Określanie składu chemicznego inhibitora korozji/granicy faz metalu za pomocą XPS: minimalizacja utleniania po zanurzeniu
15 marca 2017
Przedstawiono protokół unikania utleniania substratów metalicznych podczas przenoszenia próbki z inhibitowanego roztworu kwaśnego do rentgenowskiego spektrometru fotoelektronów.
Ogólnym celem tej procedury eksperymentalnej jest zapobieganie utlenianiu substratów metalicznych podczas przenoszenia próbki z inhibitowanego roztworu kwaśnego do rentgenowskiego spektrometru fotoelektronów. Procedura ta pozwala na bardziej wiarygodne określenie chemicznego charakteru granicy faz materii inhibitora korozji w roztworach kwaśnych, co jest kluczowym elementem zrozumienia mechanizmu i przewidywania wydajności. Szczególną zaletą tego podejścia jest to, że jest ono stosunkowo łatwe w aplikacji.
I tak, mogą być zaadoptowane przez innych badaczy podejmujących podobne pomiary. Protokół jest stosunkowo prosty, ale należy ćwiczyć manipulowanie próbkami w schowku rękawicowym, ponieważ jest to najbardziej wymagający segment metody. Poza hamowaniem korozji, podejście to powinno być również brane pod uwagę w innych obszarach, w których pomiary XPS są wykonywane na wrażliwych na powietrze interfejsach utworzonych w środowisku płynnym.
Najpierw zdecydowaliśmy się wypróbować to podejście, ponieważ obawialiśmy się, że poprzednia praca była zagrożona przez utlenianie zahamowanego interfejsu po wystawieniu na działanie powietrza. Aby rozpocząć tę procedurę, należy przygotować podłoże ze stali węglowej i roztwór kwasu solnego z dodatkiem CI, jak opisano w protokole tekstowym. Następnie wlej 25 mililitrów przygotowanego roztworu HCL plus CI do małej szklanej zlewki.
Za pomocą pęsety kwasoodpornej podnieś próbkę ze stali węglowej w kształcie dysku, a następnie zanurz ją w roztworze HCL plus CI. Ustawić próbkę tak, aby ściany cylindryczne znajdowały się w płaszczyźnie pionowej. Najpierw podłącz schowek w desce rozdzielczej do źródła gazu obojętnego, takiego jak azot lub argon.
Następnie przyklej mały kwadrat dwustronnej przewodzącej taśmy węglowej do pręta próbki XPS. Włóż cały sprzęt wymagany do przeniesienia próbki do instrumentu XPS do schowka na rękawiczki przez otwarty port. Następnie umieścić szklaną zlewkę zawierającą zanurzone podłoże w schowku na rękawiczki.
Uszczelnij każdy port. Następnie należy przepłukać schowek rękawicowy gazem obojętnym. Pozostawić próbkę zanurzoną przez żądany okres zanurzenia.
Monitoruj wartość wilgotności względnej w schowku na rękawiczki. Gdy wilgotność względna spadnie poniżej ośmiu procent, sięgnij do rękawic schowka. Następnie przykryj je rękawiczkami nitrylowymi.
Za pomocą pęsety usuń próbkę stali węglowej z roztworu. Natychmiast wydmuchać próbkę do sucha za pomocą pustej butelki do mycia. Następnie przykryj zlewkę zawierającą roztwór HCL plus CI folią parafinową z tworzywa sztucznego.
Przymocować wysuszoną próbkę do małego kwadratu taśmy na pasku do pobierania próbek XPS. Następnie odpowietrzyć komorę blokady ładunku XPS do gazu obojętnego. Otwórz kołnierz blokady obciążenia, przenieś pręt próbny do komory blokady obciążenia i wsuń go na bolec do przytrzymywania próbki.
Następnie zamknij kołnierz. Włącz kombinację pomp rotacyjnych turbo, aby przepompować komorę. Gdy ciśnienie osiągnie około pięć razy 10 do minus siedmiu milibarów, ręcznie przenieś próbkę do komory pośredniej za pomocą ramienia transferowego.
Za pomocą klawiatury ustaw próbkę pod żądanym kątem emisji fotoelektronów. Następnie otwórz oprogramowanie do akwizycji danych XPS. Przejdź do okna ręcznego sterowania instrumentem.
Wprowadź 10 miliamperów i 15 killivoltów jako wartości odpowiednio dla parametrów emisji anody i anody HT. Następnie kliknij przycisk Włącz w sekcji pistoletu rentgenowskiego, aby włączyć monochromatyczne aluminiowe źródło promieniowania rentgenowskiego K alpha. Następnie kliknij przycisk Włącz w sekcji Neutralizator, aby włączyć neutralizator ładunku.
W sekcji Analyzer (Analizator) wybierz tryb pomiaru widma Hybrid z menu rozwijanych trybu i obiektywu. Następnie wprowadź żądane parametry do sekcji kontroli skanowania akwizycji. Za pomocą klawiatury zoptymalizuj pozycję próbki, aby zmaksymalizować sygnał z wybranego poziomu rdzenia.
Następnie pobierz dane XPS zgodnie z opisem w protokole tekstowym. W tym badaniu zastosowano alternatywne podejście do wprowadzania próbek do ultra wysokopróżniowego urządzenia XPS w celu zminimalizowania utleniania po zanurzeniu w kwaśnym roztworze zawierającym inhibitor korozji. Dane XPS dla wypolerowanej próbki wykazują trzy istotne cechy: sygnał żelaza 2p pochodzi ze stali węglowej tworzącej próbkę.
Sygnał tlenu 1s pochodzi zarówno z powierzchniowego filmu tlenkowego i absorbuje, podczas gdy sygnał węgla 1s jest spowodowany przypadkowym węglem. Zanurzenie w którymkolwiek z inhibitowanych jednomolowych roztworów HCL powoduje znaczące zmiany w odpowiednim spektrum przeglądowym. Sygnał azotu powstaje w wyniku absorpcji powierzchniowej inhibitora, podczas gdy sygnał tlenowy jest prawie wyeliminowany.
Profile widmowe tlenu 1s i żelaza 2p o wyższej rozdzielczości wskazują, że nastąpiło utlenianie powierzchni polerowanej próbki, w wyniku czego powstają tlenki i wodorotlenki żelaza. Związki te są nieobecne w zanurzonych próbkach, co wskazuje, że na powierzchni pozostaje niewiele, jeśli w ogóle, tlenków lub wodorotlenków. Wpływ otaczającej atmosfery laboratoryjnej na zahamowaną granicę faz określa się poprzez przeniesienie próbki do częściowo oczyszczonej komory rękawicowej.
Próbka ta wystawiona na działanie wyższego stężenia tlenu wykazuje oznaki utlenienia powierzchniowego. W związku z tym utlenianie powierzchni jest zminimalizowane tylko wtedy, gdy transfer próbki odbywa się wewnątrz dobrze oczyszczonej komory rękawicowej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak uniknąć utleniania granic faz substancji inhibitora korozji przed pomiarami XPS.
Procedura jest stosunkowo prosta, a po opanowaniu etap przenoszenia próbki można wykonać w mniej niż 30 minut, jeśli zostanie wykonany prawidłowo. Jednak podczas wykonywania procedury ważne jest, aby w żadnym momencie podczas zanurzania lub przenoszenia próbki nie dotykać powierzchni, która ma być badana przez XPS. Na koniec nie zapominaj, że praca z kwasami może być niebezpieczna i należy zachować odpowiednią ostrożność.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół opracowany w celu zapobiegania utlenianiu podłoży metalicznych podczas ich przenoszenia z inhibowanego roztworu kwasowego do spektrometru fotoelektronów w promieniach X (XPS). Metoda ta zwiększa wiarygodność określania charakteru chemicznego interfejsów inhibitorów korozji w roztworach kwasowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauka o korozji
- Chemia powierzchni
- Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów
Wstęp
- Utlenianie może naruszyć integralność próbek metalicznych podczas analizy.
- Inhibitory korozji odgrywają kluczową rolę w ochronie powierzchni metalowych w środowiskach kwasowych.
- Zrozumienie natury chemicznej tych interfejsów jest niezbędne do przewidywania właściwości eksploatacyjnych.
- Poprzednie metody były utrudnione przez utlenianie podczas ekspozycji na powietrze.
Cel badania
- Opracowanie niezawodnej metody przenoszenia próbek metalicznych bez ich utleniania.
- Poprawa dokładności pomiarów XPS dla interfejsów inhibitorów korozji.
- Przedstawienie prostego protokołu, który może zostać zaadoptowany przez innych badaczy.
Zastosowane metody
- Przygotowanie podłoży ze stali węglowej oraz roztworów kwasu solnego z inhibitorami korozji.
- Użycie komory rękawicowej przedmuchanej gazem obojętnym do przenoszenia próbek.
- Stosowanie pęset odpornych na działanie kwasów do manipulowania próbkami.
- Optymalizacja parametrów XPS w celu pozyskania danych.
Główne wyniki
- Po zanurzeniu w roztworach z inhibitorem zaobserwowano istotne zmiany w widmach XPS.
- Utlenianie powierzchni zostało zminimalizowane dzięki przenoszeniu próbek w dobrze oczyszczonej komorze rękawicowej.
- W zanurzonych próbkach nie stwierdzono produktów utleniania, co wskazuje na skuteczną ochronę.
- Prawidłowa obsługa i przenoszenie próbek mogą zostać zakończone w czasie krótszym niż 30 minut.
Wnioski
- Opracowany protokół skutecznie zapobiega utlenianiu podczas przenoszenia próbki.
- Stanowi on niezawodną metodę badania powierzchni międzyfazowych inhibitorów korozji.
- Należy zachować ostrożność, aby nie dotykać powierzchni próbki podczas procesu.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładna charakterystyka interfejsów inhibitor korozji/metal jest niezbędna do przewidywania właściwości materiałów w środowiskach kwasowych, co stanowi kluczowy aspekt w opracowywaniu formulacji i badaniach stabilności. Poprzez zapobieganie utlenianiu po zanurzeniu podczas przenoszenia próbek, metoda ta zapewnia, że dane XPS odzwierciedlają rzeczywistą chemię międzyfazową, co pozwala na uzyskanie wiarygodnych wniosków mechanistycznych. Możliwość ta pomaga w minimalizacji ryzyka przy wyborze inhibitora na wczesnym etapie, zapewniając pewność co do danych dotyczących oddziaływań powierzchniowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie mechanizmów wiązania inhibitorów na powierzchniach metali w kontrolowanych warunkach.
- Wartość operacyjna: Redukuje artefakty wynikające z ekspozycji na atmosferę, co poprawia powtarzalność danych w różnych badaniach.
Przesiewy i opracowanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza ilościowych danych dotyczących składu powierzchni w celu uszeregowania skuteczności inhibitorów na podstawie stopnia pokrycia międzyfazowego.
- Wartość operacyjna: Optymalizuje przepływ pracy dla próbek wrażliwych na działanie powietrza poprzez integrację przenoszenia z komory rękawicowej z analizą XPS.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera ekstrapolację wydajności inhibitorów w skali laboratoryjnej na rzeczywiste środowiska kwasowe poprzez zachowanie natywnych stanów powierzchni styku.
- Wartość operacyjna: Ułatwia interdyscyplinarną współpracę między zespołami zajmującymi się nauką o korozji a zespołami odpowiedzialnymi za formulację dzięki zestandaryzowanym, przenoszalnym protokołom.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w wczesne etapy procesów odkrywania leków, w których zrozumienie oddziaływań molekularnych na granicach faz materiałowych służy do wyboru wiodących związków oraz oceny stabilności formulacji.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących adsorpcji inhibitorów i mechanizmów ochrony powierzchni.
- Przesiewanie: Umożliwia powtarzalne, ilościowe odczyty do porównywania wydajności inhibitorów w warunkach kwasowych.
- Analityka: Dostarcza danych o składzie pierwiastkowym i stanie chemicznym (np. Fe 2p, O 1s, C 1s, N 1s) w celu skorelowania składu powierzchni z wynikami funkcjonalnymi.
- Badania translacyjne: Łączy przesiewanie w skali laboratoryjnej z istotnością środowiskową poprzez zachowanie integralności interfejsu podczas analizy.
- Zastosowania przemysłowe: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do badania dowolnego wrażliwego na działanie powietrza interfejsu ciecz-ciało stałe w testach kompatybilności materiałowej.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną dotyczącą wydajności inhibitorów poprzez minimalizację artefaktów pomiarowych.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i standaryzację w laboratoriach badających powierzchnie korozyjne.
- Wartość strategiczna: Wspiera szybsze podejmowanie decyzji typu go/no-go poprzez redukcję niepewności w danych dotyczących wydajności na wczesnym etapie.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów na inhibitory z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o wiarygodną charakterystykę międzyfazową.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obsłudze glove boxa oraz pracy z próbkami wrażliwymi na działanie powietrza.
- Zależne od dostępu do urządzenia XPS z kompatybilną śluzą ładunkową umożliwiającą transfer w gazie obojętnym.
- Wymaga ustandaryzowanego przeszkolenia w celu uniknięcia zanieczyszczeń powierzchni podczas manipulowania próbkami.
- Przy porównywaniu różnych warunków należy uwzględnić zmienne specyficzne dla roztworu, takie jak stężenie inhibitora i pH kwasu.
- Ograniczone do przygotowania próbek kompatybilnych z próżnią; inhibitory nieulotne lub termolabilne mogą wymagać zastosowania alternatywnych metod.
