Summary
En rekke forskjellige prosedyrer for å forberede nanopartikler for overflateanalyse presenteres (dråpestøping, spinnbelegg, avsetning fra pulver og kryofiksering). Vi diskuterer utfordringer, muligheter og mulige anvendelser av hver metode, spesielt når det gjelder endringene i overflateegenskapene forårsaket av de ulike forberedelsesmetodene.
Abstract
Nanopartikler har fått økende oppmerksomhet de siste årene på grunn av deres potensial og anvendelse på forskjellige felt, inkludert medisin, kosmetikk, kjemi og deres potensial til å muliggjøre avanserte materialer. For å effektivt forstå og regulere de fysisk-kjemiske egenskapene og potensielle bivirkninger av nanopartikler, må validerte måleprosedyrer for de ulike egenskapene til nanopartikler utvikles. Mens prosedyrer for måling av nanopartikkelstørrelse og størrelsesfordeling allerede er etablert, er standardiserte metoder for analyse av overflatekjemien ennå ikke på plass, selv om påvirkningen av overflatekjemien på nanopartikkelegenskaper er ubestridt. Spesielt påvirker lagring og tilberedning av nanopartikler for overflateanalyse de analytiske resultatene fra ulike metoder, og for å oppnå konsistente resultater må prøvepreparering både optimaliseres og standardiseres. I dette bidraget presenterer vi i detalj noen standardprosedyrer for å forberede nanopartikler for overflateanalyse. I prinsippet kan nanopartikler deponeres på et passende substrat fra suspensjon eller som pulver. Silisium (Si) wafers brukes ofte som substrat, men rengjøringen er kritisk for prosessen. For prøvepreparering fra suspensjon vil vi diskutere drop-casting og spin-coating, hvor ikke bare rensligheten av substratet og renheten av suspensjonen, men også konsentrasjonen spiller viktige roller for suksessen til forberedelsesmetoden. For nanopartikler med følsomme ligandskall eller belegg er avsetning som pulver mer egnet, selv om denne metoden krever spesiell forsiktighet for å fikse prøven.
Introduction
Nanomaterialer er definert som materialer som har en ekstern dimensjon mellom 1 nm og 100 nm eller har en intern eller overflatestruktur på denne skalaen1. På grunn av de unike egenskapene som oppstår fra deres lille skala og tilsvarende store overflateareal (blant annet), finner de økende bruk på et bredt spekter av felt, inkludert landbruk, kjemi, bilkonstruksjon, kosmetikk, miljø, medisin, utskrift, energi og tekstiler. Denne økte bruken betyr at både mennesker og miljø vil bli utsatt, i hittil ukjent skala, for disse materialene hvis toksikologiske egenskaper ennå ikke er fullt kjent, og hvis størrelse muliggjør deres facile integrasjon i biologiske eller miljømessige systemer2.
Etter de grunnleggende egenskapene til overflateareal og partikkelstørrelse / størrelsesfordeling ble overflatekjemi og belegg identifisert som den mest avgjørende egenskapen til nanomaterialer3; mindre partikler har et høyere overflateareal per enhetsmasse, og derfor et høyere forhold mellom overflate og bulkatomer. Faktisk, for nanopartikler av 1 nm størrelse, kan over 70% av atomer bli funnet i hjørner eller kanter; Dette påvirker sterkt overflateegenskaper som chemisorpsjon som er svært avhengig av atomskala overflatemorfologi4. Forskrifter som omhandler nanomaterialer krever nøyaktige data om fysisk-kjemiske egenskaper og pålitelige estimater av de toksikologiske egenskapene til disse materialene. For å effektivt estimere toksikologiske egenskaper fra fysiske og kjemiske egenskaper til nanomaterialer, krever nanomaterialer samfunnet pålitelige, standardiserte og verifiserte analytiske prosedyrer. Prosjekter som ACEnano5 tar sikte på å samle inn og korrelere nøyaktige og verifiserbare fysiske data fra nanopartikler i et rammeverk som gir bedre regulering og karakterisering av nanomaterialer. Dette pådrivet mot standardiserte analytiske prosedyrer har også blitt støttet av redaktørene av ACS Nano, som ønsker "å konsolidere og bli enige om metoder for karakterisering og minimumsnivåer av analyse av materialer6". Videre tilbyr XPS og ToF-SIMS nye muligheter for å belyse partikkelarkitekturen til nanopartikler i kjerneskallet7,8.
Røntgen fotoelektronspektroskopi (XPS) og Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), sammenlignet i tabell 1, er veletablerte metoder for undersøkelse av overflateatomer. I XPS bestråles prøven med røntgenstråler som har en energi mellom 1 og 2 keV, noe som forårsaker utslipp av elektroner på grunn av den fotoelektriske effekten. Disse avgitte elektronene, som har en kinetisk energi i samme område, korrelerer med bindingsenergien til elektronene i faststoffet; Utseendet til fotoelektroner ved disse definerte bindende energiene og målbare intensitetene tillater derfor kvantitativ analyse av sammensetningen. Siden gjennomsnittsfribanen til disse fotoelektronene er under 10 nm, er XPS en svært overflatesensitiv teknikk for kvantitativ analyse. Videre muliggjør detaljert analyse av bindingsenergiene i svært løst spektra den kvantitative bestemmelsen av valenstilstandene til disse elektronene.
I ToF-SIMS er overflaten sputtered med en fokusert ionstråle (primære ioner), med ionene kastet ut av materialet (sekundære ioner) samlet og analysert i et massespektrometer. Det oppnådde masse-/lademønsteret gjør det mulig å bestemme elementær, isotopisk eller molekylær sammensetning. På grunn av den gjennomsnittlige frie banen til sekundærionene, er denne teknikken også svært overflatefølsom og har en informasjonsdybde på 1-2 nm, men er i beste fall semi-kvantitativ, på grunn av matriseeffekten der ioniseringssannsynligheten (og derfor utbyttet) av sekundære ioner er sterkt påvirket av deres omkringliggende matrise. ToF-SIMS kan betjenes i enten statisk eller dynamisk modus; forskjellen mellom de to er den primære ionfluksen som påvirker overflaten. Statiske SIMMER holder den primære ionstrømmen til et nivå som påvirker (dvs. fragmenter) maksimalt 1%-10% av overflaten; overflaten forblir relativt uforstyrret, noe som gjør det mulig å analysere de øverste atomlagene av materiale. Siden selv statiske SIMMER forårsaker noe ødeleggelse på overflaten, anses det å være mindre "ikke-destruktivt" av de to metodene.
Disse overflatefølsomme teknikkene tillater analyse av de første nanometerene i materialet, inkludert forsettlige eller utilsiktede belegg, som for nanomaterialer kan påvirke materialegenskapene betydelig. Eksempler på forsettlige belegg er capping lag på kvanteprikker for å forbedre fotoluminescens kvanteutbytter og redusere miljømessig reaktivitet9, alumina eller silika belegg for forebygging av fotokatalytisk aktivitet av titania nanopartikler i solblokkere10, overflatefunksjonalisering for å muliggjøre biokonjugering og påfølgende biologisk aktivitet11, belegg for diagnostiske og narkotika levering applikasjoner12 , og fluorkarbonbelegg på magnetiske partikler for ferrofluider og kjerneskall metalliske systemer for å forbedre katalysatoregenskapene13. Utilsiktede belegg, som oksidasjon, overflateforurensning eller protein koronaer i biologiske systemer har en tilsvarende sterk innflytelse på nanopartikkelegenskaper, og det er avgjørende at eksperimentelle forberedelsesprosedyrer sikrer at belegget og mer generelt overflatekjemien til nanomaterialet ikke blir ødelagt eller forvandlet. Det er også avgjørende å evaluere egenskapene til nanopartiklene som de er in-situ, da deres egenskaper kan endres drastisk av endringen2,14,15. I tillegg kan konsentrasjonen av stabilisatorer i nanopartikkelfjæringen dramatisk påvirke nanopartiklenes analyse og strukturelle integritet; Tilstedeværelsen av en stabilisator kan resultere i store uønskede signaler (for eksempel C, H, O og Na) i analysen, mens fjerningen kan føre til skade eller agglomerering av nanopartiklene.
På grunn av deres størrelse og overflateareal påvirker lagringsforholdene til nanopartikler også deres oppførsel, både som lagrede pulver / suspensjoner og som forberedte prøver. Effekten av suboptimale lagringsforhold, spesielt lagring av romtemperatur og eksponering for lys, har vist seg i ulike studier for å forårsake nedbrytning av nanopartiklene som har vist seg å endre partiklenes fysiske, kjemiske og/eller toksikologiske egenskaper14,15,16,17,18 . Mindre nanopartikler har vist seg å oksidere raskere enn større med oksidasjons-/nedbrytningshastigheter avhengig av lagringsforhold15 samt overflatekjemi14. Effekten av nanopartikkelforringelsen under lagring har vist seg å påvirke fysisk-kjemiske egenskaper betydelig, inkludert toksisitet14, mens den oksidative veksten kan fortsette innover på bekostning av core15.
Forsiktig lagring og tilberedning av nanomaterialer er derfor avgjørende for en nøyaktig overflateanalyse, og eventuelle faktorer som kan påvirke prøveoverflaten og/eller kvaliteten på målingene bør vurderes nøye. Det skal bemerkes at på grunn av den relativt lave romlige oppløsningen til XPS (i μm-serien) og ToF-SIMS (noen få hundre nm), kan bare en liten undergruppe av nanopartiklene undersøkes; disse metodene er gjennomsnittlige over et område og har ikke evnen til å bilde enkeltpartikler som mulig med teknikker som elektronmikroskopi. Av denne grunn krever enhver analyse avsetning av nanopartiklene i et kontinuerlig lag for å sikre ingen forstyrrelser fra substratet. Elektronmikroskopi og XPS/ToF-SIMS brukes derfor ofte sammen som komplementære metoder for nanomaterialeanalyse.
Bortsett fra endringer i overflatekjemi, er hovedutfordringene for fremstilling av nanopartikkelprøver for XPS- og ToF-SIMS-analyse å forberede et lag som er: homogent, for å øke reproduserbarheten; gapløs, for å minimere substratets bidrag til spektraet; tynn nok til å unngå ladeeffekter (for ikke-ledende prøver); og sikkert festet til substratet, for å unngå at frie nanopartikler kommer inn og skader ultrahøye vakuuminstrumenter
Nanopartikler kan deponeres på substratet fra suspensjon eller som pulver. For det første vil vi diskutere de forskjellige metodene for deponering av nanopartikler fra suspensjon. Silisiumskiver er et vanlig brukt substrat for suspensjonsavsetning, fordi de er relativt billige, lett tilgjengelige som et svært rent produkt som består av ren eller dopet silisium (doping unngår ladeeffekter), og for de fleste nanopartikler overlapper ikke spektraltoppene med topper som er typiske for nanopartikler. Dette siste punktet er viktig; Før analyse bør det sikres at substrattoppene er godt skilt fra toppene som forventes fra nanopartiklene, ellers er tolkning av spektra komplisert eller umulig, og den kontinuerlige dekningen av substratet av nanopartiklene kan ikke verifiseres. Før du bruker silisiumskiver, er det nødvendig med en omfattende rengjøringsprosedyre (beskrevet i denne publikasjonen) for å fjerne (organiske) forurensninger og øke overflatens fuktbarhet. Andre egnede substrater som gullfilmer, høyt bestilt pyrolytisk grafitt (HOPG) eller indiumfolier har blitt brukt, men en diskusjon om deres forberedelse er utenfor omfanget av dette arbeidet19,20,21,22.
For det andre presenterer vi metoder for å deponere nanopartikkelpulver på et substrat for XPS- og ToF-SIMS-analyse og presentere fordelene og ulempene ved hver metode, slik at forskere kan finne den optimale forberedelsesmetoden for deres formål. For det tredje diskuterer vi kryofiksering, som er en passende forberedelsesmetode for å bevare funksjoner som agglomerasjonsatferd, organisk korona, fast / vandig grensesnitt23,24 eller distribusjon i biologiske medier25 av NPs. Kryofixation, vanligvis rask frysing av materiale i et flytende nitrogenkjølt kryogen og analyse i frossen-hydrert tilstand, tillater analyse og visualisering av nanopartikler direkte i komplekse matriser. Denne prosedyren forårsaker ikke iskrystalldannelse, men danner amorf is som holder membraner og cellulære og vevsstrukturer i sin opprinnelige biologiske tilstand, unngår skade forårsaket av vannkrystalliseringsprosesser og gjør det mulig å opprettholde den nøyaktige kjemiske fordelingen av alle cellemetabolitter og cellemembranforbindelser. . Denne forberedelsesmetoden kan være spesielt interessant for å presentere et nøyaktig kjemisk kart over det faktiske NP-agglomeratet eller heteroagglomeratet, visualisere det nøyaktige kjemiske rommet i nærheten av nanopartikkelen direkte i suspensjon, eller korrelere enten cellevevsspesifikke egenskaper eller intracellulære rom i NP-agglomerater eller heteroagglomerater.
Som vist gjennom resultatene som presenteres i dette arbeidet, er den mest passende prosedyren i et bestemt tilfelle avhengig av en rekke parametere som nanopartiklenes hydrofilisitet, stabilitet, ledningsevne, tilstand (f.eks. pulver eller suspensjon) og det analytiske spørsmålet for hånden (f.eks. størrelse, bulkegenskaper eller overflatebelegg). Her presenteres en rekke metoder som kan brukes til utarbeidelse av NPs til overflateanalyse, samt en sammenligning av deres fordeler og ulemper.
Protocol
FORSIKTIG: De toksikologiske egenskapene til nanopartikler er fortsatt under etterforskning; På grunn av deres størrelse kan de presentere unike farer hos mennesker så vel som i miljøet, selv når de består av iboende ikke-farlige materialer. Før du utfører arbeid med nanopartikler, bør en riktig risikovurdering fullføres, og passende tekniske kontroller, laboratorieprosedyrer og personlig verneutstyr (personlig verneutstyr) på plass, avhengig av farenivået til materialene som skal studeres29,30,31,32.
1. Forberedelse av Si wafers
MERK: Disse trinnene er nødvendige for å fjerne uønsket (organisk) forurensning og øke overflatens fuktbarhet. Alle løsemidler som brukes skal være av minst ACS-grad. Et standard sonikeringsbad (35 kH og 120 watt) er egnet.
- Våt kjemisk rengjøring av Si wafers
- Sett Si wafer i et beger med isopropanol og ultralyd i 5 min.
- Overfør Si wafer til et beger med en alkali glassrengjøringsløsning og ultralyd i 10 min.
- Sett skiven i et beger med ultrarent vann. Bytt vannet 10 ganger ved å helle ut vannet og fylle på begeret; Si wafers vil forbli på bunnen på grunn av kapillæreffekten.
- Tørk skiven med ren N2-gass .
MERK: Tørking med N2 forhindrer dannelse av "kafferinger" og andre gjenstander fra vanntørking. - Sett waferen i et annet beger med isopropanol og ultralyd i 10 min.
- Tørk skiven med ren N2-gass .
- Sett skiven i et beger med etanol og ultralyd i 10 min.
- Tørk skiven med ren N2-gass . Protokollen kan settes på pause her.
- Plasma- eller UV/ozonrengjøring av silisiumskiver
- Introduser Si-skiven i plasma eller UV/ozonrenseren og slå den på i 30 minutter.
MERK: Skivene skal plasma- eller UV/ozonrenses umiddelbart før bruk.
- Introduser Si-skiven i plasma eller UV/ozonrenseren og slå den på i 30 minutter.
2. Nanopartikkelavsetning fra suspensjon
MERK: Den vanligste eksponeringsruten for nanopartikler er ved innånding. Arbeid med suspensjoner kan minimere eksponeringsfarer.
- Fremstilling av nanopartikkelfjæring fra pulver
MERK: Alle mengder som er beskrevet her, er eksempler. Metoden bør optimaliseres for de spesielle nanopartiklene som brukes i hvert tilfelle.- Vei nøyaktig 15 mg nanopartikkelpulver (± 10%) inn i et 10 ml rør.
- Vei nøyaktig inn ca. 8 ml ultrarent vann.
- Lukk røret, pakk i et 50 ml sentrifugerør med papirhåndkle og plasser i virvelen ved 3000 o/min i 15 minutter.
- Drop-casting av elektrisk ledende nanopartikler fra vandig suspensjon
- Plasser skiven i UV/ozonrenseren i 30 min.
- Plasser skiven i den ene halvdelen av waferholderen og legg en 3 μL dråpe nanopartikkelfjæring i midten av ringen.
- Monter en Viton O-ring med diameter på 6,07 mm på skiven rundt dråpen. Pass på at ringen ikke berører dråpen.
- Legg skiven i en vakuumdesiccator under et vakuum på 4 mbar i 15 minutter for å tørke skiven.
- Fjern skiven fra tørkeren og undersøk ved hjelp av lysmikroskopi og XPS for å fastslå at partikkellaget er homogent og lukket. Gjenta trinn 2.2.1 og 2.2.2 til analysen viser et lukket og homogent lag. Protokollen kan settes på pause her.
- Spin-belegg av elektrisk ikke-ledende nanopartikler fra vandig suspensjon
- Plasser skiven i UV/ozonrenseren i 30 min.
MERK: Ved spin-belegg suspensjoner av forskjellige konsentrasjoner ved hjelp av samme protokoll, kan ulike nivåer av overflatedekning oppnås. - Programmer spin-coateren. Et passende prøveprogram er: trinn 1: 500 rpm / s rampe til 1000 rpm (5 s); trinn 2: 1000 rpm / s rampe til 2000 rpm (3 min); trinn 3: retardasjon ved 2000 o/s til 0 o/min.
- Sett skiven inn i spin-coateren og slå på vakuumet for fiksering.
- Deponer 80 μL av suspensjonen på skiven og start programmet.
- Fjern skiven fra spin-coateren.
- Oppbevar prøven i et nytt, rent wafertray. Protokollen kan settes på pause her.
- Analyser prøven ved hjelp av SEM for å bekrefte gapløs dekning av substratet.
- Plasser skiven i UV/ozonrenseren i 30 min.
3. Nanopartikkelavsetning fra pulver
- Nanopartikkelavsetning på dobbeltsidig tape («stick and go»)
- Fest det dobbeltsidige limet til prøveholderen og fjern innerstøvelen.
- Ta en spatelspiss av nanopartikkelpulveret og dypp det på limet.
- Spred prøven over limet og trykk inn i limet med spatelen, til så mye av pulveret er festet som mulig.
- Kontroller at pulveret er festet på springen ved å snu og tappe prøveholderen, og ved å blåse en strøm av gass (f.eks. nitrogen) over den. Protokollen kan settes på pause her.
MERK: Alternativt kan en liten mengde pulver plasseres på en rengjort overflate (Alu folie eller glasssklie) og trykkes ovenfra med den selvklebende og dobbeltsidige prøveholderen. - Legg en slikkespiss av pulveret på den rensede overflaten. Trykk prøveholderen med limet på pulveret ovenfra.
- Kontroller at pulveret er festet på springen ved å snu og tappe prøveholderen, og ved å blåse en strøm av gass (f.eks. nitrogen) over den. Protokollen kan settes på pause her.
-
Fremstilling av pressede pulverpellets
- Rengjør alle deler av pelletsen grundig, pass på at du ikke riper på den polerte overflaten.
- Snu pelletsen die og hvile på en liten spacer.
- Sett stempelet og en pellets i rustfritt stål, med polert side opp, og trekk stempelet gjennom til det er nok plass til å fylle med den pulveriserte prøven.
- Fyll matrisen med en liten mengde prøve (1 stor spatelspiss), og sett deretter inn den andre pelletsen i rustfritt stål med den polerte siden vendt mot prøven.
- Plasser basen på kroppen og inverter forsiktig. Hvis et vakuum er ønsket og tilgjengelig, fest vakuumpumpen til bunnen av pelletsdøden.
- Plasser terningen i en presse, og sørg for at den er sentrert.
- Påfør en lett belastning (2 kN) i ca. 20 s og slipp.
- Påfør en tyngre belastning (6 kN) i 2 min og slipp.
- Når lasten er sluppet, slipper du vakuumpumpen.
MERK: På grunn av de forskjellige materialegenskapene til ulike nanopartikler, kan det være fordelaktig å forberede en serie pellets med forskjellige belastninger og lastetider for å bestemme de optimale pelletspresseforholdene. - Snu terningen, plasser avtrekksringen på plass, og legg en lett belastning (opptil 1 kN) mellom stempelet og avtrekksringen.
- Fjern skjæredelene fra pressen og trekk forsiktig ut prøvepellet med pinsett.
- Monter prøven forsiktig på en rengjort Si-skive ved hjelp av dobbeltsidig lim. Protokollen kan settes på pause her.
4. Kryofixation av nanopartikkel suspensjoner
- Fyll hovedkammeret til hurtigfrysingsenheten med flytende nitrogen.
- Fyll det avkjølte hurtigfrysingskammeret med kryoogenet (propan).
- La hurtigfrysingsanordningen avkjøles til driftstemperaturen.
MERK: Hurtigfrysingsanordningen krever litt tid for å nå driftstemperaturen før prøveprepareringen, derfor kreves det en rimelig tidsramme (noen timer) for å kryofiksere prøvene. - Drop-cast 10-20 μL NP suspensjon på en rengjort Si wafer med en pipette.
- Hold Si wafer med feste pinsett, plasser den inne i stupefryseenheten.
- Flytt feste pinsettene til stupestilling.
- Trykk på knappen for å slippe prøven inne i kryogenet.
- Vent noen sekunder til prøven er helt frossen.
- Overfør de frosne prøvene så raskt som mulig inn i et avkjølt miljø.
- Plasser den kryofikserte prøven (Si wafer) i prøveholderen og overfør den inne i instrumentet.
MERK: For transport anbefales tørris og kortsiktig prøvelagring er mulig. Prøvene kan måles i frossen tilstand med et avkjølt instrument eller med konvensjonelle ToF-SIMS-innstillinger etter stabilisering ved å fryse tørking av prøven.
Representative Results
Dette papiret presenterer en rekke prøveprepareringsmetoder for overflateanalyse av nanopartikler. Siden de fysisk-kjemiske egenskapene til en bestemt NP vil definere både den optimale metoden for prøvepreparering (f.eks. drop-casting vs. spinnbelegg) og den beste prosedyren for den metoden (for eksempel krever forskjellige substrater eller løsningsmidler), bør egnetheten til metoden som brukes valideres via alternative analytiske metoder og optimaliseres om nødvendig. Resultatene i denne publikasjonen er i samsvar med tidligere publisert litteratur for å vise behovet for konsistente protokoller og prosedyrer for prøvepreparering, samt behovet for kvalitetskontroller for å sikre at prøveforberedelses- og rensemetodene er hensiktsmessige, vellykkede og ikke skader nanopartiklene22,33,34,35,36.
Prøvetakings- og lagringsmetoder for NPs er ikke tatt opp her, da de er beskrevet i detalj i ulike andre referanser14,15,16,17,18,34,37,38,39. Naturligvis bør det tas stor forsiktighet at prøvene som analyseres er representative for den generelle nanopartikkelfordelingen og egnede prøvetakingsmetoder utviklet og validert. Lagringsforholdene har også vist seg å ha stor innvirkning på nanopartikkelegenskapene over en periode på måneder og bør derfor vurderes nøye. Som et eksempel anbefaler vi at nanopartikler skal lagres i små mengder i forseglede beholdere vekk fra lys, ideelt under 4 °C. Det er også avgjørende at lagring, prøvetaking og prøvepreparering utføres konsekvent i henhold til validerte prosedyrer, samt dokumenteres i detalj. Denne dokumentasjonen bør inneholde metadata fra fastlegene selv, som proveniensinformasjon og lagringsforhold40. Verktøy som elektroniske lab-notatbøker (ELNer) kan være nyttige for konsekvent dokumentasjon av prosedyrer og NP-metadata, i tillegg til å muliggjøre produksjon av data i henhold til FAIR-prinsippet (Findable, Accessible, Interoperable og Reusable).
Nøyaktig og korrekt overflateanalyse av NPs krever først et passende valg av substrat. Vi har brukt rensede Si-wafere som substrater fordi de er lett tilgjengelige, holdbare, lett rengjorte, ledende og tilstrekkelig flate, men avhengig av målene for analysen kan oksidoverflatelaget være en ulempe, da de eventyrlige hydrokarbonene på substratet ikke kan skilles fra de på nanopartiklene. Når det er nødvendig, kan andre materialer som gull- eller polymerbelegg på Si-wafere, Si3N4-wafere eller HOPG (svært orientert pyrolytisk grafitt) brukes19,20,21,22. Det første trinnet i prøveprepareringen som er beskrevet i dette papiret, er rengjøring av Si-skiven, vist som et skjema i figur 1. Effekten av rengjøringsprosessen kan verifiseres ved hjelp av en rekke metoder, inkludert XPS, som vist i figur 2. Hovedforurensningen (adventitious carbon) er typisk for prøver som er lagret i luft og reduseres betydelig etter rengjøringsprosessen. I tillegg unngår hydroksylering av skiveoverflaten via UV- eller ozonbehandling kafferingeffekten fra avsetning fra vandig suspensjon ved å forbedre fuktbarheten og føre derfor til en mer homogen fordeling av nanopartiklene som vist i figur 3. Alternative våtkjemiske rengjøringsmetoder for Si-wafere kan brukes etter behov; her er det bare nødvendig med en reprodusert ren overflate i stedet for fullstendig fjerning av alle organiske forurensninger eller oksidlaget. Hvis protokollen settes på pause mellom rengjørings- og suspensjonsavsetningstrinnene, bør skiven behandles igjen under plasma eller UV/ozon, og suspensjonen avsettes ideelt innen 15 minutter etter behandling.
Suspensjonen av 60 nm Au-Ag kjerneskall nanopartikler vist i pkt. 2.2 inneholdt en betydelig mengde natriumsitrat som stabilisator, som er en vanlig forekomst i nanopartikkelsuspensjoner. For nøyaktig analyse av disse partiklene og deres overflateegenskaper, spesielt via XPS, bør så mye stabilisator fjernes som mulig, da det demper signalet fra nanopartiklene og forårsaker ladeeffekter. For å etablere den optimale rensemetoden for disse nanopartiklene, vist som SEM-mikrografer i figur 4, ble de enten dialysert i ultrarent vann eller renset ved hjelp av sentrifugering og respredning i triplikat. Selv om dialyse virker som en mildere metode og sentrifugering og respredning mer sannsynlig å forårsake agglomerering og aggregering av partiklene, viser SEM-bildene betydelig deformasjon og skade på Au-Ag nanopartikler etter dialyse (figur 4B), mens sentrifuged / re-dispergert partikler fortsatt er intakte (figur 4C ). Dette er spesielt bemerkelsesverdig med metalliske nanopartikler; vår hypotese er at det er en optimal mengde natriumsitrat som muliggjør noe stabilisering av løsningen mens den ikke forstyrrer signalet for nanopartiklene, og fjerning av for mye stabilisator forårsaker skade på nanopartiklene. En tidligere rapport viser at det er et optimalt antall sentrifugeringssykluser for fjerning av det meste av natriumsitratet; overskridelse av dette tallet fører til noe NP-aggregasjon33. I denne studien var det nødvendig med ni dialysesykluser (totalt 36 timer) for å oppnå lignende sitratkonsentrasjon; Denne metoden resulterte imidlertid i en høyere mengde aggregering enn sentrifugering, samt forårsaket en reduksjon i overflatefunksjonalisering. Disse resultatene viser viktigheten av å verifisere hvert trinn i forberedelsesprosedyren for hver forskjellige type nanopartikkel, spesielt med ukjente prøver.
De 60 nm Au-Ag kjerneskall nanopartikler som brukes i dette eksemplet er egnet for drop-casting på grunn av deres elektriske ledningsevne, fordi ladeeffekter ikke er et problem, og et tykt sted kan genereres ved gjentatt avsetning ved hjelp av relativt lite utstyr. Dette tykkere laget har fordelen av å gi mer reproduserbare målinger, og støping fra en mer konsentrert suspensjon kan spare tid ved å redusere antall avsetningstrinn. Avsetningen kan påvirkes av substratets fuktbarhet; dårlig fukting kan produsere et tykt nanopartikkelpunkt som er fordelaktig for ledende prøver, mens god fukting kan produsere et mer homogent nanopartikkellag, noe som kan være nyttig for både ledende og isolerende prøver. Som beskrevet i protokollen krever drop-casting av nanopartikkelfjæring vanligvis gjentatte applikasjoner for å oppnå et tykt lag med full dekning; Dette bør verifiseres ved hjelp av XPS, men kan også raskt og enkelt verifiseres ved hjelp av optisk mikroskopi. Figur 5 viser utviklingen av dråpedekning i en drop-casting av Au-Ag kjerneskall nanopartikler fra vandig løsning; I dette tilfellet kreves det 13 drop-casting-trinn for å oppnå full dekning. Fallstøping er spesielt egnet for ledende partikler, eller de der ladeeffekter kan kompenseres tilstrekkelig. Som med de andre metodene som er beskrevet i denne publikasjonen, bør drop-casting optimaliseres for hvert utvalg, da forskjellige NP-materialer vil ha forskjellige egenskaper angående informasjonsdybde og konsentrasjon og filmtykkelsesgrenser. Det er viktig å unngå for tykke filmer som kan føre til stabling av organiske stoffer som igjen hemmer NP-signalet.
Et homogent og godt kvalitetsbelegg bidrar til å sikre konsistente og reproduserbare resultater. I tillegg til suspensjonskonsentrasjonen, løsningsmidlet og spin-beleggparametrene, kan kvaliteten på spin-belagte suspensjoner også påvirkes negativt av tilstedeværelsen av støv eller andre store makro- eller mikroskopiske partikler. Figur 6 viser forbedringen i spin-beleggkvaliteten til en nanopartikkelfjæring etter filtrering med et 0,45 μm sprøytefilter. Filteret bør velges for å sikre at det ikke fjerner nanopartikler fra suspensjonen. De tre forskjellige suspensjonskonsentrasjonene beskrevet i protokollen (90, 9,0 og 0,9 mg/ml 135 nm PS-PTFE kjerneskall nanopartikler) ble spin-castet under samme forhold og analysert ved hjelp av SEM og XPS. Det øverste bildet og spekteret i figur 7 viser filmstøpt fra 90 mg / ml-suspensjonen, som viser en tykk og gapløs flerlagsdekning i SEM-bildet, samt et bemerkelsesverdig fravær av Si-topper i CPS-spektraet, noe som indikerer ingen bidrag fra substratet til spekteret. Denne prøven er ideell for XPS- eller ToF-SIMS-analyse; I tillegg kan de mindre F1-toppene fra partiklenes skall tydelig ses i fravær av et stort signal fra substratet. Den andre prøven fra 9,0 mg/ml-suspensjonen viser partiklene i små agglomerater med ett lag, som ikke helt dekker overflaten. Denne prøven er for tynn og inhomogen for XPS- eller ToF-SIMS-analyse. Videre kan kvantitativ analyse svekkes på grunn av bidraget av eventyrlig karbon på substratet selv etter forsiktig rengjøring; I det minste må en slik effekt vurderes i usikkerhetsbudsjettet for målingen. Denne prøven vil imidlertid være ideell for SEM- eller TEM-analyse av partikkelstørrelsesdistribusjon ved hjelp av bildeanalyseprogramvare, da partiklene eksisterer i et enkelt lag og i et tilstrekkelig antall (i bildet) for å gi en statistisk signifikant evaluering. Prøvestøpt fra laveste konsentrasjon (0,9 mg/ml) gir verken kontinuerlig dekning eller tilstrekkelig partikkeltetthet for å gjøre den egnet for analyse av enten overflatekjemi eller partikkelstørrelsesfordeling. En pålitelig kvantitativ analyse er ikke mulig på grunn av substratets dominerende innflytelse.
Al2O3-TiO2 kjerneskall NPs med enten en PDMS eller glyserol ytre lag ble utarbeidet via drop-casting fra suspensjon samt fra pulver ved hjelp av "stick-and-go" -metoden for å sammenligne effekten av de forskjellige forberedelsesmetodene på det følsomme ytre laget. Prøvene ble analysert med ToF-SIMS, der i spektra ble analysert ved hjelp av Principal Components Analysis (PCA). PCA er en statistisk teknikk for å redusere dimensjonaliteten til store datasett ved å opprette nye usammenhengende variabler (hovedkomponentene), som maksimerer variansen i dataene41,42,43,44,45. Separasjonen av forskjellige prøvesett på hovedkomponentdiagrammet gjør at resultatene enklere kan analyseres og grupperes. På PCA score plottet i figur 8B, som viser diskrimineringskraften til hvert datasett i forhold til alle andre datasett (dvs. mellom forskjellige utvalgssett) viser de to prøvene utarbeidet av pulver svært forskjellige score, mens prøvene utarbeidet fra dispersjon viser svært like score. Lasteplottene som vises i figur 8C indikerer sammenhengen mellom variabler, det vil si hvilke topper som bidrar mest til de respektive hovedkomponentene. Alle hovedkomponenter sorteres i henhold til deres bidrag til den observerte forskjellen mellom datasettene, det vil si at PCA1 bidrar mest til den observerte separasjonen av de forskjellige datasettene. PC1 domineres av tilstedeværelsen (PDMS-belagte NPer fremstilt av pulver) eller fravær (alle andre prøver) av PDMS-topper, mens PC2, faktoren som står for den nest største variasjonen i datasettene, muliggjør differensiering av Al2O3 og organisk capping på NPs. Dette indikerer at det målte spektraet av NPs fremstilt fra suspensjon er svært like og antyder at PDMS- og glyserollagene kan ha blitt fjernet eller skadet ved forberedelse fra suspensjon, enten fra selve suspensjonen eller tørkeprosessen, med dominerende signaler fra Al2O3 eller TiO2.
Mens pressede pellets kan gi fordeler for fremstilling av pulveriserte prøver som enkel håndtering og stabilitet i ultrahøyvakuuminstrumenter (inkludert evnen til å spytte uten å løsne NPs i høyvakuumkammeret), kan de høye kreftene som er involvert også skade sensitive nanopartikler, som allerede er sett med andre forberedelsesmetoder. En passende protokoll bør utarbeides og valideres.
Ved NP-dispersjoner unngår kryofiksering av dråpestøpte prøvesuspensjoner kafferingeffekter (på grunn av øyeblikkelig fiksering av NP-suspensjonen og dermed eliminering av tørkeeffekter) samt bevaring av større strukturer som er tilstede i suspensjonen. I tillegg unngås påføring av tape. Dette gjenspeiles igjen i reduserte signaler, som kan tilskrives salter, forurensninger eller andre artefakter av prøveprepareringsprosedyren i det respektive massespektraet som vist i figur 9. Den største fordelen med kryofiksering er evnen til å bevare "som det er" det kjemiske rommet rundt nanopartiklene og / eller den kjemiske enheten til partikkelagglomeratene eller heteroagglomeratene, samt deres korrelasjon til biologiske egenskaper i vev eller enkeltceller eller til og med samlokaliseringen til intracellulære rom, uten forstyrrelser fra prøvehåndteringstrinn som tørking, drop-casting, etc46'47. Vi har demonstrert anvendbarheten av kryofixasjonsteknikken i det nåværende papiret og har fremhevet fordelene med kryofiksering for TiO2 nanopartikler. Vi understreker at kryofixasjon er spesielt egnet for analyse av biologiske prøver på grunn av deres naturlige tilstand uten dislokasjon av kjemikalier på grunn av prøveprepareringsartefakter. For mer detaljert informasjon om fikseringsteknikker for biologiske prøver henvises leseren til litteratur19,25,27,48,49.
| XPS | ToF-SIMMER | |
| Sondebjelke | Fotoner | Ioner |
| Analyse bjelke | Elektroner | Ioner |
| Romlig oppløsning* | > 1 μm | 0,1 μm |
| Prøvetakingsdybde | 0,5 – 7,5 nm | <2 nm |
| Grense for gjenkjenning | 0,01 -0,1 atom % | ppb |
| Kvantifisering | Utmerket (semi kvantitativ) | Utfordrende (matriseeffekter) |
| Informasjonsinnhold | Elementær Kjemisk binding |
Elementær Molekylær |
| Organisk analyse | Fortreffelig | Utmerket i statisk modus |
| * spesifisert av produsenten | ||
Tabell 1: Sammenligning av ulike metoder for overflateanalyse.
| Metode | Egnet for | Gir | Fordeler | Ulemper | Forsiktighet | Kontroller | Sjekk |
| Dialyse | Rensing | Fjerning av stabilisatorer/urenheter | Enkel, lav innsats, ikke noe komplisert utstyr | Mangel på kontroll over prosess | Kan forårsake skade på nanopartikler | Tid | Skade på nanopartikler (SEM) |
| Sentrifugering/respredning | Rensing | Fjerning av stabilisatorer/urenheter | Mer kontroll over prosessen, samtidig konsentrasjon | Arbeidskrevende, krever sentrifuge | Kan forårsake aggregering eller agglomerering | Sentrifugerotasjonshastighet, mengde løsningsmiddel | Agglomerering/aggregering/skade på nanopartikler (SEM) |
| Drop casting (suspensjon) | Ledende NPer uten sensitivt ytre lag | Relativt tykt belagt sted | Enkelt, ikke noe komplisert utstyr | Kan gi inhomogen tykkelse, tidkrevende | Suspensjonsforberedelse kan skade sensitive NP-skall | Suspensjonskonsentrasjon, løsningsmiddel (substrat fuktbarhet) | Dekning (lysmikroskopi/XPS) |
| spinnbelegg (suspensjon) | Ledende eller ikke-ledende NPer uten sensitivt ytre lag | Tynt homogent lag, eller enkeltpartikler | Konsekvente innstillinger | Krever eksperimentell bestemmelse av optimale parametere | Filtrer ut støv/urenheter, dekningen kan være inkonsekvent | Konsentrasjon, spin coating parametere, løsningsmiddel | Prefiltrering, dekning, lagtykkelse (SEM/XPS) |
| "stokk og gå" (pulver) | Uorganisk ledende og ikke-ledende NPS med sensitivt ytre lag | Pulverflekk på lim | Enkel, lav innsats, ikke noe komplisert utstyr | Uegnet for organiske eller C-inneholdende NPs, Inkonsekvent filmtykkelse | Fare for np-utslipp i instrumenter | Fiksering av NPs på lim | Stabilitet under høye vakuumforhold |
| avsetning i hull på stub (pulver) | XPS-analyse; ledende/ikke-ledende organiske eller uorganiske partikler | Lett presset nanopartikkelprøve | Ingen kontakt med annet materiale | Ingen sikker fiksering av NPs; uegnet for ToF-SIMS | Dager for NP-utslipp i instrumenter | Ingen | Vipp lett til siden, for å sikre at pulveret er komprimert |
| Pressede pellets (pulver) | Ledende og ikke-ledende NPS, polymere NPs | Solid pellets | Muliggjør analyse av polymere NPs som pulver | Kan skade eller forurense NP-overflaten | Materialer bør rengjøres grundig for å unngå overflateforurensning; kan skade overflaten | Størrelse, trykk, tid | Stabilitet under høye vakuumforhold |
| Kryo-fiksering (suspensjon) | NP-suspensjoner med sensitivt ligandlag; biologiske prøver | Heldekkende utvalg | Sparer morfologi, innfødt biologisk tilstand og korona, reduserer kafferingeffekten | Sofistikert og kostbar forberedelse og prøvehåndtering krever dyktig bruker | høy grad av ferdigheter som kreves for prøvehåndtering og prøvelagring | Konsentrasjon, dråpestørrelse, temperatur | Bevaring av vitrifisering |
Tabell 2: Sammenligning av ulike prøveprepareringsmetoder.
Figur 1: Rengjøringsprosess for Si-wafere. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: XP spektra av Si wafer før og etter rengjøring. Undersøkelse før (grå) og etter (rød) rengjøring, som viser reduksjonen av karbonmengden fra 13 ved% til 2 ved%. Spektraet ble oppnådd med en Kratos Supra DLD (Manchester, Storbritannia) med en monokromatisk Al Kα-stråling. Prøvene ble festet med dobbeltklebende tape på prøveholderen, passenergi var 80 eV, trinnbredde 1 eV, oppholdstid 500 ms. "Hybrid linsemodus" ble brukt. Røntgenpunktstørrelsen var 300 x 700 μm². En flompistol ble brukt til gebyrkompensasjon. For kvantitativ analyse ble programvarepakken UNIFit 202050 brukt, ved hjelp av toppområdene til de tilsvarende fotoelektrontoppene korrigert med en Tougaard-bakgrunn og normalisert med Scofield-faktorer, uelastiske gjennomsnittlige frie veier og overføringsfunksjonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Effekt av UV/ozonrengjøring på homogenitet av partikkeldispersjon ved støping av PTFE-PMMA kjerneskall nanopartikler fra vandig suspensjon. Wafers rengjort med UV / ozon viser en betydelig reduksjon i kafferinger, samt bedre vedheft av partiklene til overflaten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Behandlingsalternativer for fjerning av urenheter (f.eks. stabilisatorer) fra nanopartikkelfjæringer SEM-bilder som viser effekten av dialyse (øverst til høyre) og sentrifugering og respredning i triplikat (nederst til høyre) på 60 nm Au-Ag kjerneskall nanopartikler. Nanopartiklene er tydelig skadet av dialysen, mens sentrifugering ikke har noen synlig innvirkning. Alle skalastenger er 100 nm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Optiske mikroskopbilder fra drop-casting på 60 nm diameter Au-Ag kjerneskall nanopartikler fra vandig suspensjon på silisiumskiver, som viser tilstrekkelig dekning etter 13 dråper. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Spin-belagt nanopartikkelfjæring, før (venstre) og etter (høyre) filtrering med et 0,45 μm sprøytefilter. Forbedringen i kvalitet etter filtrering kan tydelig ses. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: SEM-bilder og XPS-spektra av PMMA-PTFE kjerneskall nanopartikler spin-cast ved ulike konsentrasjoner, som viser effekten av substrattopper (fra utilstrekkelig dekning) på XPS-spektraet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: PCA-scoreplott (Principal Component Analysis), avledet fra ToF-SIMS-spektra av glyserol- og PDMS-belagte Al2O3-TiO2 kjerneskall-NPer. (A) Skjematisk for NP-struktur; (B) Score og (C) Lasting av plott etter ToF-SIMS-analyse av drop-cast (dispersjon) og "stick-and go" (pulver) forberedelsesmetoder. PC1 representerer topper som korrelerer med PDMS-fragmenter. PC2 skiller prøver med et organisk belegg (prøver fremstilt av pulver) fra Al2O3-topper tilsynelatende uten overflatebelegg. Spectra ble målt i positiv modus på et IONTOF ToF-SIMS IV-instrument (ION-TOF GmbH, Münster, Tyskland) i spektrometrimodus (HCBU) med en 25 kV Bi3+ ionstråle med en maksimal dosetetthet på 1012 ioner/cm2. Et synsfelt på 150 x 150 μm ble skannet i satooth-modus med 125 x 125 piksler. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Del av ToF-SIMS massespektra av TiO2-NPs . (A) fremstilt av pulver med "stick and go"-metoden og (B) etter kryofiksering av NP-dispersjonen. Et ToF-SIMS-instrument (ION-TOF V; Ion-TOF GmbH, Münster, Tyskland) ble brukt til massespektrometrianalyser med en pulserende 30 keV Bi3+ flytende metallionpistol (LMIG, likestrøm (dc), 16 nA). Hvert spektrum ble anskaffet ved å skanne ionstrålen over et prøveområde på 500 × 500 μm. Positive sekundære ioner ble anskaffet i masseområdet 0-1200 Da ved hjelp av 106 Bi3+ pulser. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
En rekke metoder har blitt presentert for utarbeidelse av nanopartikler for overflateanalyse ved hjelp av XPS og ToF-SIMS. Vi har oppsummert fordelene og ulempene ved disse metodene, samt mulige feilkilder og egnethet for ulike materialer, i tabell 2. Som vist i de representative resultatene, kan utarbeidelsen av nanopartikler sterkt påvirke suksessen til den resulterende overflateanalysen. I tillegg er ikke alle metoder egnet for alle partikkeltyper på grunn av faktorer som signalforstyrrelser med substratet eller monteringsmaterialene, ladeeffekter i ikke-ledende tykke filmer, tilstanden til nanopartiklene som pulver eller suspensjon, potensiell skade på sensitive ytre lag, ødeleggelse av biologiske strukturer og informasjon om aggregering og grensesnitt, eller sårbarhet av sensitive ultrahigh-vakuuminstrumenter for å frigjøre nanopartikler.
Fordi XPS- og ToF-SIMS-målinger er gjennomsnittlige over et område i stedet for å måle enkeltpartikler, er det bare mulig å oppnå reproduserbare resultater fra homogene lag; aggregering eller agglomerering av partiklene på substratet bør derfor unngås. I tillegg forårsaker for tykke lag med ikke-ledende materialer ladeeffekter under analyse, noe som kan føre til uønskede gjenstander i spektraet, spesielt delvis lading som ikke kan kompenseres med en flompistol. På den annen side viser ufullstendige filmer sterke signaler fra substratet eller monteringsmaterialene (f.eks. lim), noe som kan forstyrre følsomme topper fra partikkeloverflaten. Den ideelle tykkelsen på filmen er materialavhengig og bør bestemmes eksperimentelt ved analyse av filmer av forskjellige tykkelser. Spesielt bør prøver utarbeidet ved hjelp av spinnbelegg analyseres med SEM for å sikre fullstendig belegg.
Arbeid med NP-suspensjoner gir færre eksponeringsfarer og sikkerhetskrav sammenlignet med arbeid med NP-pulver. Drop-casting er en relativt enkel metode med lave utstyrskrav og er spesielt egnet for ledende nanopartikler i suspensjon der filmtykkelse ikke er en bekymring. Mens prøvene lett kan tørkes under atmosfæriske forhold, tjener vakuumdesiccatoren til å redusere tørketiden for dråpene, samt beskytte waferne mot forurensning. Viton-ringen brukes til å modifisere fordampningsmønstrene til dråpen og dermed minimere dannelsen av kafferinger. Fordampningsmønstre kan også påvirkes av å variere substratets hydrofilitet ved hjelp av rengjøringsprotokoller eller ved påføring av alternative belegg51,52, ved å fordampe i løsningsmiddelatmosfærer53, eller til og med ved oppvarming av substratet54. Spin-belegg anbefales for suspensjoner av ikke-ledende nanopartikler i suspensjon fordi det er i stand til å generere et homogent partikkellag som er tynt nok til å unngå ladeeffekter, men likevel tykk nok til å forhindre at Si-substratet bidrar til XPS- og ToF-SIMS-spektraet. For hvert enkelt NP-system og konsentrasjon må både sentrifuge- og spin-beleggparametrene optimaliseres, men kan da reproduseres veldig pålitelig selv på forskjellige instrumenter. Fordi den spin-belagte dråpen alltid er midt i waferen, er rotasjonsradiusen irrelevant og enheten "omdreininger per minutt" (rpm) kan brukes. Suspensjonen kan alternativt depones på waferen etter at du har startet programmet; Dette vil imidlertid kreve forskjellige spin-beleggparametere og en større mengde suspensjon for å oppnå et tykkere belegg.
På grunn av deres ekstremt små størrelse kan nanopartikler løsne fra substratet og bevege seg fritt inne i ultrahøyvakuumkammeret når de påvirkes med en ion- eller røntgenstråle. Dette er et spesielt problem for prøver tilberedt med pulver. I noen tilfeller kan nanopartiklene trenge inn i de følsomme komponentene i instrumentet som krever dyrt og tidkrevende vedlikehold. På grunn av den påførte akselerasjonsspenningen er faren for å skade sensitive deler større med ToF-SIMS enn med XPS. Pulveriserte prøver, spesielt de som er tilberedt med "stick and go"-metoden, bør kontrolleres nøye for å sikre at pulverene er festet sikkert nok, spesielt for ToF-SIMS-analyse. Dette kan bekreftes ved for eksempel å holde prøven opp ned og blåse en strøm av gass (f.eks. N2) over den. Før analysen kan prøvene også etterlates over natten i luftslusen eller andre innledende prøveinngangskammer på instrumentet, der et stabilt vakuum kan indikere at det ikke er løse partikler fra prøven. Nanopartikler fremstilt som pellets kan imidlertid til og med sputteres (ved lave akselerasjonsspenninger) uten å skade instrumentet; denne metoden kan eliminere forurensninger, spesielt hydrokarboner, introdusert fra pressen og kan også muliggjøre bulkanalyse av partiklene.
Forberedelse av NP pulver i prøveholderstubben gjør det mulig å forberede prøver med definert geometri og en makroskopisk flat overflate. Kritiske punkter er rensligheten av verktøyet for å trykke på prøven, og bruk av lavt trykk for å unngå endringer i nanopartikkeloverflaten på grunn av denne prosedyren. Den har ulempene ved å trenge en relativt høy mengde materiale, og potensielle problemer med tap av materiale i høyvakuuminstrumenter. Vi anbefaler ikke denne metoden for ToF-SIMS-analyse, da partiklene ikke komprimeres eller sikres på noen måte.
Når det gjelder NP-materialet, er det første hensynet til prøvepreparering eliminering eller minimering av interferens mellom NPs og substrater av lignende materiale; Si-wafere er for eksempel et uegnet substrat for analyse av SiO2-NPer ved hjelp av XPS og ToF-SIMS, selv med tilstrekkelig prøvedekning. Metalliske eller uorganiske nanopartikler kan enkelt analyseres som pulver på et lim (forutsatt at de ikke inneholder organiske lag eller belegg) på grunn av mangel på signalforstyrrelser mellom nanopartiklene og det dobbeltsidige limet, en forberedelsesmetode som ville være uegnet for polymere NPs. Metalliske nanopartikler har mer fleksibilitet når det gjelder mulig filmtykkelse som brukes på grunn av fravær av ladeeffekter, og kan være drop-cast med relativt lite utstyr; Imidlertid vil de sannsynligvis inneholde store mengder urenheter og stabilisatorer fra syntesen, som må fjernes forsiktig uten skade på partiklene. Polymere nanopartikler kan lettere bli skadet ved terningpressing, men kan også lettere holde sammen i pelletsen, avhengig av trykket som brukes. Pellets eller myke organiske belegg på NP-overflaten kan også være skadefølsomme. Direkte avsetning fra løsningen har potensial til å skade sensitive belegg enten gjennom suspensjonen eller tørkeprosessen, men er fordelaktig for å analysere NPs som allerede er til stede i suspensjon. Kryofiksering er en egnet metode for analyse av kjemiske strukturer, overflater eller grensesnitt i suspensjon som vil bli skadet eller ødelagt av ulike andre prøveforberedelsesteknikker, men krever en spesialisert kryoequipment for både XPS og ToF-SIMS46'47.
Selv om dette dokumentet beskriver flere eksemplariske metoder som kan brukes til prøvepreparering, bør metoden i alle tilfeller optimaliseres og valideres ved hjelp av alternative analytiske metoder. En detaljert oversikt over påvirkning av ulike faktorer ble nylig publisert22. Foruten utvikling og validering av egnede forberedelsesmetoder, er dokumentasjonen av disse trinnene også av avgjørende betydning40. Denne publikasjonen presenterer noen metoder som er enkle å håndtere, og er en veiledning for å endre eller utvikle nye metoder i henhold til kravene i den bestemte oppgaven.
Disclosures
Forfatterne har ingen konkurrerende interesser å avsløre.
Acknowledgments
Dette prosjektet har fått støtte fra European Union Horizon 2020 Programme (H2020) under tilskuddsavtale 720952 nr. Forfatterne vil takke Sigrid Benemann for SEM-målingene, Markus Schneider for ToF-SIMS-målinger og PCA, og Philipp Reichardt for hjelp til filming.
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).
