Summary
Ett antal olika procedurer för att förbereda nanopartiklar för ytanalys presenteras (droppgjutning, spinnbeläggning, deponering från pulver och kryofixering). Vi diskuterar utmaningar, möjligheter och möjliga tillämpningar av varje metod, särskilt när det gäller förändringar i ytegenskaperna som orsakas av de olika beredningsmetoderna.
Abstract
Nanopartiklar har fått allt större uppmärksamhet under de senaste åren på grund av deras potential och tillämpning inom olika områden, inklusive medicin, kosmetika, kemi och deras potential att möjliggöra avancerade material. För att effektivt förstå och reglera de fysikalisk-kemiska egenskaperna och potentiella negativa effekter av nanopartiklar måste validerade mätförfaranden för nanopartiklarnas olika egenskaper utvecklas. Även om förfaranden för mätning av nanopartiklars storlek och storleksfördelning redan är etablerade, är standardiserade metoder för analys av deras ytkemi ännu inte på plats, även om ytkemins påverkan på nanopartiklars egenskaper är obestridlig. I synnerhet påverkar lagring och beredning av nanopartiklar för ytanalys starkt analysresultaten från olika metoder, och för att uppnå konsekventa resultat måste provberedningen både optimeras och standardiseras. I detta bidrag presenterar vi i detalj vissa standardförfaranden för att förbereda nanopartiklar för ytanalys. I princip kan nanopartiklar deponeras på ett lämpligt substrat från suspension eller som pulver. Kiselplattor (Si) används ofta som substrat, men deras rengöring är avgörande för processen. För provberedning från suspension kommer vi att diskutera droppgjutning och spinnbeläggning, där inte bara renheten hos substratet och renheten hos suspensionen utan också dess koncentration spelar viktiga roller för att beredningsmetoden ska lyckas. För nanopartiklar med känsliga ligandskal eller beläggningar är deponering som pulver mer lämplig, även om denna metod kräver särskild försiktighet vid fixering av provet.
Introduction
Nanomaterial definieras som material som har någon yttre dimension mellan 1 nm och 100 nm eller som har en inre struktur eller ytstruktur på denna skala1. På grund av de unika egenskaperna som härrör från deras småskaliga och motsvarande stora yta (bland andra faktorer) finner de ökande användning inom en mängd olika områden inklusive jordbruk, kemi, fordonskonstruktion, kosmetika, miljö, medicin, tryck, energi och textilier. Denna ökade användning innebär att både människor och miljö i en hittills okänd skala kommer att exponeras för dessa material vars toxikologiska egenskaper ännu inte är helt kända och vars storlek möjliggör deras enkla integrering i biologiska eller miljömässiga system2.
Efter de grundläggande egenskaperna hos yt- och partikelstorlek/storleksfördelning identifierades ytkemi och beläggningar som nanomaterialens viktigaste egenskap3. mindre partiklar har en högre yta per enhetsmassa, och därför ett högre förhållande mellan yt-bulkatomer. För nanopartiklar av 1 nm storlek kan över 70% av atomerna hittas i hörn eller kanter; Detta påverkar starkt ytegenskaper såsom chemisorption som är mycket beroende av den atomska ytmorfologin4. Förordningar som behandlar nanomaterial kräver korrekta uppgifter om fysikalisk-kemiska egenskaper och tillförlitliga uppskattningar av dessa materials toxikologiska egenskaper. För att effektivt kunna uppskatta toxikologiska egenskaper från nanomaterialens fysikaliska och kemiska egenskaper kräver nanomaterialgemenskapen tillförlitliga, standardiserade och verifierade analysförfaranden. Projekt som ACEnano5 syftar till att samla in och korrelera exakta och verifierbara fysiska data från nanopartiklar inom en ram som möjliggör bättre reglering och karakterisering av nanomaterial. Denna strävan mot standardiserade analytiska procedurer har också stötts av redaktörerna för ACS Nano, som vill "konsolidera och komma överens om metoder för karakterisering och miniminivåer för analys av material6". Dessutom erbjuder XPS och ToF-SIMS nya möjligheter att belysa partikelarkitekturen hos kärnskalsnanopartiklar7,8.
Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och time-of-flight secondary ion massspektrometri (ToF-SIMS), jämfört med tabell 1, är väletablerade metoder för undersökning av ytatomer. I XPS bestrålas provet med röntgenstrålar med en energi mellan 1 och 2 keV, vilket orsakar utsläpp av elektroner på grund av den fotoelektriska effekten. Dessa avgivna elektroner, som har en kinetisk energi i samma intervall, korrelerar med elektronernas bindningsenergi i det fasta. Utseendet på fotoelektroner vid dessa definierade bindande energier och mätbara intensiteter möjliggör därför kvantitativ analys av kompositionen. Eftersom den genomsnittliga fria vägen för dessa fotoelektroner är under 10 nm, är XPS en mycket ytkänslig teknik för kvantitativ analys. Dessutom möjliggör detaljerad analys av de bindande energierna i mycket lösta spektra kvantitativ bestämning av dessa elektroners valenstillstånd.
I ToF-SIMS sputtras ytan med en fokuserad jonstråle (primära joner), med jonerna utstötta från materialet (sekundära joner) som samlas in och analyseras i en masspektrometer. Det erhållna mass-/laddningsmönstret gör det möjligt att bestämma den elementära, isotopiska eller molekylära sammansättningen. På grund av den genomsnittliga fria vägen för de sekundära jonerna är denna teknik också mycket ytkänslig och har ett informationsdjup på 1-2 nm men är i bästa fall semi-kvantitativ, på grund av matriseffekten där joniseringssannolikheten (och därmed avkastningen) av sekundära joner påverkas starkt av deras omgivande matris. ToF-SIMS kan användas i antingen statiskt eller dynamiskt läge. Skillnaden mellan de två är det primära jonflödet som påverkar ytan. Statiska SIMMAR håller det primära jonflödet till en nivå som påverkar (dvs. fragment) högst 1%-10% av ytan; ytan förblir relativt ostört, vilket möjliggör analys av de övre atomlagren av material. Eftersom även statiska SIMMAR orsakar viss förstörelse på ytan anses det vara mindre "icke-destruktivt" av de två metoderna.
Dessa ytkänsliga tekniker möjliggör analys av materialets första nanometer, inklusive avsiktliga eller oavsiktliga beläggningar, som för nanomaterial kan ha en betydande inverkan på materialegenskaperna. Exempel på avsiktliga beläggningar är kapning av lager på kvantprickar för att förbättra kvantutbytet för fotoluminescens och minska miljöreaktivitet9,aluminiumoxid- eller kiseldioxidbeläggningar för att förebygga fotokatalytisk aktivitet hos titaniananopartiklar i solblockerare10, ytfunktionalisering för att möjliggöra biokonjugation och efterföljande biologisk aktivitet11, beläggningar för diagnostiska och läkemedelsleveransapplikationer12 , och fluorkarbonbeläggningar på magnetiska partiklar för ferrofluider och metallsystem med kärnskal för att förbättra katalysatoregenskaperna13. Oavsiktliga beläggningar, såsom oxidation, ytkontaminering eller proteinkoron i biologiska system, har en lika stark inverkan på nanopartiklarnas egenskaper och det är viktigt att experimentella beredningsförfaranden säkerställer att beläggningen och mer allmänt nanomaterialets ytkemi inte förstörs eller omvandlas. Det är också viktigt att utvärdera nanopartiklarnas egenskaper eftersom de är på plats, eftersom deras egenskaper kan ändras drastiskt av förändringen2,14,15. Dessutom kan koncentrationen av stabilisatorer i nanopartikelupphängningen dramatiskt påverka nanopartiklarnas analys och strukturella integritet. Närvaron av en stabilisator kan resultera i stora oönskade signaler (till exempel C, H, O och Na) i analysen, medan dess avlägsnande kan leda till skador eller agglomeration av nanopartiklarna.
På grund av deras storlek och yta påverkar lagringsvillkoren för nanopartiklar också deras beteende, både som lagrade pulver / suspensioner och som beredda prover. Effekten av suboptimala lagringsförhållanden, särskilt lagring i rumstemperatur och exponering för ljus, har i olika studier visat sig orsaka nedbrytning av nanopartiklarna som har visat sig ändra partiklarnas fysikaliska, kemiska och/eller toxikologiska egenskaper14,15,16,17,18 . Mindre nanopartiklar har visat sig oxidera snabbare än större med oxidations-/nedbrytningshastigheter beroende på lagringsförhållanden15 samt ytkemi14. Effekterna av nanopartikelnedbrytningen under lagring har visat sig ha en signifikant inverkan på fysikalisk-kemiska egenskaper inklusive toxicitet14, medan den oxidativa tillväxten kan fortsätta inåt på bekostnad av kärnan15.
Noggrann lagring och beredning av nanomaterial är därför avgörande för en noggrann ytanalys, och alla faktorer som kan påverka provytan och/eller mätningarnas kvalitet bör noga övervägas. Det bör noteras att på grund av den relativt låga rumsliga upplösningen av XPS (i μm-intervallet) och ToF-SIMS (några hundra nm) kan endast en liten delmängd av nanopartiklarna undersökas. dessa metoder är genomsnittliga över ett område och har inte förmågan att avbilda enskilda partiklar som möjligt med tekniker som elektronmikroskopi. Av denna anledning kräver varje analys nedfall av nanopartiklarna i ett kontinuerligt skikt för att säkerställa ingen interferens från substratet. Elektronmikroskopi och XPS/ToF-SIMS används därför ofta tillsammans som kompletterande metoder för nanomaterialanalys.
Förutom förändringar i ytkemin är de största utmaningarna för beredning av nanopartiklar för XPS- och ToF-SIMS-analys att förbereda ett skikt som är: homogent, för att öka reproducerbarheten; gapless, för att minimera substratets bidrag till spektrat; tillräckligt tunn för att undvika laddningseffekter (för icke-ledande prover). och säkert fastsatta på substratet, för att undvika att fria nanopartiklar kommer in och skadar ultrahöga vakuuminstrument
Nanopartiklar kan deponeras på substratet från suspension eller som pulver. För det första kommer vi att diskutera de olika metoderna för att deponera nanopartiklar från suspension. Kiselplattor är ett vanligt substrat för upphängningsdeposition, eftersom de är relativt billiga, lätt tillgängliga som en mycket ren produkt som består av rent eller dopat kisel (dopning undviker laddningseffekter), och för de flesta nanopartiklar överlappar spektraltopparna inte med toppar som är typiska för nanopartiklar. Denna sista punkt är viktig. Före analysen bör det säkerställas att substratets toppar är väl åtskilda från de toppar som förväntas från nanopartiklarna, annars är tolkningen av spektrat komplicerad eller omöjlig och nanopartiklarnas kontinuerliga täckning av substratet kan inte verifieras. Innan du använder kiselplattor är det nödvändigt med ett omfattande rengöringsförfarande (som beskrivs i denna publikation) för att avlägsna (organiska) föroreningar och öka ytans vätbarhet. Andra lämpliga substrat som guldfilmer, mycket beställda pyrolytiska grafit (HOPG) eller indiumfolier har framgångsrikt använts, men en diskussion om deras förberedelse ligger utanför ramen för detta arbete19,20,21,22.
För det andra presenterar vi metoder för att deponera nanopartiklar på ett substrat för XPS- och ToF-SIMS-analys och presenterar fördelarna och nackdelarna med varje metod, vilket gör det möjligt för forskare som är nya i teknikerna att hitta den optimala förberedelsemetoden för sina ändamål. För det tredje diskuterar vi kryofixation, som är en lämplig förberedelsemetod för att bevara funktioner som agglomerationsbeteende, organisk korona, fast / vattenhaltigt gränssnitt23,24 eller distribution i biologiskt medium25 av NPs. Cryofixation, vanligtvis snabb frysning av material i en flytande kvävekyld kryogen och analys i frusen hydratiserat tillstånd, möjliggör analys och visualisering av nanopartiklar direkt i komplexa matriser. Denna procedur orsakar inte iskristallbildning utan bildar amorf is som håller membran och cellulära och vävnadsstrukturer i sitt ursprungliga biologiska tillstånd, vilket undviker skador orsakade av vattenkristalliseringsprocesser och gör det möjligt att upprätthålla den exakta kemiska fördelningen av alla cellmetaboliter och cellmembranföreningar26,27,28 . Denna beredningsmetod kan vara av särskilt intresse för att presentera en exakt kemisk karta över det faktiska NP-agglomeratet eller heteroagglogloglolatet, visualisera det exakta kemiska utrymmet i närheten av nanopartikeln direkt i suspension eller korrelera antingen cellvävnadsspecifika egenskaper eller intracellulära fack inom NP-agglomerater eller heteroagglomerater.
Som framgår av resultaten som presenteras i detta arbete är det lämpligaste förfarandet i ett visst fall beroende av en mängd olika parametrar såsom nanopartiklarnas hydrofilicitet, stabilitet, ledningsförmåga, tillstånd (t.ex. pulver eller suspension) och den analytiska fråga som finns till hands (t.ex. storlek, bulkegenskaper eller ytbeläggningar). En mängd olika metoder presenteras här som kan användas för beredning av NPs för ytanalys, liksom en jämförelse av deras fördelar och nackdelar.
Protocol
VARNING: Nanopartiklarnas toxikologiska egenskaper är fortfarande under utredning. På grund av sin storlek kan de utgöra unika faror hos människor såväl som i miljön även när de består av i sig icke-farliga material. Innan du utför något arbete med nanopartiklar bör en korrekt riskbedömning göras och lämpliga tekniska kontroller, laboratorieförfaranden och personlig skyddsutrustning införas, beroende på risknivån för de material som ska studeras29,30,31,32.
1. Beredning av Si wafers
OBS: Dessa steg är nödvändiga för att avlägsna oönskad (organisk) förorening och öka ytans vätbarhet. Alla lösningsmedel som används ska vara av minst ACS-kvalitet. Ett standard ultraljudsbehandling bad (35 kH och 120 Watts) är lämplig.
- Våt kemisk rengöring av Si wafers
- Sätt Si wafer i en bägare med isopropanol och ultraljud i 5 min.
- Överför Si wafer till en bägare med en alkaliglas rengöringslösning och ultraljud i 10 min.
- Lägg waferen i en bägare med ultrapure vatten. Byt vatten 10 gånger genom att hälla ut vattnet och fylla på bägaren; Si-plattorna kommer att ligga kvar i botten på grund av kapilläreffekten.
- Torka skivan med ren N2-gas .
OBS: Torkning med N2 förhindrar bildandet av "kafferingar" och andra artefakter från vattentorkning. - Sätt wafer i en andra bägare med isopropanol och ultraljud i 10 min.
- Torka skivan med ren N2-gas .
- Sätt wafer i en bägare med etanol och ultraljud i 10 min.
- Torka skivan med ren N2-gas . Protokollet kan pausas här.
- Plasma- eller UV/ozonrengöring av kiselplattor
- Introducera Si-skivan i plasman eller UV/ozonrengöraren och slå på i 30 minuter.
OBS: Wafers ska plasma- eller UV/ozonrengöras omedelbart före användning.
- Introducera Si-skivan i plasman eller UV/ozonrengöraren och slå på i 30 minuter.
2. Nanopartikeldeposition från suspension
OBS: Den vanligaste exponeringsvägen för nanopartiklar är genom inandning. Att arbeta med suspensioner kan minimera exponeringsriskerna.
- Beredning av nanopartikel suspension från pulver
OBS: Alla kvantiteter som beskrivs här är exempel. Metoden bör optimeras för de specifika nanopartiklar som används i varje enskilt fall.- Väg noggrant 15 mg nanopartikelpulver (± 10%) i ett 10 ml-rör.
- Väg noggrant in cirka 8 ml ultrapurvatten.
- Stäng röret, packa i ett 50 ml centrifugrör med pappershandduk och placera i virveln vid 3 000 varv/min i 15 minuter.
- Droppgjutning av elektriskt ledande nanopartiklar från vattenupphängning
- Placera skivan i UV/ozonrengöraren i 30 minuter.
- Placera skivan i ena halvan av waferhållaren och placera en 3 μL droppe nanopartikelfjädring i mitten av ringen.
- Montera en Viton O-ring med diametern 6,07 mm på skivan runt droppen. Se till att ringen inte vidrör droppen.
- Placera skivan i en vakuumdesiccator under ett vakuum på 4 mbar i 15 minuter för att torka skivan.
- Ta bort skivan från desiccatorn och undersök med hjälp av ljusmikroskopi och XPS för att fastställa att partikelskiktet är homogent och stängt. Upprepa steg 2.2.1 och 2.2.2 tills analysen visar ett slutet och homogent skikt. Protokollet kan pausas här.
- Spin-beläggning av elektriskt icke-ledande nanopartiklar från vattenhaltig suspension
- Placera skivan i UV/ozonrengöraren i 30 minuter.
OBS: Genom spinnbeläggningsupphängningar av olika koncentrationer med samma protokoll kan olika nivåer av yttäckning uppnås. - Programmera spin-coater. Ett lämpligt provprogram är: steg 1: 500 varv/s ramp till 1 000 varv/min (5 s); Steg 2: 1 000 varv/s-ramp till 2 000 varv/min (3 min). steg 3: retardation vid 2 000 varv/s till 0 varv/min.
- Sätt in skivan i spinnbeläggningen och sätt på vakuumet för fixering.
- Sätt in 80 μL av suspensionen på skivan och starta programmet.
- Ta bort skivan från spin-coater.
- Förvara provet i ett nytt, rent wafertray. Protokollet kan pausas här.
- Analysera provet med SEM för att bekräfta gapfri täckning av substratet.
- Placera skivan i UV/ozonrengöraren i 30 minuter.
3. Nanopartikeldeponering från pulver
- Nanopartikeldeposition på dubbelsidiga tejper ("stick and go")
- Fäst det dubbelsidiga limet på provhållaren och ta bort fodrn.
- Ta en spatelspets av nanopartikelpulvret och doppa det på limet.
- Sprid provet över limet och tryck in i limet med spateln tills så mycket av pulvret är fastsatt som möjligt.
- Kontrollera att pulvret är fastsatt på kranen genom att vända och knacka på provhållaren och genom att blåsa en ström av gas (t.ex. kväve) över den. Protokollet kan pausas här.
OBS: Alternativt kan en liten mängd pulver placeras på en rengjord yta (Alu-folie eller glasrutschbana) och pressas ovanifrån med den självhäftande och dubbelsidiga provhållaren. - Placera en spatelspets av pulvret på den rengjorda ytan. Tryck provhållaren med limet på pulvret ovanifrån.
- Kontrollera att pulvret är fastsatt på kranen genom att vända och knacka på provhållaren och genom att blåsa en ström av gas (t.ex. kväve) över den. Protokollet kan pausas här.
-
Beredning av pressade pulverpellets
- Rengör noggrant alla delar av pelletsen, var försiktig så att du inte repar den polerade ytan.
- Invertera pelleten dö och vila på en liten distans.
- Sätt i kolven och en pellet i rostfritt stål, med polerad sida uppåt, och dra kolven genom tills det finns tillräckligt med utrymme för att fylla med det pulveriserade provet.
- Fyll matrisen med en liten mängd prov (1 stor spatelspets) och sätt sedan in den andra rostfria pelleten med den polerade sidan vänd mot provet.
- Placera basen på kroppen och vänd försiktigt in. Om ett vakuum önskas och finns tillgängligt, fäst vakuumpumpen på pelletsens botten.
- Placera matrisen i en press och se till att den är centrerad.
- Applicera en lätt belastning (2 kN) i cirka 20 s och släpp.
- Applicera en tyngre belastning (6 kN) i 2 min och släpp.
- Släpp vakuumpumpen när lasten har släppts.
OBS: På grund av de olika materialegenskaperna hos olika nanopartiklar kan det vara fördelaktigt att förbereda en serie pellets med olika belastningar och lasttider för att bestämma optimala pelletspressförhållanden. - Vänd matrisen, placera utsugsringen på plats och placera en lätt belastning (upp till 1 kN) mellan kolven och avsugarringen.
- Ta bort pressdelarna från pressen och extrahera försiktigt provpelleten med pincett.
- Montera försiktigt provet på en rengjord Si-skiva med dubbelsidigt lim. Protokollet kan pausas här.
4. Cryofixation av nanopartiklar suspensioner
- Fyll snabbfrysningsanordningens huvudkammare med flytande kväve.
- Fyll den kylda snabbfryskammaren med kryoogenen (propan).
- Låt snabbfrysanordningen svalna till sin driftstemperatur.
OBS: Snabbfrysningsanordningen kräver lite tid för att nå driftstemperaturen före provberedningen, därför krävs en rimlig tidsram (några timmar) för kryofixering av proverna. - Droppgjuten 10–20 μL NP-fjädring på en rengjord Si-skiva med pipett.
- Håll Si-skivan med fixering av pincett, placera den inuti dykfrysningsanordningen.
- Flytta fäst pincetterna till dykläget.
- Tryck på knappen för att släppa provet inuti kryogenen.
- Vänta flera sekunder tills provet är helt fruset.
- Överför de frysta proverna så snabbt som möjligt till en kyld miljö.
- Placera det kryofixerade provet (Si wafer) i provhållaren och överför det inuti instrumentet.
OBS: För transport rekommenderas torris och kortvarig provlagring är möjlig. Proverna kan mätas i fruset tillstånd med ett kylt instrument eller med konventionella ToF-SIMS-inställningar efter stabilisering genom att frysa provet.
Representative Results
Detta dokument presenterar en mängd olika provberedningsmetoder för ytanalys av nanopartiklar. Eftersom de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos en specifik NP kommer att definiera både den optimala metoden för provberedning (t.ex. droppgjutning kontra spinnbeläggning) och det bästa förfarandet för den metoden (t.ex. krav på olika substrat eller lösningsmedel), bör lämpligheten hos den använda metoden valideras med alternativa analysmetoder och optimeras vid behov. Resultaten i denna publikation överensstämmer med tidigare publicerad litteratur när det gäller att visa behovet av konsekventa protokoll och förfaranden för provberedning samt behovet av kvalitetskontroller för att säkerställa att provberednings- och reningsmetoderna är lämpliga, framgångsrika och inte skadar nanopartiklarna22,33,34,35,36.
Provtagnings- och lagringsmetoder för NPs har inte behandlats här, eftersom de beskrivs i detalj i olika andra referenser14,15,16,17,18,34,37,38,39. Naturligtvis bör stor försiktighet iakttas för att de analyserade proverna är representativa för den totala nanopartikelfördelningen och lämpliga provtagningsmetoder som utvecklats och validerats. Lagringsförhållandena har också visat sig ha en stark inverkan på nanopartiklarnas egenskaper under en period av månader och bör därför noga övervägas. Som ett exempel rekommenderar vi att nanopartiklar lagras i små mängder i förseglade behållare bort från ljus, helst under 4 °C. Det är också mycket viktigt att lagring, provtagning och provberedning konsekvent utförs i enlighet med validerade förfaranden och dokumenteras i detalj. Denna dokumentation bör innehålla metadata från de nsp:er själva, t.ex. Verktyg som bärbara labbdatorer (ELN) kan vara användbara för konsekvent dokumentation av procedurer och NP-metadata, samt för att möjliggöra produktion av data enligt FAIR-principen (Findable, Accessible, Interoperable och Reusable).
Korrekt och korrekt ytanalys av NPs kräver för det första ett lämpligt val av substrat. Vi har använt rengjorda Si-plattor som substrat eftersom de är lättillgängliga, hållbara, lättrengjorda, ledande och tillräckligt platta, men beroende på målen för analysen kan oxidytans skikt vara en nackdel, eftersom de oavsiktliga kolväten på substratet inte kan skiljas från dem på nanopartiklarna. Vid behov kan andra material som guld- eller polymerbeläggningar på Si wafers, Si3N4-plattor eller HOPG (mycket orienterad pyrolytisk grafit) användas19,20,21,22. Det första steget i provberedningen som beskrivs i detta dokument är rengöring av Si-skivan, som visas som en schematisk i figur 1. Rengöringsprocessens effektivitet kan verifieras med en mängd olika metoder, inklusive XPS, som visas i figur 2. Den huvudsakliga föroreningen (oavsiktligt kol) är typisk för prover som lagras i luft och reduceras avsevärt efter rengöringsprocessen. Dessutom undviker hydroxylerande waferytan via UV- eller ozonbehandling kafferingseffekten från nedfall från vattenhaltig suspension genom att öka vätbarheten och därmed leda till en mer homogen fördelning av nanopartiklarna enligt figur 3. Alternativa våtkemiska rengöringsmetoder för Si-plattor får användas vid behov. Här krävs endast en reproducerbart ren yta snarare än fullständigt avlägsnande av alla organiska föroreningar eller oxidskiktet. Om protokollet pausas mellan rengörings- och upphängningsdeponeringsstegen ska skivan behandlas igen under plasma eller UV/ozon och suspensionen deponeras idealiskt inom 15 minuter efter behandlingen.
Suspensionen av 60 nm Au-Ag kärnskal nanopartiklar som visas i avsnitt 2.2 innehöll en betydande mängd natriumcitrat som stabilisator, vilket är en vanlig förekomst i nanopartiklar suspensioner. För noggrann analys av dessa partiklar och deras ytegenskaper, särskilt via XPS, bör så mycket stabilisator avlägsnas som möjligt, eftersom det dämpar signalen från nanopartiklarna och orsakar laddningseffekter. För att fastställa den optimala reningsmetoden för dessa nanopartiklar, som visas som SEM-mikrografer i figur 4, var de antingen dialyserade i ultrapure vatten eller renades med centrifugering och återdispersering i triplicate. Även om dialys verkar vara en mildare metod och centrifugering och återdispersering mer sannolikt att orsaka tätbebyggelse och aggregering av partiklarna, visar SEM-bilderna betydande deformation och skador av Au-Ag nanopartiklarna efter dialys (figur 4B), medan de centrifugerade/redissrade partiklarna fortfarande är intakta (figur 4C ). Detta är särskilt anmärkningsvärt med metalliska nanopartiklar; Vår hypotes är att det finns en optimal mängd natriumcitrat som möjliggör viss stabilisering av lösningen utan att störa signalen för nanopartiklarna, och avlägsnande av för mycket stabilisator orsakar skador på nanopartiklarna. En tidigare rapport visar att det finns ett optimalt antal centrifugeringscykler för avlägsnande av det mesta av natriumcitratet. om detta antal överskrids orsakar viss NP-aggregering33. I denna studie krävdes nio dialyscykler (totalt 36 h) för att erhålla liknande citratkoncentration. Denna metod resulterade dock i en högre mängd aggregering än centrifugering samt orsakade en minskning av ytfunktionalisering. Dessa resultat visar vikten av att kontrollera varje steg i beredningsförfarandet för varje typ av nanopartikel, särskilt med okända prover.
De 60 nm Au-Ag kärnskal nanopartiklar som används i detta exempel är lämpliga för droppgjutning på grund av deras elektriska ledningsförmåga, eftersom laddningseffekter inte är ett problem och en tjock fläck kan genereras genom upprepad deposition med relativt lite utrustning. Detta tjockare skikt har fördelen att ge mer reproducerbara mätningar, och gjutning från en mer koncentrerad fjädring kan spara tid genom att minska antalet depositionssteg. Nedfallet kan påverkas av substratets våthet; Dålig vätning kan producera en tjock nanopartikelfläck som är fördelaktig för ledande prover, medan god vätning kan producera ett mer homogent nanopartikelskikt, vilket kan vara användbart för både ledande och isolerande prover. Som beskrivs i protokollet kräver droppgjutning av nanopartikelupphängningar vanligtvis upprepade applikationer för att erhålla ett tjockt skikt med full täckning. Detta bör verifieras med XPS, men kan också snabbt och enkelt verifieras med optisk mikroskopi. Figur 5 visar utvecklingen av dropptäckningen i en droppgjutning av Au-Ag kärnskal nanopartiklar från vattenlösning; I detta fall krävs 13 drop-casting-steg för att uppnå full täckning. Droppgjutning är särskilt lämplig för ledande partiklar, eller de där laddningseffekter kan kompenseras på lämpligt sätt. Liksom med de andra metoder som beskrivs i denna publikation bör droppgjutning optimeras för varje prov eftersom olika NP-material kommer att ha olika egenskaper när det gäller informationsdjup och koncentrations- och filmtjocklekgränser. Det är viktigt att undvika för tjocka filmer som kan orsaka stapling av organiska ämnen i sin tur hämma NP-signalen.
En homogen beläggning av god kvalitet bidrar till att säkerställa konsekventa och reproducerbara resultat. Förutom suspensionskoncentrationen, lösningsmedlet och spinnbeläggningsparametrarna kan kvaliteten på spin-coated suspensioner också påverkas negativt av närvaron av damm eller andra stora makro- eller mikroskopiska partiklar. Figur 6 visar förbättringen av spinnbeläggningskvaliteten hos en nanopartikelfjädring efter filtrering med ett 0,45 μm sprutfilter. Filtret bör väljas för att säkerställa att det inte tar bort nanopartiklar från suspensionen. De tre olika suspensionskoncentrationer som beskrivs i protokollet (90, 9,0 och 0,9 mg/ml 135 nm PS-PTFE kärnskal nanopartiklar) var spin-cast under samma förhållanden och analyseras med SEM och XPS. Den översta bilden och spektrumet i figur 7 visar filmen som kastas från 90 mg/mL-suspensionen, som visar en tjock och gapfri multilayertäckning i SEM-bilden samt en anmärkningsvärd frånvaro av Si-toppar i CPS-spektrat, vilket indikerar inget bidrag från substratet till spektrumet. Det här exemplet är idealiskt för XPS- eller ToF-SIMS-analys. Dessutom kan de mindre F1s-topparna från partiklarnas skal tydligt ses i avsaknad av en stor signal från substratet. Det andra provet som gjutits från suspensionen på 9,0 mg/ml visar partiklarna i små agglomerater i ett lager, som inte helt täcker ytan. Det här exemplet är för tunt och inhomogent för XPS- eller ToF-SIMS-analys. Dessutom kan kvantitativ analys försämras på grund av bidraget av oavsiktligt kol på substratet även efter noggrann rengöring. Åtminstone måste en sådan effekt beaktas i mätningens osäkerhetsbudget. Detta prov skulle dock vara idealiskt för SEM- eller TEM-analys av partikelstorleksfördelning med hjälp av bildanalysprogramvara, eftersom partiklarna finns i ett enda lager och i tillräckligt antal (inom bilden) för att ge en statistiskt signifikant utvärdering. Det prov som avges från den lägsta koncentrationen (0,9 mg/ml) ger varken kontinuerlig täckning eller tillräcklig partikeltäthet för att göra det lämpligt för analys av vare sig ytkemi eller partikelstorleksfördelning. En tillförlitlig kvantitativ analys är inte alls möjlig på grund av substratets dominerande inflytande.
Al2O3-TiO2 core-shell NPs med antingen en PDMS eller glycerol yttre lager förbereddes via drop-casting från suspension samt från pulver med hjälp av "stick-and-go" metoden för att jämföra effekterna av de olika beredningsmetoderna på det känsliga yttre lagret. Proverna analyserades med ToF-SIMS, där spektrat analyserades med hjälp av Principal Components Analysis (PCA). PCA är en statistisk teknik för att minska dimensionaliteten hos stora datamängder genom att skapa nya okorrelerade variabler (huvudkomponenterna), som maximerar variansen i data41,42,43,44,45. Separationen av olika provuppsättningar i huvudkomponentdiagrammet gör att resultaten lättare kan analyseras och grupperas. På pca-poängdiagrammet i figur 8B, som visar diskrimineringskraften hos varje datamängd jämfört med alla andra datamängder (dvs. mellan olika provuppsättningar) visar de två proverna som framställts av pulver mycket olika poäng, medan de prover som bereds från spridning visar mycket liknande poäng. De lastningsdiagram som visas i figur 8C anger förhållandet mellan variabler, dvs. vilka toppar som bidrar mest till respektive huvudkomponenter. Alla huvudkomponenter sorteras efter deras bidrag till den observerade skillnaden mellan datamängderna, dvs. PC1 domineras av förekomsten (PDMS-belagda NPs beredda av pulver) eller frånvaro (alla andra prover) av PDMS-toppar, medan PC2, den faktor som står för den näst största variationen inom datamängderna, möjliggör differentiering av Al2O3 och det organiska taket på NPs. Detta tyder på att det uppmätta spektrat av NPs som beretts från suspension är mycket lika och tyder på att PDMS- och glycerolskikten kan ha avlägsnats eller skadats genom beredning från suspension, antingen från själva suspensionen eller torkningsprocessen, med dominerande signaler från Al2O3 eller TiO2.
Medan pressade pellets kan ge fördelar för beredning av pulverprover som enkel hantering och stabilitet i ultrahögvakuuminstrument (inklusive förmågan att sputtra utan att lossa NPs i högvakuumkammaren), kan de höga krafterna också skada känsliga nanopartiklar, vilket redan har setts med andra beredningsmetoder. Ett lämpligt protokoll bör utarbetas och valideras.
Vid NP-dispersioner undviker kryofixering av droppgjutna provupphängningar kafferingseffekter (på grund av omedelbar fixering av NP-suspensionen och därmed eliminering av torkeffekter) samt bevarandet av större strukturer som finns i suspensionen. Dessutom undviks applicering av tejp. Detta återspeglas i sin tur i reducerade signaler, som kan hänföras till salter, föroreningar eller andra artefakter från provberedningsförfarandet i respektive masspektra enligt figur 9. Den största fördelen med kryofixering är förmågan att bevara "i dess fall" det kemiska utrymmet runt nanopartiklarna och/eller den kemiska enheten av partikelagglomeraterna eller heteroagglomeraterna samt deras korrelation till biologiska egenskaper i vävnader eller enstaka celler eller till och med samlokaliseringen till intracellulära fack, utan avbrott från provhanteringssteg som torkning, droppgjutning, etc46'47. Vi har visat tillämpligheten av kryofixeringstekniken i det aktuella papperet och har belyst fördelarna med kryofixering för TiO2 nanopartiklar. Vi betonar att kryofixering är särskilt lämplig för analys av biologiska prover som beror i sitt naturliga tillstånd utan förskjutning av kemikalier på grund av provberedningsartefakter. För mer ingående information om fixeringstekniker för biologiska prover hänvisas läsaren till litteratur19,25,27,48,49.
| XPS | Tof-SIMS | |
| Sondstråle | Fotoner | Joner |
| Analysstråle | Elektroner | Joner |
| Rumslig upplösning* | > 1 μm | 0.1 μm |
| Provtagningsdjup | 0,5 – 7,5 nm | <2 nm |
| Gräns för identifiering | 0,01 -0,1 atom % | Ppb |
| Kvantifiering | Utmärkt (semi kvantitativ) | Utmanande (matriseffekter) |
| Informationsinnehåll | Elementär Kemisk bindning |
Elementär Molekylär |
| Organisk analys | Utmärkt | Utmärkt i statiskt läge |
| * specificeras av tillverkaren | ||
Tabell 1: Jämförelse av olika metoder för ytanalys.
| Metod | Lämplig för | Ger | Fördelar | Nackdelar | Försiktighet | Kontroller | Check |
| Dialys | Rening | Avlägsnande av stabilisatorer/föroreningar | Enkel, låg ansträngning, ingen komplicerad utrustning | Brist på kontroll över processen | Kan orsaka skador på nanopartiklar | Tid | Skador på nanopartiklar (SEM) |
| Centrifugering/omdispersering | Rening | Avlägsnande av stabilisatorer/föroreningar | Mer kontroll över processen, samtidig koncentration | Arbetsintensiv, kräver centrifug | Kan orsaka aggregering eller tätbebyggelse | Centrifugrotationshastighet, mängd lösningsmedel | Agglomeration/aggregering/skada på nanopartiklar (SEM) |
| Droppgjutning (fjädring) | Ledande NPs utan känsligt yttre lager | Relativt tjock belagd fläck | Enkel, ingen komplicerad utrustning | Kan ge inhomogen tjocklek, tidskrävande | Suspensionsberedning kan skada känsliga NP-skal | Suspensionskoncentration, lösningsmedel (substrat vätbarhet) | Täckning (ljusmikroskopi/XPS) |
| spinnbeläggning (suspension) | Ledande eller icke-ledande NPs utan känsligt yttre skikt | Tunt homogent skikt, eller enstaka partiklar | Konsekventa inställningar | Kräver experimentell bestämning av optimala parametrar | Filtrera bort damm/föroreningar, täckningen kan vara inkonsekvent | Koncentration, spinnbeläggningsparametrar, lösningsmedel | Förfiltrering, Täckning, lagertjocklek (SEM/XPS) |
| "stick and go" (pulver) | Oorganisk ledande och icke-ledande NPS med känsligt yttre skikt | Pulverfläck på lim | Enkel, låg ansträngning, ingen komplicerad utrustning | Olämplig för organiska eller C-innehållande NPs, Inkonsekvent filmtjocklek | Risk för np-utsläpp i instrument | Fixering av NPs på lim | Stabilitet under höga vakuumförhållanden |
| nedfall i hål av en stubbe (pulver) | XPS-analys; ledande/icke-ledande organiska eller oorganiska partiklar | Lättpressat nanopartikelprov | Ingen kontakt med annat material | Ingen säker fixering av NPs; olämplig för ToF-SIMS | Dager av NP frigörare in i instrumenterar | Ingen | Luta lätt åt sidan för att säkerställa att pulvret komprimeras |
| Pressade pellets (pulver) | Ledande och icke-ledande NPS, polymera NPs | Fast pellet | Möjliggör analys av polymera NPs som pulver | Kan skada eller förorena NP-ytan | Material bör rengöras noggrant för att undvika ytkontaminering. kan skada ytan | Storlek, tryck, tid | Stabilitet under höga vakuumförhållanden |
| Cryo-fixering (suspension) | NP suspensioner med känsligt ligandskikt; biologiska prover | Fast prov | Bevarar morfologi, inföding biologiskt tillstånd och corona, minskar kafferingeffekten | Sofistikerad och dyr förberedelse- och provhantering kräver skicklig användare | hög kompetens som krävs för provhantering och provlagring | Koncentration, droppstorlek, temperatur | Bevarande av vitrifikation |
Tabell 2: Jämförelse av olika provberedningsmetoder.
Bild 1: Rengöringsprocess för Si wafers. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 2: XP-spektra av Si wafer före och efter rengöring. Undersökning före (grå) och efter (röd) rengöring, som visar minskningen av kolmängden från 13 vid% till 2 på%. Spektrat erhölls med en Kratos Supra DLD (Manchester, Storbritannien) med en monokromatisk Al Kα-strålning. Proverna fixerades med dubbelhäftande tejp på provhållaren, passenergin var 80 eV, stegbredd 1 eV, uppehållstid 500 ms. "Hybridlinsläget" användes. Röntgenfläckstorleken var 300 x 700 μm². En översvämningspistol användes för avgiftsersättning. För kvantitativ analys användes mjukvarupaketet UNIFit 202050, med hjälp av toppområdena för motsvarande fotoelektrontoppar korrigerade med tougaardbakgrund och normaliserade med Scofield-faktorer, oelastiska genomsnittliga fria vägar och överföringsfunktionen. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 3: Uv/Ozonrengöringens effekt på homogeniteten hos partikelspridning vid droppgjutning av PTFE-PMMA-kärnskalnanopartiklar från vattenupphängning. Plattorna som rengörs med UV/ozon visar en signifikant minskning av kafferingar, samt bättre vidhäftning av partiklarna till ytan. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 4: Behandlingsalternativ för att avlägsna föroreningar (t.ex. stabilisatorer) från nanopartiklars suspensioner SEM-bilder som visar effekten av dialys (uppe till höger) och centrifugering och återdispersering i tre exemplar (längst ner till höger) på 60 nm Au-Ag kärnskal nanopartiklar. Nanopartiklarna är tydligt skadade av dialysen, medan centrifugeringen inte har någon synlig inverkan. Alla skalstänger är 100 nm. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 5: Optiska mikroskopbilder från droppgjutning av Au-Ags kärnskalsnanopartiklar med diameter från vattenhaltig fjädring till kiselplattor, som visar tillräcklig täckning efter 13 droppar. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 6: Spin-belagd nanopartikelfjädring, före (vänster) och efter (höger) filtrering med ett 0,45 μm sprutfilter. Förbättringen av kvaliteten efter filtrering kan tydligt ses. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 7: SEM-bilder och XPS-spektra av PMMA-PTFE kärnskal nanopartiklar spin-cast i olika koncentrationer, som visar effekten av substrattoppar (från otillräcklig täckning) på XPS-spektra. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 8: PCA-poängdiagram (Principal Component Analysis), härlett från ToF-SIMS-spektra av glycerol- och PDMS-belagda Al2O3-TiO2 kärnskal. A) Schematisk NP-struktur. (B) Poäng och (C) Lastningsdiagram efter ToF-SIMS-analys av drop-cast (dispersion) och "stick-and go" (pulver) beredningsmetoder. PC1 representerar toppar som korrelerar med PDMS-fragment. PC2 separerar prover med en organisk beläggning (prover beredda av pulver) från Al2O3-toppar till synes utan ytbeläggning. Spektra mättes i positivt läge på ett IONTOF ToF-SIMS IV-instrument (ION-TOF GmbH, Münster, Tyskland) i spektrometriläget (HCBU) med en 25 kV Bi3+ jonstråle med en maximal dostäthet på 1012joner/cm2. Ett synfält på 150 x 150 μm skannades i sågtandsläge med 125 x 125 pixlar. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 9: Avsnitt av ToF-SIMS-masspektra av TiO2 NPs. A) beredda av pulver med metoden "stick and go" och B) efter kryofixering av NP-dispersionen. Ett Tof-SIMS-instrument (ION-TOF V; Ion-TOF GmbH, Münster, Tyskland) användes för massspektrometrianalyser med en pulserad 30 keV Bi3+ flytande metalljonpistol (LMIG, likström (dc), 16 nA). Varje spektrum förvärvades genom att skanna jonstrålen över ett provområde på 500 × 500 μm. Positiva sekundära joner förvärvades i massintervallet 0–1 200 Da med hjälp av 106 Bi3+ pulser. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Discussion
Ett antal metoder har presenterats för beredning av nanopartiklar för ytanalys med XPS och ToF-SIMS. Vi har sammanfattat fördelarna och nackdelarna med dessa metoder, liksom möjliga felkällor och lämplighet för olika material, i tabell 2. Som framgår av de representativa resultaten kan beredningen av nanopartiklar starkt påverka framgången för den resulterande ytanalysen. Dessutom är inte alla metoder lämpliga för alla partikeltyper på grund av faktorer som signalstörningar med substratet eller monteringsmaterialen, laddningseffekter i icke-ledande tjocka filmer, nanopartiklarnas tillstånd som pulver eller suspension, potentiell skada på känsliga yttre skikt, förstöring av biologiska strukturer och information om aggregering och gränssnitt, eller sårbarhet hos känsliga ultrahögvakuum vakuuminstrument för fria nanopartiklar.
Eftersom XPS- och ToF-SIMS-mätningar i genomsnitt över ett område i stället för att mäta enstaka partiklar är det endast möjligt att få reproducerbara resultat från homogena skikt. agglomeration av partiklarna på substratet bör därför undvikas. Dessutom orsakar alltför tjocka lager av icke-ledande material laddningseffekter under analysen, vilket kan leda till oönskade artefakter i spektrat, särskilt partiell laddning som inte kan kompenseras med en översvämningspistol. Å andra sidan visar ofullständiga filmer starka signaler från substratet eller monteringsmaterialen (t.ex. lim), vilket kan störa känsliga toppar från partikelytan. Filmens ideala tjocklek är materialberoende och bör bestämmas experimentellt genom analys av filmer av olika tjocklekar. I synnerhet bör prover som bereds med spinnbeläggning analyseras med SEM för att säkerställa att beläggningen är fullständig.
Att arbeta med NP-suspensioner innebär färre exponeringsrisker och säkerhetskrav jämfört med att arbeta med NP-pulver. Droppgjutning är en relativt enkel metod med låga utrustningskrav och är särskilt lämplig för ledande nanopartiklar i suspension där filmtjocklek inte är ett problem. Medan proverna lätt kan torkas under atmosfäriska förhållanden, tjänar vakuumavsiccatorn till att minska torktiden för dropparna samt skydda plattorna från förorening. Vitonringen används för att modifiera droppens avdunstningsmönster och därigenom minimera bildandet av kafferingar. Avdunstningsmönster kan också påverkas av att substratets hydrofilicitet varierar med hjälp av rengöringsprotokoll eller genom tillämpning av alternativa beläggningar51,52, genom avdunstning i lösningsmedelsatmosfärer53 eller till och med genom uppvärmning av substratet54. Spin-beläggning rekommenderas för suspensioner av icke-ledande nanopartiklar i suspension eftersom den kan generera ett homogent partikelskikt som är tillräckligt tunt för att undvika laddningseffekter men ändå tillräckligt tjockt för att förhindra att Si-substratet bidrar till XPS- och ToF-SIMS-spektrat. För varje enskilt NP-system och koncentration måste både centrifug- och spinnbeläggningsparametrarna optimeras men kan sedan mycket tillförlitligt reproduceras även på olika instrument. Eftersom den spinnbelagda droppen alltid är i mitten av skivan är rotationsradien irrelevant och enheten "varv per minut" (rpm) kan användas. Suspensionen kan alternativt deponeras på skivan efter att programmet har startats; Detta skulle dock kräva olika spinnbeläggningsparametrar och en större mängd suspension för att få en tjockare beläggning.
På grund av sin extremt lilla storlek kan nanopartiklar lossna från substratet och röra sig fritt inuti ultrahögvakuumkammaren när de påverkas med en jon- eller röntgenstråle. Detta är ett särskilt problem för prover som beretts med pulver. I vissa fall kan nanopartiklarna tränga in i instrumentets känsliga komponenter som kräver dyrt och tidskrävande underhåll. På grund av den applicerade accelerationsspänningen är risken för att känsliga delar skadas större med ToF-SIMS än med XPS. Pulverprover, särskilt de som beretts med "stick and go"-metoden, bör noggrant kontrolleras för att säkerställa att pulvern är tillräckligt ordentligt fastsatta, särskilt för ToF-SIMS-analys. Detta kan bekräftas genom att till exempel hålla provet upp och ner och blåsa en ström av gas (t.ex. N2) över det. Före analysen kan proverna också lämnas över natten i luftslussen eller annan första provinmatningskammare i instrumentet, där ett stabilt vakuum kan indikera att det inte finns några lösa partiklar från provet. Nanopartiklar beredda som pellets kan dock till och med sputtras (vid låga accelerationsspänningar) utan att skada instrumentet; Denna metod kan eliminera föroreningar, särskilt kolväten, som införs från pressen och kan också möjliggöra bulkanalys av partiklarna.
Beredning av NP-pulver i provhållarstubben gör det möjligt att ta prover med definierad geometri och en makroskopiskt plan yta. Kritiska punkter är renheten hos verktyget för att trycka på provet och användningen av ett lågt tryck för att undvika förändringar i nanopartikelytan på grund av denna procedur. Det har nackdelarna med att behöva en relativt hög mängd material och potentiella problem med förlust av material i högvakuuminstrument. Vi rekommenderar inte den här metoden för ToF-SIMS-analys, eftersom partiklarna inte komprimeras eller säkras på något sätt.
När det gäller NP-materialet är det första övervägandet för provberedning eliminering eller minimering av interferens mellan NPs och substrat av liknande material. Si wafers är till exempel ett olämpligt substrat för analys av SiO2 NPs med XPS och ToF-SIMS, även med tillräcklig provtäckning. Metalliska eller oorganiska nanopartiklar kan lätt analyseras som pulver på ett lim (förutsatt att de inte innehåller några organiska skikt eller beläggningar) på grund av bristen på signalstörningar mellan nanopartiklarna och det dubbelsidiga limet, en beredningsmetod som skulle vara olämplig för polymera NPs. Metalliska nanopartiklar har större flexibilitet när det gäller eventuell filmtjocklek som används på grund av frånvaron av laddningseffekter, och kan vara droppgjuten med relativt lite utrustning; De kommer dock sannolikt att innehålla stora mängder föroreningar och stabilisatorer från deras syntes, som måste avlägsnas försiktigt utan skador på partiklarna. Polymera nanopartiklar kan lättare skadas av pressning men kan också lättare hålla ihop i pelleten, beroende på vilket tryck som används. Pellets eller mjuka organiska beläggningar på NP-ytan kan också vara skadekänsliga. Direkt deponering från lösningen har potential att skada känsliga beläggningar antingen genom suspensionen eller torkningsprocessen men är fördelaktigt för att analysera NPs som redan finns i suspension. Cryofixation är en lämplig metod för analys av kemiska strukturer, ytor eller gränssnitt i suspension som skulle skadas eller förstöras av olika andra provberedningstekniker, men kräver en specialiserad kryoequipment för både XPS och ToF-SIMS46'47.
Även om detta dokument beskriver flera föredömliga metoder som kan användas för provberedning, bör metoden i varje fall optimeras och valideras med alternativa analysmetoder. En detaljerad översikt över påverkan av olika faktorer publicerades nyligen22. Förutom utveckling och validering av lämpliga beredningsmetoder är dokumentationen av dessa steg också av största vikt40. Denna publikation presenterar några lätthanterliga metoder och är en guide för att modifiera eller utveckla nya metoder enligt kraven för den specifika uppgiften.
Disclosures
Författarna har inga konkurrerande intressen att avslöja.
Acknowledgments
Detta projekt har fått finansiering från Europeiska unionens Horisont 2020-program (H2020) inom ramen för bidragsavtal nr 720952 (ACEnano). Författarna vill tacka Sigrid Benemann för SEM-mätningar, Markus Schneider för ToF-SIMS-mätningar och PCA och Philipp Reichardt för hjälp med filmning.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 4-figure Laboratory balance | Kern & Sohn GmbH | ADB200-4A | |
| 5 mm Pellet die | Specac | GS03060 | |
| Alkali glass cleaning solution | Sigma-Aldrich | Hellmanex™ III Z805939 | Special cleaning solution for cuvettes |
| Carbon adhesive tabs | Plano | "Leit-Tabs" G3347 | |
| Clean laboratory beakers | any | e.g. 300 mL | |
| Cryo-freezer | Electron Microscopy Sciences | EMS-002 Cryo Workstation | |
| Dialysis tube with fasteners | Medicell Membranees Ltd | DTV12000.06.30 | Molecular weight cut-off (MWCO) 12-14 kDa |
| Die press | any | Capable of 2 kN force | |
| Disposable syringe, 1 mL, Luer-slip | TH Geyer | Labsolute 7657545 | Any appropriate volume can be used |
| Double-sided adhesive | 3M | Removable Repositionable Tape 665 | |
| Dry ice | Linde AG | ICEBITZZZ® | For short term storage/cooling |
| Eppendorf transfer pipette and tips | Eppendorf | various | Check correct size for planned pipetting volume |
| Ethanol, ACS grade | Merck KGaA | 1009832500 | |
| FFP2 or FFP3 mask | various | For working with nanoparticles from non-hazardous materials, when not in a fume hood or glove box | |
| Isopropanol, ACS grade | Merck KGaA | 1096342500 | |
| Lab coat, gloves and goggles | any | ||
| Laboratory centrifuge | Eppendorf | Centrifuge 5430 | |
| Laboratory fume hood | any | necessary for working with nanoparticles | |
| Laboratory stirrer & stirrer bar | NeoLab | D-6010 | |
| Lint-free wipes | Kimberley Clark Professional | Kimtech Science Precision wipes | Recommended for working with Si wafers |
| Liquid Nitrogen | Linde AG | Stickstoff flüssig 5.0 | Only for cooling of the cryogen. |
| Microtube/centrifuge tube 1,5 mL | T.H. Geyer GmbH & Co. KG | Labsolute 7696751 | |
| Nitrogen 5.0 | any | 99.999% purity | |
| Pasteur pipette, PE, plastic 3 mL | TH Geyer | Labsolute 7 691 203 | |
| Pasteur pipette, PE, plastic 3 mL | TH Geyer | Labsolute 7 691 203 | |
| Powder sample holder | BAM workshop | "Home-made" sample holder | |
| Propane | Sigma-Aldrich | 769037 | The cryogen should be of highest possible purity. |
| Sample vial or centrifuge tube 1 mL | Greiner Bio-One GmbH | Cellstar 188 261 | Should be capable of being fixed in the Vortexer |
| Silicon wafers | any | ideally 1cm2 pre-cut | |
| Spin-coater | SPS Europe | SPIN150i-NPP | |
| Syringe filter 0,45 µm | Th Geyer | Labsolute 7699803 | For smaller samples; larger versions exist for larger sample volumes |
| ToF-SIMS | IONTOF GmbH | ToF-SIMS IV or V, equipped with Bi LMIG and flood gun | |
| Tweezers for handling Si wafers | any | ||
| ultrapure water | TKA | MicroPure 08.1202 | |
| Ultrasonicator | Bandelin | Sonorex Super | |
| UV/Ozone cleaner | NanoBioAnalytics | UVC-1014 | |
| Vacuum dessicator | any | ||
| Vacuum pump (membrane/diaphragm) | Vacuubrand GmbH | Type MD-4T | |
| Viton O-ring 6.07 x 1.78 mm | Betech GmbH | 2-010, FKM 80 | |
| Vortexer | Heathrow Scientific | Vortexer HS120212 | |
| Wafer Holder 25mm coin style | Semiconductor Production Systems Europe | eWB0091-ASSY-1 | |
| XPS | Kratos | Kratos Axis Ultra DLD |
References
- ISO/TS 18110:2015 in Nanotechnologies - Vocabularies for science, technology and innovation indicators. International Organization for Standardization. , Available from: https://www.iso.org/obp/ui/iso:std:61482:en (2015).
- Valsami-Jones, E., Lynch, I.
- EU Regulation Commission. Commission Regulation (EU) 2018/1881. Official Journal of the European. , (2018).
- Rotello, V. Nanoparticles: Building Blocks for Nanotechnology. , 9042-9046 (2004).
- ACEnano Analytical and Characterisation Excellence. , Available from: http://www.acenano-project.eu/ (2020).
- Mulvaney, P., Parak, W. J., Caruso, F., Weiss, P. S.
- Müller, A., et al. Determining the thickness and completeness of the shell of polymer core-shell nanoparticles by X-ray photoelectron spectroscopy, secondary ion mass spectrometry, and transmission scanning electron microscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (49), 29765-29775 (2019).
- Powell, C. J., Werner, W. S. M., Shard, A. G., Castner, D. G. Evaluation of Two Methods for Determining Shell Thicknesses of Core-Shell Nanoparticles by X-ray Photoelectron Spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (39), 22730-22738 (2016).
- Shirasaki, Y., Supran, G. J., Bawendi, M. G., Bulović, V. Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nature Photonics. 7 (1), 13-23 (2013).
- Smijs, T. G., Pavel, S. Titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles in sunscreens: focus on their safety and effectiveness. Nanotechnology, Science and Applications. 4, 95-112 (2011).
- Medintz, I. L., Uyeda, H. T., Goldman, E. R., Mattoussi, H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nature Materials. 4 (6), 435-446 (2005).
- Byrne, J. D., Betancourt, T., Brannon-Peppas, L. Active targeting schemes for nanoparticle systems in cancer therapeutics. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (15), 1615-1626 (2008).
- Serpell, C. J., Cookson, J., Ozkaya, D., Beer, P. D. Core@shell bimetallic nanoparticle synthesis via anion coordination. Nature Chemistry. 3 (6), 478-483 (2011).
- Izak-Nau, E., et al. Impact of storage conditions and storage time on silver nanoparticles' physicochemical properties and implications for their biological effects. RSC Advances. 5 (102), 84172-84185 (2015).
- Widdrat, M., et al. Keeping Nanoparticles Fully Functional: Long-Term Storage and Alteration of Magnetite. ChemPlusChem. 79 (8), 1225-1233 (2014).
- Gorham, J. M., et al. Storage wars: how citrate-capped silver nanoparticle suspensions are affected by not-so-trivial decisions. Journal of Nanoparticle Research. 16 (4), 2339 (2014).
- Velgosová, O., Elena, Č, Malek, J., Kavuličová, J. Effect of storage conditions on long-term stability of Ag nanoparticles formed via green synthesis. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 24, (2017).
- Zaloga, J., et al. Different storage conditions influence biocompatibility and physicochemical properties of iron oxide nanoparticles. International Journal of Molecular Sciences. 16 (5), (2015).
- Benettoni, P., et al. Identification of nanoparticles and their localization in algal biofilm by 3D-imaging secondary ion mass spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 34 (6), 1098-1108 (2019).
- Ndlovu, G. F., et al. Epitaxial deposition of silver ultra-fine nano-clusters on defect-free surfaces of HOPG-derived few-layer graphene in a UHV multi-chamber by in situ STM, ex situ XPS, and ab initio calculations. Nanoscale Research Letters. 7 (1), 173 (2012).
- Caprile, L., et al. Interaction of l-cysteine with naked gold nanoparticles supported on HOPG: a high resolution XPS investigation. Nanoscale. 4 (24), 7727-7734 (2012).
- Baer, D. R., et al. Chapter 4.2 - Preparation of nanoparticles for surface analysis. Characterization of Nanoparticles. , 295-347 (2020).
- Škvarla, J., Kaňuchová, M., Shchukarev, A., Girová, A., Brezáni, I. Cryo-XPS - A new technique for the quantitative analysis of the structure of electric double layer at colloidal particles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 586, 124234 (2020).
- Shchukarev, A., Ramstedt, M. Cryo-XPS: probing intact interfaces in nature and life. Surface and Interface Analysis. 49 (4), 349-356 (2017).
- Suhard, D., et al. Intracellular uranium distribution: Comparison of cryogenic fixation versus chemical fixation methods for SIMS analysis. Microscopy Research and Technique. 81 (8), 855-864 (2018).
- Piwowar, A. M., et al. Effects of cryogenic sample analysis on molecular depth profiles with TOF-secondary ion mass spectrometry. Analytical Chemistry. 82 (19), 8291-8299 (2010).
- Winograd, N., Bloom, A. Sample preparation for 3D SIMS chemical imaging of cells. Methods in Molecular Biology. 1203, Clifton, N.J. 9-19 (2015).
- Schaepe, K., et al. Characterization of Nanoparticles. , 481-509 (2020).
- Managing nanomaterials in the workplace. European Agency for Safety and Health at Work. , Available from: https://osha.europa.eu/en/emerging-risks/nanomaterials (2020).
- European Union Programme for Employment and Social Solidarity. Working safely with manufactured nanomaterials: guidance for workers. European Union Programme for Employment and Social Solidarity. , (2014).
- Recommendation of the council on the safety testing and assessment of manufactured nanomaterials in C(2019)55/REV1. , Available from: https://legalinstruments.oecd.org/en/instruments/298 (2013).
- Working safely with nanomaterials in research and development. NanoSafety Partnership Group. , Available from: https://www.safenano.org/media/64896/Working_Safely_with_Nanomaterials_-_Release_200_-_Aug2012.pdf (2012).
- La Spina, R., Spampinato, V., Gilliland, D., Ojea-Jimenez, I., Ceccone, G. Influence of different cleaning processes on the surface chemistry of gold nanoparticles. Biointerphases. 12 (3), 031003 (2017).
- Belsey, N. A., et al. Versailles Project on Advanced Materials and Standards Interlaboratory Study on Measuring the Thickness and Chemistry of Nanoparticle Coatings Using XPS and LEIS. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (42), 24070-24079 (2016).
- Ghomrasni, N. B., Chivas-Joly, C., Devoille, L., Hochepied, J. F., Feltin, N. Challenges in sample preparation for measuring nanoparticles size by scanning electron microscopy from suspensions, powder form and complex media. Powder Technology. 359, 226-237 (2020).
- Lu, P. J., et al. Methodology for sample preparation and size measurement of commercial ZnO nanoparticles. Journal of Food and Drug Analysis. 26 (2), 628-636 (2018).
- Allen, T. Powder Sampling and Particle Size Determination. , Elsevier Science. 1-55 (2003).
- Allen, T. Particle Size Measurement. Powder Technology Series. , Springer. (1981).
- Brittain, H. G. Pharmaceutical Technology. 67-73, (2002).
- ISO. Part 4: Reporting information related to the history, preparation, handling and mounting of nano-objects prior to surface analysis. ISO. , (2018).
- Bro, R., Smilde, A. K.
- Graham, D. J., Castner, D. G. Multivariate Analysis of ToF-SIMS Data from Multicomponent Systems: The Why, When, and How. Biointerphases. 7 (1), 49 (2012).
- Jolliffe, I. T., Cadima, J. Principal component analysis: a review and recent developments. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 374 (2065), 20150202 (2016).
- Lever, J., Krzywinski, M., Altman, N.
- Shiens, J. A tutorial on principal component analysis. , (2014).
- Fletcher, J. S., Lockyer, N. P., Vaidyanathan, S., Vickerman, J. C. TOF-SIMS 3D biomolecular imaging of xenopus laevis oocytes using buckminsterfullerene (C60) primary ions. Analytical Chemistry. 79 (6), 2199-2206 (2007).
- Fletcher, J. S., Rabbani, S., Henderson, A., Lockyer, N. P., Vickerman, J. C. Three-dimensional mass spectral imaging of HeLa-M cells - preparation, data interpretation and visualisation. Rapid Communications in Mass Spectrometry: RCM. 25 (7), 925-932 (2011).
- Malm, J., Giannaras, D., Riehle, M., Gadegaard, N., Sjövall, P. Fixation and Drying Protocols for the Preparation of Cell Samples for Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry Analysis. Analytical Chemistry. 81, 7197-7205 (2009).
- Chandra, S. Challenges of biological sample preparation for SIMS imaging of elements and molecules at subcellular resolution. Applied Surface Science. 255, 1273-1284 (2008).
- Hesse, R., Bundesmann, C., Denecke, R. Automatic spike correction using UNIFIT 2020. Surface and Interface Analysis. 51 (13), 1342-1350 (2019).
- Lee, H. H., Fu, S. C., Tso, C. Y., Chao, C. Y. H. Study of residue patterns of aqueous nanofluid droplets with different particle sizes and concentrations on different substrates. International Journal of Heat and Mass Transfer. 105, 230-236 (2017).
- Lin, S. Y., Yang, K. C., Chen, L. J. Effect of surface hydrophobicity on critical pinning concentration of nanoparticles to trigger the coffee ring formation during the evaporation process of sessile drops of nanofluids. Journal of Physical Chemistry. C. 119 (6), 3050-3059 (2015).
- Majumder, M., et al. Overcoming the "Coffee-Stain" effect by compositional marangoni-flow-assisted drop-drying. Journal of Physical Chemistry. B. 116 (22), 6536-6542 (2012).
- Zhong, X., Wu, C. L., Duan, F. From enhancement to elimination of dual-ring pattern of nanoparticles from sessile droplets by heating the substrate. Applied Thermal Engineering. 115, 1418-1423 (2017).
