Summary
São apresentados vários procedimentos diferentes para a preparação de nanopartículas para análise superficial (fundição de gota, revestimento de spin, deposição de pós e criofixação). Discutimos os desafios, oportunidades e possíveis aplicações de cada método, particularmente no que diz respeito às mudanças nas propriedades superficiais causadas pelos diferentes métodos de preparação.
Abstract
As nanopartículas ganharam cada vez mais atenção nos últimos anos devido ao seu potencial e aplicação em diferentes áreas, incluindo medicina, cosméticos, química e seu potencial para habilitar materiais avançados. Para entender e regular efetivamente as propriedades físico-químicas e potenciais efeitos adversos das nanopartículas, procedimentos de medição validados para as várias propriedades das nanopartículas precisam ser desenvolvidos. Embora os procedimentos para medir o tamanho e a distribuição de tamanho das nanopartículas já estejam estabelecidos, métodos padronizados para análise de sua química superficial ainda não estão em vigor, embora a influência da química da superfície nas propriedades das nanopartículas seja indiscutível. Em particular, o armazenamento e a preparação de nanopartículas para análise superficial influencia fortemente os resultados analíticos de vários métodos, e para obter resultados consistentes, a preparação da amostra deve ser otimizada e padronizada. Nesta contribuição, apresentamos, em detalhes, alguns procedimentos padrão para a preparação de nanopartículas para análise de superfície. Em princípio, as nanopartículas podem ser depositadas em um substrato adequado da suspensão ou como pó. Wafers de silício (Si) são comumente usados como substrato, no entanto, sua limpeza é fundamental para o processo. Para a preparação amostral da suspensão, discutiremos o drop-casting e o spin-coating, onde não apenas a limpeza do substrato e a pureza da suspensão, mas também sua concentração desempenham papéis importantes para o sucesso da metodologia de preparação. Para nanopartículas com conchas ou revestimentos sensíveis de ligantes, a deposição como pós é mais adequada, embora este método exija cuidados particulares na fixação da amostra.
Introduction
Os nanomateriais são definidos como materiais com qualquer dimensão externa entre 1 nm e 100 nm ou tendo uma estrutura interna ou superficial nesta escala1. Devido às propriedades únicas decorrentes de sua pequena escala e área de superfície correspondentemente grande (entre outros fatores), eles encontram uso crescente em uma ampla variedade de campos, incluindo agricultura, química, construção automotiva, cosméticos, meio ambiente, medicina, impressão, energia e têxteis. Esse aumento do uso significa que tanto os seres humanos quanto o meio ambiente serão expostos, em escala até então desconhecida, a esses materiais cujas propriedades toxicológicas ainda não são totalmente conhecidas, e cujo tamanho permite sua fácil integração em sistemas biológicos ou ambientais2.
Após as propriedades fundamentais da área de superfície e distribuição de tamanho/tamanho de partículas, a química da superfície e os revestimentos foram identificados como a propriedade mais crucial dos nanomateriais3; partículas menores têm uma área de superfície mais alta por massa unitária, e, portanto, uma maior proporção de átomos de superfície para granel. De fato, para nanopartículas de 1 nm de tamanho, mais de 70% dos átomos podem ser encontrados em cantos ou bordas; isso influencia fortemente propriedades superficiais, como a chemisorção, que é altamente dependente da morfologia da superfície em escala atômica4. Regulamentos que lidam com nanomateriais exigem dados precisos sobre propriedades físico-químicas e estimativas confiáveis das propriedades toxicológicas desses materiais. Para estimar eficientemente as propriedades toxicológicas das propriedades físicas e químicas dos nanomateriais, a comunidade de nanomateriais requer procedimentos analíticos confiáveis, padronizados e verificados. Projetos como o ACEnano5 visam coletar e correlacionar dados físicos precisos e verificáveis de nanopartículas em um quadro que permita melhor regulação e caracterização de nanomateriais. Esse impulso para procedimentos analíticos padronizados também tem sido apoiado pelos editores da ACS Nano, desejando "consolidar e concordar com métodos de caracterização e níveis mínimos de análise de materiais6". Além disso, o XPS e o ToF-SIMS oferecem novas possibilidades para elucidar a arquitetura de partículas de nanopartículas de conchas centrais7,8.
Espectroscopia de fotoeletroron de raios-X (XPS) e Espectrometria de Massa de Íon Secundário de Voo (ToF-SIMS), em comparação na Tabela 1, são métodos bem estabelecidos para a investigação de átomos de superfície. No XPS, a amostra é irradiada com raios-x com uma energia entre 1 e 2 keV, causando emissão de elétrons devido ao efeito fotoelétrico. Estes elétrons emitidos, com uma energia cinética na mesma faixa, correlacionam-se com a energia de ligação dos elétrons no sólido; o aparecimento de fotoeletrões nessas energias de ligação definidas e intensidades mensuráveis, portanto, permite a análise quantitativa da composição. Como o caminho livre médio desses fotoelerons está abaixo de 10 nm, o XPS é uma técnica altamente sensível à superfície para análise quantitativa. Além disso, a análise detalhada das energias vinculantes em espectros altamente resolvidos permite a determinação quantitativa dos estados de valência desses elétrons.
No ToF-SIMS, a superfície é sputtered com um feixe de íons focalizado (íons primários), com os íons ejetados do material (íons secundários) coletados e analisados em um espectrômetro de massa de tempo de voo. O padrão de massa/carga obtido permite a determinação da composição elementar, isotópica ou molecular. Devido ao caminho livre médio dos íons secundários, esta técnica também é altamente sensível à superfície e tem uma profundidade de informação de 1-2 nm, mas é na melhor das hipóteses semi-quantitativa, devido ao efeito matricial pelo qual a probabilidade de ionização (e, portanto, rendimento) de íons secundários é fortemente influenciada por sua matriz circundante. O ToF-SIMS pode ser operado no modo estático ou dinâmico; a diferença entre os dois é o fluxo de íons primário impactando a superfície. O SIMS estático mantém o fluxo de íons primário a um nível que impacta (ou seja, fragmentos) um máximo de 1%-10% da superfície; a superfície permanece relativamente imperturbável, o que permite a análise das camadas atômicas superiores do material. Uma vez que mesmo o SIMS estático causa alguma destruição à superfície, é considerado menos "não destrutivo" dos dois métodos.
Essas técnicas sensíveis à superfície permitem a análise dos primeiros nanômetros do material, incluindo revestimentos intencionais ou não intencionais, que, para nanomateriais, podem influenciar significativamente as propriedades materiais. Exemplos de revestimentos intencionais são camadas de cobertura em pontos quânticos para melhorar os rendimentos quânticos da fotoluminescência e reduzir a reatividade ambiental9, revestimentos de alumina ou sílica para a prevenção da atividade fotocatalílica de nanopartículas de titania em bloqueadores solares10, funcionalização superficial para permitir bioconjugação e atividade biológica subsequente11, revestimentos para aplicações de diagnóstico e entrega de medicamentos12 , e revestimentos de fluorocarbono em partículas magnéticas para ferrofluidos e sistemas metálicos de conchas de núcleo para melhorar as propriedades catalisadoras13. Revestimentos não intencionais, como oxidação, contaminação superficial ou coroas proteicas em sistemas biológicos têm uma influência igualmente forte sobre as propriedades das nanopartículas e é crucial que os procedimentos experimentais de preparação garantam que o revestimento e, mais geralmente, a química superficial do nanomaterial não seja destruída ou transformada. Também é crucial avaliar as propriedades das nanopartículas como elas estão in situ, pois suas propriedades podem ser drasticamente alteradas pela alteração2,14,15. Além disso, a concentração de estabilizadores na suspensão das nanopartículas pode influenciar drasticamente a análise e a integridade estrutural das nanopartículas; a presença de um estabilizador pode resultar em grandes sinais indesejados (por exemplo, C, H, O e Na) na análise, enquanto sua remoção pode resultar em danos ou aglomeração das nanopartículas.
Devido ao seu tamanho e área de superfície, as condições de armazenamento das nanopartículas também afetam seu comportamento, tanto como pós/suspensões armazenados quanto como amostras preparadas. O efeito das condições de armazenamento abaixo do ideal, particularmente o armazenamento em temperatura ambiente e a exposição à luz, têm sido mostrados em vários estudos para causar a degradação das nanopartículas que tem sido demonstrada para alterar as propriedades físicas, químicas e/ou toxicológicas das partículas14,15,16,17,18 . Nanopartículas menores têm sido mostradas para oxidar mais rapidamente do que as maiores com taxas de oxidação/degradação dependentes das condições de armazenamento15, bem como química superficial14. Os efeitos da degradação da nanopartícula durante o armazenamento têm sido mostrados para afetar significativamente propriedades físico-químicas, incluindo toxicidade14, enquanto o crescimento oxidativo pode prosseguir para dentro em detrimento do núcleo15.
O armazenamento cuidadoso e a preparação de nanomateriais são, portanto, essenciais para uma análise precisa da superfície, e quaisquer fatores que possam influenciar a superfície da amostra e/ou a qualidade das medidas devem ser cuidadosamente considerados. Deve-se notar que, devido à relativamente baixa resolução espacial do XPS (na faixa de μm) e do ToF-SIMS (algumas centenas de nm), apenas um pequeno subconjunto das nanopartículas pode ser investigado; esses métodos são medianos em uma área e não têm a capacidade de imagem de partículas únicas como é possível com técnicas como microscopia eletrônica. Por essa razão, qualquer análise requer a deposição das nanopartículas em uma camada contínua para garantir que não haja interferência do substrato. A microscopia eletrônica e o XPS/ToF-SIMS são, portanto, frequentemente utilizados em conjunto como métodos complementares para análise de nanomateriais.
Além das mudanças na química superficial, os principais desafios para a preparação de amostras de nanopartículas para análises de XPS e ToF-SIMS são preparar uma camada que seja: homogênea, para aumentar a reprodutibilidade; sem lacunas, para minimizar a contribuição do substrato para o espectro; fino o suficiente para evitar efeitos de carregamento (para amostras não condutoras); e fixado com segurança ao substrato, para evitar que nanopartículas livres entrem e danifiquem instrumentos de vácuo ultra-alto
As nanopartículas podem ser depositadas no substrato da suspensão ou como pó. Em primeiro lugar, discutiremos os diferentes métodos para depositar nanopartículas de suspensão. Os wafers de silício são um substrato comumente usado para deposição de suspensão, porque são relativamente baratos, facilmente disponíveis como um produto altamente puro que consiste em silício puro ou dopado (o doping evita efeitos de carregamento), e para a maioria das nanopartículas os picos espectrais não se sobrepõem a picos típicos de nanopartículas. Este último ponto é importante; antes da análise deve-se assegurar que os picos do substrato estão bem separados dos picos esperados das nanopartículas, caso contrário a interpretação dos espectros é complicada ou impossível e a cobertura contínua do substrato pelas nanopartículas não pode ser verificada. Antes do uso de bolachas de silício, um extenso procedimento de limpeza (descrito nesta publicação) é necessário para remover contaminantes (orgânicos) e aumentar a capacidade de veracidade da superfície. Outros substratos adequados, como filmes de ouro, grafite pirolítico altamente ordenado (HOPG), ou folhas de índio foram usados com sucesso, mas uma discussão sobre sua preparação está além do escopo deste trabalho19,20,21,22.
Em segundo lugar, apresentamos métodos para depositar pós de nanopartículas em um substrato para análise xps e tof-SIMs e apresentar as vantagens e desvantagens de cada método, permitindo aos pesquisadores novas técnicas para encontrar o método ideal de preparação para seus propósitos. Em terceiro lugar, discutimos a criofixação, que é um método de preparação adequado para conservar características como o comportamento de aglomeração, corona orgânica, interface sólida/aquosa23,24 ou distribuição em mídia biológica25 de NPs. A criofixação, tipicamente rápida congelamento do material em um criogen líquido refrigerado de nitrogênio e análise no estado hidratado congelado, permite a análise e visualização de nanopartículas diretamente em matrizes complexas. Este procedimento não causa formação de cristais de gelo, mas forma gelo amorfo que mantém membranas e estruturas celulares e teciduais em seu estado biológico nativo, evitando danos causados por processos de cristalização da água e permitindo que a distribuição química exata de todos os metabólitos celulares e compostos de membrana celular sejam mantidas26,27,28 . Este método de preparação pode ser de particular interesse para apresentar um mapa químico exato do aglomerado ou heteroagglomerato np real, visualizando o espaço químico exato nas proximidades da nanopartícula diretamente na suspensão, ou correlacionando características específicas de tecido celular ou compartimentos intracelulares dentro de aglomerados ou heteroagglomerados.
Como mostrado pelos resultados apresentados neste trabalho, o procedimento mais adequado em um caso específico depende de uma variedade de parâmetros, como hidrofilialidade, estabilidade, condutividade, estado (por exemplo, pó ou suspensão) e a questão analítica em mãos (por exemplo, tamanho, propriedades a granel ou revestimentos superficiais). Uma variedade de métodos são apresentados aqui que podem ser utilizados para a preparação de NPs para análise de superfície, bem como uma comparação de suas vantagens e desvantagens.
Protocol
ATENÇÃO: As propriedades toxicológicas das nanopartículas ainda estão sob investigação; devido ao seu tamanho, eles podem apresentar perigos únicos em humanos, bem como no ambiente, mesmo quando consistem em materiais intrinsecamente não perigosos. Antes de realizar qualquer trabalho com nanopartículas, uma avaliação adequada de risco deve ser concluída, e controles de engenharia adequados, procedimentos de laboratório e EPI (equipamento de proteção individual) são colocados em prática, dependendo do nível de risco dos materiais a serem estudados29,30,31,32.
1. Preparação de wafers Si
NOTA: Estas etapas são necessárias para remover a contaminação indesejada (orgânica) e aumentar a capacidade de veracidade da superfície. Todos os solventes utilizados devem ser pelo menos grau ACS. Um banho de sônica padrão (35 kH e 120 Watts) é adequado.
- Limpeza química molhada de wafers Si
- Coloque o wafer Si em um béquer com isopropanol e ultrassônico por 5 minutos.
- Transfira o wafer Si para um béquer com uma solução de limpeza de vidro alcalino e ultrassônico por 10 minutos.
- Coloque o wafer em um béquer com água ultrapurada. Troque a água 10 vezes derramando a água e reabastecendo o béquer; os wafers Si permanecerão na parte inferior devido ao efeito capilar.
- Seque o wafer com gás N2 limpo.
NOTA: A secagem com N2 impede a formação de "anéis de café" e outros artefatos da secagem da água. - Coloque o wafer em um segundo béquer com isopropanol e ultrassônico por 10 minutos.
- Seque o wafer com gás N2 limpo.
- Coloque o wafer em um béquer com etanol e ultrassonário por 10 minutos.
- Seque o wafer com gás N2 limpo. O protocolo pode ser pausado aqui.
- Limpeza de plasma ou UV/ozônio de bolachas de silício
- Introduza o wafer Si no plasma ou o limpador de UV/ozônio e ligue por 30 minutos.
NOTA: Os wafers devem ser limpos imediatamente antes do uso.
- Introduza o wafer Si no plasma ou o limpador de UV/ozônio e ligue por 30 minutos.
2. Deposição de nanopartículas de suspensão
NOTA: A rota de exposição mais comum para nanopartículas é por inalação. Trabalhar com suspensões pode minimizar os riscos de exposição.
- Preparação da suspensão de nanopartículas a partir do pó
NOTA: Todas as quantidades descritas aqui são exemplos. O método deve ser otimizado para as nanopartículas específicas utilizadas em cada caso.- Pesar com precisão 15 mg de pó de nanopartícula (± 10%) em um tubo de 10 mL.
- Pese com precisão aproximadamente 8 mL de água ultrapura.
- Feche o tubo, embale em um tubo de centrífuga de 50 mL com papel toalha e coloque no vórtice a 3.000 rpm por 15 minutos.
- Lançamento de nanopartículas eletricamente condutoras de suspensão aquosa
- Coloque o wafer no limpador de UV/ozônio por 30 minutos.
- Coloque o wafer em metade do porta-wafer e coloque uma gota de 3 μL de suspensão de nanopartículas no centro do anel.
- Monte um viton o-anel viton de 6,07 mm de diâmetro no wafer ao redor da gotícula. Tome cuidado para que o anel não toque na gota.
- Coloque o wafer em um desiccador de vácuo sob um vácuo de 4 mbar por 15 minutos para secar o wafer.
- Remova o wafer do dessecator e examine usando microscopia leve e XPS para determinar que a camada de partículas é homogênea e fechada. Repetição de passos 2.2.1 e 2.2.2 até que a análise mostre uma camada fechada e homogênea. O protocolo pode ser pausado aqui.
- Spin-coating de nanopartículas eletricamente não condutoras de suspensão aquosa
- Coloque o wafer no limpador de UV/ozônio por 30 minutos.
NOTA: Por meio de suspensões de revestimento de spin de diferentes concentrações usando o mesmo protocolo, diferentes níveis de cobertura superficial podem ser alcançados. - Programe o spin-coater. Um programa de amostra adequado é: etapa 1: rampa de 500 rpm/s a 1.000 rpm (5 s); passo 2: rampa de 1.000 rpm/s a 2.000 rpm (3 min); passo 3: desaceleração a 2.000 rpm/s a 0 rpm.
- Insira o wafer no spin-coater e ligue o vácuo para fixação.
- Deposite 80 μL da suspensão no wafer e inicie o programa.
- Remova o wafer do spin-coater.
- Armazene a amostra em uma nova e limpa wafertray. O protocolo pode ser pausado aqui.
- Analise a amostra utilizando SEM para confirmar a cobertura sem lacunas do substrato.
- Coloque o wafer no limpador de UV/ozônio por 30 minutos.
3. Deposição de nanopartículas de pó
- Deposição de nanopartículas em fitas adesivas de dois lados ("pau e ir")
- Fixar o adesivo de dupla lateral no suporte da amostra e remover o forro.
- Pegue uma ponta espátula do pó de nanopartícula e mergulhe-a no adesivo.
- Espalhe a amostra sobre o adesivo e pressione no adesivo com a espátula, até que o máximo possível do pó seja aderido.
- Verifique se o pó está fixado na torneira invertendo e tocando no suporte da amostra, e soprando um fluxo de gás (por exemplo, nitrogênio) através dele. O protocolo pode ser pausado aqui.
NOTA: Alternativamente, uma pequena quantidade de pó pode ser colocada em uma superfície limpa (papel alumínio Alu ou lâmina de vidro) e pressionada de cima com o suporte de amostra adesivo e de dupla laterais. - Coloque uma ponta de espátula do pó sobre a superfície limpa. Pressione o suporte da amostra com o adesivo sobre o pó de cima.
- Verifique se o pó está fixado na torneira invertendo e tocando no suporte da amostra, e soprando um fluxo de gás (por exemplo, nitrogênio) através dele. O protocolo pode ser pausado aqui.
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Preparação de pelotas de pó prensadas
- Limpe completamente todas as partes da pelota morra, tomando cuidado para não arranhar a superfície polida.
- Inverta a bala e descanse em um pequeno espaçador.
- Insira o êmbolo e uma pelota de aço inoxidável, com o lado polido para cima, e puxe o êmbolo até que haja espaço suficiente para encher com a amostra em pó.
- Encha o dado com uma pequena quantidade de amostra (1 ponta de espátula grande) e, em seguida, insira a segunda pelota de aço inoxidável com o lado polido voltado para a amostra.
- Coloque a base sobre o corpo e inverta cuidadosamente. Se um vácuo for desejado e disponível, conecte a bomba de vácuo à base da pelota.
- Coloque o dado em uma prensa, certificando-se de que está centrado.
- Aplique uma carga leve (2 kN) para aproximadamente 20 s e solte.
- Aplique uma carga mais pesada (6 kN) por 2 min e solte.
- Depois que a carga for liberada, solte a bomba de vácuo.
NOTA: Devido às diferentes propriedades materiais de várias nanopartículas, pode ser vantajoso preparar uma série de pelotas com cargas diferentes e tempos de carga para determinar as condições ideais de pressão da pelota. - Inverta o dado, coloque o anel extrator em posição e coloque uma carga leve (até 1 kN) entre o êmbolo e o anel extrator.
- Remova as partes de dado da prensa e extraia cuidadosamente a pelota da amostra com pinças.
- Monte suavemente a amostra em um wafer Si limpo usando adesivo de dois lados. O protocolo pode ser pausado aqui.
4. Criofixação de suspensões de nanopartículas
- Encha a câmara principal do dispositivo de congelamento rápido com nitrogênio líquido.
- Encha a câmara de congelamento rápido resfriado com o criogen (propano).
- Deixe o dispositivo de congelamento rápido esfriar à temperatura de funcionamento.
NOTA: O dispositivo de congelamento rápido requer algum tempo para atingir a temperatura de operação antes da preparação da amostra, portanto é necessário um prazo razoável (algumas horas) para criofixar as amostras. - Drop-cast 10-20 μL de suspensão NP em um wafer Si limpo com uma pipeta.
- Segurando o wafer Si com pinças de fixação, coloque-o dentro do dispositivo de congelamento de mergulho.
- Mova a pinça de fixação para a posição de mergulho.
- Pressione o botão para soltar a amostra dentro do criogen.
- Espere vários segundos até que a amostra esteja completamente congelada.
- Transfira as amostras congeladas o mais rápido possível para um ambiente refrigerado.
- Coloque a amostra criofixada (Wafer Si) no porta-amostras e transfira-a para dentro do instrumento.
NOTA: Para o transporte, recomenda-se o armazenamento de amostras de gelo seco e de curto prazo. As amostras podem ser medidas em um estado congelado com um instrumento resfriado ou com configurações convencionais de ToF-SIMS após a estabilização, secando a amostra.
Representative Results
Este artigo apresenta uma variedade de métodos de preparação de amostras para análise superficial de nanopartículas. Uma vez que as propriedades fisicoquímicas de um NP específico definirão tanto o método ideal para a preparação da amostra (por exemplo, drop-casting vs. spin coating) quanto o melhor procedimento para esse método (por exemplo, exigindo diferentes substratos ou solventes), a adequação do método utilizado deve ser validada através de métodos analíticos alternativos e otimizada, se necessário. Os resultados observados nesta publicação são consistentes com a literatura publicada anteriormente, mostrando a necessidade de protocolos e procedimentos consistentes para a preparação da amostra, bem como a necessidade de verificações de qualidade para garantir que os métodos de preparação e purificação da amostra sejam apropriados, bem sucedidos e não danifiquem as nanopartículas22,33,34,35,36.
Os métodos de amostragem e armazenamento de NPs não foram abordados aqui, pois são descritos detalhadamente em várias outras referências14,15,16,17,18,34,37,38,39. Naturalmente, deve-se tomar muito cuidado para que as amostras analisadas sejam representativas da distribuição global de nanopartículas e dos métodos de amostragem adequados desenvolvidos e validados. As condições de armazenamento também têm sido demonstradas para afetar fortemente as propriedades das nanopartículas durante um período de meses e, portanto, devem ser cuidadosamente consideradas. Como exemplo, recomendamos que as nanopartículas sejam armazenadas em pequenas quantidades em recipientes selados longe da luz, idealmente abaixo de 4 °C. Também é crucial que o armazenamento, amostragem e preparação da amostra sejam realizados de forma consistente de acordo com os procedimentos validados, bem como esteja sendo documentado detalhadamente. Esta documentação deve incluir os metadados dos próprios NPs, como informações de procedência e condições de armazenamento40. Ferramentas como notebooks eletrônicos de laboratório (ELNs) podem ser úteis para documentação consistente de procedimentos e metadados NP, bem como permitir a produção de dados de acordo com o princípio FAIR (Findable, Accessible, Interoperable e Reusable).
A análise superficial precisa e correta dos NPs requer, em primeiro lugar, uma escolha adequada do substrato. Usamos wafers Si limpos como substratos porque são prontamente disponíveis, duráveis, facilmente limpos, condutores e suficientemente planos, porém dependendo dos objetivos da análise a camada de superfície de óxido pode ser uma desvantagem, pois os hidrocarbonetos aventureiros no substrato não podem ser diferenciados daqueles das nanopartículas. Quando necessário, outros materiais como revestimentos de ouro ou polimérico em wafers Si, wafers Si3N4 ou HOPG (grafite pirolítico altamente orientado) podem ser usados19,20,21,22. O primeiro passo na preparação da amostra descrito neste artigo é a limpeza do wafer Si, mostrado como um esquema na Figura 1. A eficácia do processo de limpeza pode ser verificada por uma variedade de métodos, incluindo o XPS, como mostrado na Figura 2. O principal contaminante (carbono aventureiro) é típico de amostras armazenadas no ar e é significativamente reduzido após o processo de limpeza. Além disso, a hidroxilagem da superfície do wafer via tratamento UV ou ozônio evita o efeito do anel de café da deposição da suspensão aquosa, aumentando a capacidade de umidade e levando, portanto, a uma distribuição mais homogênea das nanopartículas, como mostrado na Figura 3. Métodos alternativos de limpeza química úmida para wafers Si podem ser usados conforme necessário; aqui apenas uma superfície reprodutivelmente limpa é necessária em vez da remoção completa de todos os contaminantes orgânicos ou da camada de óxido. Se o protocolo for pausado entre as etapas de deposição de limpeza e suspensão, o wafer deve ser tratado novamente sob plasma ou UV/ozônio e a suspensão depositada idealmente dentro de 15 minutos de tratamento.
A suspensão de nanopartículas de concha-núcleo Au-Ag de 60 nm mostradas na seção 2.2 continha uma quantidade significativa de citrato de sódio como estabilizador, o que é uma ocorrência comum em suspensões de nanopartículas. Para uma análise precisa dessas partículas e suas propriedades superficiais, particularmente via XPS, o máximo de estabilizador deve ser removido o máximo possível, pois atenua o sinal das nanopartículas e causa efeitos de carregamento. A fim de estabelecer o método ideal de purificação dessas nanopartículas, mostrados como micrografos SEM na Figura 4, eles foram diificados em água ultrauso ou purificados usando centrifugação e re-dispersão em triplicado. Embora a diálise pareça um método mais suave e centrifugação e re-dispersão mais propensos a causar aglomeração e agregação das partículas, as imagens SEM mostram deformação significativa e danos das nanopartículas Au-Ag após a diálise (Figura 4B), enquanto as partículas centrifadas/re-dispersas ainda estão intactas (Figura 4C ). Isto é particularmente notável com nanopartículas metálicas; nossa hipótese é que há uma quantidade ideal de citrato de sódio que permite alguma estabilização da solução, enquanto não interfere com o sinal para as nanopartículas, e a remoção de muito estabilizador causa danos às nanopartículas. Um relatório anterior mostra que há um número ideal de ciclos de centrifugação para remoção da maior parte do citrato de sódio; exceder esse número causa alguma agregação de PN33. Neste estudo, foram necessários nove ciclos de diálise (um total de 36 h) para obter concentração citrato semelhante; no entanto, esse método resultou em uma maior quantidade de agregação do que centrífuga, além de causar uma diminuição na funcionalização da superfície. Esses resultados demonstram a importância de verificar cada etapa do procedimento de preparação para cada tipo diferente de nanopartícula, particularmente com amostras desconhecidas.
As nanopartículas de concha-núcleo Au-Ag de 60 nm utilizadas neste exemplo são adequadas para a fundição de gotas devido à sua condutividade elétrica, pois os efeitos de carregamento não são um problema e uma mancha grossa pode ser gerada por deposição repetida usando relativamente pouco equipamento. Esta camada mais grossa tem a vantagem de dar medidas mais reprodutíveis, e a fundição de uma suspensão mais concentrada pode economizar tempo reduzindo o número de etapas de deposição. O depoimento pode ser influenciado pela capacidade de substrato; a umidade ruim pode produzir um ponto de nanopartícula espesso que é vantajoso para amostras condutoras, enquanto uma boa moagem pode produzir uma camada de nanopartículas mais homogênea, que pode ser útil tanto para amostras condutivas quanto para isolantes. Como descrito no protocolo, a queda de suspensões de nanopartículas geralmente requer aplicações repetidas para obter uma camada grossa com cobertura completa; isso deve ser verificado usando o XPS, mas também pode ser verificado de forma rápida e fácil usando microscopia óptica. A Figura 5 mostra a evolução da cobertura de gotículas em uma queda de nanopartículas de conchas de núcleo Au-Ag a partir de uma solução aquosa; Neste caso, 13 etapas de drop-casting são necessárias para obter cobertura completa. A fundição de gota é particularmente adequada para partículas condutoras, ou as em que os efeitos de carregamento podem ser adequadamente compensados. Como acontece com os outros métodos descritos nesta publicação, o drop-casting deve ser otimizado para cada amostra, pois diferentes materiais NP terão propriedades diferentes em relação à profundidade e concentração de informações e limites de espessura do filme. É importante evitar filmes muito grossos que podem causar empilhamento de orgânicos, por sua vez, inibindo o sinal NP.
Um revestimento homogêneo e de boa qualidade ajuda a garantir resultados consistentes e reprodutíveis. Além dos parâmetros de concentração de suspensão, solvente e revestimento de spin, a qualidade das suspensões revestidas de spin também pode ser influenciada negativamente pela presença de poeira ou outras grandes partículas macro ou microscópicas. A Figura 6 mostra a melhoria na qualidade de revestimento de spin de uma suspensão de nanopartículas após a filtragem com um filtro de seringa de 0,45 μm. O filtro deve ser selecionado para garantir que não remova as nanopartículas da suspensão. As três diferentes concentrações de suspensão descritas no protocolo (90, 9,0 e 0,9 mg/mL de nanopartículas de concha-núcleo PS-PTFE de 135 nm) foram fundidos nas mesmas condições e analisados utilizando-se SEM e XPS. A imagem superior e o espectro na Figura 7 mostram o elenco do filme a partir da suspensão de 90 mg/mL, que mostra uma cobertura multicamadas espessa e sem lacunas na imagem SEM, bem como uma notável ausência de picos de Si no espectro cps, indicando nenhuma contribuição do substrato para o espectro. Esta amostra é ideal para análise xps ou tof-sims; além disso, os picos menores de F1s a partir da concha das partículas podem ser claramente vistos na ausência de um grande sinal do substrato. A segunda amostra lançada a partir da suspensão de 9,0 mg/mL mostra as partículas em pequenos aglomerados de camada única, que não cobrem completamente a superfície. Esta amostra é muito fina e inhomogênea para análise de XPS ou ToF-SIMS. Além disso, a análise quantitativa pode ser prejudicada devido à contribuição de carbono aventureiro no substrato mesmo após uma limpeza cuidadosa; no mínimo, tal efeito deve ser considerado no orçamento de incerteza da medida. Esta amostra seria, no entanto, ideal para a análise SEM ou TEM da distribuição do tamanho das partículas utilizando software de análise de imagem, uma vez que as partículas existem em uma única camada e em um número suficiente (dentro da imagem) para fornecer uma avaliação estatisticamente significativa. A amostra lançada a partir da menor concentração (0,9 mg/mL) não fornece cobertura contínua ou densidade de partículas suficientes para torná-la adequada para análise da química da superfície ou da distribuição do tamanho das partículas. Uma análise quantitativa confiável não é possível devido à influência dominante do substrato.
Os NPs de concha de núcleo Al2O3-TiO2 com uma camada externa PDMS ou glicerol foram preparados através de drop-casting da suspensão, bem como do pó usando o método "stick-and-go" a fim de comparar os efeitos dos diferentes métodos de preparação na camada externa sensível. As amostras foram analisadas com ToF-SIMS, onde no espectro foram analisadas utilizando-se análise de Componentes Principais (PCA). O PCA é uma técnica estatística para reduzir a dimensionalidade de grandes conjuntos de dados, criando novas variáveis não corrigidas (os componentes principais), que maximizam a variância nos dados41,42,43,44,45. A separação de diferentes conjuntos de amostras no gráfico principal do componente permite que os resultados sejam mais facilmente analisados e agrupados. No gráfico de pontuação do PCA na Figura 8B, que mostra o poder de discriminação de cada conjunto de dados em comparação com todos os outros conjuntos de dados (ou seja, entre diferentes conjuntos de amostras) as duas amostras preparadas a partir de escores em pó mostram escores muito diferentes, enquanto as amostras preparadas a partir da dispersão mostram pontuações muito semelhantes. Os gráficos de carregamento mostrados na Figura 8C indicam a relação entre variáveis, ou seja, quais picos contribuem mais para os respectivos componentes principais. Todos os componentes principais são classificados de acordo com sua contribuição para a diferença observada entre os conjuntos de dados, ou seja, o PCA1 contribui mais para a separação observada dos diferentes conjuntos de dados. O PC1 é dominado pela presença (NPs revestidos de PDMS preparados a partir de pó) ou ausência (todas as outras amostras) de picos de PDMS, enquanto o PC2, fator responsável pela segunda maior variação dentro dos conjuntos de dados, permite a diferenciação do Al2O3 e do capping orgânico nos NPs. Isso indica que os espectros medidos de NPs preparados a partir da suspensão são muito semelhantes e sugere que as camadas PDMS e glicerol podem ter sido removidas ou danificadas pela preparação da suspensão, tanto da própria suspensão quanto do processo de secagem, com sinais dominantes do Al2O3 ou TiO2.
Embora as pelotas prensadas possam fornecer vantagens para a preparação de amostras em pó, como facilidade de manuseio e estabilidade em instrumentos de vácuo ultra-alto (incluindo a capacidade de sputter sem desalojar NPs na câmara de alto vácuo), as forças altas envolvidas também podem danificar nanopartículas sensíveis, como já foi visto com outros métodos de preparação. Um protocolo adequado deve ser preparado e validado.
No caso das dispersões de PN, a criofixação de suspensões de amostra fundido evita efeitos do anel de café (devido à fixação instantânea da suspensão do PN e, portanto, eliminação dos efeitos de secagem) bem como a preservação de estruturas maiores presentes na suspensão. Além disso, evita-se a aplicação de fita adesiva. Isso, por sua vez, se reflete em sinais reduzidos, que podem ser atribuídos a sais, contaminantes ou outros artefatos do procedimento de preparação da amostra no respectivo espectro de massa, como mostrado na Figura 9. A principal vantagem da criofixação é a capacidade de conservar "como está" o espaço químico ao redor das nanopartículas e/ou da entidade química dos aglomerados de partículas ou heteroagglomerados, bem como sua correlação com características biológicas dentro de tecidos ou células únicas ou mesmo a co-localização para compartimentos intracelulares, sem interrupção das etapas de manuseio da amostra, como a secagem, drop-casting, etc46'47. Demonstramos a aplicabilidade da técnica de criofixação dentro do papel atual e destacamos as vantagens da criofixação para nanopartículas TiO2. Ressaltamos que a criofixação é particularmente adequada para a análise de amostras biológicas devidas em seu estado natural sem a luxação de produtos químicos devido a artefatos de preparação de amostras. Para obter informações mais aprofundadas sobre técnicas de fixação de amostras biológicas, o leitor é encaminhado para a literatura19,25,27,48,49.
| XPS | ToF-SIMS | |
| Feixe de sonda | Fótons | Íons |
| Feixe de Análise | Elétrons | Íons |
| Resolução Espacial* | > 1 μm | 0,1 μm |
| Profundidade amostral | 0.5 – 7,5 nm | <2 nm |
| Limite de detecção | 0,01 -0,1 átomo % | Ppb |
| Quantificação | Excelente (semi quantitativo) | Desafiador (efeitos matriciais) |
| Conteúdo informativo | Elementar Ligação química |
Elementar Molecular |
| Análise Orgânica | Excelente | Excelente no modo estático |
| * especificado pelo fabricante | ||
Tabela 1: Comparação de vários métodos para análise de superfície.
| Método | Adequado para | Dá | Vantagens | Desvantagens | Cuidado | Controles | Verificar |
| Diálise | Purificação | Remoção de estabilizadores/impurezas | Simples, de baixo esforço, sem equipamentos complicados | Falta de controle sobre o processo | Pode causar danos às nanopartículas | Hora | Danos às nanopartículas (SEM) |
| Centrifugação/re-dispersão | Purificação | Remoção de estabilizadores/impurezas | Mais controle sobre o processo, concentração simultânea | Intensivo em mão-de-obra, requer centrífuga | Pode causar agregação ou aglomeração | Velocidade de rotação centrífuga, quantidade de solvente | Aglomeração/agregação/dano às nanopartículas (SEM) |
| Fundição de queda (suspensão) | NPs condutivos sem camada externa sensível | Local revestido relativamente espesso | Simples, sem equipamento complicado | Pode dar espessura inhomogênea, tempo intensivo | A preparação da suspensão pode danificar conchas NP sensíveis | Concentração de suspensão, solvente (wettability substrato) | Cobertura (microscopia leve/XPS) |
| revestimento de rotação (suspensão) | NPs condutores ou não condutores sem camada externa sensível | Camada homogênea fina, ou partículas únicas | Configurações consistentes | Requer determinação experimental dos parâmetros ideais | Filtrar poeira/impurezas, a cobertura pode ser inconsistente | Concentração, parâmetros de revestimento de spin, solvente | Pré-filtração, Cobertura, espessura da camada (SEM/XPS) |
| "Pau e ir" (pó) | NPS condutor e não condutor inorgânico com camada externa sensível | Mancha de pó em adesivo | Simples, de baixo esforço, sem equipamentos complicados | Inadequado para NPs orgânicos ou contendo C, espessura de filme inconsistente | Perigo de liberação de NP em instrumentos | Fixação de NPs em adesivo | Estabilidade em altas condições de vácuo |
| depoimento em buraco de um stub (pó) | Análise XPS; partículas orgânicas condutoras/não condutoras ou inorgânicas | Amostra de nanopartículas levemente pressionada | Nenhum contato com outros materiais | Sem fixação segura de NPs; inadequado para ToF-SIMS | Dager de NP libera em instrumentos | Nenhum | Incline levemente para o lado, para garantir que o pó seja compactado |
| Pelotas prensadas (pó) | NPS condutivos e não condutores, NPs poliméricas | Pelota sólida | Permite a análise de NPs poliméricas como pó | Pode danificar ou contaminar a superfície NP | Os materiais devem ser limpos completamente para evitar a contaminação da superfície; pode danificar a superfície | Tamanho, pressão, tempo | Estabilidade em altas condições de vácuo |
| Fixação criobito (suspensão) | Suspensões NP com camada de ligante sensível; amostras biológicas | Amostra sólida | Conserva morfologia, estado biológico nativo e corona, reduz efeito do anel de café | Preparação sofisticada e cara e manuseio de amostras, requer usuário qualificado | alto grau de habilidades necessárias para o manuseio de amostras e armazenamento de amostras | Concentração, tamanho da gota, temperatura | Preservação da vitrificação |
Tabela 2: Comparação de diferentes métodos de preparação de amostras.
Figura 1: Processo de limpeza para wafers Si. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Espectro XP de Wafer Si antes e depois da limpeza. Levantamento antes (cinza) e depois (vermelho) limpeza, mostrando a diminuição da quantidade de carbono de 13 em% para 2 em%. Os espectros foram obtidos com um Kratos Supra DLD (Manchester, Reino Unido) com uma radiação monocromática Al Kα. As amostras foram fixadas com fita adesiva dupla no suporte da amostra, a energia de passagem foi de 80 eV, largura do passo 1 eV, tempo de moradia de 500 ms. O "modo lente híbrida" foi usado. O tamanho da mancha de raio-X foi de 300 x 700 μm². Uma arma de inundação foi usada para compensação de acusações. Para análise quantitativa, foi utilizado o pacote de software UNIFit 202050 , utilizando-se as áreas de pico dos picos fotoelétrons correspondentes corrigidos com fundo Tougaard e normalizados com fatores Scofield, vias médias inelásticas e a função de transmissão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Efeito da limpeza do UV/ozônio na homogeneidade da dispersão de partículas na fundição de nanopartículas de concha-núcleo PTFE-PMMA da suspensão aquosa. Os wafers limpos com UV/ozônio mostram uma diminuição significativa nos anéis de café, bem como uma melhor adesão das partículas à superfície. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Opções de tratamento para remover impurezas (por exemplo, estabilizadores) de suspensões de nanopartículas Imagens SEM mostrando o efeito da diálise (superior direita) e centrifugação e re-dispersão em triplicado (inferior direito) em nanopartículas de concha-núcleo Au-Ag de 60 nm. As nanopartículas são claramente danificadas pela diálise, enquanto a centrifugação não tem efeito visível. Todas as barras de escala são de 100 nm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Imagens de microscópio óptico a partir de fundição de gota de 60 nm de diâmetro Au-Ag núcleo-shell nanopartículas de suspensão aquosa em wafers de silício, mostrando cobertura suficiente após 13 gotas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Suspensão de nanopartícula revestida de spin, antes (esquerda) e depois (direita) filtragem com um filtro de seringa de 0,45 μm. A melhoria da qualidade após a filtragem pode ser claramente vista. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Imagens SEM e espectros XPS de nanopartículas de concha-núcleo PMMA-PTFE giram em várias concentrações, mostrando o efeito de picos de substrato (de cobertura insuficiente) no espectro XPS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Gráfico de pontuação da Análise de Componentes Principais (PCA), derivado de espectros ToF-SIMS de NPs al2O3-tiO2 revestidos de GFMS. (A) Esquema da estrutura NP; (B) Escores e (C) Parcelas de carregamento após análise do ToF-SIMS dos métodos de preparação de drop-cast (dispersão) e "stick-and go" (pó). PC1 representa picos correlacionados com fragmentos de PDMS; Pc2 separa amostras com um revestimento orgânico (amostras preparadas a partir de pó) de picos al2O3 aparentemente sem revestimento superficial. Os espectros foram medidos no modo positivo em um instrumento IONTOF ToF-SIMS IV (ION-TOF GmbH, Münster, Alemanha) no modo espectrometria (HCBU) com um feixe de íons Bi3+ de 25 kV com densidade de dose máxima de 1012 íons/cm2. Um campo de visão de 150 x 150 μm foi escaneado no modo de dente de serra com 125 x 125 pixels. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Seção de espectros de massa ToF-SIMS de NPs TiO2 . (A) preparado a partir do pó com o método "stick and go" e (B) após a criofixação da dispersão NP. Um instrumento ToF-SIMS (ION-TOF V; Ion-TOF GmbH, Münster, Alemanha) foi utilizado para análises de espectrometria de massa com uma pistola de íons de metal líquido Bi3+ pulsada de 30 keV +(LMIG, corrente direta (dc), 16 nA). Cada espectro foi adquirido escaneando o feixe de íons sobre uma área amostral de 500 × 500 μm. Íons secundários positivos foram adquiridos na faixa de massa 0-1.200 Da usando 106 pulsos Bi3+ . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Discussion
Uma série de métodos foram apresentados para a preparação de nanopartículas para análise superficial utilizando XPS e ToF-SIMS. Resumimos as vantagens e desvantagens desses métodos, bem como possíveis fontes de erro e adequação para diferentes materiais, na Tabela 2. Como mostrado nos resultados representativos, a preparação de nanopartículas pode influenciar fortemente o sucesso da análise superficial resultante. Além disso, nem todos os métodos são adequados para todos os tipos de partículas devido a fatores como interferência de sinal com o substrato ou materiais de montagem, efeitos de carregamento em filmes grossos não condutores, estado das nanopartículas como pó ou suspensão, danos potenciais a camadas externas sensíveis, destruição de estruturas biológicas e informações sobre agregação e interfaces, ou vulnerabilidade de instrumentos sensíveis de ultra-vácuo para liberar nanopartículas.
Como as medições xps e tof-SIMS são médias sobre uma área em vez de medir partículas únicas, só é possível obter resultados reprodutíveis a partir de camadas homogêneas; a agregação ou aglomeração das partículas no substrato devem, portanto, ser evitadas. Além disso, camadas muito grossas de materiais não condutores causam efeitos de carregamento durante a análise, o que pode levar a artefatos indesejados nos espectros, especialmente carga parcial que não pode ser compensada com uma arma de inundação. Por outro lado, filmes incompletos mostram sinais fortes do substrato ou materiais de montagem (por exemplo, adesivos), que podem interferir com picos sensíveis da superfície das partículas. A espessura ideal do filme é dependente do material e deve ser determinada experimentalmente pela análise de filmes de diferentes espessuras. Em particular, as amostras preparadas com revestimento de spin devem ser analisadas com SEM para garantir a comnitude do revestimento.
Trabalhar com suspensões de PN apresenta menos riscos de exposição e requisitos de segurança em comparação com o trabalho com pós NP. Drop-casting é um método relativamente simples com baixos requisitos de equipamento e é particularmente adequado para nanopartículas condutoras em suspensão onde a espessura do filme não é uma preocupação. Embora as amostras possam ser facilmente secas em condições atmosféricas, o desiccador de vácuo serve para reduzir o tempo de secagem para as gotículas, bem como proteger os wafers da contaminação. O anel Viton é usado para modificar os padrões de evaporação da gotícula e, assim, minimizar a formação de anéis de café. Os padrões de evaporação também podem ser influenciados pela variação da hidrofilidade do substrato usando protocolos de limpeza ou por aplicação de revestimentos alternativos51,52, evaporando em atmosferas solventes53, ou mesmo aquecendo o substrato54. O spin-coating é recomendado para suspensões de nanopartículas não condutoras em suspensão, pois é capaz de gerar uma camada de partícula homogênea que é fina o suficiente para evitar efeitos de carregamento, mas ainda espessa o suficiente para evitar que o substrato Si contribua para os espectros XPS e ToF-SIMS. Para cada sistema np individual e concentração, tanto os parâmetros de centrífuga quanto de revestimento de spin devem ser otimizados, mas podem ser reproduzidos de forma muito confiável mesmo em diferentes instrumentos. Como a gota revestida de spin está sempre no meio do wafer, o raio de rotação é irrelevante e a unidade "revoluções por minuto" (rpm) pode ser usada. A suspensão poderia ser depositada no wafer após o início do programa; no entanto, isso exigiria diferentes parâmetros de revestimento de spin e uma maior quantidade de suspensão para obter um revestimento mais grosso.
Devido ao seu tamanho extremamente pequeno, as nanopartículas podem se desprender do substrato e mover-se livremente dentro da câmara de vácuo ultra-alto quando impactadas com um feixe de íon ou raio-x. Este é um problema particular para amostras preparadas com pó. Em alguns casos, as nanopartículas podem penetrar nos componentes sensíveis do instrumento que requerem manutenção cara e demorada. Devido à tensão de aceleração aplicada, o perigo de danificar peças sensíveis é maior com ToF-SIMS do que com o XPS. As amostras em pó, particularmente aquelas preparadas usando o método "stick and go", devem ser cuidadosamente verificadas para garantir que os pós sejam fixados com segurança suficiente, especialmente para a análise de ToF-SIMS. Isso pode ser confirmado por, por exemplo, segurar a amostra de cabeça para baixo e soprar um fluxo de gás (por exemplo, N2) através dela. Antes da análise, as amostras também podem ser deixadas durante a noite na câmara de ar ou outra câmara inicial de entrada de amostra do instrumento, onde um vácuo estável pode indicar que não há partículas soltas da amostra. As nanopartículas preparadas como pelotas, no entanto, podem até ser espaçadas (em baixas tensões de aceleração) sem danificar o instrumento; este método pode eliminar contaminantes, particularmente hidrocarbonetos, introduzidos a partir da prensa e também pode permitir a análise em massa das partículas.
A preparação de pós NP no stub do suporte da amostra permite a preparação de amostras com geometria definida e uma superfície macroscopicamente plana. Pontos críticos são a limpeza da ferramenta para pressionar a amostra, e o uso de uma baixa pressão para evitar alterações na superfície das nanopartículas devido a este procedimento. Tem as desvantagens de precisar de uma quantidade relativamente alta de material, e problemas potenciais com a perda de material em instrumentos de alto vácuo. Não recomendamos este método para análise de ToF-SIMS, pois as partículas não são compactadas ou protegidas de forma alguma.
Em relação ao material NP, a primeira consideração para a preparação da amostra é a eliminação ou minimização da interferência entre NPs e substratos de material semelhante; por exemplo, os wafers si são um substrato inadequado para análise de NPs SiO2 usando XPS e ToF-SIMS, mesmo com cobertura amostral suficiente. As nanopartículas metálicas ou inorgânicas podem ser prontamente analisadas como pó em um adesivo (assumindo que não contenham camadas orgânicas ou revestimentos) devido à falta de interferência de sinal entre as nanopartículas e o adesivo de dupla lateral, um método de preparação que seria inadequado para NPs poliméricas. As nanopartículas metálicas têm mais flexibilidade em termos de possível espessura do filme usada devido à ausência de efeitos de carregamento, e pode ser lançado com equipamento relativamente pequeno; no entanto, é provável que contenham grandes quantidades de impurezas e estabilizadores de sua síntese, que devem ser cuidadosamente removidos sem danos às partículas. As nanopartículas poliméricas podem ser mais facilmente danificadas pela prensagem de morte, mas também podem se manter mais prontamente juntas na pelota, dependendo das pressões utilizadas. Pelotas ou revestimentos orgânicos macios na superfície NP também podem ser sensíveis a danos. A deposição direta da solução tem o potencial de danificar revestimentos sensíveis, seja através da suspensão ou do processo de secagem, mas é vantajoso para analisar NPs já presentes na suspensão. A criofixação é um método adequado para a análise de estruturas químicas, superfícies ou interfaces em suspensão que seriam danificadas ou destruídas por várias outras técnicas de preparação de amostras, mas requer um crioequipamento especializado tanto para XPS quanto para ToF-SIMS46'47.
Embora este artigo descreva vários métodos exemplares que podem ser utilizados para a preparação da amostra, em todos os casos o método deve ser otimizado e validado usando métodos analíticos alternativos. Uma visão geral detalhada da influência de diferentes fatores foi publicada recentemente22. Além do desenvolvimento e validação dos métodos adequados de preparação, a documentação dessas etapas também é de suma importância40. Esta publicação apresenta alguns métodos fáceis de lidar e é um guia para modificar ou desenvolver novos métodos de acordo com os requisitos da tarefa específica.
Disclosures
Os autores não têm interesses concorrentes para divulgar.
Acknowledgments
Este projeto recebeu financiamento do Programa Horizonte 2020 da União Europeia (H2020) sob o acordo de subvenção nº 720952 (ACEnano). Os autores gostariam de agradecer a Sigrid Benemann pelas medições sem, Markus Schneider por medições do ToF-SIMS e PCA, e Philipp Reichardt por assistência nas filmagens.
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
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