In Situ SIMS y espectroscopia IR de superficies bien definidas Preparado por Soft Landing de iones seleccionados-Mass
Summary
Aterrizaje suave de los iones de masa-seleccionada sobre las superficies es un enfoque poderoso para la preparación altamente controlada de nuevos materiales. Junto con el análisis por espectrometría de masas de iones secundarios situ (SIMS) y espectroscopía de absorción reflexión infrarroja (IRRAS), aterrizaje suave proporciona una visión sin precedentes en las interacciones de las especies bien definidas con las superficies.
Abstract
Aterrizaje suave de los iones de masa-seleccionada sobre las superficies es un enfoque poderoso para la preparación altamente controlada de materiales que son inaccesibles usando técnicas de síntesis convencionales. El acoplamiento de aterrizaje suave con la caracterización in situ utilizando la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) y espectroscopía de absorción reflexión infrarroja (IRRAS) permite el análisis de superficies bien definidas en condiciones de vacío limpias. Las capacidades de los tres instrumentos de soft-aterrizaje construidas en nuestro laboratorio se ilustran para el sistema representativo de compuestos organometálicos unidos a la superficie preparada por un aterrizaje suave de la masa-seleccionado de rutenio tris (bipiridina) dicationes, [Ru (bpy) 3] 2 + (bpy = bipiridina), sobre ácido carboxílico terminado superficies monocapas auto-ensambladas en el oro (COOH-SAMs). In situ de tiempo de vuelo (TOF)-SIMS da una idea de la reactividad de los iones de soft-terratenientes. Además, la cinética de reducción de carga, de neutralización y deabsorción ocurre en el COOH-SAM, tanto durante como después del aterrizaje suave de iones son estudiados empleando en Fourier situ transformar ion ciclotrón resonancia mediciones (FT-ICR)-SIMS. En IRRAS situ experimentos proporcionan datos sobre cómo la estructura de los ligandos orgánicos que rodean centros metálicos es perturbado a través de la inmovilización de los iones organometálicos sobre COOH-SAM superficies de aterrizaje suave. En conjunto, los tres instrumentos proporcionan información complementaria acerca de la composición química, la reactividad y la estructura de las especies bien definidas apoyados en superficies.
Introduction
Suave aterrizaje de iones en serie seleccionado en superficies sigue siendo un tema de interés en la investigación actual, debido a las capacidades demostradas de la técnica para la preparación altamente controlada de materiales novedosos 1-6. Los esfuerzos recientes han indicado posibles aplicaciones futuras de aterrizaje suave de los iones de masa-seleccionado en la preparación de matrices de péptidos y proteínas para su uso en el cribado de alto rendimiento biológico 7,8, la separación de las proteínas y el enriquecimiento conformacional de péptidos 9-12, unión covalente de péptidos a superficies 9,10,13,14, enriquecimiento quiral de compuestos orgánicos 15, la caracterización electroquímica de proteínas redox activos específicos 16-18, producción de películas delgadas moleculares 19,20, el procesamiento de macromoléculas como el grafeno 21 y la preparación del modelo de sistemas de catalizador a través de un aterrizaje suave de los clusters iónicos 22-39, 40-48 y nanopartículas co organometálicamplexes sobre materiales de apoyo 19,49-56. El concepto de modificación de superficies a través de un aterrizaje suave de los iones poliatómicos fue propuesto inicialmente por los cocineros y compañeros de trabajo en el año 1977 57. En los años posteriores se han desarrollado una amplia gama de enfoques instrumentales para la deposición controlada de iones de masas-seleccionada del gas- fase en superficies 1,4,5. Los iones se han producido a través de procesos tales como ionización por electrospray (ESI) 10,58,59, láser asistida por matriz de desorción / ionización (MALDI) 21, ionización por impacto electrónico (EI) 60,61, pulsada descarga de arco 62, la condensación de gas inerte 36 , de 63 años, la pulverización de magnetrón 64,65, y el láser de vaporización 25,66,67. La selección en masa de los iones en fase gaseosa antes del aterrizaje suave se ha logrado empleando principalmente filtros de masas cuadrupolo 58,68,69, dispositivos magnéticos de deflexión 70, y los instrumentos de trampa de iones lineales 8,59. Una nota particularble avance en la metodología de aterrizaje suave de iones ocurrió recientemente con la implementación exitosa de iones ambiente aterrizaje suave y reactiva por cocineros y compañeros de trabajo 71,72. Utilizando estas diversas técnicas de ionización y de selección de masa, las interacciones de hipertérmica (<100 eV) iones poliatómicos con superficies se han estudiado con el fin de comprender mejor los factores que influyen en la eficiencia de aterrizaje suave de iones y los procesos que compiten de dispersión de reactivo y no reactivo como así como la superficie inducida por la disociación 4,73-75.
La preparación de catalizadores modelo bien definido para los propósitos de la investigación ha sido una aplicación especialmente fructífero de aterrizaje suave de los iones en serie seleccionada 25,34,35,56,76-81. En el rango de tamaño de las agrupaciones de nanoescala, donde el comportamiento físico y químico no escala linealmente con el tamaño del cluster, se ha demostrado que la adición o eliminación de los átomos individuales o de grupos pueden influir drásticamente ªreactividad química eir 82-84. Este fenómeno nanoescala, que resulta de confinamiento cuántico, se demostró convincentemente por Heiz y compañeros de trabajo 85 para un catalizador de modelo que consta de grupos blandos aterrizado de ocho átomos de oro (Au 8) soportado sobre una superficie de MgO defecto-rica. Varios estudios han proporcionado pruebas adicionales de la magnitud dependiente de la reactividad de los grupos que soportan en superficies 34,77,86,87. Además, las imágenes de microscopía electrónica de alta resolución indican que los grupos que contienen tan pocos como 88 diez y cincuenta y cinco 89 átomos pueden ser en gran parte responsable de la actividad superior de los catalizadores de oro a granel-sintetizado soportados sobre óxidos de hierro. El empleo de aterrizaje suave de los iones de masa-seleccionado, es posible preparar matrices estables de grupos seleccionado por tamaño y nanopartículas que no se difunden y se aglomeran en estructuras más grandes en la superficie de materiales de soporte 90-92. Estos estudios anteriores indican que con continuidading desarrollo, aterrizaje suave de las agrupaciones de masas-seleccionado y nanopartículas puede llegar a ser una técnica versátil para la creación de catalizadores heterogéneos altamente activos que explotan el comportamiento emergente de un gran número de grupos idénticos y nanopartículas en matrices extendidas sobre superficies. Estos sistemas extremadamente bien definidos, pueden ser utilizados con fines de investigación para entender cómo los parámetros críticos, tales como el tamaño del clúster, la morfología, la composición elemental y la actividad catalítica cobertura superficial influencia, la selectividad y la durabilidad.
Complejos organometálicos que se utilizan típicamente en las fase de solución como catalizadores homogéneos también se pueden inmovilizar en superficies a través de aterrizaje suave de los iones de masa seleccionado 56,80,81. Colocación de los complejos metal-ligando iónicos a soportes sólidos para producir materiales híbridos orgánico-inorgánico es actualmente un área activa de investigación en la catálisis y la ciencia de superficies comunidades 93. El objetivo general es obtener el altaselectividad hacia un producto deseado de los complejos de metal-ligando en fase de solución, mientras que facilitan una separación más fácil de los productos a partir de catalizadores y reactivos restantes en solución. De esta manera, la superficie inmovilizada complejos organometálicos aprovechar los beneficios de ambos catalizadores homogéneos y heterogéneos. A través de la selección de un sustrato apropiado es posible mantener o incluso mejorar el medio ambiente ligando orgánico alrededor del centro de metal activo al mismo tiempo lograr un fuerte inmovilización superficie 94. Superficies monocapas auto-ensambladas (SAMs) en el oro se pueden terminar con una serie de diferentes grupos funcionales y, por lo tanto, los sistemas ideales para investigar la viabilidad de la inmovilización de complejos organometálicos de superficies a través de un aterrizaje suave de iones de masas seleccionadas 95. Además, los métodos de ionización tales como la presión atmosférica de ionización de desorción térmica (APTDI) se han demostrado previamente para producir complejos inorgánicos mixtos de metal en fase gaseosaque no son accesibles a través de la síntesis en solución 96. En el mismo sentido, las técnicas de síntesis cinéticamente limitada-no térmica y de ionización tales como pulverización catódica magnetrón 65, la agregación de gas 63 y la vaporización con láser 66 también se pueden acoplar con el ion instrumentación aterrizaje suave para proporcionar una ruta versátil para clusters y nanopartículas inorgánicas nuevos soportados en superficies.
Con el fin de evolucionar aterrizaje suave de los iones de masa-seleccionado en una tecnología madura para la preparación de materiales, es crítico que los métodos analíticos informativos pueden acoplar con la instrumentación aterrizaje suave para investigar las propiedades químicas y físicas de las superficies antes de, durante y después de la deposición de iones. Hasta la fecha, una multitud de técnicas se han aplicado para este propósito, incluyendo la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) 19,97-100, TPD y la reacción de 50,52, por láser de desorción e ionización 101, la reacción de haz molecular pulsado 102, espectroscopia infrarroja (FTIR y Raman) 98103104, superficie mejorada espectroscopia Raman 103105, ringdown cavidad espectroscopia 106, x-ray fotoelectrones espectroscopia de 35.107, la microscopía de efecto túnel 33,108-111, microscopía de fuerza atómica 112-114, y microscopía electrónica de transmisión 39. Sin embargo, para caracterizar con más precisión las superficies preparadas o modificados por el aterrizaje suave de iones, es crucial que el análisis se lleva a cabo in situ sin la exposición del sustrato con el medio ambiente en el laboratorio. Los análisis previos realizados in situ han proporcionado información sobre los fenómenos tales como la reducción de la carga iónica de iones suaves aterrizado en el tiempo 37,38,115,116, la desorción de iones aterrizó suave de las superficies 52, la eficiencia y la dependencia de la energía cinética de los iones de aterrizaje reactiva 14,81 , y la influencia del tamañosobre la actividad catalítica de los clusters y las nanopartículas depositadas sobre superficies 117. A modo de ejemplo, en nuestro laboratorio, hemos estudiado sistemáticamente la cinética de reducción de la carga de péptidos protonadas en las superficies de diferente SAM 3. Estos experimentos se realizaron con un instrumento de aterrizaje suave único acoplado a una transformada de Fourier de resonancia ciclotrón de iones espectrómetro de masas de iones secundarios (FT-ICR-SIMS) que permite el análisis in situ de las superficies, tanto durante como después de aterrizaje suave de iones 97. Para ampliar estas capacidades analíticas, otro instrumento fue construido de manera que permite la caracterización in situ de iones aterrizado suaves en superficies utilizando IRRAS 104. Esta técnica de infrarrojos sensibles a la superficie permite la formación de enlaces y procesos de destrucción, así como los cambios conformacionales en iones complejos y capas superficiales para ser monitoreados en tiempo real tanto durante como después del aterrizaje suave 12. Por ejemplo, el uso de IRRAS que erademostró que el aterrizaje suave de iones puede ser utilizado para inmovilizar covalentemente los péptidos de masas-seleccionado en N-hidroxisuccinimidil éster funcionalizado SAM 13,14.
En esto, se expone las capacidades de tres instrumentos hechos a medida único situado en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, que están diseñados para in situ TOF-SIMS, FT-ICR-SIMS, y el análisis IRRAS de sustratos producidos a través de un aterrizaje suave de los iones en serie seleccionada sobre superficies. Como un sistema representativo, se presentan los resultados para el aterrizaje suave de la masa-seleccionado organometálicos de rutenio tris (bipiridina) dicationes [Ru (bpy) 3] 2 + sobre ácido carboxílico terminado SAMs (COOH-SAM) para preparar los complejos organometálicos inmovilizados. Se muestra que in situ TOF-SIMS ofrece las ventajas de una sensibilidad extremadamente alta y gran rango dinámico general que facilita la identificación de las especies de baja abundancia incluyendo intermedios reactivos que sólo puede ser preenviado por cortos periodos de tiempo en las superficies. TOF-SIMS también proporciona una idea de cómo la eliminación de un ligando de un ion organometálico en la fase de gas, antes del aterrizaje suave, influye en su eficacia hacia la inmovilización sobre superficies y su reactividad química hacia moléculas gaseosas. Caracterización complementaria utilizando in situ FT-ICR-SIMS proporciona información detallada sobre la reducción de la carga, la neutralización y la cinética de desorción de los iones doblemente cargados en la superficie mientras que en situ IRRAS sondas de la estructura de los ligandos orgánicos que rodean los centros metálicos cargados, que pueden influir en la propiedades electrónicas y reactividad de los iones inmovilizados. Colectivamente, ilustramos cómo aterrizaje suave de los iones en serie seleccionada en combinación con el análisis in situ por SIMS y IRRAS da una idea de las interacciones entre las especies y superficies que tienen implicaciones para una amplia gama de actividades científicas bien definidas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Suave aterrizaje de iones en serie seleccionada se realiza generalmente empleando instrumentos a la medida única que existe en varios laboratorios de todo el mundo que están especialmente equipadas para estos experimentos. Las modificaciones se están haciendo constantemente a estos instrumentos para facilitar la ionización de una gama más amplia de compuestos, para lograr las corrientes de iones más grandes y los tiempos de deposición más cortos, para multiplexar aterrizaje suave y de ese modo lograr la deposici…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias Básicas de Energía, División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE). UGE reconoce el apoyo del Programa de Laboratorio de Investigación Dirigida y Desarrollo en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (PNNL) Linus Pauling de Becas y. Este trabajo se realizó con EMSL, un centro nacional de usuarios científica patrocinada por el Departamento de la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental de la Energía y ubicado en PNNL. PNNL es operado por Battelle para el Departamento de Energía EE.UU..
Materials
| Gold on Silicon Substrates 1 cm2 | Platypus Technologies | Au.1000.SL1custom | |
| Gold on Silicon Substrates 4.8 mm diameter circular | SPI Supplies | 4176GSW-AB | |
| Glass Scintillation Vials | Fisher Scientific | 03-337-14 | |
| Non-denatured Ethanol | Sigma-Aldrich | 459836-1L | |
| Ultraviolet Cleaner | Boekel Scientific | ||
| 16-Mercaptohexadecanoic Acid | Sigma-Aldrich | 448303-5G | |
| Hydrochloric Acid | Sigma-Aldrich | 320331-500ML | |
| Aluminum Foil | Sigma-Aldrich | Z185140-1EA | |
| Metal Forceps/Tweezers | Wiha | 49185 | |
| Nitrile Gloves | Fisher Scientific | S66383 | |
| Tris(2,2′-bipyridine)dichlororuthenium(II) hexahydrate | Sigma-Aldrich | 224758-1G | |
| Methanol | Sigma-Aldrich | 322415-1L | |
| 1 mL Gas Tight Glass Syringe | Hamilton | ||
| Syringe Pump | KD Scientific | 100 | |
| 360 um ID Fused Silica Capillary | Polymicro Technologies | TSP075375 | |
| High Resistance Electrometer | Keithley | 6517A | |
| Commercial TOF-SIMS Instrument | Physical Electronics | TRIFT | |
| Ultra High Purity Oxygen | Matheson | G1979175 | |
| Research Purity Ethylene | Matheson | G2250178 | |
| Cesium Ion Source | Heat Wave Labs | 101502 | |
| Commercial FTIR Spectrometer | Bruker | Vertex 70 |
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