ToF-SIMSおよびXPS分析用ナノ粒子の調製

本論文では、ナノ粒子の表面解析のための様々なサンプル調製方法を紹介する。特定のNPの物理化学的特性は、サンプル調製のための最適な方法(例えば、ドロップキャスティングとスピンコーティング)とその方法(例えば、異なる基質または溶媒を必要とする)の最良の方法の両方を定義するので、使用される方法の適合性は、代替分析方法を介して検証され、必要に応じて最適化されるべきである。この文献に記載されている結果は、サンプル調製のための一貫したプロトコルと手順の必要性と、サンプル調製および精製方法が適切で成功し、ナノ粒子22、33、34、35、36に損傷を与えないことを確認するための品質チェックの必要性を示す上で、以前に発表された文献と一致している。 ここでは、他の参考文献14,15,16,16,17,18,34,37,38,39で詳しく説明されているため、ここでは取り上げられていない。当然のことながら、分析されたサンプルがナノ粒子分布全体を代表し、適切なサンプリング方法が開発され検証されることを細心の注意を払う必要があります。また、貯蔵条件は、数ヶ月にわたってナノ粒子の特性に強く影響することが示されているため、慎重に検討する必要があります。例として、ナノ粒子は、光から離れた密閉容器内に少量保存し、理想的には4°C以下に保存することをお勧めします。 また、ストレージ、サンプリング、サンプルの準備は、検証済みの手順に従って一貫して実行され、詳細に文書化されていることも重要です。このドキュメントには、証明情報やストレージ条件40など、NP自体のメタデータを含める必要があります。電子ラボ ノートブック (ELN) などのツールは、プロシージャと NP メタデータの一貫性のあるドキュメントを作成する場合や、FAIR の原則 (検索可能、アクセス可能、相互運用可能、再利用可能) に従ってデータを生成する場合に役立ちます。 まず、NPの正確で正確な表面解析には、適切な基板の選択が必要です。洗浄されたSiウエハースは、容易に入手でき、耐久性があり、容易に洗浄され、導電性があり、十分に平坦であるため、基板上の出現炭化水素はナノ粒子上のものと区別できないため、酸化物表面層は欠点になる可能性があるため、基板として使用してきました。必要に応じて、Siウエハース上の金またはポリマーコーティング、Si3N4ウエハー、またはHOPG(高配向熱分解性グラファイト)の他の材料を19,20,21,22に使用することができる。本稿で説明するサンプル調製の第1ステップは、図1の概略図として示すSiウェハの洗浄である。クリーニングプロセスの有効性は、XPSを含む様々な方法で検証することができます(図2参照)。主な汚染物質(アドベンティアスカーボン)は、空気中に貯蔵されたサンプルに典型的であり、洗浄プロセス後に大幅に減少します。さらに、UVまたはオゾン処理を介してウエハー表面を水酸化し、水性懸濁液からの沈着からコーヒーリング効果を回避し、したがって、図3に示すようにナノ粒子のより均質な分布に導きます。Siウエハース用の代替湿式化学洗浄方法は、必要に応じて使用することができます。ここでは、すべての有機汚染物質または酸化物層の完全な除去ではなく、再現的にきれいな表面のみが必要です。プロトコルが洗浄と懸濁液の堆積ステップの間で一時停止されている場合、ウエハは、プラズマまたはUV/オゾンの下で再処理され、懸濁液は、処理の15分以内に理想的に堆積する必要があります。 セクション2.2に示す60nmAu-Agコアシェルナノ粒子の懸濁液は、安定剤としてかなりの量のクエン酸ナトリウムを含んでいたが、これはナノ粒子懸濁液において一般的に発生する。これらの粒子とその表面特性、特にXPSを介して正確に分析するためには、ナノ粒子からの信号を減衰させ、充電効果を引き起こすので、できるだけ多くの安定剤を除去する必要があります。 図4にSEM顕微鏡写真として示されているこれらのナノ粒子の最適な精製方法を確立するために、超純水で透析するか、遠心分離を用いて精製し、三重化で再分散した。透析は粒子の凝集と凝集を引き起こす可能性が高い穏やかな方法と遠心分離と再分散のように見えますが、SEM画像は透析後のAu-Agナノ粒子の有意な変形と損傷を示し(図4B)、遠心分離/再分散粒子はまだそのままです(図4C).これは特に金属ナノ粒子で顕著です。我々の仮説は、ナノ粒子の信号に干渉しない間溶液の安定化を可能にするクエン酸ナトリウムの最適量があり、あまりにも多くの安定剤の除去は、ナノ粒子に損傷を引き起こすということです。以前のレポートでは、クエン酸ナトリウムのほとんどの除去に最適な数の遠心サイクルがあることを示しています。この数を超えると、NP 集計が発生します33。この研究では、同様のクエン酸濃度を得るために9つの透析サイクル(合計36時間)が必要でした。しかし、この方法は、遠心分離よりも高い凝集量をもたらし、表面官能化の低下を引き起こした。これらの結果は、特に未知のサンプルを用いて、ナノ粒子の異なるタイプごとに調製手順の各ステップを検証することの重要性を示している。 この例で使用される60 nm Au-Agコアシェルナノ粒子は、その電気伝導性によるドロップキャストに適しており、充電効果は問題ではなく、比較的少ない機器を使用して繰り返し堆積させることによって厚いスポットを生成することができる。この厚い層は、より再現性の高い測定を与える利点があり、より集中した懸濁液からの鋳造は、堆積ステップの数を減らすことによって時間を節約できる。堆積は、基板の濡れ性の影響を受けることができます。湿潤不良は、導電性サンプルに有利な厚いナノ粒子スポットを生成することができ、良好な湿潤は、導電性および絶縁試料の両方に有用であり、より均質なナノ粒子層を生成することができる。プロトコルで説明されているように、ナノ粒子懸濁液のドロップキャストは、通常、完全なカバレッジを持つ厚い層を得るために繰り返しアプリケーションを必要とします。これは XPS を使用して検証する必要がありますが、光顕微鏡を使用して迅速かつ簡単に検証することもできます。 図5 は、水溶液からのAu-Agコアシェルナノ粒子のドロップキャストにおける液滴カバレッジの進化を示しています。この場合、完全なカバレッジを実現するには、13 のドロップキャスト手順が必要です。ドロップ鋳造は、導電性粒子、または充電効果を適切に補償できる粒子に特に適しています。この出版物で説明されている他の方法と同様に、異なるNP材料は情報の深さおよび濃度および膜厚さ限界に関する異なる特性を有するので、ドロップ鋳造は各サンプルに対して最適化されるべきである。NP信号を阻害する有機物の積層を引き起こす可能性のある厚すぎるフィルムを避けることは重要です。 均質で良質のコーティングは一貫した、再生可能な結果を保障するのを助ける。懸濁液濃度、溶媒、およびスピンコーティングパラメータに加えて、スピンコート懸濁液の品質は、ほこりまたは他の大きなマクロ粒子または顕微鏡粒子の存在によっても負の影響を受け得る。 図6 は、0.45 μmのシリンジフィルターでろ過した後のナノ粒子懸濁液のスピンコーティング品質の向上を示しています。フィルターは、懸濁液からナノ粒子を除去しないように選択する必要があります。プロトコルに記載された3つの異なる懸濁液濃度(135 nm PS-PTFEコアシェルナノ粒子の90,9.0および0.9mg/mL)を同じ条件でスピンキャストし、SEMおよびXPSを用いて分析した。 図7 の上面画像とスペクトルは、SEM画像における厚く、ギャップのない多層カバレッジ、ならびにCPSスペクトルにおけるSiピークの顕著な欠如を示す90mg/mL懸濁液から投射されたフィルムを示し、スペクトルに基質の寄与を示さない。このサンプルは、XPS または ToF-SIMS 分析に最適です。さらに、粒子のシェルからの小さなF1sピークは、基板からの大きな信号がない場合にはっきりと見ることができる。9.0 mg/mL懸濁液から投げられた2番目のサンプルは、表面を完全に覆わない小さな単層凝集体の粒子を示す。このサンプルは、XPS または ToF-SIMS 解析には薄すぎて、不等分です。さらに、慎重な洗浄の後でも、基板上の気化炭素の寄与により定量分析が損なわれる可能性があります。少なくとも、このような効果は、測定の不確実性予算で考慮されなければならない。しかし、このサンプルは、単一の層に存在し、(画像内)に十分な数の粒子が存在し、統計的に有意な評価を提供するのに、画像分析ソフトウェアを用いた粒子サイズ分布のSEMまたはTEM分析に最適である。最も低い濃度(0.9 mg/mL)からのサンプルキャストは、連続的な被覆または十分な粒子密度を提供せず、表面化学または粒度分布の分析に適しています。基板の支配的な影響により、信頼性の高い定量分析が可能とは限りません。 PDMSまたはグリセロール外層のいずれかを有するAl2O3-TiO2コアシェルNPは、感度外層に対する異なる調製方法の影響を比較するために、「スティックアンドゴー」法を用いて、懸濁液からのドロップキャストと粉末から調製した。サンプルはToF-SIMSで分析され、スペクトル内では主成分分析(PCA)を用いて分析された。PCA は、データ41,42,43,44,45の分散を最大化する新しい非相関変数(主成分)を作成することによって、大きなデータセットの次元性を低減するための統計的手法です。主成分グラフ上の異なるサンプルセットを分離することで、結果をより容易に分析およびグループ化できます。図8BのPCAスコアプロットでは、他のすべてのデータセット(すなわち、異なるサンプルセット間)と比較して各データセットの識別力を示し、粉末から調製された2つのサンプルは非常に異なるスコアを示し、分散から調製されたサンプルは非常に類似したスコアを示す。図8Cに示す荷重プロットは、変数間の関係、すなわちそれぞれの主成分に最も寄与するピークを示しています。すべての主成分は、データ・セット間の観測差への寄与に応じてソートされる、すなわち、PCA1は、異なるデータセットの観測された分離に最も寄与する。PC1はPDMSピークの存在(粉末から調製されたPDMSコーティングされたNP)または不在(他のすべてのサンプル)によって支配され、一方、データセット内で2番目に大きな変動を占める要因であるPC2は、Al2O3とNPsの有機キャッピングの区別を可能にする。これは、懸濁液から調製されたNPの測定スペクトルが非常に類似していることを示し、PDMSおよびグリセロール層が懸濁液自体または乾燥プロセスのいずれかから、Al2O3またはTiO2からの支配的な信号を用いて、懸濁液からの調製によって除去または損傷した可能性があることを示唆している。 プレスペレットは、超高真空機器の取り扱いや安定性(高真空チャンバー内のNPを取り除かずにスパッタリングする能力を含む)などの粉末サンプルの調製に利点を提供することができますが、関与する高力は、他の調製方法で既に見られたように、敏感なナノ粒子にも損傷を与える可能性があります。適切なプロトコルを用意し、検証する必要があります。 NP分散液の場合、ドロップキャストサンプル懸濁液の低温除去は、コーヒーリング効果(NP懸濁液の瞬間的な固定および乾燥効果の除去のために)ならびに懸濁液に存在するより大きな構造の保存を回避する。また、粘着テープの塗布は避ける。これは、図9に示すように、サンプル調製手順の塩、汚染物質、または他のアーティファクトに起因する可能性のある減少した信号に反映されます。cryofixationの主な利点は、ナノ粒子の周りの化学空間および/または粒子凝集体またはヘテロ凝集体の化学実体の周りの化学空間を保存する能力、ならびに組織内または単一細胞内の生物学的特徴への相関、あるいは細胞内区画への共局在化、乾燥などのサンプル処理ステップからの中断なしに、保存する能力である。 ドロップキャスティング、etc46’47。現在の論文では、クライオフィキセプション技術の適用性を実証し、TiO2ナノ粒子の低温化の利点を強調しました。我々は、cryofixationは、試料調製アーティファクトによる化学物質の転位なしに自然な状態での生物学的サンプルの分析に特に適していることを強調する。生物学的試料の固定技術についてのより詳細な情報については、読者は文献19、25、27、48、49に言及される。 XPS トフ-シムズ プローブビーム 光子 イオン 解析ビーム 電子 イオン 空間解像度* > 1 μm 0.1 μm サンプリング深度 0.5 – 7.5 nm <2 nm 検出限界 0.01 -0.1 原子 % ppb 定量化 優秀 (半定量) 挑戦的な (マトリックス効果) 情報コンテンツ 元素化学結合 元素モレキュラー 有機分析 たいへん良い 静的モードで優れています *メーカーによって指定 表1:表面解析のための各種方法の比較 方式 に適しています 与える 利点 欠点 注意 コントロール 小切手 透析 浄化 安定剤/不純物の除去 シンプルで低い労力で、複雑な設備はありません プロセスに対する制御の欠如 ナノ粒子に損傷を与える可能性がある 時間 ナノ粒子の損傷(SEM) 遠心分離/再分散 浄化 安定剤/不純物の除去 プロセス、同時集中のより多くの制御 労働集約的で、遠心分離機が必要 集約または凝集の原因となる可能性がある 遠心分離機回転数、溶剤量 凝集/凝集/ナノ粒子への損傷(SEM) ドロップキャスト(サスペンション) 感度の高い外層のない導電性のNP 比較的厚い被覆スポット シンプルで複雑な機器なし 不均一な厚さ、時間のかかるを与えることができます サスペンションの準備は、敏感なNPシェルを損傷する可能性があります 懸濁液濃度、溶媒(基質湿潤) カバレッジ(光顕微鏡/XPS) スピンコーティング(サスペンション) 感応外層のない導電性または非導電性のNP 薄い均質層、または単一粒子 一貫した設定 最適パラメータの実験的決定が必要 ほこり/不純物を排除し、カバレッジが一貫性がない可能性があります 濃度、スピンコーティングパラメータ、溶剤 濾過前、カバレッジ、層厚(SEM/XPS) 「スティックアンドゴー」(パウダー) 感応外層を有する無機導電性および非導電性NPS 接着剤のパウダースポット シンプルで低い労力で、複雑な設備はありません 有機またはC含有のNP、一貫性のないフィルムの厚さには適さない NPリリースの危険 接着剤へのNPsの固定 高真空条件下での安定性 スタブの穴に堆積(粉末) XPS 分析;導電性/非導電性有機または無機粒子 軽く押されたナノ粒子サンプル 他の材料との接触なし NP の安全な固定なし。トフ・シムズには不適当 NPリリースのダガーを楽器に 何一つ 軽く横に傾け、粉末がコンパクトになるようにします プレスペレット(粉末) 導電性および非導電性NPS、ポリマーNP 固体ペレット 粉末として高分子NPの分析を可能にする NP表面を損傷または汚染する可能性がある 表面汚染を避けるために、材料を徹底的に洗浄する必要があります。表面を損傷する可能性がある サイズ、圧力、時間 高真空条件下での安定性 クライオ固定(サスペンション) 敏感なリガンド層を有するNP懸濁液;生物学的サンプル 固体サンプル 形態、ネイティブの生物学的状態およびコロナを保存し、コーヒーリング効果を低下させる 洗練された高価な準備とサンプル処理は、熟練したユーザーを必要とします サンプル処理とサンプルストレージに必要な高度なスキル 濃度、液滴サイズ、温度 ガラス化の保存 表2:異なるサンプル調製方法の比較。 図1:Siウエハースの洗浄工程この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図2:クリーニング前後のSiウエハのXPスペクトル。 (グレー)および(赤色)洗浄の前(灰色)および後の調査は、炭素量が13%から2%に減少することを示す。スペクトルは、単色のAl Kα放射線を有するクラトース・スプラDLD(マンチェスター、英国)で得られた。サンプルを試料ホルダに二重粘着テープで固定し、通過エネルギーは80eV、ステップ幅1eV、ドウェルタイム500msとした。「ハイブリッドレンズモード」を使用した。X線スポットサイズは300 x 700 μm²であった。洪水銃が料金補償に使用された。定量分析のために、ソフトウェアパッケージUNIFit 202050 を使用し、相場の背景で補正し、スコフィールド因子で正規化した対応する光電子ピークのピーク領域を使用して、非弾性平均自由経路および伝達機能を有する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図3:水性懸濁液からのPTFE-PMMAコアシェルナノ粒子のドロップキャストにおける粒子分散の均質性に対するUV/オゾン洗浄の効果UV/オゾンで洗浄されたウエハーは、コーヒーリングの有意な減少と、表面への粒子の接着性の向上を示しています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図4:ナノ粒子懸濁液から不純物(例えば、安定剤)を除去するための治療オプション 透析(右上)と遠心分離および三重化中の再分散(右下)の効果を示すSEM画像は、60 nm Au-Agコアシェルナノ粒子に対する。ナノ粒子は透析によって明らかに損傷を受け、遠心分離は目に見える影響を及ぼさない。すべてのスケール バーは 100 nm です。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図5:直径60nmの直径のAu-Agコアシェルナノ粒子をシリコンウェーハ上に水性懸濁液から滴下した光学顕微鏡画像は、13滴後に十分な被覆率を示した。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図6:スピンコートナノ粒子懸濁液、 0.45 μmシリンジフィルターを用いた濾過前(左)および後(右)。濾過後の品質の向上は明らかに見ることができます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図7:PMMA-PTFEコアシェルナノ粒子のSEM画像およびXPSスペクトルは、種々の濃度でスピンキャストし、XPSスペクトルに対する基板ピーク(カバレッジ不足)の効果を示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図8:主成分分析(PCA)スコアプロットは、グリセロールおよびPDMSコーティングされたAl2O3-TiO2コアシェルNPのToF-SIMSスペクトルに由来する。 (A) NP構造の概略(B) ドロップキャスト(分散)および「スティックアンドゴー」(粉末)調製方法のToF-SIMS分析後のスコアおよび(C)ローディングプロット。PC1 は、PDMS フラグメントに関連するピークを表します。PC2は、表面コーティングなしで一見Al2O3ピークから有機コーティング(粉末から調製されたサンプル)でサンプルを分離します。スペクトラは、IONTOF ToF-SIMS IV装置(ION-TOF GmbH、ミュンスター、ドイツ)で、最大線量密度1012イオン/cm2の25kV Bi3+イオンビームを用いたスペクトロメトリーモード(HCBU)で正モードで測定した。150 x 150 μmの視野を、125 x 125 ピクセルの鋸歯モードでスキャンしました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図9:TiO2 NPsのToF-SIMS質量スペクトルのセクション (A)NP分散液の低温化後に「スティックアンドゴー」法と(B)を用いて粉末から調製した。ToF-SIMS インストゥルメント (イオン-トフ V;イオン-TOF GmbH、ミュンスター、ドイツ)は、パルス30 keV Bi3+液体金属イオンガン(LMIG、直流(dc)、16 nAで質量分析に使用されました。各スペクトルは、500×500 μmのサンプル領域にわたってイオンビームを走査することによって獲得されました。正の二次イオンは、106 Bi3+パルスを用いて質量範囲0~1,200 Daで取得した。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。