Summary
En række forskellige procedurer til fremstilling af nanopartikler til overfladeanalyse præsenteres (drop casting, spin coating, deposition fra pulvere og kryofixation). Vi diskuterer udfordringer, muligheder og mulige anvendelser af hver metode, især med hensyn til ændringer i overfladeegenskaber forårsaget af de forskellige forberedelsesmetoder.
Abstract
Nanopartikler har fået stigende opmærksomhed i de seneste år på grund af deres potentiale og anvendelse på forskellige områder, herunder medicin, kosmetik, kemi, og deres potentiale til at muliggøre avancerede materialer. For effektivt at forstå og regulere nanopartiklernes fysisk-kemiske egenskaber og potentielle negative virkninger skal der udvikles validerede måleprocedurer for nanopartiklers forskellige egenskaber. Mens procedurer til måling af nanopartikler størrelse og størrelse fordeling er allerede etableret, standardiserede metoder til analyse af deres overflade kemi er endnu ikke på plads, selv om indflydelsen af overfladen kemi på nanopartikler egenskaber er ubestridt. Navnlig påvirker opbevaring og tilberedning af nanopartikler til overfladeanalyse i høj grad de analytiske resultater fra forskellige metoder, og for at opnå ensartede resultater skal prøveforberedelsen være både optimeret og standardiseret. I dette bidrag præsenterer vi i detaljer nogle standardprocedurer til forberedelse af nanopartikler til overfladeanalyse. I princippet kan nanopartikler deponeres på et passende substrat fra suspension eller som pulver. Silicium (Si) wafers er almindeligt anvendt som substrat, men deres rengøring er afgørende for processen. Til prøveforberedelse fra suspension vil vi diskutere drop-casting og spin-coating, hvor ikke kun renheden af affjedringens substrat og renhed, men også dens koncentration spiller vigtige roller for forberedelsesmetodens succes. For nanopartikler med følsomme ligandskaller eller belægninger er aflejring som pulver mere egnet, selv om denne metode kræver særlig omhu ved fastgørelse af prøven.
Introduction
Nanomaterialer defineres som materialer med en ekstern dimension mellem 1 nm og 100 nm eller har en indvendig struktur eller overfladestruktur i denne skala1. På grund af de unikke egenskaber, der opstår fra deres lille og tilsvarende store overfladeareal (blandt andre faktorer), finder de stigende brug på en lang række områder, herunder landbrug, kemi, bilkonstruktion, kosmetik, miljø, medicin, udskrivning, energi og tekstiler. Denne øgede anvendelse betyder, at både mennesker og miljø i hidtil ukendt omfang vil blive udsat for disse materialer, hvis toksikologiske egenskaber endnu ikke er fuldt ud kendt, og hvis størrelse gør det muligt at integrere dem i biologiske eller miljømæssige systemer2.
Efter de grundlæggende egenskaber ved areal- og partikelstørrelse/størrelsesfordeling blev overfladekemi og belægninger identificeret som nanomaterialers mest afgørende egenskab3; mindre partikler har et højere overfladeareal pr. enhedsmasse og derfor et højere forhold mellem overflade- og bulkatomer. For nanopartikler af 1 nm størrelse kan over 70% af atomer findes i hjørner eller kanter; dette påvirker kraftigt overfladeegenskaber som chemisorption, som er meget afhængig af atomskala overflademorfologi4. Forordninger om nanomaterialer kræver nøjagtige data om fysisk-kemiske egenskaber og pålidelige skøn over disse materialers toksikologiske egenskaber. For effektivt at kunne estimere toksikologiske egenskaber ud fra nanomaterialers fysiske og kemiske egenskaber kræver nanomaterialerne pålidelige, standardiserede og verificerede analyseprocedurer. Projekter som ACEnano5 har til formål at indsamle og korrelere nøjagtige og kontrollerbare fysiske data fra nanopartikler inden for en ramme, der muliggør bedre regulering og karakterisering af nanomaterialer. Denne indsats i retning af standardiserede analyseprocedurer er også blevet støttet af redaktørerne af ACS Nano, der ønsker "at konsolidere og blive enige om metoder til karakterisering og minimumsniveauer for analyse af materialer6". Desuden tilbyder XPS og ToF-SIMS nye muligheder for at belyse partikelarkitekturen i kerneskaller nanopartikler7,8.
Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), sammenlignet i tabel 1, er veletablerede metoder til undersøgelse af overfladeatomer. I XPS bestråles prøven med røntgenstråler med en energi mellem 1 og 2 keV, hvilket forårsager emission af elektroner på grund af den fotoelektriske effekt. Disse udsendte elektroner, der har en kinetisk energi i samme område, korrelerer med elektronernes bindende energi i det faste stof; fotoelektronernes udseende ved disse definerede bindende energier og målbare intensiteter muliggør derfor kvantitativ analyse af sammensætningen. Da den gennemsnitlige frie vej for disse fotoelektroner er under 10 nm, XPS er en meget overflade følsom teknik til kvantitativ analyse. Desuden muliggør en detaljeret analyse af de bindende energier i stærkt løst spektre kvantitativ bestemmelse af valenstilstandene for disse elektroner.
I ToF-SIMS er overfladen sputtered med en fokuseret ion stråle (primære ioner), med ioner skubbet ud af materialet (sekundære ioner) indsamlet og analyseret i en time-of-flight massespektrometer. Masse/opladningsmønsteret gør det muligt at bestemme den elementære, isotopiske eller molekylære sammensætning. På grund af de sekundære ioners gennemsnitlige frie vej er denne teknik også meget overfladefølsom og har en informationsdybde på 1-2 nm, men er i bedste fald semi-kvantitativ på grund af matrixeffekten, hvorved ioniseringssandsynligheden (og dermed udbyttet) af sekundære ioner er stærkt påvirket af deres omgivende matrix. ToF-SIMS kan betjenes i enten statisk eller dynamisk tilstand. forskellen mellem de to er den primære ion flux påvirker overfladen. Statiske SIMMERE holder den primære ionstrøm på et niveau, der påvirker (dvs. fragmenter) maksimalt 1%-10% af overfladen; overfladen forbliver relativt uforstyrret, hvilket gør det muligt at analysere de øverste atomlag af materiale. Da selv statiske SIMS forårsager en vis ødelæggelse til overfladen, anses det for at være mindre "ikke-destruktiv" af de to metoder.
Disse overfladefølsomme teknikker gør det muligt at analysere de første par nanometer af materialet, herunder forsætlige eller utilsigtede belægninger, som for nanomaterialer kan påvirke materialeegenskaberne betydeligt. Eksempler på forsætlige belægninger er capping lag på kvante prikker til at forbedre fotoluminescens quantum udbytter og reducere miljømæssig reaktivitet9, aluminiumoxid eller silica belægninger til forebyggelse af fotokatalytisk aktivitet titania nanopartikler i solblokkere10, overfladefunktionalisering for at muliggøre biokonjugation og efterfølgende biologisk aktivitet11, belægninger til diagnostiske og narkotika levering applikationer12 og fluorcarbonbelægninger på magnetiske partikler til ferrofluider og metalsystemer med kerneskal for at forbedre katalysatoregenskaber13. Utilsigtede belægninger som oxidation, overfladeforurening eller proteinalys i biologiske systemer har en tilsvarende stærk indflydelse på nanopartiklernes egenskaber, og det er afgørende, at eksperimentelle tilberedningsprocedurer sikrer, at belægningen og mere generelt nanomaterialets overfladekemi ikke ødelægges eller omdannes. Det er også afgørende at evaluere nanopartiklernes egenskaber, da de er in-situ, da deres egenskaber kan ændres drastisk af ændringen2,14,15. Derudover kan koncentrationen af stabilisatorer i nanopartiklernes suspension dramatisk påvirke nanopartiklernes analyse og strukturelle integritet; Tilstedeværelsen af en stabilisator kan resultere i store uønskede signaler (for eksempel C, H, O og Na) i analysen, mens fjernelsen kan resultere i skade eller agglomeration af nanopartiklerne.
På grund af deres størrelse og overfladeareal påvirker opbevaringsbetingelserne for nanopartikler også deres adfærd, både som lagrede pulvere / suspensioner og som forberedte prøver. Virkningen af suboptimale opbevaringsforhold, navnlig opbevaring af stuetemperatur og udsættelse for lys, har i forskellige undersøgelser vist sig at forårsage nedbrydning af nanopartiklerne, som har vist sig at ændre partiklernes fysiske, kemiske og/eller toksikologiske egenskaber14,15,16,17,18 . Mindre nanopartikler har vist sig at oxidere hurtigere end større med oxidation / nedbrydningshastigheder afhængig af opbevaringsforhold15 samt overfladekemi14. Virkningerne af nanopartikler nedbrydning under opbevaring har vist sig at påvirke fysisk-kemiske egenskaber, herunder toksicitet14, mens den oxidative vækst kan fortsætte indad på bekostning af kernen15.
Omhyggelig opbevaring og fremstilling af nanomaterialer er derfor afgørende for en nøjagtig overfladeanalyse, og alle faktorer, der kan påvirke prøveoverfladen og/eller kvaliteten af målingerne, bør overvejes nøje. Det skal bemærkes, at på grund af den relativt lave rumlige opløsning af XPS (i μm-området) og ToF-SIMS (et par hundrede nm) kan kun en lille delmængde af nanopartiklerne undersøges; disse metoder gennemsnit over et område og ikke har evnen til at afbilde enkelte partikler, som det er muligt med teknikker såsom elektronmikroskopi. Af denne grund kræver enhver analyse aflejring af nanopartiklerne i et kontinuerligt lag for at sikre ingen interferens fra substratet. Elektronmikroskopi og XPS/ToF-SIMS bruges derfor ofte sammen som komplementære metoder til nanomaterialeanalyse.
Bortset fra ændringer i overfladekemi er de største udfordringer ved fremstilling af nanopartikler til XPS- og ToF-SIMS-analyse at udarbejde et lag, der er: homogent, for at øge reproducerbarheden; gapless, for at minimere substratets bidrag til spektret; tynd nok til at undgå opladningseffekter (for ikke-ledende prøver) og sikkert fastgjort til substratet, for at undgå, at frie nanopartikler kommer ind og beskadiger ultrahøje vakuuminstrumenter
Nanopartikler kan deponeres på substratet fra suspension eller som pulver. For det første vil vi drøfte de forskellige metoder til deponering af nanopartikler fra suspension. Silicium wafers er et almindeligt anvendt substrat til suspension aflejring, fordi de er relativt billige, let tilgængelige som et meget rent produkt bestående af ren eller dopet silicium (doping undgår opladningseffekter), og for de fleste nanopartikler overlapper de spektrale toppe ikke med toppe, der er typiske for nanopartikler. Dette sidste punkt er vigtigt. før analysen bør det sikres, at substrattoppene er godt adskilt fra de forventede toppe fra nanopartiklerne, ellers er fortolkningen af spektret kompliceret eller umulig, og nanopartiklernes fortsatte dækning af substratet kan ikke verificeres. Før du bruger silicium wafers, en omfattende rengøringsprocedure (beskrevet i denne publikation) er nødvendig for at fjerne (organiske) forurenende stoffer og øge overfladen vådbarhed. Andre egnede substrater såsom guldfilm, højt bestilt pyrolytisk grafit (HOPG) eller indiumfolier er blevet anvendt med succes, men en diskussion om deres forberedelse ligger uden for rammerne af dette arbejde19,20,21,22.
For det andet præsenterer vi metoder til deponering af nanopartikler pulvere på et substrat til XPS og ToF-SIMS analyse og præsentere fordele og ulemper ved hver metode, så forskerne nye til de teknikker til at finde den optimale forberedelsesmetode til deres formål. For det tredje diskuterer vi kryofixation, som er en passende forberedelsesmetode til at bevare funktioner som agglomerationsadfærd, organisk corona, solid / vandig grænseflade23,24 eller distribution i biologiske medier25 af NPs. Kryofixation, typisk hurtig frysning af materiale i en flydende nitrogenkølet kryogen og analyse i frossenhydreret tilstand, tillader analyse og visualisering af nanopartikler direkte i komplekse matricer. Denne procedure forårsager ikke dannelse af iskrystaller, men danner amorf is, der holder membraner og cellulære og vævsstrukturer i deres oprindelige biologiske tilstand, undgår skader forårsaget af vandkrystalliseringsprocesser og gør det muligt at opretholde den nøjagtige kemiske fordeling af alle cellemet metabolitter og cellemembranforbindelser26,27,28 . Denne præparatemetode kan være af særlig interesse for at fremlægge et nøjagtigt kemisk kort over det faktiske NP-agglomerat eller heteroagglomerat, visualisere det nøjagtige kemiske rum i umiddelbar nærhed af nanopartiklerne direkte i suspension eller korrelere enten cellevævsspecifikke træk eller intracellulære rum i NP-agglomerater eller heteroagglomerater.
Som det fremgår af resultaterne i dette arbejde, er den mest hensigtsmæssige procedure i et bestemt tilfælde afhængig af en række parametre såsom nanopartiklernes hydrofilitet, stabilitet, ledningsevne, tilstand (f.eks. pulver eller suspension) og det analytiske spørgsmål ved hånden (f.eks. størrelse, bulkegenskaber eller overfladebelægninger). En række forskellige metoder præsenteres her, der kan bruges til fremstilling af NPs til overfladeanalyse samt en sammenligning af deres fordele og ulemper.
Protocol
FORSIGTIG: Nanopartiklernes toksikologiske egenskaber undersøges stadig; på grund af deres størrelse kan de udgøre unikke farer hos mennesker såvel som i miljøet, selv når de består af iboende ikke-farlige materialer. Før der udføres arbejde med nanopartikler, bør der foretages en korrekt risikovurdering, og der bør indføres passende tekniske kontroller, laboratorieprocedurer og PPE (personlige værnemidler), afhængigt af fareniveauet for de materialer, der skal undersøges29,30,31,32.
1. Forberedelse af si wafers
BEMÆRK: Disse trin er nødvendige for at fjerne uønsket (organisk) forurening og øge overfladebehandlingen. Alle anvendte opløsningsmidler skal være mindst ACS-kvalitet. En standard sonikering bad (35 kH og 120 Watt) er velegnet.
- Våd kemisk rengøring af si wafers
- Sæt Si wafer i et bæger med isopropanol og ultralyd i 5 min.
- Overfør Si wafer til et bægerglas med en alkaliglasrensningsopløsning og ultralyd i 10 min.
- Sæt waferen i et bægerglas med ultrapurt vand. Skift vandet 10 gange ved at hælde vandet ud og genopfylde bægeret; Si wafers forbliver i bunden på grund af kapillæreffekten.
- Tør waferen med ren N2-gas .
BEMÆRK: Tørring med N2 forhindrer dannelse af "kafferinge" og andre genstande fra vandtørring. - Sæt waferen i et andet bægerglas med isopropanol og ultralyd i 10 min.
- Tør waferen med ren N2-gas .
- Sæt waferen i et bæger med ethanol og ultralyd i 10 minutter.
- Tør waferen med ren N2-gas . Protokollen kan sættes på pause her.
- Plasma- eller UV/ozonrensning af silicium wafere
- Indfør si waferen i plasmaet eller UV/ozonrenseren, og tænd i 30 min.
BEMÆRK: Wafere skal plasma- eller UV/ozonrenses umiddelbart før brug.
- Indfør si waferen i plasmaet eller UV/ozonrenseren, og tænd i 30 min.
2. Nanopartikler aflejring fra suspension
BEMÆRK: Den mest almindelige eksponeringsvej for nanopartikler er ved indånding. Arbejde med affjedring kan minimere eksponeringsfare.
- Fremstilling af nanopartikler suspension fra pulver
BEMÆRK: Alle de mængder, der er beskrevet her, er eksempler. Metoden skal optimeres til de særlige nanopartikler, der anvendes i hvert enkelt tilfælde.- Nøjagtigt vejer 15 mg nanopartikler pulver (± 10%) i en 10 mL rør.
- Nøjagtigt vejer i ca 8 mL ultrapure vand.
- Luk røret, pak i et 50 mL centrifugerør med køkkenrulle og læg det i vortexeren ved 3.000 rpm i 15 min.
- Drop-casting af elektrisk ledende nanopartikler fra vandig suspension
- Anbring waferen i UV/ozonrenseren i 30 min.
- Anbring waferen i den ene halvdel af waferholderen, og placer en 3 μL-dråbe nanopartikleraffjedring i midten af ringen.
- Monter en Viton O-ring med en diameter på 6,07 mm på vaflerne omkring dråben. Pas på, at ringen ikke rører dråben.
- Læg waferen i en vakuumafsikkator under et vakuum på 4 mbar i 15 minutter for at tørre waferen.
- Fjern waferen fra udtørreren, og undersøg ved hjælp af lysmikroskopi og XPS for at fastslå, at partikellaget er homogent og lukket. 2.2.1 og 2.2.2, indtil analysen viser et lukket og homogent lag. Protokollen kan sættes på pause her.
- Spin-belægning af elektrisk ikke-ledende nanopartikler fra vandig suspension
- Anbring waferen i UV/ozonrenseren i 30 min.
BEMÆRK: Ved spin-coating suspensioner af forskellige koncentrationer ved hjælp af samme protokol kan der opnås forskellige niveauer af overfladedækning. - Programmer spin-coateren. Et passende prøveprogram er: trin 1: 500 omdr./s rampe til 1.000 omdr./min. trin 2: 1.000 omdr./s rampe til 2.000 omdr./min. trin 3: deceleration ved 2.000 omdr./s til 0 omdr./min.
- Sæt waferen ind i spin-coateren, og tænd for vakuumet til fiksering.
- Sæt 80 μL af suspensionen på waferen og start programmet.
- Fjern waferen fra spin-coateren.
- Opbevar prøven i et nyt, rent wafertray. Protokollen kan sættes på pause her.
- Analyser prøven ved hjælp af SEM for at bekræfte gapless dækning af substratet.
- Anbring waferen i UV/ozonrenseren i 30 min.
3. Nanopartikler aflejring fra pulver
- Nanopartikler aflejring på dobbeltsidede tape ("stick and go")
- Fastgør det dobbeltsidede klæbemiddel til prøveholderen, og fjern foringslinjen.
- Tag en spatelspids af nanopartiklerpulveret og dyp det på klæbemidlet.
- Spred prøven over klæbemidlet og tryk ind i klæbemidlet med spatelen, indtil så meget af pulveret klæbes som muligt.
- Kontroller, at pulveret er fastgjort på hanen ved at invertere og trykke på prøveholderen og ved at blæse en gasstrøm (f.eks. kvælstof) over den. Protokollen kan sættes på pause her.
BEMÆRK: Alternativt kan en lille mængde pulver placeres på en renset overflade (Alu-folie eller glasrutschebane) og presses ovenfra med klæbemiddel og dobbeltsidet prøveholder. - Placer en spatelspids af pulveret på den rensede overflade. Tryk prøveholderen med klæbemidlet på pulveret ovenfra.
- Kontroller, at pulveret er fastgjort på hanen ved at invertere og trykke på prøveholderen og ved at blæse en gasstrøm (f.eks. kvælstof) over den. Protokollen kan sættes på pause her.
-
Fremstilling af pressede pulverpiller
- Rengør grundigt alle dele af pellet dør, idet man passer på ikke at ridse den polerede overflade.
- Vend pellet dør og hvile på en lille spacer.
- Indsæt stemplet og en pellet i rustfrit stål, med poleret side op, og træk stemplet igennem, indtil der er plads nok til at fylde med pulverprøven.
- Fyld terningen med en lille mængde prøve (1 stor spatelspids), og indsæt derefter den anden pellet i rustfrit stål med den polerede side vendt mod prøven.
- Placer basen på kroppen og forsigtigt invertere. Hvis der ønskes et vakuum og fås, skal du fastgøre vakuumpumpen til bunden af pelletdugen.
- Placer terningen i en presse, og sørg for, at den er centreret.
- Påfør en let belastning (2 kN) i ca. 20 s og slip.
- Påfør en tungere belastning (6 kN) i 2 min og slip.
- Når belastningen er frigivet, slip vakuumpumpen.
BEMÆRK: På grund af de forskellige materialeegenskaber af forskellige nanopartikler kan det være en fordel at forberede en række pellets med forskellige belastninger og belastningstider for at bestemme de optimale pelletpresningsforhold. - Inverter aftricen, placer udsugningsringen på plads, og placer en let belastning (op til 1 kN) mellem stemplet og udsugningsringen.
- Fjern de uddr."-dele fra pressen, og tag forsigtigt prøvepillen ud med pincet.
- Monter forsigtigt prøven på en renset Si wafer ved hjælp af dobbeltsidet klæbemiddel. Protokollen kan sættes på pause her.
4. Kryofixing af nanopartikler suspensioner
- Fyld hovedkammeret i fastfrysningsanordningen med flydende nitrogen.
- Fyld det afkølede fastfrysningskammer med cryogen (propan).
- Lad hurtigfrysningsenheden køle af til driftstemperaturen.
BEMÆRK: Fastfrysningsanordningen tager lidt tid at nå driftstemperaturen før prøveforberedelsen, derfor kræves der en rimelig tidsramme (et par timer) til kryofixing af prøverne. - Drop-cast 10-20 μL NP suspension på en renset Si wafer med en pipette.
- Hold Si wafer med fastgørelse pincet, placere den inde i springet fryse enhed.
- Flyt fastgørelses-pincet til dykpositionen.
- Tryk på knappen for at slippe prøven inde i cryogen.
- Vent flere sekunder, indtil prøven er helt frosset.
- Overfør de frosne prøver så hurtigt som muligt til et afkølet miljø.
- Læg den kryofikserede prøve (Si wafer) i prøveholderen, og overfør den inde i instrumentet.
BEMÆRK: Til transport anbefales tøris, og kortsigtet prøveopbevaring er mulig. Prøverne kan måles i frossen tilstand med et afkølet instrument eller med konventionelle ToF-SIMS-indstillinger efter stabilisering ved at frysetørre prøven.
Representative Results
Dette papir præsenterer en række prøveforberedelsesmetoder til overfladeanalyse af nanopartikler. Da de fysisk-kemiske egenskaber ved en bestemt NP vil definere både den optimale metode til prøveforberedelse (f.eks. drop-casting vs. spinbelægning) og den bedste procedure for denne metode (f.eks. kræver forskellige substrater eller opløsningsmidler), bør egnetheden af den anvendte metode valideres ved hjælp af alternative analysemetoder og optimeres om nødvendigt. De resultater, der ses i denne publikation, er i overensstemmelse med tidligere offentliggjort litteratur, der viser behovet for konsekvente protokoller og procedurer for prøveforberedelse samt behovet for kvalitetskontrol for at sikre, at prøveforberedelses- og rensningsmetoderne er hensigtsmæssige, vellykkede og ikke beskadiger nanopartiklerne22,33,34,35,36.
Prøveudtagnings- og opbevaringsmetoder for NSp'er er ikke blevet behandlet her, da de er beskrevet i detaljer i forskellige andre referencer14,15,16,17,18,34,37,38,39. Naturligvis bør der udvises stor omhu for, at de analyserede prøver er repræsentative for den samlede nanopartiklerfordeling og egnede prøveudtagningsmetoder, der er udviklet og valideret. Opbevaringsforhold har også vist sig at påvirke nanopartiklernes egenskaber kraftigt over en periode på måneder og bør derfor overvejes nøje. Som et eksempel anbefaler vi, at nanopartikler opbevares i små mængder i forseglede beholdere væk fra lys, ideelt under 4 °C. Det er også afgørende, at opbevaring, prøveudtagning og prøveforberedelse konsekvent udføres i overensstemmelse med validerede procedurer og dokumenteres i detaljer. Denne dokumentation bør omfatte metadata fra de nationale kontaktenheder selv, såsom herkomstinformation og opbevaringsforhold40. Værktøjer som elektroniske laboratorienotesbøger (ELN'er) kan være nyttige til konsekvent dokumentation af procedurer og NP-metadata samt til fremstilling af data i henhold til FAIR-princippet (søgbart, tilgængeligt, interoperabelt og genanvendeligt).
Præcis og korrekt overfladeanalyse af de nationale data kræver for det første et passende valg af substrat. Vi har brugt rensede si wafers som substrater, fordi de er let tilgængelige, holdbare, let rengjorte, ledende og tilstrækkeligt flade, men afhængigt af analysens mål kan oxidoverfladelaget være en ulempe, da de utilsigtede kulbrinter på substratet ikke kan skelnes fra dem på nanopartiklerne. Om nødvendigt kan andre materialer som guld eller polymere belægninger på si wafers, Si3N4 wafere eller HOPG (meget orienteret pyrolytisk grafit) anvendes19,20,21,22. Det første trin i prøveforberedelsen, der er beskrevet i dette papir, er rengøring af Si wafer, vist som et skema i figur 1. Effektiviteten af rengøringsprocessen kan verificeres ved hjælp af en række forskellige metoder, herunder XPS, som vist i figur 2. Den vigtigste forurenende (utilsigtet kulstof) er typisk for prøver opbevaret i luften og reduceres betydeligt efter rengøringsprocessen. Derudover undgår hydroxylering af waferoverfladen via UV- eller ozonbehandling kafferingseffekten fra aflejring fra vandig suspension ved at øge vådheden og dermed føre til en mere homogen fordeling af nanopartiklerne som vist i figur 3. Alternative våd kemiske rengøringsmetoder for si wafers kan anvendes efter behov; her kræves kun en reproducerbar ren overflade snarere end fuldstændig fjernelse af alle organiske forurenende stoffer eller oxidlaget. Hvis protokollen sættes på pause mellem rengørings- og suspensionsaflejringstrinene, skal waferen behandles igen under plasma eller UV/ozon, og suspensionen deponeres ideelt inden for 15 minutter efter behandlingen.
Suspensionen af 60 nm Au-Ag kerneskal nanopartikler vist i punkt 2.2 indeholdt en betydelig mængde natriumcitrat som stabilisator, hvilket er en almindelig forekomst i nanopartikler suspensioner. For nøjagtig analyse af disse partikler og deres overfladeegenskaber, især via XPS, bør så meget stabilisator fjernes som muligt, da det svækker signalet fra nanopartiklerne og forårsager opladningseffekter. For at etablere den optimale rensningsmetode for disse nanopartikler, vist som SEM-mikrografer i figur 4, blev de enten dialyzed i ultrapurt vand eller renset ved hjælp af centrifugering og re-dispersion i tredotel. Selv om dialyse synes en blidere metode og centrifugation og re-dispersion mere tilbøjelige til at forårsage agglomeration og sammenlægning af partiklerne, SEM billeder viser betydelig deformation og skader af Au-Ag nanopartikler efter dialyse (Figur 4B), mens centrifuged / re-spredte partikler er stadig intakt (Figur 4C ). Dette er især bemærkelsesværdigt med metalliske nanopartikler; vores hypotese er, at der er en optimal mængde natriumcitrat, der muliggør en vis stabilisering af opløsningen uden at forstyrre signalet til nanopartiklerne, og fjernelse af for meget stabilisator forårsager skade på nanopartiklerne. En tidligere rapport viser, at der er et optimalt antal centrifugeringscyklusser til fjernelse af det meste af natriumcitratet. overskridelse af dette tal forårsager en vis NP-sammenlægning33. I denne undersøgelse var der behov for ni dialysecyklusser (i alt 36 timer) for at opnå en tilsvarende citratkoncentration; Denne metode resulterede dog i en højere mængde sammenlægning end centrifugering samt forårsager et fald i overfladefunktionalisering. Disse resultater viser, hvor vigtigt det er at kontrollere hvert trin i forberedelsesproceduren for hver enkelt type nanopartikler, især med ukendte prøver.
De 60 nm Au-Ag core-shell nanopartikler, der anvendes i dette eksempel, er velegnede til drop-casting på grund af deres elektriske ledningsevne, fordi opladningseffekter ikke er et problem, og et tykt sted kan genereres ved gentagen aflejring ved hjælp af relativt lidt udstyr. Dette tykkere lag har den fordel, at det giver mere reproducerbare målinger, og støbning fra en mere koncentreret suspension kan spare tid ved at reducere antallet af depositionstrin. Aflejringen kan påvirkes af substratets vådhed; dårlig befugtning kan producere en tyk nanopartikler stedet, som er fordelagtigt for ledende prøver, mens god befugtning kan producere en mere homogen nanopartikler lag, som kan være nyttige for både ledende og isolerende prøver. Som beskrevet i protokollen kræver drop-casting af nanopartikler suspensioner normalt gentagne applikationer for at opnå et tykt lag med fuld dækning; Dette bør verificeres ved hjælp af XPS, men kan også hurtigt og nemt verificeres ved hjælp af optisk mikroskopi. Figur 5 viser udviklingen i dråbedækningen i en drop-casting af Au-Ag kerneskal nanopartikler fra vandig opløsning; i dette tilfælde kræves der 13 drop-casting-trin for at opnå fuld dækning. Drop casting er særligt velegnet til ledende partikler, eller dem, hvor opladningseffekter kan kompenseres tilstrækkeligt. Som med de andre metoder, der er beskrevet i denne publikation, bør drop-casting optimeres for hver prøve, da forskellige NP-materialer vil have forskellige egenskaber vedrørende informationsdybde og koncentration og filmtykkelsesgrænser. Det er vigtigt at undgå for tykke film, som kan forårsage stabling af organiske igen hæmmer NP signal.
En homogen belægning af god kvalitet er med til at sikre ensartede og reproducerbare resultater. Ud over affjedringskoncentrations-, opløsningsmiddel- og spin-belægningsparametrene kan kvaliteten af spinbelagte suspensioner også påvirkes negativt af tilstedeværelsen af støv eller andre store makro- eller mikroskopiske partikler. Figur 6 viser forbedringen i spin-belægningskvaliteten af en nanopartikleraffjedring efter filtrering med et 0,45 μm sprøjtefilter. Filteret skal vælges for at sikre, at det ikke fjerner nanopartikler fra suspensionen. De tre forskellige suspensionskoncentrationer, der er beskrevet i protokollen (90, 9,0 og 0,9 mg/mL på 135 nm PS-PTFE-nanopartikler med kerneskaller), blev spin-castet under de samme betingelser og analyseret ved hjælp af SEM og XPS. Det øverste billede og spektrum i figur 7 viser filmstøbt fra 90 mg / mL suspension, som viser en tyk og gapless flerlags dækning i SEM billede samt en bemærkelsesværdig mangel på Si toppe i CPS spektre, hvilket indikerer intet bidrag af substratet til spektret. Dette eksempel er ideelt til XPS- eller ToF-SIMS-analyse. derudover kan de mindre F1'er toppe fra partiklernes skal tydeligt ses i mangel af et stort signal fra substratet. Den anden prøve, der afgives fra 9,0 mg/mL-suspensionen, viser partiklerne i små enkeltlags agglomerater, som ikke helt dækker overfladen. Dette eksempel er for tyndt og inhomogene til XPS- eller ToF-SIMS-analyse. Desuden kan kvantitativ analyse forringes på grund af bidraget fra utilsigtet kulstof på substratet, selv efter omhyggelig rengøring; en sådan virkning skal i det mindste tages i betragtning i målingens usikkerhedsbudget. Denne prøve vil imidlertid være ideel til SEM- eller TEM-analyse af partikelstørrelsesfordeling ved hjælp af billedanalysesoftware, da partiklerne findes i et enkelt lag og i et tilstrækkeligt antal (inden for billedet) til at give en statistisk signifikant evaluering. Prøvestøbningen fra den laveste koncentration (0,9 mg/mL) giver hverken kontinuerlig dækning eller tilstrækkelig partikeltæthed til at gøre den egnet til analyse af hverken overfladekemi eller partikelstørrelsesfordeling. En pålidelig kvantitativ analyse er slet ikke mulig på grund af substratets dominerende indflydelse.
Al2O3-TiO2 core-shell NPs med enten en PDMS eller glycerol ydre lag blev udarbejdet via drop-casting fra suspension samt fra pulver ved hjælp af "stick-and-go" metode for at sammenligne virkningerne af de forskellige præparationsmetoder på det følsomme ydre lag. Prøverne blev analyseret med ToF-SIMS, hvor i spektret blev analyseret ved hjælp af Principal Components Analysis (PCA). PCA er en statistisk teknik til at reducere dimensionaliteten af store datasæt ved at skabe nye ikke-korrelerede variabler (de vigtigste komponenter), som maksimerer variansen i dataene41,42,43,44,45. Adskillelsen af forskellige prøvesæt på hovedkomponentgrafen gør det lettere at analysere og gruppere resultaterne. På pca-scoreplottet i figur 8B, som viser forskelsbehandlingskraften i hvert datasæt i forhold til alle andre datasæt (dvs. mellem forskellige prøvesæt) viser de to prøver, der er fremstillet af pulver, meget forskellige scorer, mens prøverne fremstillet af spredning viser meget ens score. De lasteområder, der er vist i figur 8C, angiver forholdet mellem variabler, dvs. hvilke toppe der bidrager mest til de respektive hovedkomponenter. Alle hovedkomponenter sorteres efter deres bidrag til den observerede forskel mellem datasæt, dvs. PC1 er domineret af tilstedeværelsen (PDMS-belagte NPs fremstillet af pulver) eller fravær (alle andre prøver) af PDMS toppe, mens PC2, den faktor, der tegner sig for den næststørste variation inden for datasæt, muliggør differentiering af Al2O3 og den organiske loft på de nationale til-nationale operatører. Dette indikerer, at det målte spektre af de nationale data, der er fremstillet af suspension, er meget ens og tyder på, at PDMS- og glycerollagene kan være fjernet eller beskadiget ved forberedelse fra suspensionen, enten fra selve suspensionen eller tørringsprocessen med dominerende signaler fra Al2O3 eller TiO2.
Mens pressede pellets kan give fordele til fremstilling af pulveriserede prøver såsom nem håndtering og stabilitet i ultrahøje vakuuminstrumenter (herunder evnen til at sputter uden at løsne NPs i højvakuumkammeret), kan de involverede høje kræfter også beskadige følsomme nanopartikler, som det allerede er set med andre forberedelsesmetoder. Der bør udarbejdes og valideres en passende protokol.
I tilfælde af NP-spredning undgår kryofixing af drop-cast-prøveaffjedringer kafferingseffekter (på grund af øjeblikkelig fastgørelse af NP-suspensionen og dermed eliminering af tørrevirkninger) samt bevarelse af større strukturer, der er til stede i suspensionen. Derudover undgås anvendelsen af tape. Dette afspejles igen i reducerede signaler, som kan tilskrives salte, forurenende stoffer eller andre artefakter fra prøveforberedelsesproceduren i det respektive massespektre som vist i figur 9. Den største fordel ved kryofixation er evnen til at bevare "som det er" det kemiske rum omkring nanopartiklerne og/eller den kemiske enhed af partikel agglomerater eller heteroagglomerater samt deres korrelation med biologiske træk i væv eller enkeltceller eller endda co-lokalisering til intracellulære rum, uden forstyrrelser fra prøvehåndtering trin såsom tørring, drop-casting, etc46'47. Vi har demonstreret anvendeligheden af kryofixationsteknikken i det aktuelle papir og har fremhævet fordelene ved kryofixing for TiO2 nanopartikler. Vi understreger, at kryofixation er særligt velegnet til analyse af biologiske prøver på grund af i deres naturlige tilstand uden forskydning af kemikalier på grund af prøveforberedelse artefakter. For mere dybdegående information om fiksering teknikker til biologiske prøver læseren henvises til litteratur19,25,27,48,49.
| XPS | ToF-SIMS | |
| Sondestråle | Fotoner | Ioner |
| Analysestråle | Elektroner | Ioner |
| Rumlig opløsning* | > 1 μm | 0,1 μm |
| Prøveudtagning dybde | 0,5 – 7,5 nm | <2 nm |
| Grænse for registrering | 0,01 -0,1 atom % | Ppb |
| Kvantificering | Fremragende (semi kvantitativ) | Udfordrende (matrixeffekter) |
| Indhold af oplysninger | Elementært Kemisk binding |
Elementært Molekylær |
| Organisk analyse | Udmærket | Fremragende i statisk tilstand |
| * specificeret af producenten | ||
Tabel 1: Sammenligning af forskellige metoder til overfladeanalyse.
| Metode | Velegnet til | Giver | Fordele | Ulemper | Forsigtighed | Kontrol | Kontrollere |
| Dialyse | Rensning | Fjernelse af stabilisatorer/urenheder | Enkel, lav indsats, intet kompliceret udstyr | Manglende kontrol over processen | Kan forårsage skade på nanopartikler | Tidspunkt | Skader på nanopartikler (SEM) |
| Centrifugering/re-dispersion | Rensning | Fjernelse af stabilisatorer/urenheder | Mere kontrol over processen, samtidig koncentration | Arbejdskrævende, kræver centrifuge | Kan forårsage sammenlægning eller agglomeration | Centrifugerotationshastighed, mængde opløsningsmiddel | Agglomeration/ sammenlægning/ beskadigelse af nanopartikler (SEM) |
| Drop casting (suspension) | Ledende NPs uden følsomme ydre lag | Relativt tykt betrukket plet | Simpelt, intet kompliceret udstyr | Kan give inhomogene tykkelse, tidsintensiv | Affjedringsforberedelse kan beskadige følsomme NP-skaller | Suspensionskoncentration, opløsningsmiddel (substrat vådhed) | Dækning (let mikroskopi/XPS) |
| spin belægning (suspension) | Ledende eller ikke-ledende NPs uden følsomme ydre lag | Tyndt homogent lag eller enkelte partikler | Ensartede indstillinger | Kræver eksperimentel bestemmelse af optimale parametre | Udfiltrer støv/urenheder, kan dækningen være inkonsekvent | Koncentration, spin coating parametre, opløsningsmiddel | Forfiltrering, Dækning, lagtykkelse (SEM/XPS) |
| "stick and go" (pulver) | Uorganisk ledende og ikke-ledende NPS med følsomt ydre lag | Pulverplet på klæbemiddel | Enkel, lav indsats, intet kompliceret udstyr | Uegnet til organiske eller C-holdige NPs, inkonsekvent filmtykkelse | Fare for np frigivelse i instrumenter | Fiksering af NPs på klæbemiddel | Stabilitet under høje vakuumforhold |
| aflejring i hul af stub (pulver) | XPS-analyse; ledende/ikke-ledende organiske eller uorganiske partikler | Let presset nanopartikler prøve | Ingen kontakt med andre materialer | Ingen sikker fiksering af de nationale nationale data; uegnet til ToF-SIMS | Dager af NP frigivelse i instrumenter | Ingen | Vip let til siden for at sikre, at pulveret komprimeres |
| Pressede pellets (pulver) | Ledende og ikke-ledende NPS, polymere NPs | Massiv pellet | Muliggør analyse af polymere NPs som pulver | Kan beskadige eller forurene NP overflade | Materialer skal rengøres grundigt for at undgå overfladeforurening; kan beskadige overfladen | Størrelse, tryk, tid | Stabilitet under høje vakuumforhold |
| Kryofiksering (suspension) | NP suspensioner med følsomme ligand lag; biologiske prøver | Fast eksempel | Bevarer morfologi, indfødt biologisk tilstand og corona, reducerer kaffe ring effekt | Sofistikeret og dyr forberedelse og prøvehåndtering kræver dygtig bruger | høj grad af færdigheder, der kræves til prøvehåndtering og prøveopbevaring | Koncentration, dråbestørrelse, temperatur | Bevarelse af vitrifikation |
Tabel 2: Sammenligning af forskellige prøveforberedelsesmetoder.
Figur 1: Rengøring af si wafers. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: XP-spektre af Si wafer før og efter rengøring. Undersøgelse før (grå) og efter (rød) rengøring, der viser faldet i kulstofmængden fra 13 ved% til 2 ved%. Spektret blev opnået med en Kratos Supra DLD (Manchester, UK) med en monokromatisk Al Kα stråling. Prøverne blev fastgjort med dobbeltklæbende tape på prøveholderen, pass energi var 80 eV, trin bredde 1 eV, dvæle tid 500 ms. Den "hybrid linse mode" blev brugt. X-ray spot størrelse var 300 x 700 μm². En oversvømmelse pistol blev brugt til afgift kompensation. Til kvantitativ analyse blev softwarepakken UNIFit 202050 brugt ved hjælp af spidsområderne for de tilsvarende fotoelektrontoppe korrigeret med Tougaard-baggrund og normaliseret med Scofield-faktorer, uelastiske middelfri veje og transmissionsfunktionen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Effekt af UV/ozonrensning på partikelspredningens homogenitet ved dråbestøbning af PTFE-PMMA-nanopartikler med kerneskal fra vandig suspension. Wafers rengøres med UV / ozon viser et betydeligt fald i kaffe-ringe, samt bedre vedhæftning af partiklerne til overfladen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Behandlingsmuligheder for fjernelse af urenheder (f.eks. stabilisatorer) fra nanopartikler suspensioner SEM-billeder, der viser effekten af dialyse (øverst til højre) og centrifugering og re-dispersion i tredotel (nederst til højre) på 60 nm Au-Ag kerneskal nanopartikler. Nanopartiklerne er tydeligt beskadiget af dialysen, mens centrifugering ikke har nogen synlig indflydelse. Alle skalastænger er 100 nm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Optiske mikroskopbilleder fra drop-casting af 60 nm diameter Au-Ag kerneskal nanopartikler fra vandig suspension på silicium wafers, der viser tilstrækkelig dækning efter 13 dråber. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Spinbelagt nanopartikleraffjedring før (venstre) og efter (højre) filtrering med et 0,45 μm sprøjtefilter. Forbedringen i kvalitet efter filtrering kan tydeligt ses. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: SEM-billeder og XPS-spektre af PMMA-PTFE-kerneskalle nanopartikler spin-cast i forskellige koncentrationer, der viser effekten af substrattoppe (fra utilstrækkelig dækning) på XPS-spektret. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Hovedkomponentanalyse (PCA) scoreplot, der er afledt af ToF-SIMS-spektre af glycerol- og PDMS-belagte Al2O3-TiO2 kerneskal-NPs. A) Skema over NP-strukturen (B) Scores og (C) Loading plots efter ToF-SIMS analyse af drop-cast (dispersion) og "stick-and go" (pulver) forberedelsesmetoder. PC1 repræsenterer toppe, der korrelerer med PDMS-fragmenter. PC2 adskiller prøver med en organisk belægning (prøver fremstillet af pulver) fra Al2O3 toppe tilsyneladende uden overfladebelægning. Spektre blev målt i positiv tilstand på et IONTOF ToF-SIMS IV instrument (ION-TOF GmbH, Münster, Tyskland) i spektrometritilstand (HCBU) med en 25 kV Bi3+ ion stråle med en maksimal dosistæthed på 1012 ioner/cm2. Et synsfelt på 150 x 150 μm blev scannet i savtakket tilstand med 125 x 125 pixels. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: Sektion af ToF-SIMS massespektre af TiO2 NPs. A) fremstillet af pulver med "stick and go"-metoden og (B) efter kryofixing af NP-spredningen. Et ToF-SIMS-instrument (ION-TOF V; Ion-TOF GmbH, Münster, Tyskland) blev brugt til massespektrometrianalyser med en pulserende 30 keV Bi3+ flydende metalionpistol (LMIG, jævnstrøm (dc), 16 nA). Hvert spektrum blev erhvervet ved at scanne ionstrålen over et prøveområde på 500 × 500 μm. Positive sekundære ioner blev erhvervet i masseområdet 0-1,200 Da ved hjælp af 106 Bi3 + pulser. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Der er præsenteret en række metoder til fremstilling af nanopartikler til overfladeanalyse ved hjælp af XPS og ToF-SIMS. Vi har sammenfattet fordele og ulemper ved disse metoder samt mulige fejlkilder og egnethed til forskellige materialer i tabel 2. Som det fremgår af de repræsentative resultater, kan forberedelsen af nanopartikler i høj grad påvirke succesen af den resulterende overfladeanalyse. Derudover er ikke alle metoder egnede til alle partikeltyper på grund af faktorer som signalinterferens med substratet eller monteringsmaterialer, opladningseffekter i ikke-ledende tykke film, nanopartiklernes tilstand som pulver eller suspension, potentiel skade på følsomme ydre lag, ødelæggelse af biologiske strukturer og information om sammenlægning og grænseflader eller sårbarhed af følsomme ultrahøje vakuuminstrumenter for at frigøre nanopartikler.
Da XPS- og ToF-SIMS-målinger i gennemsnit er større end et område i stedet for at måle enkelte partikler, er det kun muligt at opnå reproducerbare resultater fra homogene lag. sammenlægning eller agglomeration af partiklerne på substratet bør derfor undgås. Derudover forårsager for tykke lag af ikke-ledende materialer opladningseffekter under analyse, hvilket kan føre til uønskede genstande i spektret, især delvis opladning, som ikke kan kompenseres med en oversvømmelsespistol. På den anden side viser ufuldstændige film stærke signaler fra substratet eller monteringsmaterialer (f.eks. klæbemidler), som kan forstyrre følsomme toppe fra partikeloverfladen. Filmens ideelle tykkelse er materialeafhængig og bør bestemmes eksperimentelt ved analyse af film af forskellig tykkelse. Især skal prøver, der er fremstillet ved hjælp af spinbelægning, analyseres med SEM for at sikre, at belægningen er fuldstændig.
Arbejde med NP suspensioner præsenterer færre eksponering farer og sikkerhedskrav i forhold til at arbejde med NP pulvere. Drop-casting er en forholdsvis enkel metode med lave udstyrskrav og er særligt velegnet til ledende nanopartikler i suspension, hvor filmtykkelsen ikke er et problem. Mens prøverne let kan tørres under atmosfæriske forhold, tjener vakuumafsikkatoren til at reducere tørretiden for dråberne samt beskytte wafers mod forurening. Viton ringen bruges til at ændre dråbens fordampningsmønstre og derved minimere dannelsen af kafferinge. Fordampningsmønstre kan også påvirkes af at variere substrathydrfilitet ved hjælp af rengøringsprotokoller eller ved anvendelse af alternative belægninger51,52, ved at fordampe i opløsningsmiddelatmosfærer53 eller endda ved opvarmning af substratet54. Spin-belægning anbefales til suspensioner af ikke-ledende nanopartikler i suspension, fordi det er i stand til at generere et homogent partikellag, der er tyndt nok til at undgå opladningseffekter, men stadig tykt nok til at forhindre Si-substratet i at bidrage til XPS- og ToF-SIMS-spektret. For hvert enkelt NP-system og koncentration skal både centrifuge- og spin-coatingparametrene optimeres, men kan derefter meget pålideligt reproduceres selv på forskellige instrumenter. Da det spinbelagte fald altid er midt i waferen, er rotationsradius irrelevant, og enheden "omdrejninger pr. minut" (omdrejninger) kan bruges. Suspensionen kunne alternativt deponeres på wafer efter start af programmet; Dette ville dog kræve forskellige spin-coating parametre og en større mængde affjedring for at opnå en tykkere belægning.
På grund af deres ekstremt lille størrelse kan nanopartikler løsne sig fra substratet og bevæge sig frit inde i ultrahøjt vakuumkammeret, når de påvirkes med en ion- eller røntgenstråle. Dette er et særligt problem for prøver tilberedt med pulver. I nogle tilfælde kan nanopartiklerne trænge ind i de følsomme komponenter i instrumentet, der kræver dyr og tidskrævende vedligeholdelse. På grund af den anvendte accelerationsspænding er faren for at beskadige følsomme dele større med ToF-SIMS end med XPS. Pulveriserede prøver, især dem, der fremstilles ved hjælp af "stick and go"-metoden, bør kontrolleres omhyggeligt for at sikre, at pulverene er fastgjort sikkert nok, især til ToF-SIMS-analyse. Dette kan f.eks. bekræftes ved at holde prøven på hovedet og blæse en gasstrøm (f.eks. N2) hen over den. Før analysen kan prøverne også efterlades natten over i luftslusen eller et andet indledende prøveindføringskammer på instrumentet, hvor et stabilt vakuum kan indikere, at der ikke er løse partikler fra prøven. Nanopartikler fremstillet som pellets kan dog endda sputteres (ved lav acceleration spændinger) uden at beskadige instrumentet; denne metode kan eliminere forurenende stoffer, især kulbrinter, der indføres fra pressen, og kan også muliggøre masseanalyse af partiklerne.
Fremstilling af NP-pulvere i prøveholderens stub gør det muligt at forberede prøver med defineret geometri og en makroskopisk flad overflade. Kritiske punkter er renheden af værktøjet til at trykke på prøven og brugen af et lavt tryk for at undgå ændringer i nanopartiklernes overflade på grund af denne procedure. Det har ulemperne ved at have brug for en relativt høj mængde materiale og potentielle problemer med tab af materiale i højvakuuminstrumenter. Vi anbefaler ikke denne metode til ToF-SIMS-analyse, da partiklerne ikke komprimeres eller sikres på nogen måde.
Med hensyn til NP-materialet er den første overvejelse for prøveforberedelse eliminering eller minimering af interferens mellem NPs og substrater af lignende materiale. For eksempel er Si wafers et uegnet substrat til analyse af SiO2 NPs ved hjælp af XPS og ToF-SIMS, selv med tilstrækkelig prøvedækning. Metalliske eller uorganiske nanopartikler kan let analyseres som pulver på et klæbemiddel (forudsat at de ikke indeholder organiske lag eller belægninger) på grund af manglen på signalinterferens mellem nanopartiklerne og det dobbeltsidede klæbemiddel, en forberedelsesmetode, der ville være uegnet til polymere NPs. Metallic nanopartikler har større fleksibilitet med hensyn til mulig filmtykkelse, der anvendes på grund af manglende opladningseffekter, og kan være drop-cast med relativt lidt udstyr; de vil dog sandsynligvis indeholde store mængder urenheder og stabilisatorer fra deres syntese, som omhyggeligt skal fjernes uden beskadigelse af partiklerne. Polymere nanopartikler kan lettere blive beskadiget af trykning af dør, men kan også lettere holde sammen i pelleten, afhængigt af det anvendte tryk. Pellets eller bløde organiske belægninger på NP overfladen også kan være skade følsomme. Direkte aflejring fra opløsningen har potentiale til at beskadige følsomme belægninger enten gennem suspensionen eller tørringsprocessen, men er fordelagtig til at analysere de nationale test, der allerede er til stede i suspension. Kryofixing er en egnet metode til analyse af kemiske strukturer, overflader eller grænseflader i suspension, som ville blive beskadiget eller ødelagt af forskellige andre prøveforberedelsesteknikker, men kræver en specialiseret kryoequipment til både XPS og ToF-SIMS46'47.
Mens dette papir beskriver flere eksemplariske metoder, der kan bruges til prøveforberedelse, bør metoden i alle tilfælde optimeres og valideres ved hjælp af alternative analysemetoder. En detaljeret oversigt over indflydelsen af forskellige faktorer blev for nylig offentliggjort22. Ud over udvikling og validering af egnede forberedelsesmetoder er dokumentationen af disse trin også af afgørende betydning40. Denne publikation indeholder nogle nemme at håndtere metoder og er en vejledning til at ændre eller udvikle nye metoder i henhold til kravene i den specifikke opgave.
Disclosures
Forfatterne har ingen konkurrerende interesser at afsløre.
Acknowledgments
Dette projekt har modtaget støtte fra EU's Horisont 2020-program (H2020) i henhold til tilskudsaftale nr. 720952 (ACEnano). Forfatterne vil gerne takke Sigrid Benemann for SEM målinger, Markus Schneider for ToF-SIMS målinger og PCA, og Philipp Reichardt for hjælp til optagelserne.
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. How safe are nanomaterials. Science. 350, 388-389 (2015).
- 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. Standardizing nanomaterials. ACS Nano. 10 (11), 9763-9764 (2016).
- 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. Principal component analysis. Analytical Methods. 6 (9), 2812-2831 (2014).
- 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. Principal component analysis. Nature Methods. 14 (7), 641-642 (2017).
- 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).
