Name: Preparação de nanopartículas para Análise ToF-SIMS e XPS (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 24 s
Description: Aprenda métodos de preparação de nanopartículas para análise de superfície por ToF-SIMS e XPS, incluindo drop casting, spin coating e criofixação. Essas técnicas garantem resultados confiáveis na caracterização de nanomateriais.

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Este projeto recebeu financiamento do Programa Horizonte 2020 da União Europeia (H2020) sob o acordo de subvenção nº 720952 (ACEnano). Os autores gostariam de agradecer a Sigrid Benemann pelas medições sem, Markus Schneider por medições do ToF-SIMS e PCA, e Philipp Reichardt por assistência nas filmagens.

ATENÇÃO: As propriedades toxicológicas das nanopartículas ainda estão sob investigação; devido ao seu tamanho, eles podem apresentar perigos únicos em humanos, bem como no ambiente, mesmo quando consistem em materiais intrinsecamente não perigosos. Antes de realizar qualquer trabalho com nanopartículas, uma avaliação adequada de risco deve ser concluída, e controles de engenharia adequados, procedimentos de laboratório e EPI (equipamento de proteção individual) são colocados em prática, dependendo do nível de risco dos materiais a serem estudados29,30,31,32.
1. Preparação de wafers Si
NOTA: Estas etapas são necessárias para remover a contaminação indesejada (orgânica) e aumentar a capacidade de veracidade da superfície. Todos os solventes utilizados devem ser pelo menos grau ACS. Um banho de sônica padrão (35 kH e 120 Watts) é adequado.
<ol><li>Limpeza química molhada de wafers Si<ol>
<li>Coloque o wafer Si em um béquer com isopropanol e ultrassônico por 5 minutos.</li>
		<li>Transfira o wafer Si para um béquer com uma solução de limpeza de vidro alcalino e ultrassônico por 10 minutos.</li>
		<li>Coloque o wafer em um béquer com água ultrapurada. Troque a água 10 vezes derramando a água e reabastecendo o béquer; os wafers Si permanecerão na parte inferior devido ao efeito capilar.</li>
		<li>Seque o wafer com gás N2 limpo. NOTA: A secagem com N2 impede a formação de "anéis de café" e outros artefatos da secagem da água.</li>
		<li>Coloque o wafer em um segundo béquer com isopropanol e ultrassônico por 10 minutos.</li>
		<li>Seque o wafer com gás N2 limpo.</li>
		<li>Coloque o wafer em um béquer com etanol e ultrassonário por 10 minutos.</li>
		<li>Seque o wafer com gás N2 limpo. O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Limpeza de plasma ou UV/ozônio de bolachas de silício<ol>
<li>Introduza o wafer Si no plasma ou o limpador de UV/ozônio e ligue por 30 minutos. NOTA: Os wafers devem ser limpos imediatamente antes do uso.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Deposição de nanopartículas de suspensão
NOTA: A rota de exposição mais comum para nanopartículas é por inalação. Trabalhar com suspensões pode minimizar os riscos de exposição.
<ol><li>Preparação da suspensão de nanopartículas a partir do pó NOTA: Todas as quantidades descritas aqui são exemplos. O método deve ser otimizado para as nanopartículas específicas utilizadas em cada caso.<ol>
<li>Pesar com precisão 15 mg de pó de nanopartícula (± 10%) em um tubo de 10 mL.</li>
		<li>Pese com precisão aproximadamente 8 mL de água ultrapura.</li>
		<li>Feche o tubo, embale em um tubo de centrífuga de 50 mL com papel toalha e coloque no vórtice a 3.000 rpm por 15 minutos.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Lançamento de nanopartículas eletricamente condutoras de suspensão aquosa<ol>
<li>Coloque o wafer no limpador de UV/ozônio por 30 minutos.</li>
		<li>Coloque o wafer em metade do porta-wafer e coloque uma gota de 3 μL de suspensão de nanopartículas no centro do anel.</li>
		<li>Monte um viton o-anel viton de 6,07 mm de diâmetro no wafer ao redor da gotícula. Tome cuidado para que o anel não toque na gota.</li>
		<li>Coloque o wafer em um desiccador de vácuo sob um vácuo de 4 mbar por 15 minutos para secar o wafer.</li>
		<li>Remova o wafer do dessecator e examine usando microscopia leve e XPS para determinar que a camada de partículas é homogênea e fechada. Repetição de passos 2.2.1 e 2.2.2 até que a análise mostre uma camada fechada e homogênea. O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Spin-coating de nanopartículas eletricamente não condutoras de suspensão aquosa<ol>
<li>Coloque o wafer no limpador de UV/ozônio por 30 minutos. NOTA: Por meio de suspensões de revestimento de spin de diferentes concentrações usando o mesmo protocolo, diferentes níveis de cobertura superficial podem ser alcançados.</li>
		<li>Programe o spin-coater. Um programa de amostra adequado é: etapa 1: rampa de 500 rpm/s a 1.000 rpm (5 s); passo 2: rampa de 1.000 rpm/s a 2.000 rpm (3 min); passo 3: desaceleração a 2.000 rpm/s a 0 rpm.</li>
		<li>Insira o wafer no spin-coater e ligue o vácuo para fixação.</li>
		<li>Deposite 80 μL da suspensão no wafer e inicie o programa.</li>
		<li>Remova o wafer do spin-coater.</li>
		<li>Armazene a amostra em uma nova e limpa wafertray. O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
		<li>Analise a amostra utilizando SEM para confirmar a cobertura sem lacunas do substrato.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Deposição de nanopartículas de pó
<ol><li>Deposição de nanopartículas em fitas adesivas de dois lados ("pau e ir")<ol>
<li>Fixar o adesivo de dupla lateral no suporte da amostra e remover o forro.</li>
		<li>Pegue uma ponta espátula do pó de nanopartícula e mergulhe-a no adesivo.</li>
		<li>Espalhe a amostra sobre o adesivo e pressione no adesivo com a espátula, até que o máximo possível do pó seja aderido.</li>
		<li>Verifique se o pó está fixado na torneira invertendo e tocando no suporte da amostra, e soprando um fluxo de gás (por exemplo, nitrogênio) através dele. O protocolo pode ser pausado aqui. NOTA: Alternativamente, uma pequena quantidade de pó pode ser colocada em uma superfície limpa (papel alumínio Alu ou lâmina de vidro) e pressionada de cima com o suporte de amostra adesivo e de dupla laterais.</li>
		<li>Coloque uma ponta de espátula do pó sobre a superfície limpa. Pressione o suporte da amostra com o adesivo sobre o pó de cima.</li>
		<li>Verifique se o pó está fixado na torneira invertendo e tocando no suporte da amostra, e soprando um fluxo de gás (por exemplo, nitrogênio) através dele. O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparação de pelotas de pó prensadas
	<ol>
<li>Limpe completamente todas as partes da pelota morra, tomando cuidado para não arranhar a superfície polida.</li>
		<li>Inverta a bala e descanse em um pequeno espaçador.</li>
		<li>Insira o êmbolo e uma pelota de aço inoxidável, com o lado polido para cima, e puxe o êmbolo até que haja espaço suficiente para encher com a amostra em pó.</li>
		<li>Encha o dado com uma pequena quantidade de amostra (1 ponta de espátula grande) e, em seguida, insira a segunda pelota de aço inoxidável com o lado polido voltado para a amostra.</li>
		<li>Coloque a base sobre o corpo e inverta cuidadosamente. Se um vácuo for desejado e disponível, conecte a bomba de vácuo à base da pelota.</li>
		<li>Coloque o dado em uma prensa, certificando-se de que está centrado.</li>
		<li>Aplique uma carga leve (2 kN) para aproximadamente 20 s e solte.</li>
		<li>Aplique uma carga mais pesada (6 kN) por 2 min e solte.</li>
		<li>Depois que a carga for liberada, solte a bomba de vácuo. NOTA: Devido às diferentes propriedades materiais de várias nanopartículas, pode ser vantajoso preparar uma série de pelotas com cargas diferentes e tempos de carga para determinar as condições ideais de pressão da pelota.</li>
		<li>Inverta o dado, coloque o anel extrator em posição e coloque uma carga leve (até 1 kN) entre o êmbolo e o anel extrator.</li>
		<li>Remova as partes de dado da prensa e extraia cuidadosamente a pelota da amostra com pinças.</li>
		<li>Monte suavemente a amostra em um wafer Si limpo usando adesivo de dois lados. O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Criofixação de suspensões de nanopartículas
<ol><li>Encha a câmara principal do dispositivo de congelamento rápido com nitrogênio líquido.</li>
	<li>Encha a câmara de congelamento rápido resfriado com o criogen (propano).</li>
	<li>Deixe o dispositivo de congelamento rápido esfriar à temperatura de funcionamento. NOTA: O dispositivo de congelamento rápido requer algum tempo para atingir a temperatura de operação antes da preparação da amostra, portanto é necessário um prazo razoável (algumas horas) para criofixar as amostras.</li>
	<li>Drop-cast 10-20 μL de suspensão NP em um wafer Si limpo com uma pipeta.</li>
	<li>Segurando o wafer Si com pinças de fixação, coloque-o dentro do dispositivo de congelamento de mergulho.</li>
	<li>Mova a pinça de fixação para a posição de mergulho.</li>
	<li>Pressione o botão para soltar a amostra dentro do criogen.</li>
	<li>Espere vários segundos até que a amostra esteja completamente congelada.</li>
	<li>Transfira as amostras congeladas o mais rápido possível para um ambiente refrigerado.</li>
	<li>Coloque a amostra criofixada (Wafer Si) no porta-amostras e transfira-a para dentro do instrumento. NOTA: Para o transporte, recomenda-se o armazenamento de amostras de gelo seco e de curto prazo. As amostras podem ser medidas em um estado congelado com um instrumento resfriado ou com configurações convencionais de ToF-SIMS após a estabilização, secando a amostra.</li>
</ol>

Os autores não têm interesses concorrentes para divulgar.

Uma série de métodos foram apresentados para a preparação de nanopartículas para análise superficial utilizando XPS e ToF-SIMS. Resumimos as vantagens e desvantagens desses métodos, bem como possíveis fontes de erro e adequação para diferentes materiais, na Tabela 2. Como mostrado nos resultados representativos, a preparação de nanopartículas pode influenciar fortemente o sucesso da análise superficial resultante. Além disso, nem todos os métodos são adequados para todos os tipos de partículas devido a fatores como interferência de sinal com o substrato ou materiais de montagem, efeitos de carregamento em filmes grossos não condutores, estado das nanopartículas como pó ou suspensão, danos potenciais a camadas externas sensíveis, destruição de estruturas biológicas e informações sobre agregação e interfaces, ou vulnerabilidade de instrumentos sensíveis de ultra-vácuo para liberar nanopartículas.
Como as medições xps e tof-SIMS são médias sobre uma área em vez de medir partículas únicas, só é possível obter resultados reprodutíveis a partir de camadas homogêneas; a agregação ou aglomeração das partículas no substrato devem, portanto, ser evitadas. Além disso, camadas muito grossas de materiais não condutores causam efeitos de carregamento durante a análise, o que pode levar a artefatos indesejados nos espectros, especialmente carga parcial que não pode ser compensada com uma arma de inundação. Por outro lado, filmes incompletos mostram sinais fortes do substrato ou materiais de montagem (por exemplo, adesivos), que podem interferir com picos sensíveis da superfície das partículas. A espessura ideal do filme é dependente do material e deve ser determinada experimentalmente pela análise de filmes de diferentes espessuras. Em particular, as amostras preparadas com revestimento de spin devem ser analisadas com SEM para garantir a comnitude do revestimento.
Trabalhar com suspensões de PN apresenta menos riscos de exposição e requisitos de segurança em comparação com o trabalho com pós NP. Drop-casting é um método relativamente simples com baixos requisitos de equipamento e é particularmente adequado para nanopartículas condutoras em suspensão onde a espessura do filme não é uma preocupação. Embora as amostras possam ser facilmente secas em condições atmosféricas, o desiccador de vácuo serve para reduzir o tempo de secagem para as gotículas, bem como proteger os wafers da contaminação. O anel Viton é usado para modificar os padrões de evaporação da gotícula e, assim, minimizar a formação de anéis de café. Os padrões de evaporação também podem ser influenciados pela variação da hidrofilidade do substrato usando protocolos de limpeza ou por aplicação de revestimentos alternativos51,52, evaporando em atmosferas solventes53, ou mesmo aquecendo o substrato54. O spin-coating é recomendado para suspensões de nanopartículas não condutoras em suspensão, pois é capaz de gerar uma camada de partícula homogênea que é fina o suficiente para evitar efeitos de carregamento, mas ainda espessa o suficiente para evitar que o substrato Si contribua para os espectros XPS e ToF-SIMS. Para cada sistema np individual e concentração, tanto os parâmetros de centrífuga quanto de revestimento de spin devem ser otimizados, mas podem ser reproduzidos de forma muito confiável mesmo em diferentes instrumentos. Como a gota revestida de spin está sempre no meio do wafer, o raio de rotação é irrelevante e a unidade "revoluções por minuto" (rpm) pode ser usada. A suspensão poderia ser depositada no wafer após o início do programa; no entanto, isso exigiria diferentes parâmetros de revestimento de spin e uma maior quantidade de suspensão para obter um revestimento mais grosso.
Devido ao seu tamanho extremamente pequeno, as nanopartículas podem se desprender do substrato e mover-se livremente dentro da câmara de vácuo ultra-alto quando impactadas com um feixe de íon ou raio-x. Este é um problema particular para amostras preparadas com pó. Em alguns casos, as nanopartículas podem penetrar nos componentes sensíveis do instrumento que requerem manutenção cara e demorada. Devido à tensão de aceleração aplicada, o perigo de danificar peças sensíveis é maior com ToF-SIMS do que com o XPS. As amostras em pó, particularmente aquelas preparadas usando o método "stick and go", devem ser cuidadosamente verificadas para garantir que os pós sejam fixados com segurança suficiente, especialmente para a análise de ToF-SIMS. Isso pode ser confirmado por, por exemplo, segurar a amostra de cabeça para baixo e soprar um fluxo de gás (por exemplo, N2) através dela. Antes da análise, as amostras também podem ser deixadas durante a noite na câmara de ar ou outra câmara inicial de entrada de amostra do instrumento, onde um vácuo estável pode indicar que não há partículas soltas da amostra. As nanopartículas preparadas como pelotas, no entanto, podem até ser espaçadas (em baixas tensões de aceleração) sem danificar o instrumento; este método pode eliminar contaminantes, particularmente hidrocarbonetos, introduzidos a partir da prensa e também pode permitir a análise em massa das partículas.
A preparação de pós NP no stub do suporte da amostra permite a preparação de amostras com geometria definida e uma superfície macroscopicamente plana. Pontos críticos são a limpeza da ferramenta para pressionar a amostra, e o uso de uma baixa pressão para evitar alterações na superfície das nanopartículas devido a este procedimento. Tem as desvantagens de precisar de uma quantidade relativamente alta de material, e problemas potenciais com a perda de material em instrumentos de alto vácuo. Não recomendamos este método para análise de ToF-SIMS, pois as partículas não são compactadas ou protegidas de forma alguma.
Em relação ao material NP, a primeira consideração para a preparação da amostra é a eliminação ou minimização da interferência entre NPs e substratos de material semelhante; por exemplo, os wafers si são um substrato inadequado para análise de NPs SiO2 usando XPS e ToF-SIMS, mesmo com cobertura amostral suficiente. As nanopartículas metálicas ou inorgânicas podem ser prontamente analisadas como pó em um adesivo (assumindo que não contenham camadas orgânicas ou revestimentos) devido à falta de interferência de sinal entre as nanopartículas e o adesivo de dupla lateral, um método de preparação que seria inadequado para NPs poliméricas. As nanopartículas metálicas têm mais flexibilidade em termos de possível espessura do filme usada devido à ausência de efeitos de carregamento, e pode ser lançado com equipamento relativamente pequeno; no entanto, é provável que contenham grandes quantidades de impurezas e estabilizadores de sua síntese, que devem ser cuidadosamente removidos sem danos às partículas. As nanopartículas poliméricas podem ser mais facilmente danificadas pela prensagem de morte, mas também podem se manter mais prontamente juntas na pelota, dependendo das pressões utilizadas. Pelotas ou revestimentos orgânicos macios na superfície NP também podem ser sensíveis a danos. A deposição direta da solução tem o potencial de danificar revestimentos sensíveis, seja através da suspensão ou do processo de secagem, mas é vantajoso para analisar NPs já presentes na suspensão. A criofixação é um método adequado para a análise de estruturas químicas, superfícies ou interfaces em suspensão que seriam danificadas ou destruídas por várias outras técnicas de preparação de amostras, mas requer um crioequipamento especializado tanto para XPS quanto para ToF-SIMS46'47.
Embora este artigo descreva vários métodos exemplares que podem ser utilizados para a preparação da amostra, em todos os casos o método deve ser otimizado e validado usando métodos analíticos alternativos. Uma visão geral detalhada da influência de diferentes fatores foi publicada recentemente22. Além do desenvolvimento e validação dos métodos adequados de preparação, a documentação dessas etapas também é de suma importância40. Esta publicação apresenta alguns métodos fáceis de lidar e é um guia para modificar ou desenvolver novos métodos de acordo com os requisitos da tarefa específica.

Os nanomateriais são definidos como materiais com qualquer dimensão externa entre 1 nm e 100 nm ou tendo uma estrutura interna ou superficial nesta escala1. Devido às propriedades únicas decorrentes de sua pequena escala e área de superfície correspondentemente grande (entre outros fatores), eles encontram uso crescente em uma ampla variedade de campos, incluindo agricultura, química, construção automotiva, cosméticos, meio ambiente, medicina, impressão, energia e têxteis. Esse aumento do uso significa que tanto os seres humanos quanto o meio ambiente serão expostos, em escala até então desconhecida, a esses materiais cujas propriedades toxicológicas ainda não são totalmente conhecidas, e cujo tamanho permite sua fácil integração em sistemas biológicos ou ambientais2.
Após as propriedades fundamentais da área de superfície e distribuição de tamanho/tamanho de partículas, a química da superfície e os revestimentos foram identificados como a propriedade mais crucial dos nanomateriais3; partículas menores têm uma área de superfície mais alta por massa unitária, e, portanto, uma maior proporção de átomos de superfície para granel. De fato, para nanopartículas de 1 nm de tamanho, mais de 70% dos átomos podem ser encontrados em cantos ou bordas; isso influencia fortemente propriedades superficiais, como a chemisorção, que é altamente dependente da morfologia da superfície em escala atômica4. Regulamentos que lidam com nanomateriais exigem dados precisos sobre propriedades físico-químicas e estimativas confiáveis das propriedades toxicológicas desses materiais. Para estimar eficientemente as propriedades toxicológicas das propriedades físicas e químicas dos nanomateriais, a comunidade de nanomateriais requer procedimentos analíticos confiáveis, padronizados e verificados. Projetos como o ACEnano5 visam coletar e correlacionar dados físicos precisos e verificáveis de nanopartículas em um quadro que permita melhor regulação e caracterização de nanomateriais. Esse impulso para procedimentos analíticos padronizados também tem sido apoiado pelos editores da ACS Nano, desejando "consolidar e concordar com métodos de caracterização e níveis mínimos de análise de materiais6". Além disso, o XPS e o ToF-SIMS oferecem novas possibilidades para elucidar a arquitetura de partículas de nanopartículas de conchas centrais7,8.
Espectroscopia de fotoeletroron de raios-X (XPS) e Espectrometria de Massa de Íon Secundário de Voo (ToF-SIMS), em comparação na Tabela 1, são métodos bem estabelecidos para a investigação de átomos de superfície. No XPS, a amostra é irradiada com raios-x com uma energia entre 1 e 2 keV, causando emissão de elétrons devido ao efeito fotoelétrico. Estes elétrons emitidos, com uma energia cinética na mesma faixa, correlacionam-se com a energia de ligação dos elétrons no sólido; o aparecimento de fotoeletrões nessas energias de ligação definidas e intensidades mensuráveis, portanto, permite a análise quantitativa da composição. Como o caminho livre médio desses fotoelerons está abaixo de 10 nm, o XPS é uma técnica altamente sensível à superfície para análise quantitativa. Além disso, a análise detalhada das energias vinculantes em espectros altamente resolvidos permite a determinação quantitativa dos estados de valência desses elétrons.
No ToF-SIMS, a superfície é sputtered com um feixe de íons focalizado (íons primários), com os íons ejetados do material (íons secundários) coletados e analisados em um espectrômetro de massa de tempo de voo. O padrão de massa/carga obtido permite a determinação da composição elementar, isotópica ou molecular. Devido ao caminho livre médio dos íons secundários, esta técnica também é altamente sensível à superfície e tem uma profundidade de informação de 1-2 nm, mas é na melhor das hipóteses semi-quantitativa, devido ao efeito matricial pelo qual a probabilidade de ionização (e, portanto, rendimento) de íons secundários é fortemente influenciada por sua matriz circundante. O ToF-SIMS pode ser operado no modo estático ou dinâmico; a diferença entre os dois é o fluxo de íons primário impactando a superfície. O SIMS estático mantém o fluxo de íons primário a um nível que impacta (ou seja, fragmentos) um máximo de 1%-10% da superfície; a superfície permanece relativamente imperturbável, o que permite a análise das camadas atômicas superiores do material. Uma vez que mesmo o SIMS estático causa alguma destruição à superfície, é considerado menos "não destrutivo" dos dois métodos.
Essas técnicas sensíveis à superfície permitem a análise dos primeiros nanômetros do material, incluindo revestimentos intencionais ou não intencionais, que, para nanomateriais, podem influenciar significativamente as propriedades materiais. Exemplos de revestimentos intencionais são camadas de cobertura em pontos quânticos para melhorar os rendimentos quânticos da fotoluminescência e reduzir a reatividade ambiental9, revestimentos de alumina ou sílica para a prevenção da atividade fotocatalílica de nanopartículas de titania em bloqueadores solares10, funcionalização superficial para permitir bioconjugação e atividade biológica subsequente11, revestimentos para aplicações de diagnóstico e entrega de medicamentos12 , e revestimentos de fluorocarbono em partículas magnéticas para ferrofluidos e sistemas metálicos de conchas de núcleo para melhorar as propriedades catalisadoras13. Revestimentos não intencionais, como oxidação, contaminação superficial ou coroas proteicas em sistemas biológicos têm uma influência igualmente forte sobre as propriedades das nanopartículas e é crucial que os procedimentos experimentais de preparação garantam que o revestimento e, mais geralmente, a química superficial do nanomaterial não seja destruída ou transformada. Também é crucial avaliar as propriedades das nanopartículas como elas estão in situ, pois suas propriedades podem ser drasticamente alteradas pela alteração2,14,15. Além disso, a concentração de estabilizadores na suspensão das nanopartículas pode influenciar drasticamente a análise e a integridade estrutural das nanopartículas; a presença de um estabilizador pode resultar em grandes sinais indesejados (por exemplo, C, H, O e Na) na análise, enquanto sua remoção pode resultar em danos ou aglomeração das nanopartículas.
Devido ao seu tamanho e área de superfície, as condições de armazenamento das nanopartículas também afetam seu comportamento, tanto como pós/suspensões armazenados quanto como amostras preparadas. O efeito das condições de armazenamento abaixo do ideal, particularmente o armazenamento em temperatura ambiente e a exposição à luz, têm sido mostrados em vários estudos para causar a degradação das nanopartículas que tem sido demonstrada para alterar as propriedades físicas, químicas e/ou toxicológicas das partículas14,15,16,17,18 . Nanopartículas menores têm sido mostradas para oxidar mais rapidamente do que as maiores com taxas de oxidação/degradação dependentes das condições de armazenamento15, bem como química superficial14. Os efeitos da degradação da nanopartícula durante o armazenamento têm sido mostrados para afetar significativamente propriedades físico-químicas, incluindo toxicidade14, enquanto o crescimento oxidativo pode prosseguir para dentro em detrimento do núcleo15.
O armazenamento cuidadoso e a preparação de nanomateriais são, portanto, essenciais para uma análise precisa da superfície, e quaisquer fatores que possam influenciar a superfície da amostra e/ou a qualidade das medidas devem ser cuidadosamente considerados. Deve-se notar que, devido à relativamente baixa resolução espacial do XPS (na faixa de μm) e do ToF-SIMS (algumas centenas de nm), apenas um pequeno subconjunto das nanopartículas pode ser investigado; esses métodos são medianos em uma área e não têm a capacidade de imagem de partículas únicas como é possível com técnicas como microscopia eletrônica. Por essa razão, qualquer análise requer a deposição das nanopartículas em uma camada contínua para garantir que não haja interferência do substrato. A microscopia eletrônica e o XPS/ToF-SIMS são, portanto, frequentemente utilizados em conjunto como métodos complementares para análise de nanomateriais.
Além das mudanças na química superficial, os principais desafios para a preparação de amostras de nanopartículas para análises de XPS e ToF-SIMS são preparar uma camada que seja: homogênea, para aumentar a reprodutibilidade; sem lacunas, para minimizar a contribuição do substrato para o espectro; fino o suficiente para evitar efeitos de carregamento (para amostras não condutoras); e fixado com segurança ao substrato, para evitar que nanopartículas livres entrem e danifiquem instrumentos de vácuo ultra-alto
As nanopartículas podem ser depositadas no substrato da suspensão ou como pó. Em primeiro lugar, discutiremos os diferentes métodos para depositar nanopartículas de suspensão. Os wafers de silício são um substrato comumente usado para deposição de suspensão, porque são relativamente baratos, facilmente disponíveis como um produto altamente puro que consiste em silício puro ou dopado (o doping evita efeitos de carregamento), e para a maioria das nanopartículas os picos espectrais não se sobrepõem a picos típicos de nanopartículas. Este último ponto é importante; antes da análise deve-se assegurar que os picos do substrato estão bem separados dos picos esperados das nanopartículas, caso contrário a interpretação dos espectros é complicada ou impossível e a cobertura contínua do substrato pelas nanopartículas não pode ser verificada. Antes do uso de bolachas de silício, um extenso procedimento de limpeza (descrito nesta publicação) é necessário para remover contaminantes (orgânicos) e aumentar a capacidade de veracidade da superfície. Outros substratos adequados, como filmes de ouro, grafite pirolítico altamente ordenado (HOPG), ou folhas de índio foram usados com sucesso, mas uma discussão sobre sua preparação está além do escopo deste trabalho19,20,21,22.
Em segundo lugar, apresentamos métodos para depositar pós de nanopartículas em um substrato para análise xps e tof-SIMs e apresentar as vantagens e desvantagens de cada método, permitindo aos pesquisadores novas técnicas para encontrar o método ideal de preparação para seus propósitos. Em terceiro lugar, discutimos a criofixação, que é um método de preparação adequado para conservar características como o comportamento de aglomeração, corona orgânica, interface sólida/aquosa23,24 ou distribuição em mídia biológica25 de NPs. A criofixação, tipicamente rápida congelamento do material em um criogen líquido refrigerado de nitrogênio e análise no estado hidratado congelado, permite a análise e visualização de nanopartículas diretamente em matrizes complexas. Este procedimento não causa formação de cristais de gelo, mas forma gelo amorfo que mantém membranas e estruturas celulares e teciduais em seu estado biológico nativo, evitando danos causados por processos de cristalização da água e permitindo que a distribuição química exata de todos os metabólitos celulares e compostos de membrana celular sejam mantidas26,27,28 . Este método de preparação pode ser de particular interesse para apresentar um mapa químico exato do aglomerado ou heteroagglomerato np real, visualizando o espaço químico exato nas proximidades da nanopartícula diretamente na suspensão, ou correlacionando características específicas de tecido celular ou compartimentos intracelulares dentro de aglomerados ou heteroagglomerados.
Como mostrado pelos resultados apresentados neste trabalho, o procedimento mais adequado em um caso específico depende de uma variedade de parâmetros, como hidrofilialidade, estabilidade, condutividade, estado (por exemplo, pó ou suspensão) e a questão analítica em mãos (por exemplo, tamanho, propriedades a granel ou revestimentos superficiais). Uma variedade de métodos são apresentados aqui que podem ser utilizados para a preparação de NPs para análise de superfície, bem como uma comparação de suas vantagens e desvantagens.

<table><tbody><tr><td>Balança de laboratório de 4 dígitos</td><td>Kern & Sohn GmbH</td><td>ADB200-4A</td><td></td></tr><tr><td>5 mm Matriz de pellets</td><td>Specac</td><td>GS03060</td><td></td></tr><tr><td>Solução de limpeza de vidro alcalino</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Hellmanex&trade; III Z805939</td><td>Solução de limpeza especial para cubetas</td></tr><tr><td>Abas adesivas de carbono</td><td>Plano</td> <td>"Leit-Tabs" G3347</td><td></td></tr><tr><td>Limpe os copos de laboratório</td><td>qualquer</td><td></td><td>, por exemplo, 300 mL</td></tr><tr><td>Cryo-freezer</td><td>Microscopia Eletrônica Ciências</td><td>EMS-002 Cryo Workstation</td><td></td></tr><tr><td>Tubo de diálise com fixadores</td><td>Medicell Membranees Ltd</td><td>DTV12000.06.30</td><td>Molecular corte de peso (MWCO) 12-14 kDa</td></tr><tr><td>Die pressione</td><td>qualquer</td><td></td><td>Capaz de força de 2 kN</td></tr><tr><td>Seringa descartável, 1 mL, Luer-slip</td><td>TH Geyer</td><td>Labsolute 7657545</td><td>Qualquer volume apropriado pode ser usado</td></tr><tr><td>Adesivo de dupla face</td><td>Fita reposicionável removível 3M 665</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gelo seco</td><td>Linde AG</td><td>ICEBITZZZ&reg; </td><td>Para armazenamento/resfriamento de curto prazo</td></tr><tr><td>Pipeta e pontas de transferência Eppendorf</td><td></td><td>várias</td><td>Verifique o tamanho correto para o volume de pipetagem planejado</td></tr><tr><td>Etanol, grau ACS</td><td>Merck KGaA</td><td>1009832500</td><td></td></tr><tr><td>máscara FFP2 ou FFP3</td><td>vários</td><td></td><td>Para trabalhar com nanopartículas de materiais não perigosos, quando não estiver em uma capela ou porta-luvas</td></tr><tr><td>Isopropanol, grau ACS</td><td>Merck KGaA</td><td>1096342500</td><td></td></tr><tr><td>Jaleco, luvas e óculos de proteção</td><td>qualquer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Centrífuga de laboratório</td><td>Eppendorf</td><td>Centrifuge 5430</td><td></td></tr><tr><td>Capela-exaustão de laboratório</td><td>necessária</td><td></td><td>para trabalhar com nanopartículas</td></tr><tr><td>Agitador e barra agitadora de laboratório</td><td>NeoLab</td><td>D-6010</td><td></td></tr><tr><td>Toalhetes</td> <td>sem fiaposToalhetes de precisão Kimtech Science da Kimberley Clark Professional</td><td></td><td>Recomendados para trabalhar com wafers de</td></tr><tr><td>Si Nitrogênio Líquido</td><td>Linde AG</td><td>Stickstoff fl&uuml; ssig 5.0</td><td>Apenas para resfriamento do criogênio.</td></tr><tr><td>Tubo de microtubo/centrífuga 1,5 mL</td><td>T.H. Geyer GmbH & Co. KG</td><td>Labsolute 7696751</td><td></td></tr><tr><td>Nitrogênio 5.0</td><td>qualquer</td><td></td><td>99,999% de pureza</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>Porta-amostras de pó</td><td>BAM workshop</td><td></td><td>Porta-amostras "caseiro"</td></tr><tr><td>Propano</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>769037</td><td>O criogênio deve ser da maior pureza possível.</td></tr><tr><td>Frasco de amostra ou tubo de centrífuga 1 mL</td><td>Greiner Bio-One GmbH</td><td>Cellstar 188 261</td><td>Deve ser capaz de ser fixado nos</td></tr><tr><td>wafers de silício</td> Vortexer <td>qualquer</td><td></td><td>idealmente 1cm2 pré-cortado</td></tr><tr><td>Spin-coater</td><td>SPS Europe</td><td>SPIN150i-NPP</td><td></td></tr><tr><td>Filtro de seringa 0,45 &micro; m</td><td>Th Geyer</td><td>Labsolute 7699803</td><td>Para amostras menores; existem versões maiores para volumes de amostra maiores</td></tr><tr><td>ToF-SIMS</td><td>IONTOF GmbH</td><td>ToF-SIMS IV ou V, equipado com Bi LMIG e pistola</td><td></td>de inundação</tr><tr><td>Pinças para manuseio de wafers de Si</td><td>em qualquer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>água ultrapura</td><td>TKA</td><td>MicroPure 08.1202</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonicator</td><td>Bandelin</td><td>Sonorex Super</td><td></td></tr><tr><td>Produto de limpeza UV/ozono</td><td>NanoBioAnalytics</td><td>UVC-1014</td><td></td></tr><tr><td>Exsicador a vácuo</td><td>qualquer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bomba de vácuo (membrana/diafragma)</td><td>Vacuubrand GmbH</td><td>Tipo MD-4T</td><td></td></tr><tr><td>Viton O-ring 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>Suporte para bolachas 25mm estilo moeda</td><td>semicondutores sistemas de produção europa</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>

preparação de nanopartículas para análise tof-sims e xps

Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis

As nanopartículas ganharam cada vez mais atenção nos últimos anos devido ao seu potencial e aplicação em diferentes áreas, incluindo medicina, cosméticos, química e seu potencial para habilitar materiais avançados. Para entender e regular efetivamente as propriedades físico-químicas e potenciais efeitos adversos das nanopartículas, procedimentos de medição validados para as várias propriedades das nanopartículas precisam ser desenvolvidos. Embora os procedimentos para medir o tamanho e a distribuição de tamanho das nanopartículas já estejam estabelecidos, métodos padronizados para análise de sua química superficial ainda não estão em vigor, embora a influência da química da superfície nas propriedades das nanopartículas seja indiscutível. Em particular, o armazenamento e a preparação de nanopartículas para análise superficial influencia fortemente os resultados analíticos de vários métodos, e para obter resultados consistentes, a preparação da amostra deve ser otimizada e padronizada. Nesta contribuição, apresentamos, em detalhes, alguns procedimentos padrão para a preparação de nanopartículas para análise de superfície. Em princípio, as nanopartículas podem ser depositadas em um substrato adequado da suspensão ou como pó. Wafers de silício (Si) são comumente usados como substrato, no entanto, sua limpeza é fundamental para o processo. Para a preparação amostral da suspensão, discutiremos o drop-casting e o spin-coating, onde não apenas a limpeza do substrato e a pureza da suspensão, mas também sua concentração desempenham papéis importantes para o sucesso da metodologia de preparação. Para nanopartículas com conchas ou revestimentos sensíveis de ligantes, a deposição como pós é mais adequada, embora este método exija cuidados particulares na fixação da amostra.

São apresentados vários procedimentos diferentes para a preparação de nanopartículas para análise superficial (fundição de gota, revestimento de spin, deposição de pós e criofixação). Discutimos os desafios, oportunidades e possíveis aplicações de cada método, particularmente no que diz respeito às mudanças nas propriedades superficiais causadas pelos diferentes métodos de preparação.

Preparação de nanopartículas para Análise ToF-SIMS e XPS

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

Devido às propriedades únicas das nanopartículas, a preparação simples tem uma influência significativa nas medições de análise de superfície. Esses métodos fornecem várias opções diferentes para a preparação de amostras, dependendo da questão analítica em questão e da forma em que as nanopartículas estão disponíveis. As principais preocupações são segurança e contaminação.Como esses métodos podem e devem ser modificados conforme apropriado ao experimento, é importante verificar cada etapa com outras técnicas analíticas. Para a preparação de nanopartículas a partir de uma suspensão, pesar 15 miligramas de pó de nanopartículas em um tubo de 10 mililitros, seguido pela adição de oito mililitros de água ultrapura. Após o nivelamento, coloque o tubo em um vórtice a 3000 rotações por 15 minutos.Para realizar o método de secagem por gota, primeiro transfira um wafer de silício preparado para o limpador de ozônio UV por 30 minutos antes de colocar o wafer na metade do suporte do wafer. Coloque uma gota de três microlitros de suspensão de nanopartículas no centro do anel e monte um anel de vedação de 6,07 milímetros de diâmetro no wafer ao redor da gota, tomando cuidado para que o anel não toque na gota. Coloque o wafer em um profanador a vácuo a quatro milibares de pressão de vácuo por 15 minutos para secar o wafer.E veja o wafer sob microscopia de luz para avaliar a distribuição de partículas na superfície do wafer. Em seguida, repita a secagem por gota até que uma camada homogênea de partículas seja observada. Para preparar suspensões de nanopartículas por revestimento de rotação, coloque um wafer preparado no limpador de ozônio UV por 30 minutos e programe o codificador de rotação conforme indicado.No final do tratamento, insira o wafer no codificador de centrifugação e ligue o aspirador para fixação. Deposite 80 microlitros da suspensão no wafer e inicie o programa. No final da deposição, transfira a amostra para uma bandeja de wafer limpa e analise a amostra por microscopia eletrônica de varredura para confirmar a cobertura sem lacunas do substrato.Para a deposição das nanopartículas de um pó, fixe um pedaço de fita adesiva dupla face no porta-amostras e remova o revestimento. Em seguida, colete uma ponta de espátula de pó de nanopartículas e coloque a amostra no adesivo. Use a espátula para espalhar a amostra sobre o adesivo antes de pressionar firmemente a amostra sobre o adesivo até que o máximo possível da amostra esteja aderida.Inverter e bater no suporte da amostra e soprar uma corrente de gás através da amostra para confirmar que o pó está fixado à fita. Como alternativa, coloque uma ponta de espátula com pó em uma superfície limpa e pressione o suporte com o adesivo no pó por cima. Em seguida, verifique se o pó está fixado na fita conforme demonstrado.Para a criofixação da suspensão de nanopartículas depositadas, construa a câmara principal de um dispositivo de congelamento rápido com nitrogênio líquido e encha uma câmara de congelamento rápido resfriada com o criogênio. No dispositivo de congelamento rápido resfriado à sua temperatura operacional, use uma pipeta para lançar 10 a 20 microlitros de suspensão de nanopartículas em um wafer de silício limpo. Segurando o wafer com uma pinça de fixação, coloque o wafer dentro do dispositivo de congelamento de imersão e mova a pinça para a posição de mergulho.Pressione o botão para soltar a amostra no criogênio e aguarde alguns segundos para que a amostra seja completamente congelada. Assim que a amostra estiver congelada, transfira o wafer para um ambiente resfriado e coloque a amostra de wafer de silício no suporte de amostra. Aumentar a molhabilidade da superfície por meio de tratamento UV ou ozônio evita o efeito de anel de café, resultando em uma distribuição mais homogênea das nanopartículas.A imagem de microscopia eletrônica de varredura mostra difamação significativa das nanopartículas de ouro e prata de 60 nanômetros após a diálise, enquanto as partículas centrifugadas e redistribuídas permaneceram intactas. A fundição por gota de nanopartículas geralmente requer aplicações repetidas para obter uma camada com cobertura total. Este molde de filme representativo de uma suspensão de 90 miligramas por mililitro mostra uma cobertura multicamada espessa e sem lacunas, bem como uma notável ausência de picos de silício nos espectros XPS, tornando-o uma amostra ideal para análise de superfície.Esta amostra moldada a partir de uma suspensão de nove miligramas por mililitro mostra partículas e pequenas camadas únicas de glomerado que não cobrem completamente a superfície, tornando-a inadequada para análise de superfície das nanopartículas, mas ideal para analisar, por exemplo, a distribuição do tamanho das partículas. A amostra moldada a partir de uma concentração de 0,9 miligrama por mililitro não fornece cobertura contínua ou densidade de partícula suficiente para torná-la adequada para química de superfície ou análise de distribuição de tamanho de partícula. Além de preservar estruturas maiores dentro da suspensão, a criofixação evita os efeitos do anel do café, resultando em uma redução nos sinais, que podem ser atribuídos a sais ou outros contaminantes observados usando outros métodos de preparação de amostras.Ao realizar a análise de superfície dos nanomateriais, lembre-se de validar o método usando uma técnica analítica para preparar o método de forma consistente e documentar cuidadosamente os resultados. Esses métodos de preparação são uma parte importante de uma caracterização confiável da superfície das nanopartículas e são necessários para uma compreensão detalhada de como as nanopartículas interagem com seu ambiente.

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Research

JoVE Journal

Chemistry

Química

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Preparação de nanopartículas para Análise ToF-SIMS e XPS

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