ToF-SIMS 및 XPS 분석을 위한 나노 입자 의 준비

이 논문은 나노 입자의 표면 분석을위한 다양한 샘플 준비 방법을 제시한다. 특정 NP의 물리화학적 특성은 시료 준비(예를 들어, 낙하 주조 대 스핀 코팅)와 그 방법에 대한 최상의 절차(예: 다른 기판 또는 용매필요)를 모두 정의하기 때문에, 사용된 방법의 적합성은 대체 분석 방법을 통해 검증되고 필요한 경우 최적화되어야 한다. 본 간행물에서 본 결과는 견본 준비 및 정화 방법이 적정하고, 성공적이고, 나노 입자를 손상시키지 않는 지 확인하기 위하여 질 검사의 필요뿐만 아니라 견본 준비를 위한 일관된 프로토콜 및 절차의 필요를 보여주는 이전에 간행된 문헌과 일치합니다 22,33,34,35,36. 다양한 참조 14,15,16,17,18,37,38,38,39에 자세히 설명된 바와 같이, NP에 대한 샘플링 및 저장 방법은 여기에서 해결되지 않았습니다. 당연히 분석된 샘플이 전체 나노입자 분포와 적합한 샘플링 방법을 개발하고 검증하는 데 전해져야 합니다. 저장 조건은 또한 수개월 동안 나노 입자 특성에 강하게 영향을 미치는 것으로 나타났으며 따라서 신중하게 고려해야합니다. 예를 들어 나노 입자는 빛으로부터 멀리 떨어진 밀봉 된 용기에 소량저장되어야하며 이상적으로는 4 ° C 이하로 보관하는 것이 좋습니다. 또한 검증된 절차에 따라 스토리지, 샘플링 및 샘플 준비가 일관되게 수행되고 세부 사항으로 문서화되는 것도 중요합니다. 이 문서에는 출처 정보 및 저장소 조건40과 같은 NPs 자체의 메타데이터가 포함되어야 합니다. 전자 랩 노트북(ELN)과 같은 도구는 절차 및 NP 메타데이터의 일관된 문서화뿐만 아니라 FAIR 원칙에 따라 데이터 생산을 가능하게 하는 데 유용할 수 있습니다(찾기 가능, 접근 가능, 상호 운용 가능 및 재사용 가능). 먼저 NPs의 정확하고 정확한 표면 분석은 기판의 적당한 선택이 필요합니다. 우리는 쉽게 사용할 수 있기 때문에 청소 된 시 웨이퍼를 기판으로 사용해 왔으며, 내구성이 뛰어나고 쉽게 청소하고 충분히 평평하게 하지만 분석의 목표에 따라 산화물 표면 층은 나노 입자에 있는 탄화수소와 차별화 될 수 없기 때문에 단점이 될 수 있습니다. 필요한 경우, 시 웨이퍼, Si3N4 웨이퍼 또는 HOPG(고도로 지향되는 열분해 흑연)에 금 또는 폴리머 코팅과 같은 다른 물질을 19,20,21,22로 사용할 수 있다. 이 논문에 기재된 샘플 제제의 첫 번째 단계는 도 1에서 회로도로 도시된 시 웨이퍼를 청소하는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 세척 과정의 효능은 XPS를 포함한 다양한 방법에 의해 검증될 수 있다. 주요 오염 물질 (출현 탄소)은 공기에 저장된 샘플에 대한 전형적인 및 청소 과정 후 크게 감소된다. 또한, UV 또는 오존 처리를 통해 웨이퍼 표면을 하이드록실화하는 것은 웨이트가능성을 향상시키고 선도함으로써 수성 현탁액으로부터의 증착으로부터커피링 효과를 방지하여, 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 나노입자의 보다 균일한 분포로 한다. Si 웨이퍼에 대한 대체 습식 화학 적 세척 방법은 필요에 따라 사용될 수 있습니다. 여기서는 모든 유기 오염 물질 이나 산화물 층의 완전한 제거 보다는 재현적으로 깨끗 한 표면만 필요 합니다. 프로토콜이 세척 및 현탁액 증착 단계 사이에 일시 중지되는 경우 웨이퍼는 플라즈마 또는 UV/오존하에서 다시 처리되어야 하며 15분 이내에 이상적으로 증착된 서스펜션을 처리해야 합니다. 섹션 2.2에 도시된 60nm Au-Ag 코어 쉘 나노입자의 현탁액은 나노입자 현탁액에서 흔히 발생하는 안정제로서 상당한 양의 구연산 나트륨을 함유하고 있다. 이러한 입자와 표면 특성, 특히 XPS를 통해 정확하게 분석하기 위해 나노 입자의 신호를 감쇠시키고 충전 효과를 일으키므로 가능한 한 많은 안정물질을 제거해야합니다. 도 4에서 SEM 현미경으로 도시된 이러한 나노입자에 대한 최적의 정화 방법을 확립하기 위해 초순수수에서 투석되거나 삼중분리기에서 원심분리 및 재분산을 사용하여 정제하였다. 투석은 입자의 응집 및 응집을 일으킬 가능성이 더 높은 부드러운 방법과 원심 분리 및 재분산으로 보이지만, SEM 이미지는 투석 후 Au-Ag 나노 입자의 상당한 변형과 손상을 나타내고(그림 4B), 원심분리/재분산 입자는 여전히 손상되지 않습니다(그림 4C) ). 이것은 금속 나노 입자와 특히 주목할 만한; 우리의 가설은 나노 입자에 대한 신호를 방해하지 않고 용액의 일부 안정화를 가능하게하는 정산 나트륨의 최적 양이 있다는 것입니다, 너무 많은 안정제의 제거는 나노 입자에 손상을 야기. 이전 보고서는 구연산나트륨의 대부분을 제거하기 위한 원심분리 주기의 최적 수가 있음을 보여줍니다. 이 숫자를 초과하면 일부 NP 집계33이 발생합니다. 이 연구에서는 9개의 투석 주기(총 36h)가 유사한 구연산 농도를 얻기 위해 필요하였다. 그러나, 이 방법은 원심분리보다는 집계의 양이 높을 뿐만 아니라 표면 기능화의 감소를 일으키는 원인이 되었다. 이러한 결과는 특히 알 수 없는 샘플의 각 다른 유형의 나노 입자에 대한 준비 절차에서 각 단계를 확인하는 것의 중요성을 보여줍니다. 이 예에 사용되는 60nm Au-Ag 코어 쉘 나노입자는 전기 전도성으로 인해 낙하 주조에 적합하며, 충전 효과는 문제가 되지 않으며 상대적으로 적은 장비를 사용하여 반복된 증착에 의해 두꺼운 반점이 생성될 수 있기 때문이다. 이 두꺼운 층은 더 재현 가능한 측정을 제공하는 장점이 있으며, 더 농축 된 서스펜션에서 주조하면 증착 단계수를 줄임으로써 시간을 절약 할 수 있습니다. 증착은 기판 wettability에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 습윤불량은 전도성 시료에 유리한 두꺼운 나노입자 스팟을 생성할 수 있으며, 좋은 습윤은 보다 균일한 나노입자 층을 생성할 수 있으며, 이는 전도성 및 절연 샘플 모두에 유용할 수 있습니다. 프로토콜에 설명된 바와 같이, 나노입자 서스펜션의 낙하 주조는 일반적으로 전체 커버리지를 가진 두꺼운 층을 얻기 위해 반복된 응용 프로그램이 필요합니다. 이것은 XPS를 사용하여 확인해야 하지만 광학 현미경 검사를 사용하여 빠르고 쉽게 확인할 수 있습니다. 도 5 는 수성 용액으로부터 Au-Ag 코어 쉘 나노입자의 드롭 캐스팅에서 액적 커버리지의 진화를 나타낸다. 이 경우 전체 커버리지를 달성하기 위해 13개의 드롭 캐스팅 단계가 필요합니다. 낙하 주조는 전도성 입자 또는 충전 효과를 적절하게 보상할 수 있는 입자에 특히 적합합니다. 본 간행물에 기재된 다른 방법과 마찬가지로, 다른 NP 재료가 정보 깊이 및 농도 및 필름 두께 제한에 관한 상이한 특성을 가지므로 낙하 주조는 각 샘플에 최적화되어야 한다. 너무 두꺼운 필름을 피하여 유기물을 쌓아 두면 NP 신호를 억제하는 것이 중요합니다. 균일하고 우수한 품질의 코팅은 일관되고 재현 가능한 결과를 보장하는 데 도움이 됩니다. 서스펜션 농도, 용매 및 스핀 코팅 파라미터 외에도 스핀 코팅 현탁액의 품질은 먼지 또는 기타 대형 거시 또는 미세 입자의 존재에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있습니다. 도 6 은 0.45 μm 주사기 필터를 통해 여과 후 나노입자 서스펜션의 스핀 코팅 품질 향상을 나타낸다. 필터는 서스펜션에서 나노 입자를 제거하지 않도록 선택해야합니다. 프로토콜(90, 9.0 및 0.9 mg/mL 의 135nm PS-PTFE 코어-쉘 나노입자)에 기재된 세 가지 다른 서스펜션 농도는 동일한 조건하에서 스핀 캐스팅및 SEM 및 XPS를 사용하여 분석하였다. 도 7 의 상단 이미지와 스펙트럼은 SEM 이미지의 두껍고 틈새다층 커버리지뿐만 아니라 CPS 스펙트럼에 Si 피크의 주목할만한 부재를 보여주는 90 mg / mL 서스펜션에서 필름 캐스트를 보여 주며, 스펙트럼에 기판의 기여도를 나타내지 않는다. 이 샘플은 XPS 또는 ToF-SIMS 분석에 이상적입니다. 또한, 입자의 껍질에서 더 작은 F1s 피크는 기판으로부터 큰 신호가 없는 경우 명확하게 볼 수 있다. 9.0 mg/mL 서스펜션에서 캐스팅된 두 번째 샘플은 표면을 완전히 덮지 않는 작은 단일 층 응집체의 입자를 보여줍니다. 이 샘플은 XPS 또는 ToF-SIMS 분석에 너무 얇고 균일하지 않습니다. 더욱이, 정량분석은 신중한 세척 후에도 기판에 생생탄소의 기여로 인해 손상될 수 있다; 최소한 이러한 효과는 측정의 불확실성 예산에서 고려해야 합니다. 그러나 이 샘플은 입자가 단일 레이어에 존재하고(이미지 내)에 존재하기 때문에 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 입자 크기 분포의 SEM 또는 TEM 분석에 이상적일 수 있으며 통계적으로 유의한 평가를 제공합니다. 가장 낮은 농도(0.9 mg/mL)에서 주조된 샘플은 표면 화학 또는 입자 크기 분포의 분석에 적합하도록 연속 커버리지 또는 충분한 입자 밀도를 제공하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 정량 분석은 기판의 지배적인 영향으로 인해 전혀 가능하지 않다. PDMS 또는 글리세롤 외부 층을 가진 Al2O3-TiO2 코어 쉘 펜은 민감한 외부 층에 대한 상이한 제제 방법의 효과를 비교하기 위해 현탁액으로부터의 드롭 캐스팅뿐만 아니라 분말로부터 의한 드롭 캐스팅을 통해 제조하였다. 샘플은 ToF-SIMS로 분석되었으며, 여기서 스펙트럼에서 주 성분 분석(PCA)을 사용하여 분석하였다. PCA는 데이터 41,42,43,44,45의 분산을 최대화하는 새로운 상관관계가 없는 변수(주 구성 요소)를 만들어 큰 데이터 세트의 치수를 줄이는 통계 적 기술입니다. 주 성분 그래프에서 다른 샘플 세트를 분리하면 결과를 보다 쉽게 분석하고 그룹화할 수 있습니다. PCA 점수 플롯에서 다른 모든 데이터 세트(즉, 다른 샘플 세트 사이)에 비해 각 데이터 세트의 차별 력을 보여 주며, 분산으로부터 제조된 샘플은 매우 유사한 점수를 나타내며 분말에서 제조된 두 샘플은 매우 다른 점수를 보여줍니다. 그림 8C에 표시된 로딩 플롯은 변수(예: 피크)가 각 주 구성 요소에 가장 많이 기여하는 변수 간의 관계를 나타냅니다. 모든 주 구성 요소는 데이터 집합 간의 관찰된 차이에 대한 기여에 따라 정렬되며, 즉 PCA1은 서로 다른 데이터 세트의 관찰된 분리에 가장 기여합니다. PC1은 PDMS 피크의 존재(PDMS 코팅 된 NP) 또는 부재 (다른 모든 샘플)에 의해 지배되며, PC2는 데이터 세트 내에서 두 번째로 큰 변화를 차지하는 요인은 Al2O3및 NPs의 유기 캡핑을 가능하게합니다. 이는 현탁액으로부터 제조된 NP의 측정스펙트럼이 매우 유사하며, 액수액 자체 또는 건조 공정에서 PDMS 및 글리세롤 층이 제거되거나 손상되었을 수 있음을 시사하며, Al2O3 또는 TiO2로부터의 지배적인 신호와 함께. 압착 펠릿은 초고진공 기기의 취급 용이성 및 안정성(고진공 챔버에서 NP를 단지하지 않고 스퍼터하는 기능 포함)과 같은 분말 시료의 제조에 이점을 제공할 수 있지만, 다른 제조 방법으로 이미 볼 수 있듯이 민감한 나노 입자를 손상시킬 수 있다. 적절한 프로토콜을 준비하고 검증해야 합니다. NP 분산물의 경우, 드롭 캐스트 샘플 서스펜션의 극저온은 커피 링 효과(NP 서스펜션의 즉각적인 고정 및 건조 효과 제거로 인해)를 방지할 뿐만 아니라 현탁액에 존재하는 더 큰 구조물의 보존을 방지합니다. 또한 접착제 테이프의 적용을 피할 수 있습니다. 이는 차례로 감소된 신호에 반영되며, 이는 도 9에 도시된 바와 같이 각각의 질량 스펙트럼에서 각각의 질량 스펙트럼에서 염, 오염물질 또는 기타 아티팩트에 기인할 수 있다. 극저온의 주요 장점은 나노입자 및/또는 입자 응집체 또는 이성엽산염의 화학적 실체 주위의 화학적 공간을 “있는 것처럼” 보존하는 능력뿐만 아니라 조직 내의 생물학적 특징또는 단일 세포 내의 생물학적 특징에 대한 상관관계 또는 심지어 세포 내 구획에 대한 공동 국소화, 건조, 건조, 같은 단계 처리등의 중단 없이 보존하는 기능입니다. 드롭 캐스팅, 등46’47. 우리는 현재 논문 내에서 극저온 기술의 적용가능성을 입증하고 TiO2 나노 입자에 대한 냉동의 장점을 강조했다. 우리는 극저온이 시료 준비 유물로 인한 화학 물질의 탈구없이 자연 상태로 인한 생물학적 샘플의 분석에 특히 적합하다고 강조합니다. 생물학적 시료에 대한 고정 기술에 대한 보다 심층적인 정보를 위해 독자는 문학19,25,27,48,49라고 합니다. XPS ToF-SIMS 프로브 빔 광자 이온 분석 빔 전자 이온 공간 해상도* > 1 μm 0.1 μm 샘플링 깊이 0.5 – 7.5 nm <2 nm 탐지 제한 0.01 -0.1 원자% ppb 부량 우수(준정량) 도전 (매트릭스 효과) 정보 콘텐츠 원소화학 결합 원소분자로 된 유기 분석 훌륭한 정적 모드에서 우수 * 제조 업체에 의해 지정 표 1: 표면 분석을 위한 다양한 방법의 비교. 메서드 적합 제공 장점 단점 주의 컨트롤 검사 투 석 정화 안정기/ 불순물의 제거 간단하고 낮은 노력, 복잡한 장비 없음 프로세스에 대한 제어 부족 나노 입자에 손상을 일으킬 수 있습니다. 시간 나노 입자손상(SEM) 원심 분리/재분산 정화 안정기/ 불순물의 제거 공정, 동시 농도에 대한 더 많은 제어 노동 집약적, 원심분리기가 필요 집계 또는 응집을 일으킬 수 있음 원심분리기 회전 속도, 용매의 양 나노 입자에 대한 응집/ 응집/ 손상(SEM) 드롭 캐스팅(서스펜션) 민감한 외부 층이 없는 전도성 NP 상대적으로 두꺼운 코팅 스팟 간단하고 복잡한 장비없음 불균일 한 두께를 줄 수 있고, 시간 집약적 서스펜션 준비는 민감한 NP 포탄에 손상을 줄 수 있습니다. 서스펜션 농도, 용매(기판 웨트성) 커버리지 (가벼운 현미경 검사법 / XPS) 스핀 코팅(서스펜션) 민감한 외부 층없이 전도성 또는 비 전도성 NP 얇은 균질층 또는 단일 입자 일관된 설정 최적의 매개 변수의 실험 적 결정이 필요합니다. 먼지/불순물을 걸기, 커버리지가 일치하지 않을 수 있습니다. 농도, 스핀 코팅 파라미터, 용매 사전 여과, 커버리지, 레이어 두께(SEM/XPS) “스틱 앤 고” (분말) 민감한 외부 층을 가진 무기 전도성 및 비 전도성 NPS 접착제에 분말 자리 간단하고 낮은 노력, 복잡한 장비 없음 유기 또는 C 함유 NP, 일관되지 않은 필름 두께에 적합하지 않음 NP가 계측기로 방출될 위험 접착제에 대한 NP 고정 높은 진공 조건에서안정성 스텁(분말)의 구멍에 증착 XPS 분석; 전도성/비전도성 유기 또는 무기 입자 가볍게 압착 된 나노 입자 샘플 다른 재료와의 접촉 없음 NPs의 안전한 고정없음; ToF-SIMS에 적합하지 않음 NP의 다거, 계측기 출시 없음 파우더를 압축하기 위해 옆으로 가볍게 기울어 압착 펠릿 (분말) 전도성 및 비전도성 NPS, 중합체 NPs 솔리드 펠릿 고분자 NP를 분말로 분석할 수 있습니다. NP 표면을 손상시키거나 오염시킬 수 있음 재료는 표면 오염을 방지하기 위해 철저하게 청소해야합니다; 표면이 손상될 수 있음 크기, 압력, 시간 높은 진공 조건에서안정성 냉동 고정 (서스펜션) 민감한 리간드 층을 가진 NP 서스펜션; 생물학적 샘플 솔리드 샘플 형태, 토착 생물학적 상태 및 코로나 보존, 커피 링 효과를 감소 정교하고 비용이 많이 드는 준비 및 샘플 처리, 숙련 된 사용자가 필요합니다. 샘플 처리 및 샘플 저장에 필요한 높은 수준의 기술 농도, 물방울 크기, 온도 유리화 의 보존 표 2: 다른 샘플 준비 방법의 비교. 그림 1: 시 웨이퍼에 대한 세척 과정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 2: 청소 전후의 시 웨이퍼의 XP 스펙트럼. (회색) 및 세척 후(빨간색) 세척 전을 대상으로 실시한 설문조사에서 탄소배출량이 13%에서 2%로 감소한 것으로 나타났다. 스펙트럼은 단색 알 Kα 방사선을 가진 크라토수프라 DLD (맨체스터, 영국)로 얻어졌다. 샘플은 샘플 홀더에 이중 접착 테이프로 고정되었으며, 패스 에너지는 80 eV, 걸음 너비 1 eV, 500 ms에 거주하였다. “하이브리드 렌즈 모드”가 사용되었습니다. X선 스팟 크기는 300 x 700 μm²였습니다. 홍수 총은 요금 보상에 사용되었다. 정량적 분석을 위해 소프트웨어 패키지 UNIFit 202050 은 Tougaard 배경으로 교정되고 스코필드 인자, 비탄력적 평균 자유 경로 및 전송 기능으로 정규화된 해당 광전자 피크의 피크 영역을 사용하여 사용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 도 3: 수성 현탁액에서 PTFE-PMMA 코어 쉘 나노 입자의 낙하 주조에서 입자 분산의 균질성에 대한 UV/오존 세척효과. UV/오존으로 세척된 웨이퍼는 커피 링이 현저한 감소뿐만 아니라 표면에 입자의 더 나은 접착력을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 4: 나노입자 현탁액에서 불순물(예: 안정제)을 제거하기 위한 치료 옵션 60 nm Au-Ag 코어 쉘 나노입자에 투석(오른쪽 상단)과 원심분리 및 재분산 효과를 보여주는 SEM 이미지. 나노 입자는 투석에 의해 명확하게 손상되고 원심 분리는 눈에 띄는 영향을 미치지 않습니다. 모든 스케일 바는 100nm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 5: 실리콘 웨이퍼에 수성 현탁액에서 60 nm 직경 의 낙하 주조에서 광학 현미경 이미지, 13 방울 후 충분한 범위를 보여주는 수성 서스펜션에서 Au-Ag 코어 쉘 나노 입자. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 6: 스핀 코팅 나노 입자 현탁액, 0.45 μm 주사기 필터가 있는 전(왼쪽) 및 여과 후(오른쪽) 여과 . 여과 후 품질의 개선을 명확하게 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 7: PMMA-PTFE 코어 쉘 나노입자의 SEM 이미지와 XPS 스펙트럼은 다양한 농도에서 스핀 캐스트하여 XPS 스펙트럼에 기판 피크(불충분한 커버리지로부터)의 효과를 보여 주었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 8: 글리세롤 및 PDMS 코팅 Al2O3-TiO2 코어 쉘 펜의 ToF-SIMS 스펙트럼에서 파생된 주요 성분 분석(PCA) 점수 플롯. (A) NP 구조의 회로도; (B) 낙하 주조(분산) 및 “스틱 앤 고”(분말) 준비 방법의 ToF-SIMS 분석 후 점수 및 (C) 적재 플롯. PC1은 PDMS 조각과 상관 관계가 있는 피크를 나타냅니다. PC2는 표면 코팅없이 보이는 Al2O3 봉우리에서 유기 코팅 (분말에서 제조 된 샘플)으로 샘플을 분리합니다. 스펙트럼은 1012 이온/cm2의 최대 용량 밀도를 가진 25 kV Bi3+ 이온 빔을 가진 25 kV Bi3+ 이온 빔을 가진 분석 모드(HCBU)에서 IONTOF ToF-SIMS IV 계측기(ION-TOF GmbH, 독일 뮌스터, 독일)에서 양수 모드로 측정하였다. 150 x 150 μm의 시야는 125 x 125 픽셀의 톱니 모드에서 스캔되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 9: TiO2 NP의 ToF-SIMS 질량 스펙트럼 섹션. (A) NP 분산의 극저온 후 및 (B) “스틱 앤 고” 방법으로 분말로부터 제조하였다. ToF-SIMS 계측기(ION-TOF V; 이온-TOF GmbH, 뮌스터, 독일)은 펄스 30 keV Bi3+ 액체 금속 이온 총(LMIG, 직접 전류(dc), 16 nA)로 질량 분광분석 분석에 사용되었다. 각 스펙트럼은 500 μm의 샘플 영역을 통해 이온 빔을 스캔하여 ×. 양성 이온은 106 Bi3+ 펄스를 사용하여 질량 범위 0-1,200 Da에서 획득되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.