektronenmicroscopie, waarbij werd vastgesteld dat de nanodeeltjes een bimodale grootteverdeling hadden. De kleine nanodeeltjes waren tussen de 2 en 10 nanometer, en de grote nanodeeltjes waren tussen de 40 en 120 nanometer. De analyse van het ramanspectrum onthult dat de grootteverdeling van de kleine deeltjes inderdaad in het bereik van 2 tot 10 nanometer ligt.
De distributie bleek log-normaal te zijn met een gemiddelde grootte van 4.2 nanometers en een scheefheid van 0.27. Raman-spectroscopie is een ideale methode om het geringe grootteverschil van siliciumnanodeeltjes te meten die zijn gevormd met twee verschillende debieten van silaan; wanneer het debiet werd verhoogd van drie standaardkubieke centimeters per seconde naar 10, nam de gemiddelde particeldiameter af en nam de scheefheid licht toe. Zodra men deze techniek beheerst, kan deze in slechts enkele minuten worden uitgevoerd mits deze correct wordt toegepast.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel demonstreert een methode voor het bepalen van de grootteverdeling van halfgeleidende nanokristallen met behulp van Raman-spectroscopie. De benadering maakt gebruik van een multi-particle phonon-confinementmodel, wat resulteert in resultaten die nauw overeenstemmen met andere technieken voor grootteanalyse.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Nanotechnologie
- Materiaalkunde
- Spectroscopie
Achtergrond
- Het begrijpen van de deeltjesgrootteverdeling van nanodeeltjes is cruciaal voor diverse toepassingen.
- Ramanspectroscopie biedt een niet-destructieve methode voor analyse.
- Modellen voor fononconfinement in multipartikels verbeteren de nauwkeurigheid van de groottebepaling.
- Vergelijking met andere technieken valideert de resultaten.
Doel van de studie
- Om een betrouwbare methode te bieden voor de analyse van de grootteverdeling van nanodeeltjes.
- Om de effectiviteit van Raman-spectroscopie in deze context aan te tonen.
- Om de resultaten te vergelijken met gevestigde technieken zoals transmissie-elektronenmicroscopie.
Gebruikte methoden
- Verwerven van Raman-spectra van nanodeeltjes.
- Data-analyse om sub-distributies te identificeren met behulp van het phonon-confinementmodel.
- Berekening van de gemiddelde grootte en breedtefactoren op basis van het gefitte model.
- Bepaling van de werkelijke grootteverdeling op basis van de verkregen parameters.
Belangrijkste resultaten
- Raman-spectroscopie bepaalt effectief de grootteverdeling van nanodeeltjes.
- De resultaten zijn consistent met de bevindingen uit transmissie-elektronenmicroscopie.
- De methode is snel, betrouwbaar en niet-destructief.
- Subdistributies worden nauwkeurig geïdentificeerd met behulp van het phonon confinement-model.
Conclusies
- De studie bevestigt het nut van Raman-spectroscopie voor de analyse van nanodeeltjes.
- Modellen voor fononenbeperking in meerdere deeltjes verbeteren de nauwkeurigheid van de metingen.
- Toekomstige toepassingen kunnen worden uitgebreid naar diverse nanomaterialen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Managers
Een nauwkeurige analyse van de grootteverdeling van nanokristallen is essentieel voor het optimaliseren van grootteafhankelijke eigenschappen in halfgeleidermaterialen die worden gebruikt bij toepassingen voor geneesmiddelentoediening, beeldvorming en biosensing. Raman-spectroscopie met een multi-particle phonon-confinementmodel biedt een snelle, niet-destructieve en betrouwbare methode voor kwantitatieve schatting van de grootteverdeling, waardoor snelle feedback in workflows voor de synthese en formulering van nanomaterialen mogelijk wordt. Deze benadering ondersteunt het voorspellend vertrouwen in de vroege fase van de ontwikkeling van nanogeneeskunde door de afhankelijkheid van tragere, destructieve technieken zoals TEM te verminderen.
Strategische toepassingen in BioPharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek mogelijk naar grootte-afhankelijke quantum confinement-effecten in halfgeleidende nanokristallen voor de ontwikkeling van biomarkers of sensoren.
- Operationele waarde: Biedt snelle feedback over de grootteverdeling zonder monsterneming te vernietigen, wat het iteratieve ontwerp van op nanokristallen gebaseerde probes ondersteunt.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Maakt scheiding en schatting van de volumetrische ratio van gemengde grootteverdelingen mogelijk, wat essentieel is voor de standaardisatie van assays met heterogene nanokristalpopulaties.
- Operationele waarde: Levert kwantitatieve grootteparameters uit Raman-spectra die correleren met functionele optische of elektronische outputs in screeningscampagnes.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt ziekterelateerde systeemmodellering door het mogelijk maken van de bereiding van nanocristallen met een afgestelde grootte en gevalideerde distributieprofielen.
- Operationele waarde: Garandeert continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie via reproduceerbare, niet-destructieve groottekarakterisering in meerdere stadia.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het continuüm van nanomedicijnontwikkeling, van vroege nanopartikelsynthese tot preklinische evaluatie, en biedt een herbruikbare mogelijkheid voor de correlatie van eigenschappen die afhankelijk zijn van de grootte.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing naar grootteafhankelijke biologische interacties door nauwkeurige grootteverdelingsgegevens te leveren voor functionele nanocrystal-bibliotheken.
- Screening: Maakt assay-gereedheid mogelijk door gestandaardiseerde scheiding en kwantificering van de nanocrystal-grootte, wat de reproduceerbaarheid in high-throughput formaten verbetert.
- Analytica: Genereert outputs voor de gemiddelde grootte en breedtefactor op basis van fittede phonon confinement-modellen, wat kwantitatieve vergelijkingen tussen verschillende synthesestandpunten faciliteert.
- Translationeel onderzoek: Verbindt syntheseparameters aan preklinische resultaten via controle van de grootteverdeling, een sleutelfactor in de biodistributie en klaring van nanocrystals.
- Enterprise hergebruik: Vestigt Raman-spectroscopie als een platformtechniek voor routinematige kwaliteitscontrole van nanocrystals over projecten en teams heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in de toeschrijving van grootteafhankelijke eigenschappen, waardoor mechanistische ambiguïteit in de prestaties van nanokristallen wordt verminderd.
- Operationele waarde: Standaardisatie en reproduceerbaarheid van metingen van de grootteverdeling tussen verschillende laboratoria en batches.
- Strategische waarde: Verbeterde go/no-go-beslissingen bij de ontwikkeling van nanokristallen door snelle en betrouwbare groottevalidatie mogelijk te maken.
- Impact op de portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering van nanokristalformuleringen op basis van geverifieerde profielen van de grootteverdeling.
Overwegingen bij de implementatie
- Expertise in Raman-spectroscopie en modellering van fononconfinement voor een nauwkeurige datafitting en interpretatie.
- Toegang tot Raman-spectrometers met passende laserstabiliteit en een spectraal bereik (150–700 cm⁻¹) voor nanocristalanalyse.
- Gestandaardiseerde referentieprotocollen tussen teams voor bulkmaterialen-normalisatie en schatting van piekverschuivingen.
- Overwegingen voor aanpassing aan verschillende nanocristaalmaterialen naast silicium, waarvoor een herkalibratie van het model nodig is voor materiaalspecifieke fononeigenschappen.
- Praktische beperking: De nauwkeurigheid van het model is afhankelijk van een adequate signaal-ruisverhouding en een correcte isolatie van grootteafhankelijke fononconfinement-effecten van andere spectrale bijdragen.
