Summary
표면 분석을 위한 나노입자를 준비하기 위한 여러 가지 절차가 제시됩니다(낙하 주조, 스핀 코팅, 분말의 증착 및 극저온). 각 방법의 과제, 기회 및 가능한 응용 프로그램, 특히 서로 다른 준비 방법으로 인한 표면 속성의 변화에 대해 설명합니다.
Abstract
나노 입자는 의학, 화장품, 화학 및 고급 물질을 가능하게 할 수있는 잠재력을 포함하여 다른 분야에서 의 잠재력과 응용 으로 인해 최근 몇 년 동안 점점 더 주목받고 있습니다. 나노입자의 물리화학적 특성과 잠재적 부작용을 효과적으로 이해하고 조절하려면 나노입자의 다양한 특성에 대한 검증된 측정 절차를 개발해야 합니다. 나노입자 크기 및 크기 분포를 측정하는 절차는 이미 확립되어 있지만, 나노입자 특성에 대한 표면 화학의 영향은 명확하지 않지만 표면 화학 분석을 위한 표준화된 방법은 아직 시행되지 않았습니다. 특히 표면 분석을 위한 나노입자의 저장 및 제조는 다양한 방법으로부터 분석 결과에 큰 영향을 미치며, 일관된 결과를 얻으려면 샘플 준비가 최적화되고 표준화되어야 한다. 이 기여에서, 우리는 표면 분석을 위한 나노 입자를 준비하기 위한 몇 가지 표준 절차를 자세히 제시합니다. 원칙적으로, 나노입자는 현탁액또는 분말로서 적합한 기판에 증착될 수 있다. 실리콘 (Si) 웨이퍼는 일반적으로 기판으로 사용되지만, 그들의 청소는 공정에 매우 중요합니다. 서스펜션에서 샘플 준비를 위해, 우리는 낙하 주조 및 스핀 코팅을 논의 할 것이다, 여기서 기판의 청결과 서스펜션의 순도뿐만 아니라 그 농도는 준비 방법론의 성공을위한 중요한 역할을한다. 민감한 리간드 쉘 또는 코팅이 있는 나노입자의 경우 분말로 증착하는 것이 더 적합하지만, 이 방법은 시료 고정에 특별한 주의를 필요로 한다.
Introduction
나노 물질은 1 nm와 100 nm 사이의 외부 치수를 갖는 재료로 정의되거나 이 scale1에 내부 또는 표면 구조를 갖는 것으로 정의됩니다. 작은 규모와 그에 상응하는 넓은 표면적(다른 요인 들 중)에서 발생하는 독특한 특성으로 인해 농업, 화학, 자동차 건설, 화장품, 환경, 의학, 인쇄, 에너지 및 섬유를 포함한 다양한 분야에서 사용이 증가하고 있습니다. 이 증가된 사용은 인간과 환경 이 모두 현재까지 알려지지 않은 규모로 독성 특성이 아직 완전히 알려지지 않은 이러한 물질에 노출되고 그 크기가 생물학적 또는 환경 시스템에 대한 촉진적 통합을 가능하게 한다는 것을 의미합니다2.
표면적 및 입자 크기/크기 분포의 기본 특성 후, 표면 화학 및 코팅은 나노 물질의 가장 중요한 특성으로 확인되었다3; 더 작은 입자는 단위 질량당 표면적이 더 높므로 질량에 대한 표면 비율이 높습니다. 실제로, 1 nm 크기의 나노 입자의 경우 원자의 70 % 이상이 모서리 또는 가장자리에서 발견 될 수 있습니다. 이는 원자 규모 표면 형태에 크게 의존하는 화학 요법과 같은 표면 특성에 강하게 영향을 미칩니다4. 나노 물질을 다루는 규정은 물리 화학 적 특성과 이러한 물질의 독성 특성의 신뢰할 수있는 추정에 관한 정확한 데이터가 필요합니다. 나노 물질의 물리적 및 화학적 특성에서 독성 특성을 효율적으로 추정하기 위해 나노 물질 커뮤니티는 신뢰할 수 있고 표준화되고 검증된 분석 절차가 필요합니다. ACEnano5와 같은 프로젝트는 나노 입자의 정확하고 검증 가능한 물리적 데이터를 수집하고 상호 연관시키는 것을 목표로하여 나노 물질의 더 나은 조절 및 특성화를 가능하게 합니다. 표준화된 분석 절차를 향한 이 드라이브는 ACS Nano의 편집자에 의해 지원되었으며, "특성화 방법과 재료의 분석 수준에 동의"를 희망합니다6. 또한 XPS와 ToF-SIMS는 코어 쉘 나노입자7,8의 입자 아키텍처를 해명할 수 있는 새로운 가능성을 제공합니다.
표 1에 비해 X선 광전자 분광법(XPS)과 비행 시간 보조 이온 질량 분광법(ToF-SIMS)은 표면 원자를 조사하는 잘 확립된 방법입니다. XPS에서, 견본은 광전 효과 때문에 전자의 방출을 일으키는 원인이 되는 1과 2 keV 사이 에너지를 가진 엑스레이로 조사됩니다. 이러한 방출된 전자는 동일한 범위에서 운동 에너지를 갖는, 고체내 전자의 결합 에너지와 상관; 이러한 정의된 결합 에너지 및 측정 가능한 강도에서 광전자의 출현은 따라서 조성물의 정량적 분석을 가능하게 한다. 이러한 광전자의 평균 무료 경로는 10 nm 미만이기 때문에 XPS는 정량 분석을위한 표면에 매우 민감한 기술입니다. 더욱이, 고도로 해결된 스펙트럼에서 결합 에너지의 상세한 분석은 이들 전자의 원자 상태의 정량적 측정을 가능하게 한다.
ToF-SIMS에서 표면은 집중이온 빔(primary ions)으로 스퍼터화되며, 이온은 비행 시간 질량 분광계에서 수집 및 분석된 재료(보조 이온)로부터 배출된다. 얻어진 질량/전하 패턴은 원소, 동위원소 또는 분자 조성물의 측정을 허용한다. 이차 이온의 평균 자유 경로로 인해, 이 기술은 또한 표면에 민감하고 1-2 nm의 정보 깊이를 가지고 있지만, 매트릭스 효과로 인해 이차 이온의 이온화 확률 (및 따라서 수율)이 주변 매트릭스에 의해 강하게 영향을받습니다. ToF-SIMS는 정적 또는 동적 모드에서 작동할 수 있습니다. 둘 사이의 차이는 표면에 영향을 미치는 기본 이온 플럭스입니다. 정적 SIMS는 기본 이온 플럭스를 표면의 최대 1%-10%에 영향을 주는 수준(즉, 조각)으로 유지합니다. 표면은 재료의 상단 원자 층의 분석을 허용하는 상대적으로 방해받지 않은 상태로 유지됩니다. 정적 SIMS조차도 표면에 약간의 파괴를 일으키므로 두 메서드의 "비파괴적"으로 간주됩니다.
이러한 표면에 민감한 기법은 나노 물질의 경우 재료 특성에 큰 영향을 미칠 수 있는 의도적 또는 의도하지 않은 코팅을 포함하여 재료의 처음 몇 나노미터를 분석할 수 있습니다. 의도적인 코팅의 예는 광발광 양자 수율을 개선하고 환경 반응성을 감소시키기 위해 양자점에 층을 상한하는 10, 태양 차단제에서 티타니아 나노 입자의 광촉매 활성을 예방하기 위한 알루미나 또는 실리카 코팅, 표면 기능화를 가능하게 하는 생체 경련 및 후속 생물학적 활성11, 진단 약물 전달 용 코팅 및 진단 약물 전달 응용 12 , 및 페로유체 및 코어 쉘 금속 시스템을 위한 자기 입자에 대한 플루오로카본 코팅으로 촉매 특성을 향상시킨다13. 생물학적 시스템에서 산화, 표면 오염 또는 단백질 코로나와 같은 의도하지 않은 코팅은 나노입자 특성에 유사하게 강한 영향을 미치며 실험 적 준비 절차는 나노 물질의 코팅 및 보다 일반적으로 표면 화학이 파괴되거나 변형되지 않도록하는 것이 중요합니다. 또한 나노 입자의 특성을 시상에 있는 것처럼 평가하는 것이 중요하며, 그 특성은 변화에 의해 크게 변경될 수 있기 때문에 2,14,15. 또한, 나노입자 현탁액내의 안정제 의 농도는 나노입자의 분석 및 구조적 무결성에 극적으로 영향을 미칠 수 있다. 안정제의 존재는 분석에서 큰 원치 않는 신호(예를 들어, C, H, O 및 Na)를 초래할 수 있으며, 제거는 나노 입자의 손상 또는 응집을 초래할 수 있다.
크기및 표면적으로 인해 나노 입자의 저장 조건은 저장된 분말 / 현탁액과 준비 된 샘플로 모두 동작에 영향을 미칩니다. 최적 저장 조건, 특히 실온 저장 및 빛에 대한 노출의 효과는 입자의 물리적, 화학적 및/또는 독성 특성을 변화시키는 것으로 나타난 나노 입자의 분해를 유발하는 다양한 연구에서 나타났습니다14,15,16,17,18 . 더 작은 나노 입자는 저장 조건에 따라 산화 / 분해 속도를 가진 큰 입자보다 더 빠르게 산화하는 것으로 나타났습니다15 뿐만 아니라 표면 화학14. 저장 중 나노입자 분해의 효과는 독성을 포함한 물리화학적 특성에 현저히 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 산화 성장은 core15를 희생하여 안쪽으로 진행될 수 있다.
따라서 나노 물질의 신중한 저장 및 준비는 정확한 표면 분석에 필수적이며, 샘플 표면 및 / 또는 측정의 품질에 영향을 미칠 수있는 모든 요인을 신중하게 고려해야합니다. XPS (μm 범위에서) 및 ToF-SIMS (몇 백 nm)의 상대적으로 낮은 공간 해상도로 인해 나노 입자의 작은 하위 집합만 조사 할 수 있음을 주목해야합니다. 이러한 방법은 영역에 걸쳐 평균이며 전자 현미경 검사법과 같은 기술로 가능한 한 단일 입자를 이미지화할 수 있는 능력이 없다. 이러한 이유로, 모든 분석은 기판에서 간섭을 보장하기 위해 연속 층에서 나노 입자의 증착이 필요합니다. 따라서 전자 현미경 검사법과 XPS/ToF-SIMS는 나노 물질 분석을 위한 보완적인 방법으로 함께 사용되는 경우가 많습니다.
표면 화학의 변화 외에도 XPS 및 ToF-SIMS 분석을 위한 나노 입자 샘플 의 준비를위한 주요 과제는 재현성을 높이기 위해 균질성 인 층을 준비하는 것입니다. 간격없는, 스펙트럼에 기판의 기여를 최소화하기 위해; 충전 효과를 피할 수 있을 만큼 얇습니다(비전도성 샘플의 경우); 그리고 안전하게 기판에 고정, 무료 나노 입자 입력 및 초고진공 악기를 손상 방지
나노 입자는 현탁액또는 분말로 기판에 증착될 수 있다. 첫째, 우리는 서스펜션에서 나노 입자를 증착하기위한 다른 방법을 논의 할 것이다. 실리콘 웨이퍼는 서스펜션 증착을 위해 일반적으로 사용되는 기판으로, 상대적으로 저렴하기 때문에 순수하거나 도핑된 실리콘(도핑은 충전 효과를 방지함)으로 구성된 매우 순수한 제품으로 쉽게 사용할 수 있으며, 대부분의 나노 입자의 경우 스펙트럼 피크는 나노 입자에 대한 일반적인 피크와 겹치지 않습니다. 이 마지막 점은 중요합니다. 분석 전에 기판 피크가 나노 입자로부터 예상되는 피크로부터 잘 분리되어 있는지 확인되어야하며, 그렇지 않으면 스펙트럼의 해석이 복잡하거나 불가능하며 나노 입자에 의한 기판의 지속적인 커버리지를 확인할 수 없다. 실리콘 웨이퍼를 사용하기 전에(이 간행물에 설명된) 광범위한 세척 절차(이 간행물에 설명됨)는 (유기적인) 오염 물질을 제거하고 표면 의 wettability를 증가시키는 데 필요합니다. 금필름, 고도로 정렬된 열분해 흑연(HOPG), 또는 인듐 호일과 같은 다른 적합한 기판이 성공적으로 사용되었지만, 그들의 준비에 대한 논의는 이 작품의 범위를 벗어납니다19,20,21,22.
둘째, 우리는 XPS 및 ToF-SIMS 분석을 위한 기판에 나노 입자 분말을 증착하는 방법을 제시하고 각 방법의 장점과 단점을 제시하여 새로운 기술이 그들의 목적을 위해 최적의 준비 방법을 찾을 수 있도록 합니다. 셋째, 응집거, 유기 코로나, 고체/수성 계면23,24 또는 NPs의 생물학적 매체25의 분포와 같은 기능을 보존하기 위한 적합한 제조 방법인 극저온에 대해 논의하고, 일반적으로 액체 질소 냉각 극저온및 분석에서 직접 분석하여 나노입자의 입자를 직접 분석할 수 있습니다. 이 절차는 얼음 결정 형성을 일으키지 않지만 물 결정화 과정으로 인한 손상을 피하고 모든 세포 대사 산물 및 세포막 화합물의 정확한 화학 적 분포를 유지하도록 하는 비정질 얼음을 형성합니다26,27,28 . 이러한 제제 방법은 실제 NP 응집체 또는 이종수의 정확한 화학적 맵을 제시하거나, 정지 시 나노입자에 직접 근접하여 정확한 화학 공간을 시각화하거나, NP 응집체 또는 이종수계 내세포 내 세포 내 구획을 상관관계를 연관시키는 데 특히 관심이 있을 수 있다.
본 작품에 제시된 결과를 통해 도시된 바와 같이, 특정 경우에 가장 적합한 절차는 나노입자의 친성, 안정성, 전도도, 상태(예를 들어, 분말 또는 현탁액) 및 당면 분석 질문(예를 들어, 크기, 벌크 특성 또는 표면 코팅)과 같은 다양한 파라미터에 의존한다. 표면 분석을 위한 NP의 준비뿐만 아니라 장점과 단점의 비교에 사용할 수 있는 다양한 방법이 여기에 제시된다.
Protocol
주의: 나노 입자의 독성 특성은 아직 조사 중입니다. 크기 때문에 본질적으로 비유해 물질로 구성된 경우에도 인간뿐만 아니라 환경에서도 독특한 위험을 초래할 수 있습니다. 나노입자로 작업을 시작하기 전에 적절한 위험 평가를 완료하고 적절한 엔지니어링 제어, 실험실 절차 및 PPE(개인 보호 장비)를 연구할 재료의 위험 수준에 따라 배치해야 합니다29,30,31,32.
1. 시 웨이퍼 준비
참고: 이러한 단계는 원치 않는(유기) 오염을 제거하고 표면 의 wettability를 증가시키는 데 필요합니다. 사용되는 모든 용매는 적어도 ACS 등급이어야 합니다. 표준 초음파 욕조 (35 kH 및 120 와트)가 적합합니다.
- 시 웨이퍼의 젖은 화학 적 세척
- 시 웨이퍼를 이소프로파놀과 함께 비커에 넣고 5분 동안 초음파를 초음파처리합니다.
- Si 웨이퍼를 알칼리 유리 세정 용액을 사용하여 비커로 옮기고 10 분 동안 초음파 처리합니다.
- 웨이퍼를 초순수물로 비커에 넣습니다. 물을 쏟아붓고 비커를 리필하여 물을 10번 변경합니다. 시 웨이퍼는 모세관 효과로 인해 바닥에 남아 있습니다.
- 깨끗한 N2 가스로 웨이퍼를 건조시다.
참고: N2 로 건조하면 "커피 링" 및 기타 유물이 물 건조로 인한 형성을 방지할 수 있습니다. - 웨이퍼를 이소프로파놀로 두 번째 비커에 넣고 10분 동안 초음파를 초음파처리합니다.
- 깨끗한 N2 가스로 웨이퍼를 건조시다.
- 웨이퍼를 에탄올이 있는 비커에 넣고 10분 동안 초음파를 초음파처리합니다.
- 깨끗한 N2 가스로 웨이퍼를 건조시다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
- 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 또는 UV/오존 세척
- 플라즈마 또는 UV/오존 클리너에 Si 웨이퍼를 소개하고 30분 동안 켭을 켭다.
참고: 웨이퍼는 사용 직전에 플라즈마 또는 UV/오존을 세척해야 합니다.
- 플라즈마 또는 UV/오존 클리너에 Si 웨이퍼를 소개하고 30분 동안 켭을 켭다.
2. 서스펜션에서 나노 입자 증착
참고: 나노 입자에 대한 가장 일반적인 노출 경로는 흡입입니다. 서스펜션으로 작업하면 노출 위험을 최소화할 수 있습니다.
- 분말에서 나노 입자 현탁액의 준비
참고: 여기에 설명된 모든 수량은 예입니다. 이 방법은 각 경우에 사용되는 특정 나노 입자에 최적화되어야 합니다.- 정확하게 15 나노 입자 분말의 mg (± 10%)의 무게는 10 mL 튜브에.
- 약 8mL 초순수의 무게를 정확하게 측정합니다.
- 튜브를 닫고 종이 타월로 50mL 원심분리기 튜브에 포장하고 15 분 동안 3,000 rpm의 소용돌이에 놓습니다.
- 수성 현탁액에서 전기 전도성 나노 입자의 낙하 주조
- 웨이퍼를 UV/오존 클리너에 30분 동안 놓습니다.
- 웨이퍼 홀더의 절반에 웨이퍼를 놓고 링 중앙에 나노 입자 서스펜션의 3 μL 방울을 놓습니다.
- 물방울 주위의 웨이퍼에 직경 6.07mm의 비톤 O 링을 장착합니다. 링이 물방울을 만지지 않도록 주의하십시오.
- 웨이퍼를 건조하기 위해 4mbar의 진공 건조기 아래에 웨이퍼를 15분 동안 놓습니다.
- 건조기에서 웨이퍼를 제거하고 가벼운 현미경 검사법과 XPS를 사용하여 검사하여 입자 층이 균일하고 닫혀 있는지 확인합니다. 해석이 닫혀 있고 균일한 층을 보여 질 때까지 2.2.1 및 2.2 단계를 반복합니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
- 수성 현탁액에서 전기적으로 비전도성 나노 입자의 스핀 코팅
- 웨이퍼를 UV/오존 클리너에 30분 동안 놓습니다.
참고: 동일한 프로토콜을 사용하여 다른 농도의 스핀 코팅 현탁액에 의해, 표면 커버리지의 다른 수준을 달성 할 수있다. - 스핀 코터를 프로그래밍합니다. 적합한 샘플 프로그램은 : 단계 1 : 500 rpm / s 경사로에서 1,000 rpm (5 s); 2단계: 1,000rpm/s 경사로에서 2,000rpm(3분)으로 증가했습니다. 3단계: 2,000rpm/s에서 0rpm까지 감속.
- 웨이퍼를 스핀 코트에 삽입하고 진공을 켜고 고정합니다.
- 웨이퍼에 서스펜션의 80 μL을 입금하고 프로그램을 시작합니다.
- 스핀 코터에서 웨이퍼를 제거합니다.
- 샘플을 새롭고 깨끗한 웨이퍼 트레이에 보관합니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
- SEM을 사용하여 샘플을 분석하여 기판의 틈새 커버리지를 확인합니다.
- 웨이퍼를 UV/오존 클리너에 30분 동안 놓습니다.
3. 분말에서 나노 입자 증착
- 양면 접착제 테이프의 나노 입자 증착 ("스틱 및 이동")
- 양면 접착제를 샘플 홀더에 고정하고 라이너를 제거합니다.
- 나노 입자 분말의 주걱 팁을 가지고 접착제에 찍어.
- 접착제 위에 샘플을 퍼뜨리고 가능한 한 많은 분말이 부착될 때까지 주걱으로 접착제로 밀어 넣습니다.
- 분말이 샘플 홀더를 반전하고 두드리고 가스 스트림(예: 질소)을 불어 탭에 고정되어 있는지 확인합니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
참고: 또는 소량의 분말을 세척 된 표면 (알루 호일 또는 유리 슬라이드)에 배치하고 접착제 및 양면 샘플 홀더와 위에서 압착 할 수 있습니다. - 분말의 주걱 끝을 청소 된 표면에 놓습니다. 위의 분말에 접착제로 샘플 홀더를 누릅니다.
- 분말이 샘플 홀더를 반전하고 두드리고 가스 스트림(예: 질소)을 불어 탭에 고정되어 있는지 확인합니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
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압착 분말 펠릿의 준비
- 펠리의 모든 부분을 철저히 청소하여 연마 된 표면을 긁지 않도록주의하십시오.
- 펠릿이 죽고 작은 스페이서에 놓는 것을 반전시다.
- 플런저와 스테인리스 스틸 펠릿 1개를 연마한 측면으로 삽입하고 플런저를 통해 가루 샘플을 채울 수 있는 충분한 공간이 있을 때까지 플런저를 당깁니다.
- 소량의 시료(1개의 큰 주걱 팁)로 다이스를 채운 다음, 샘플을 향한 연마된 면으로 두 번째 스테인레스 스틸 펠릿을 삽입합니다.
- 베이스를 몸에 놓고 조심스럽게 반전하십시오. 진공이 원하고 사용 가능한 경우 진공 펌프를 펠릿 다이의 베이스에 부착하십시오.
- 다이를 언론에 놓고 중앙에 배치합니다.
- 약 20s에 대한 라이트 하중 (2 kN)을 적용하고 해제합니다.
- 2 분 동안 무거운 부하 (6 kN)를 적용하고 해제합니다.
- 하중이 해제된 후 진공 펌프를 놓습니다.
참고: 다양한 나노입자의 상이한 재료 특성으로 인해 최적의 펠릿 압착 조건을 결정하기 위해 하중 및 하중 시간이 다른 일련의 펠릿을 준비하는 것이 유리할 수 있다. - 다이를 반전시키고 추출기 링을 위치에 배치하고 플런저와 추출기 링 사이에 라이트 하중(최대 1kN)을 배치합니다.
- 프레스에서 다이 부품을 제거하고 핀셋으로 샘플 펠릿을 조심스럽게 추출합니다.
- 양면 접착제를 사용하여 세척된 시 웨이퍼에 샘플을 부드럽게 장착합니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
4. 나노 입자 현탁액의 극저온
- 액체 질소와 빠른 동결 장치의 메인 챔버를 채웁니다.
- 냉각된 빠른 동결 챔버를 극저온(프로판)으로 채웁니다.
- 빠른 동결 장치가 작동 온도까지 냉각되도록 합니다.
참고: 빠른 동결 장치는 시료 준비 전에 작동 온도에 도달하는 데 약간의 시간이 필요하므로 샘플을 냉동하는 데 적절한 기간(몇 시간)이 필요합니다. - 피펫이 있는 청소된 시 웨이퍼에 NP 서스펜션10-20 μL을 드롭캐스트합니다.
- 핀셋을 고정한 Si 웨이퍼를 잡고 플런지 동결 장치 내부에 놓습니다.
- 고정 핀셋을 플런지 위치로 이동합니다.
- 버튼을 눌러 극저온 내부에 샘플을 놓습니다.
- 샘플이 완전히 고정될 때까지 몇 초 간 기다립니다.
- 냉동 샘플을 가능한 한 빨리 냉각된 환경으로 옮기습니다.
- 냉동 고시 샘플(Si 웨이퍼)을 샘플 홀더에 넣고 기기 내부로 옮킨다.
참고: 운송의 경우 드라이 아이스를 권장하며 단기 샘플 보관이 가능합니다. 샘플은 냉각 된 계측기를 가진 냉동 상태 또는 시료를 동결 건조하여 안정화 후 기존의 ToF-SIMS 설정으로 측정 할 수 있습니다.
Representative Results
이 논문은 나노 입자의 표면 분석을위한 다양한 샘플 준비 방법을 제시한다. 특정 NP의 물리화학적 특성은 시료 준비(예를 들어, 낙하 주조 대 스핀 코팅)와 그 방법에 대한 최상의 절차(예: 다른 기판 또는 용매필요)를 모두 정의하기 때문에, 사용된 방법의 적합성은 대체 분석 방법을 통해 검증되고 필요한 경우 최적화되어야 한다. 본 간행물에서 본 결과는 견본 준비 및 정화 방법이 적정하고, 성공적이고, 나노 입자를 손상시키지 않는 지 확인하기 위하여 질 검사의 필요뿐만 아니라 견본 준비를 위한 일관된 프로토콜 및 절차의 필요를 보여주는 이전에 간행된 문헌과 일치합니다 22,33,34,35,36.
다양한 참조 14,15,16,17,18,37,38,38,39에 자세히 설명된 바와 같이, NP에 대한 샘플링 및 저장 방법은 여기에서 해결되지 않았습니다. 당연히 분석된 샘플이 전체 나노입자 분포와 적합한 샘플링 방법을 개발하고 검증하는 데 전해져야 합니다. 저장 조건은 또한 수개월 동안 나노 입자 특성에 강하게 영향을 미치는 것으로 나타났으며 따라서 신중하게 고려해야합니다. 예를 들어 나노 입자는 빛으로부터 멀리 떨어진 밀봉 된 용기에 소량저장되어야하며 이상적으로는 4 ° C 이하로 보관하는 것이 좋습니다. 또한 검증된 절차에 따라 스토리지, 샘플링 및 샘플 준비가 일관되게 수행되고 세부 사항으로 문서화되는 것도 중요합니다. 이 문서에는 출처 정보 및 저장소 조건40과 같은 NPs 자체의 메타데이터가 포함되어야 합니다. 전자 랩 노트북(ELN)과 같은 도구는 절차 및 NP 메타데이터의 일관된 문서화뿐만 아니라 FAIR 원칙에 따라 데이터 생산을 가능하게 하는 데 유용할 수 있습니다(찾기 가능, 접근 가능, 상호 운용 가능 및 재사용 가능).
먼저 NPs의 정확하고 정확한 표면 분석은 기판의 적당한 선택이 필요합니다. 우리는 쉽게 사용할 수 있기 때문에 청소 된 시 웨이퍼를 기판으로 사용해 왔으며, 내구성이 뛰어나고 쉽게 청소하고 충분히 평평하게 하지만 분석의 목표에 따라 산화물 표면 층은 나노 입자에 있는 탄화수소와 차별화 될 수 없기 때문에 단점이 될 수 있습니다. 필요한 경우, 시 웨이퍼, Si3N4 웨이퍼 또는 HOPG(고도로 지향되는 열분해 흑연)에 금 또는 폴리머 코팅과 같은 다른 물질을 19,20,21,22로 사용할 수 있다. 이 논문에 기재된 샘플 제제의 첫 번째 단계는 도 1에서 회로도로 도시된 시 웨이퍼를 청소하는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 세척 과정의 효능은 XPS를 포함한 다양한 방법에 의해 검증될 수 있다. 주요 오염 물질 (출현 탄소)은 공기에 저장된 샘플에 대한 전형적인 및 청소 과정 후 크게 감소된다. 또한, UV 또는 오존 처리를 통해 웨이퍼 표면을 하이드록실화하는 것은 웨이트가능성을 향상시키고 선도함으로써 수성 현탁액으로부터의 증착으로부터커피링 효과를 방지하여, 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 나노입자의 보다 균일한 분포로 한다. Si 웨이퍼에 대한 대체 습식 화학 적 세척 방법은 필요에 따라 사용될 수 있습니다. 여기서는 모든 유기 오염 물질 이나 산화물 층의 완전한 제거 보다는 재현적으로 깨끗 한 표면만 필요 합니다. 프로토콜이 세척 및 현탁액 증착 단계 사이에 일시 중지되는 경우 웨이퍼는 플라즈마 또는 UV/오존하에서 다시 처리되어야 하며 15분 이내에 이상적으로 증착된 서스펜션을 처리해야 합니다.
섹션 2.2에 도시된 60nm Au-Ag 코어 쉘 나노입자의 현탁액은 나노입자 현탁액에서 흔히 발생하는 안정제로서 상당한 양의 구연산 나트륨을 함유하고 있다. 이러한 입자와 표면 특성, 특히 XPS를 통해 정확하게 분석하기 위해 나노 입자의 신호를 감쇠시키고 충전 효과를 일으키므로 가능한 한 많은 안정물질을 제거해야합니다. 도 4에서 SEM 현미경으로 도시된 이러한 나노입자에 대한 최적의 정화 방법을 확립하기 위해 초순수수에서 투석되거나 삼중분리기에서 원심분리 및 재분산을 사용하여 정제하였다. 투석은 입자의 응집 및 응집을 일으킬 가능성이 더 높은 부드러운 방법과 원심 분리 및 재분산으로 보이지만, SEM 이미지는 투석 후 Au-Ag 나노 입자의 상당한 변형과 손상을 나타내고(그림 4B), 원심분리/재분산 입자는 여전히 손상되지 않습니다(그림 4C) ). 이것은 금속 나노 입자와 특히 주목할 만한; 우리의 가설은 나노 입자에 대한 신호를 방해하지 않고 용액의 일부 안정화를 가능하게하는 정산 나트륨의 최적 양이 있다는 것입니다, 너무 많은 안정제의 제거는 나노 입자에 손상을 야기. 이전 보고서는 구연산나트륨의 대부분을 제거하기 위한 원심분리 주기의 최적 수가 있음을 보여줍니다. 이 숫자를 초과하면 일부 NP 집계33이 발생합니다. 이 연구에서는 9개의 투석 주기(총 36h)가 유사한 구연산 농도를 얻기 위해 필요하였다. 그러나, 이 방법은 원심분리보다는 집계의 양이 높을 뿐만 아니라 표면 기능화의 감소를 일으키는 원인이 되었다. 이러한 결과는 특히 알 수 없는 샘플의 각 다른 유형의 나노 입자에 대한 준비 절차에서 각 단계를 확인하는 것의 중요성을 보여줍니다.
이 예에 사용되는 60nm Au-Ag 코어 쉘 나노입자는 전기 전도성으로 인해 낙하 주조에 적합하며, 충전 효과는 문제가 되지 않으며 상대적으로 적은 장비를 사용하여 반복된 증착에 의해 두꺼운 반점이 생성될 수 있기 때문이다. 이 두꺼운 층은 더 재현 가능한 측정을 제공하는 장점이 있으며, 더 농축 된 서스펜션에서 주조하면 증착 단계수를 줄임으로써 시간을 절약 할 수 있습니다. 증착은 기판 wettability에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 습윤불량은 전도성 시료에 유리한 두꺼운 나노입자 스팟을 생성할 수 있으며, 좋은 습윤은 보다 균일한 나노입자 층을 생성할 수 있으며, 이는 전도성 및 절연 샘플 모두에 유용할 수 있습니다. 프로토콜에 설명된 바와 같이, 나노입자 서스펜션의 낙하 주조는 일반적으로 전체 커버리지를 가진 두꺼운 층을 얻기 위해 반복된 응용 프로그램이 필요합니다. 이것은 XPS를 사용하여 확인해야 하지만 광학 현미경 검사를 사용하여 빠르고 쉽게 확인할 수 있습니다. 도 5 는 수성 용액으로부터 Au-Ag 코어 쉘 나노입자의 드롭 캐스팅에서 액적 커버리지의 진화를 나타낸다. 이 경우 전체 커버리지를 달성하기 위해 13개의 드롭 캐스팅 단계가 필요합니다. 낙하 주조는 전도성 입자 또는 충전 효과를 적절하게 보상할 수 있는 입자에 특히 적합합니다. 본 간행물에 기재된 다른 방법과 마찬가지로, 다른 NP 재료가 정보 깊이 및 농도 및 필름 두께 제한에 관한 상이한 특성을 가지므로 낙하 주조는 각 샘플에 최적화되어야 한다. 너무 두꺼운 필름을 피하여 유기물을 쌓아 두면 NP 신호를 억제하는 것이 중요합니다.
균일하고 우수한 품질의 코팅은 일관되고 재현 가능한 결과를 보장하는 데 도움이 됩니다. 서스펜션 농도, 용매 및 스핀 코팅 파라미터 외에도 스핀 코팅 현탁액의 품질은 먼지 또는 기타 대형 거시 또는 미세 입자의 존재에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있습니다. 도 6 은 0.45 μm 주사기 필터를 통해 여과 후 나노입자 서스펜션의 스핀 코팅 품질 향상을 나타낸다. 필터는 서스펜션에서 나노 입자를 제거하지 않도록 선택해야합니다. 프로토콜(90, 9.0 및 0.9 mg/mL 의 135nm PS-PTFE 코어-쉘 나노입자)에 기재된 세 가지 다른 서스펜션 농도는 동일한 조건하에서 스핀 캐스팅및 SEM 및 XPS를 사용하여 분석하였다. 도 7 의 상단 이미지와 스펙트럼은 SEM 이미지의 두껍고 틈새다층 커버리지뿐만 아니라 CPS 스펙트럼에 Si 피크의 주목할만한 부재를 보여주는 90 mg / mL 서스펜션에서 필름 캐스트를 보여 주며, 스펙트럼에 기판의 기여도를 나타내지 않는다. 이 샘플은 XPS 또는 ToF-SIMS 분석에 이상적입니다. 또한, 입자의 껍질에서 더 작은 F1s 피크는 기판으로부터 큰 신호가 없는 경우 명확하게 볼 수 있다. 9.0 mg/mL 서스펜션에서 캐스팅된 두 번째 샘플은 표면을 완전히 덮지 않는 작은 단일 층 응집체의 입자를 보여줍니다. 이 샘플은 XPS 또는 ToF-SIMS 분석에 너무 얇고 균일하지 않습니다. 더욱이, 정량분석은 신중한 세척 후에도 기판에 생생탄소의 기여로 인해 손상될 수 있다; 최소한 이러한 효과는 측정의 불확실성 예산에서 고려해야 합니다. 그러나 이 샘플은 입자가 단일 레이어에 존재하고(이미지 내)에 존재하기 때문에 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 입자 크기 분포의 SEM 또는 TEM 분석에 이상적일 수 있으며 통계적으로 유의한 평가를 제공합니다. 가장 낮은 농도(0.9 mg/mL)에서 주조된 샘플은 표면 화학 또는 입자 크기 분포의 분석에 적합하도록 연속 커버리지 또는 충분한 입자 밀도를 제공하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 정량 분석은 기판의 지배적인 영향으로 인해 전혀 가능하지 않다.
PDMS 또는 글리세롤 외부 층을 가진 Al2O3-TiO2 코어 쉘 펜은 민감한 외부 층에 대한 상이한 제제 방법의 효과를 비교하기 위해 현탁액으로부터의 드롭 캐스팅뿐만 아니라 분말로부터 의한 드롭 캐스팅을 통해 제조하였다. 샘플은 ToF-SIMS로 분석되었으며, 여기서 스펙트럼에서 주 성분 분석(PCA)을 사용하여 분석하였다. PCA는 데이터 41,42,43,44,45의 분산을 최대화하는 새로운 상관관계가 없는 변수(주 구성 요소)를 만들어 큰 데이터 세트의 치수를 줄이는 통계 적 기술입니다. 주 성분 그래프에서 다른 샘플 세트를 분리하면 결과를 보다 쉽게 분석하고 그룹화할 수 있습니다. PCA 점수 플롯에서 다른 모든 데이터 세트(즉, 다른 샘플 세트 사이)에 비해 각 데이터 세트의 차별 력을 보여 주며, 분산으로부터 제조된 샘플은 매우 유사한 점수를 나타내며 분말에서 제조된 두 샘플은 매우 다른 점수를 보여줍니다. 그림 8C에 표시된 로딩 플롯은 변수(예: 피크)가 각 주 구성 요소에 가장 많이 기여하는 변수 간의 관계를 나타냅니다. 모든 주 구성 요소는 데이터 집합 간의 관찰된 차이에 대한 기여에 따라 정렬되며, 즉 PCA1은 서로 다른 데이터 세트의 관찰된 분리에 가장 기여합니다. PC1은 PDMS 피크의 존재(PDMS 코팅 된 NP) 또는 부재 (다른 모든 샘플)에 의해 지배되며, PC2는 데이터 세트 내에서 두 번째로 큰 변화를 차지하는 요인은 Al2O3및 NPs의 유기 캡핑을 가능하게합니다. 이는 현탁액으로부터 제조된 NP의 측정스펙트럼이 매우 유사하며, 액수액 자체 또는 건조 공정에서 PDMS 및 글리세롤 층이 제거되거나 손상되었을 수 있음을 시사하며, Al2O3 또는 TiO2로부터의 지배적인 신호와 함께.
압착 펠릿은 초고진공 기기의 취급 용이성 및 안정성(고진공 챔버에서 NP를 단지하지 않고 스퍼터하는 기능 포함)과 같은 분말 시료의 제조에 이점을 제공할 수 있지만, 다른 제조 방법으로 이미 볼 수 있듯이 민감한 나노 입자를 손상시킬 수 있다. 적절한 프로토콜을 준비하고 검증해야 합니다.
NP 분산물의 경우, 드롭 캐스트 샘플 서스펜션의 극저온은 커피 링 효과(NP 서스펜션의 즉각적인 고정 및 건조 효과 제거로 인해)를 방지할 뿐만 아니라 현탁액에 존재하는 더 큰 구조물의 보존을 방지합니다. 또한 접착제 테이프의 적용을 피할 수 있습니다. 이는 차례로 감소된 신호에 반영되며, 이는 도 9에 도시된 바와 같이 각각의 질량 스펙트럼에서 각각의 질량 스펙트럼에서 염, 오염물질 또는 기타 아티팩트에 기인할 수 있다. 극저온의 주요 장점은 나노입자 및/또는 입자 응집체 또는 이성엽산염의 화학적 실체 주위의 화학적 공간을 "있는 것처럼" 보존하는 능력뿐만 아니라 조직 내의 생물학적 특징또는 단일 세포 내의 생물학적 특징에 대한 상관관계 또는 심지어 세포 내 구획에 대한 공동 국소화, 건조, 건조, 같은 단계 처리등의 중단 없이 보존하는 기능입니다. 드롭 캐스팅, 등46'47. 우리는 현재 논문 내에서 극저온 기술의 적용가능성을 입증하고 TiO2 나노 입자에 대한 냉동의 장점을 강조했다. 우리는 극저온이 시료 준비 유물로 인한 화학 물질의 탈구없이 자연 상태로 인한 생물학적 샘플의 분석에 특히 적합하다고 강조합니다. 생물학적 시료에 대한 고정 기술에 대한 보다 심층적인 정보를 위해 독자는 문학19,25,27,48,49라고 합니다.
| XPS | ToF-SIMS | |
| 프로브 빔 | 광자 | 이온 |
| 분석 빔 | 전자 | 이온 |
| 공간 해상도* | > 1 μm | 0.1 μm |
| 샘플링 깊이 | 0.5 – 7.5 nm | <2 nm |
| 탐지 제한 | 0.01 -0.1 원자% | ppb |
| 부량 | 우수(준정량) | 도전 (매트릭스 효과) |
| 정보 콘텐츠 | 원소 화학 결합 |
원소 분자로 된 |
| 유기 분석 | 훌륭한 | 정적 모드에서 우수 |
| * 제조 업체에 의해 지정 | ||
표 1: 표면 분석을 위한 다양한 방법의 비교.
| 메서드 | 적합 | 제공 | 장점 | 단점 | 주의 | 컨트롤 | 검사 |
| 투 석 | 정화 | 안정기/ 불순물의 제거 | 간단하고 낮은 노력, 복잡한 장비 없음 | 프로세스에 대한 제어 부족 | 나노 입자에 손상을 일으킬 수 있습니다. | 시간 | 나노 입자손상(SEM) |
| 원심 분리/재분산 | 정화 | 안정기/ 불순물의 제거 | 공정, 동시 농도에 대한 더 많은 제어 | 노동 집약적, 원심분리기가 필요 | 집계 또는 응집을 일으킬 수 있음 | 원심분리기 회전 속도, 용매의 양 | 나노 입자에 대한 응집/ 응집/ 손상(SEM) |
| 드롭 캐스팅(서스펜션) | 민감한 외부 층이 없는 전도성 NP | 상대적으로 두꺼운 코팅 스팟 | 간단하고 복잡한 장비없음 | 불균일 한 두께를 줄 수 있고, 시간 집약적 | 서스펜션 준비는 민감한 NP 포탄에 손상을 줄 수 있습니다. | 서스펜션 농도, 용매(기판 웨트성) | 커버리지 (가벼운 현미경 검사법 / XPS) |
| 스핀 코팅(서스펜션) | 민감한 외부 층없이 전도성 또는 비 전도성 NP | 얇은 균질층 또는 단일 입자 | 일관된 설정 | 최적의 매개 변수의 실험 적 결정이 필요합니다. | 먼지/불순물을 걸기, 커버리지가 일치하지 않을 수 있습니다. | 농도, 스핀 코팅 파라미터, 용매 | 사전 여과, 커버리지, 레이어 두께(SEM/XPS) |
| "스틱 앤 고" (분말) | 민감한 외부 층을 가진 무기 전도성 및 비 전도성 NPS | 접착제에 분말 자리 | 간단하고 낮은 노력, 복잡한 장비 없음 | 유기 또는 C 함유 NP, 일관되지 않은 필름 두께에 적합하지 않음 | NP가 계측기로 방출될 위험 | 접착제에 대한 NP 고정 | 높은 진공 조건에서안정성 |
| 스텁(분말)의 구멍에 증착 | XPS 분석; 전도성/비전도성 유기 또는 무기 입자 | 가볍게 압착 된 나노 입자 샘플 | 다른 재료와의 접촉 없음 | NPs의 안전한 고정없음; ToF-SIMS에 적합하지 않음 | NP의 다거, 계측기 출시 | 없음 | 파우더를 압축하기 위해 옆으로 가볍게 기울어 |
| 압착 펠릿 (분말) | 전도성 및 비전도성 NPS, 중합체 NPs | 솔리드 펠릿 | 고분자 NP를 분말로 분석할 수 있습니다. | NP 표면을 손상시키거나 오염시킬 수 있음 | 재료는 표면 오염을 방지하기 위해 철저하게 청소해야합니다; 표면이 손상될 수 있음 | 크기, 압력, 시간 | 높은 진공 조건에서안정성 |
| 냉동 고정 (서스펜션) | 민감한 리간드 층을 가진 NP 서스펜션; 생물학적 샘플 | 솔리드 샘플 | 형태, 토착 생물학적 상태 및 코로나 보존, 커피 링 효과를 감소 | 정교하고 비용이 많이 드는 준비 및 샘플 처리, 숙련 된 사용자가 필요합니다. | 샘플 처리 및 샘플 저장에 필요한 높은 수준의 기술 | 농도, 물방울 크기, 온도 | 유리화 의 보존 |
표 2: 다른 샘플 준비 방법의 비교.
그림 1: 시 웨이퍼에 대한 세척 과정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 청소 전후의 시 웨이퍼의 XP 스펙트럼. (회색) 및 세척 후(빨간색) 세척 전을 대상으로 실시한 설문조사에서 탄소배출량이 13%에서 2%로 감소한 것으로 나타났다. 스펙트럼은 단색 알 Kα 방사선을 가진 크라토수프라 DLD (맨체스터, 영국)로 얻어졌다. 샘플은 샘플 홀더에 이중 접착 테이프로 고정되었으며, 패스 에너지는 80 eV, 걸음 너비 1 eV, 500 ms에 거주하였다. "하이브리드 렌즈 모드"가 사용되었습니다. X선 스팟 크기는 300 x 700 μm²였습니다. 홍수 총은 요금 보상에 사용되었다. 정량적 분석을 위해 소프트웨어 패키지 UNIFit 202050 은 Tougaard 배경으로 교정되고 스코필드 인자, 비탄력적 평균 자유 경로 및 전송 기능으로 정규화된 해당 광전자 피크의 피크 영역을 사용하여 사용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 3: 수성 현탁액에서 PTFE-PMMA 코어 쉘 나노 입자의 낙하 주조에서 입자 분산의 균질성에 대한 UV/오존 세척효과. UV/오존으로 세척된 웨이퍼는 커피 링이 현저한 감소뿐만 아니라 표면에 입자의 더 나은 접착력을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 나노입자 현탁액에서 불순물(예: 안정제)을 제거하기 위한 치료 옵션 60 nm Au-Ag 코어 쉘 나노입자에 투석(오른쪽 상단)과 원심분리 및 재분산 효과를 보여주는 SEM 이미지. 나노 입자는 투석에 의해 명확하게 손상되고 원심 분리는 눈에 띄는 영향을 미치지 않습니다. 모든 스케일 바는 100nm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 실리콘 웨이퍼에 수성 현탁액에서 60 nm 직경 의 낙하 주조에서 광학 현미경 이미지, 13 방울 후 충분한 범위를 보여주는 수성 서스펜션에서 Au-Ag 코어 쉘 나노 입자. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 스핀 코팅 나노 입자 현탁액, 0.45 μm 주사기 필터가 있는 전(왼쪽) 및 여과 후(오른쪽) 여과 . 여과 후 품질의 개선을 명확하게 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: PMMA-PTFE 코어 쉘 나노입자의 SEM 이미지와 XPS 스펙트럼은 다양한 농도에서 스핀 캐스트하여 XPS 스펙트럼에 기판 피크(불충분한 커버리지로부터)의 효과를 보여 주었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 글리세롤 및 PDMS 코팅 Al2O3-TiO2 코어 쉘 펜의 ToF-SIMS 스펙트럼에서 파생된 주요 성분 분석(PCA) 점수 플롯. (A) NP 구조의 회로도; (B) 낙하 주조(분산) 및 "스틱 앤 고"(분말) 준비 방법의 ToF-SIMS 분석 후 점수 및 (C) 적재 플롯. PC1은 PDMS 조각과 상관 관계가 있는 피크를 나타냅니다. PC2는 표면 코팅없이 보이는 Al2O3 봉우리에서 유기 코팅 (분말에서 제조 된 샘플)으로 샘플을 분리합니다. 스펙트럼은 1012 이온/cm2의 최대 용량 밀도를 가진 25 kV Bi3+ 이온 빔을 가진 25 kV Bi3+ 이온 빔을 가진 분석 모드(HCBU)에서 IONTOF ToF-SIMS IV 계측기(ION-TOF GmbH, 독일 뮌스터, 독일)에서 양수 모드로 측정하였다. 150 x 150 μm의 시야는 125 x 125 픽셀의 톱니 모드에서 스캔되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: TiO2 NP의 ToF-SIMS 질량 스펙트럼 섹션. (A) NP 분산의 극저온 후 및 (B) "스틱 앤 고" 방법으로 분말로부터 제조하였다. ToF-SIMS 계측기(ION-TOF V; 이온-TOF GmbH, 뮌스터, 독일)은 펄스 30 keV Bi3+ 액체 금속 이온 총(LMIG, 직접 전류(dc), 16 nA)로 질량 분광분석 분석에 사용되었다. 각 스펙트럼은 500 μm의 샘플 영역을 통해 이온 빔을 스캔하여 ×. 양성 이온은 106 Bi3+ 펄스를 사용하여 질량 범위 0-1,200 Da에서 획득되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
XPS 및 ToF-SIMS를 사용하여 표면 분석을 위한 나노 입자의 제조를 위한 여러 가지 방법이 제시되었습니다. 우리는 표 2에서 이러한 방법의 장점과 단점뿐만 아니라 다른 재료에 대한 오류 및 적합성의 가능한 소스를 요약했습니다. 대표적인 결과에 나타난 바와 같이, 나노입자의 제조는 결과 표면 분석의 성공에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한, 모든 방법은 기판 또는 장착 재료와의 신호 간섭, 비전도 두꺼운 필름의 충전 효과, 분말 또는 현탁액으로서의 나노입자 상태, 민감한 외부 층의 잠재적 손상, 생물학적 구조의 파괴 및 응집 및 인터페이스에 대한 정보, 또는 민감한 초고진공 기기의 취약성 과 같은 요인으로 인해 모든 입자 유형에 적합한 것은 아니다.
XPS 및 ToF-SIMS 측정은 단일 입자를 측정하는 대신 영역 에서 평균으로 측정하기 때문에 균일한 층에서 재현 가능한 결과를 얻을 수 있습니다. 따라서 기판에 있는 입자의 응집 또는 응집은 피해야 한다. 또한, 비전도성 재료의 너무 두꺼운 층은 분석 중에 충전 효과를 일으키며, 이는 스펙트럼에서 원치 않는 유물, 특히 홍수 총으로 보상 할 수없는 부분 충전으로 이어질 수 있습니다. 한편, 불완전한 필름은 입자 표면에서 민감한 피크를 방해할 수 있는 기판 또는 장착 재료(예: 접착제)로부터 강한 신호를 보여줍니다. 필름의 이상적인 두께는 재료에 따라 다르며 다양한 두께의 필름을 분석하여 실험적으로 결정되어야 합니다. 특히, 스핀 코팅을 사용하여 제조된 시료는 코팅의 완전성을 보장하기 위해 SEM으로 분석되어야 한다.
NP 서스펜션을 사용하면 NP 분말 작업에 비해 노출 위험 및 안전 요구 사항이 줄어듭니다. 드롭 주조는 장비 요구 사항이 낮은 비교적 간단한 방법이며 필름 두께가 문제가되지 않는 서스펜션의 전도성 나노 입자에 특히 적합합니다. 시료는 대기 조건에서 쉽게 건조될 수 있지만, 진공 건조기는 물방울의 건조 시간을 줄이고 웨이퍼를 오염으로부터 보호하는 역할을 합니다. Viton 링은 액적의 증발 패턴을 수정하여 커피 링의 형성을 최소화하는 데 사용됩니다. 증발 패턴은 또한 세정 프로토콜을 사용하거나 대체 코팅의 적용에 의해 기판 소수성 을 변화시킴으로써 영향을 받을 수 있습니다51,52, 용매 대기에서 증발하여53, 또는 기판을 가열하여54. 스핀 코팅은 충전 효과를 피할 수있을만큼 얇지만 여전히 Si 기판이 XPS 및 ToF-SIMS 스펙트럼에 기여하는 것을 방지 할 만큼 두꺼운 균일 한 입자 층을 생성 할 수 있기 때문에 서스펜션의 비 전도성 나노 입자의 현탁액에 권장됩니다. 각 개별 NP 시스템과 농도에 대해 원심분리기와 스핀 코팅 파라미터를 모두 최적화해야 하지만 다른 기기에서도 매우 안정적으로 재현할 수 있습니다. 스핀 코팅 드롭은 항상 웨이퍼 의 중간에 있기 때문에 회전 반경은 무관하며 단위 "분당 회전"(rpm)을 사용할 수 있습니다. 서스펜션은 프로그램을 시작한 후 웨이퍼에 입금될 수 있습니다. 그러나, 이것은 두꺼운 코팅을 얻기 위하여 다른 스핀 코팅 파라미터 및 더 많은 양의 현탁액을 요구할 것입니다.
크기가 매우 작기 때문에 나노 입자는 기판에서 분리되어 이온 또는 X 선 빔으로 영향을 받을 때 초고진공 챔버 내부로 자유롭게 이동할 수 있습니다. 이것은 분말로 제조 된 샘플에 대한 특별한 문제입니다. 경우에 따라 나노 입자는 고가의 시간이 많이 소요되는 유지 보수가 필요한 기기의 민감한 구성 요소에 침투할 수 있습니다. 적용된 가속 전압으로 인해 XPS보다 ToF-SIMS로 민감한 부품의 손상 위험이 더 큽니다. 분말 샘플, 특히 "스틱 앤 고" 방법을 사용하여 준비된 샘플은 특히 ToF-SIMS 분석을 위해 분말이 충분히 안전하게 고정되도록 주의 깊게 검사해야 합니다. 예를 들어, 샘플을 거꾸로 잡고 가스 스트림(예: N2)을 불어 서 확인할 수 있습니다. 분석 하기 전에, 샘플은 또한 공기 자물쇠 또는 다른 초기 샘플 엔트리 챔버에서 하룻밤 남아 있을 수 있습니다., 어디 안정적인 진공 샘플에서 느슨한 입자가 없는 나타낼 수 있는 악기. 그러나 펠릿으로 제조된 나노입자는 기기를 손상시키지 않고(저가속 전압에서) 스퍼터화될 수도 있습니다. 이 방법은 프레스에서 도입된 오염물질, 특히 탄화수소를 제거할 수 있으며 입자의 대량 분석을 가능하게 할 수도 있다.
샘플 홀더 스텁에서 NP 분말을 준비하면 정의된 형상및 거시적으로 평평한 표면을 가진 시료를 준비할 수 있습니다. 임계점은 시료를 누르기 위한 도구의 청결과 이 절차로 인해 나노입자 표면의 변화를 피하기 위해 저압을 사용하는 것입니다. 그것은 재료의 상대적으로 높은 양을 필요로하는 단점이, 높은 진공 기기에서 재료의 손실에 잠재적 인 문제가 있다. 파티클이 어떤 식으로든 압축되거나 고정되지 않기 때문에 ToF-SIMS 분석을 위한 이 방법은 권장하지 않습니다.
NP 재료에 관해서는, 샘플 준비를 위한 첫번째 고려사항은 유사한 물질의 NP와 기판 사이 간섭의 제거 또는 최소화입니다; 예를 들어, Si 웨이퍼는 충분한 샘플 커버리지를 하더라도 XPS 및 ToF-SIMS를 사용하여 SiO2 NPs를 분석하기에 적합하지 않은 기판입니다. 금속 또는 무기 나노 입자는 나노 입자와 양면 접착제 사이의 신호 간섭의 부족으로 인해 접착제 (유기 층이나 코팅을 포함하지 않는다고 가정)에 분말로 쉽게 분석 할 수 있으며, 중합체 NP에 적합하지 않은 준비 방법은 중합체 NP에 적합하지 않을 수 있습니다. 그리고 상대적으로 작은 장비와 드롭 캐스트 될 수있다; 그러나, 그(것)들은 입자에 손상 없이 주의 깊게 제거되어야 하는 그들의 합성에서 불순물 및 안정제의 다량 포함될 확률이 높습니다. 중합체 나노 입자는 다이 프레스에 의해 더 쉽게 손상될 수 있지만 사용되는 압력에 따라 펠릿에서 더 쉽게 함께 보유 할 수 있습니다. NP 표면의 펠릿 또는 부드러운 유기 코팅도 손상에 민감할 수 있습니다. 용액으로부터의 직접 증착은 현탁액이나 건조 공정을 통해 민감한 코팅을 손상시킬 수 있지만 이미 현탁액에 존재하는 NP를 분석하는 데 유리하다. 극저온은 다양한 다른 샘플 준비 기술에 의해 손상되거나 파괴될 수 있는 서스펜션의 화학 구조물, 표면 또는 인터페이스의 분석에 적합한 방법이지만 XPS및 ToF-SIMS46'47 모두에 특수 냉동 장비가 필요합니다.
이 문서에서는 샘플 준비에 사용할 수 있는 몇 가지 예시적인 방법을 설명하지만, 모든 경우에 메서드를 다른 분석 방법을 사용하여 최적화하고 유효성을 검사해야 합니다. 다른 요인의 영향에 대한 자세한 개요는 최근에 게시되었습니다222. 적절한 준비 방법의 개발 및 검증 외에도 이러한 단계의 문서화도 가장 중요합니다40. 이 게시는 다루기 쉬운 몇 가지 방법을 제공하며 특정 작업의 요구 사항에 따라 새 메서드를 수정하거나 개발하는 가이드입니다.
Disclosures
저자는 공개 할 경쟁 이익이 없습니다.
Acknowledgments
이 프로젝트는 보조금 계약 번호 720952 (ACEnano)에 따라 유럽 연합 호라이즌 2020 프로그램 (H2020)에서 자금을 받았다. 저자는 SEM 측정시 그리드 베네만, ToF-SIMS 측정 및 PCA를 위한 마르쿠스 슈나이더, 필립 라이하르트에게 촬영을 지원해 준 것에 대해 감사드립니다.
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 |
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