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Chimica

जन चयनित आयनों की नरम लैंडिंग द्वारा तैयार अच्छी तरह से परिभाषित सतहों सीटू एस और आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी

Published: June 16, 2014
doi:
10.3791/51344
, ,
1Physical Sciences Division,Pacific Northwest National Laboratory

Summary

सतहों पर बड़े पैमाने पर चयनित आयनों की नरम लैंडिंग उपन्यास सामग्री के अत्यधिक नियंत्रित तैयारी के लिए एक शक्तिशाली तरीका है. सीटू माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एस) और अवरक्त प्रतिबिंब अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (IRRAS) में से विश्लेषण के साथ युग्मित, नरम लैंडिंग सतहों के साथ अच्छी तरह से परिभाषित प्रजातियों की बातचीत में अभूतपूर्व अंतर्दृष्टि प्रदान करता है.

Abstract

सतहों पर बड़े पैमाने पर चयनित आयनों की नरम लैंडिंग पारंपरिक संश्लेषण तकनीक का उपयोग दुर्गम हैं कि माल की अत्यधिक नियंत्रित तैयारी के लिए एक शक्तिशाली तरीका है. माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एस) और अवरक्त प्रतिबिंब अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (IRRAS) का उपयोग करते हुए सीटू लक्षण वर्णन में साथ नरम लैंडिंग युग्मन स्वच्छ निर्वात परिस्थितियों में अच्छी तरह से परिभाषित सतहों के विश्लेषण के लिए सक्षम बनाता है. हमारी प्रयोगशाला में निर्मित तीन नरम लैंडिंग उपकरणों की क्षमताओं जन चयनित दयाता Tris के नरम लैंडिंग (bipyridine) dications द्वारा तैयार की सतह बाध्य Organometallics के प्रतिनिधि प्रणाली के लिए सचित्र हैं, [आरयू (bpy) 3] 2 + (bpy = bipyridine), पर कार्बोक्जिलिक एसिड.) सोना (COOH-SAMs पर आत्म इकट्ठे monolayer सतहों समाप्त सीटू समय की उड़ान (TOF में)-एस मुलायम उतरा आयनों की जेट में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है. इसके अलावा, प्रभारी कमी के कैनेटीक्स, बेअसर और डीsorption दौरान और आयन नरम लैंडिंग आयन साइक्लोट्रॉन प्रतिध्वनि (एफटी आईसीआर)-एस माप बदलना सीटू फूरियर में अध्ययन कर रहे हैं के बाद दोनों COOH-एसएएम पर होने वाली. सीटू IRRAS में प्रयोगों धातु केंद्रों के आसपास के जैविक ligands की संरचना है कि कैसे में अंतर्दृष्टि प्रदान COOH-एसएएम पर organometallic आयनों के स्थिरीकरण के माध्यम से परेशान मुलायम लैंडिंग द्वारा सतहों. सामूहिक रूप से, तीन उपकरणों की सतहों पर समर्थित अच्छी तरह से परिभाषित प्रजातियों की रासायनिक संरचना, जेट और संरचना के बारे में पूरक जानकारी प्रदान करते हैं.

Introduction

सतहों पर बड़े पैमाने पर चयनित आयनों की नरम लैंडिंग के कारण उपन्यास सामग्री 1-6 की अत्यधिक नियंत्रित तैयारी के लिए तकनीक का प्रदर्शन किया क्षमताओं को मौजूदा अनुसंधान रुचि का विषय बनी हुई है. हाल के प्रयासों उच्च throughput जैविक स्क्रीनिंग 7,8, प्रोटीन की जुदाई और पेप्टाइड्स के गठनात्मक संवर्धन 9-12, के सहसंयोजक लगाव में उपयोग के लिए पेप्टाइड और प्रोटीन की तैयारी में बड़े पैमाने पर चयनित आयनों की नरम लैंडिंग के संभावित भविष्य के आवेदनों को संकेत दिया है सतहों 9,10,13,14, कार्बनिक यौगिकों की अनुकृति संवर्धन के लिए पेप्टाइड्स 15, विशिष्ट redox सक्रिय प्रोटीन की विद्युत लक्षण वर्णन 16-18, पतली आणविक फिल्मों 19,20 के उत्पादन, graphene ऐसे 21 और मॉडल की तैयारी के रूप में अणुओं की प्रोसेसिंग आयनिक समूहों 22-39 के नरम लैंडिंग के माध्यम से उत्प्रेरक प्रणाली, 40-48 और organometallic सह नैनोकणोंसमर्थन सामग्री 19,49-56 पर mplexes. polyatomic आयनों की नरम लैंडिंग के माध्यम से सतहों को संशोधित करने की अवधारणा को शुरू में 1977 57 में रसोइयों और सह कार्यकर्ताओं द्वारा प्रस्तावित किया गया था. बाद के वर्षों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई दृष्टिकोण की एक विस्तृत श्रृंखला गैस से बड़े पैमाने पर चयनित आयनों नियंत्रित बयान के लिए विकसित किया गया है पर चरण 1,4,5 सतहों. आयनों ऐसी electrospray ionization (ईएसआई) 10,58,59, मैट्रिक्स की मदद से लेजर desorption / आयनीकरण (MALDI) 21, इलेक्ट्रॉन प्रभाव ionization (ईआई) 60,61, स्पंदित आर्क डिस्चार्ज 62, अक्रिय गैस संक्षेपण 36 के रूप में प्रक्रियाओं के माध्यम से निर्मित किया गया है , 63, 64,65 sputtering magnetron, और लेजर वाष्पीकरण 25,66,67. गैस चरण आयनों का मास चयन से पहले मुलायम लैंडिंग के लिए मुख्य quadrupole मास फिल्टर 58,68,69, चुंबकीय विक्षेपन उपकरणों 70, और रैखिक आयन जाल उपकरणों 8,59 रोजगार हासिल किया गया है. एक विशेष रूप से नोटआयन नरम लैंडिंग कार्यप्रणाली में ble अग्रिम बनाती है और सह कार्यकर्ता 71,72 से परिवेश आयन नरम और प्रतिक्रियाशील लैंडिंग के सफल कार्यान्वयन के साथ हाल ही में हुई. इन विभिन्न आयनीकरण और बड़े पैमाने पर चयन तकनीक का उपयोग करना, hyperthermal सतहों के साथ (<100 eV) polyatomic आयनों की बातचीत बेहतर रूप में आयन नरम लैंडिंग की दक्षता और प्रतिक्रियाशील और unreactive बिखरने की होड़ प्रक्रियाओं को प्रभावित करने वाले कारकों को समझने के क्रम में अध्ययन किया गया है अच्छी तरह से सतह के रूप में हदबंदी 4,73-75 प्रेरित किया.

अनुसंधान प्रयोजनों के लिए अच्छी तरह से परिभाषित मॉडल उत्प्रेरक की तैयारी में बड़े पैमाने पर चयनित आयनों 25,34,35,56,76-81 के नरम लैंडिंग की एक विशेष उपयोगी आवेदन किया गया है. भौतिक और रासायनिक व्यवहार क्लस्टर आकार के साथ रैखिक पैमाने पर नहीं है जहां के nanoscale समूहों के आकार की सीमा में, यह करने के लिए या समूहों से अतिरिक्त या परमाणुओं को दूर करने के लिए काफी वें प्रभावित कर सकते हैं कि प्रदर्शन किया गया हैEIR रासायनिक जेट 82-84. क्वांटम कारावास से जो परिणाम इस nanoscale घटना, एक दोष युक्त MgO सतह पर समर्थित आठ स्वर्ण परमाणुओं (एयू 8) के मुलायम उतरा समूहों से मिलकर एक मॉडल उत्प्रेरक के लिए Heiz और सह कार्यकर्ता 85 से खांसने प्रदर्शन किया गया. कई अतिरिक्त अध्ययन सतहों 34,77,86,87 पर समर्थित समूहों के आकार पर निर्भर जेट के सबूत प्रदान की है. इसके अलावा, उच्च संकल्प इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों दस 88 और पचपन 89 परमाणुओं के रूप में कुछ युक्त समूहों लोहे के आक्साइड पर समर्थित थोक संश्लेषित सोने उत्प्रेरक का बेहतर गतिविधि के लिए काफी हद तक जिम्मेदार हो सकता है कि संकेत मिलता है. बड़े पैमाने पर चयनित आयनों की नरम लैंडिंग को रोजगार, यह फैलाना और सहायता सामग्री की सतह 90-92 पर व्यापक ढांचे में agglomerate नहीं है कि आकार चयनित समूहों और नैनोकणों के स्थिर सरणियों तैयार करने के लिए संभव है. ये पिछले अध्ययनों से संकेत मिलता है कि continu साथविकास आईएनजी, जन चयनित समूहों और नैनोकणों के नरम लैंडिंग सतहों पर बढ़ाया सरणियों में समान समूहों और नैनोकणों की बड़ी संख्या के आकस्मिक व्यवहार का फायदा उठाने कि अत्यधिक सक्रिय विषम उत्प्रेरक के निर्माण के लिए एक बहुमुखी तकनीक बन सकता है. ये बहुत अच्छी तरह से परिभाषित सिस्टम इस तरह के क्लस्टर आकार, आकृति विज्ञान, मौलिक रचना और सतह कवरेज प्रभाव उत्प्रेरक गतिविधि, चयनात्मकता और स्थायित्व के रूप में कैसे महत्वपूर्ण मापदंडों को समझने के लिए अनुसंधान प्रयोजनों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.

आम तौर पर समाधान चरण के रूप में सजातीय उत्प्रेरक में उपयोग किया जाता है कि organometallic परिसरों में भी बड़े पैमाने पर चयनित आयनों 56,80,81 के नरम लैंडिंग के माध्यम से सतहों पर स्थिर हो सकता है. संकर कार्बनिक अकार्बनिक सामग्री का उत्पादन करने के लिए ठोस समर्थन के लिए ईओण धातु ligand परिसरों संलग्न वर्तमान कटैलिसीस और सतह विज्ञान समुदायों 93 में अनुसंधान के एक सक्रिय क्षेत्र है. समग्र लक्ष्य के लिए उच्च प्राप्त करने के लिए हैउत्प्रेरक और समाधान में शेष अभिकारकों से उत्पादों की एक आसान जुदाई की सुविधा है, जबकि समाधान चरण धातु ligand परिसरों की एक वांछित उत्पाद की ओर चयनात्मकता. इस तरीके में, सतह organometallic परिसरों सजातीय और विषम उत्प्रेरक दोनों का लाभ लेने से स्थिर. यह भी मजबूत सतह स्थिरीकरण 94 जबकि प्राप्त बनाए रखने या भी सक्रिय धातु केंद्र के चारों ओर जैविक ligand वातावरण को बढ़ाने के लिए संभव है एक उपयुक्त सब्सट्रेट के चयन के माध्यम से. सोने पर आत्म इकट्ठे monolayer सतहों (SAMs), इसलिए, जन चयनित आयनों 95 के नरम लैंडिंग के माध्यम से सतहों को organometallic परिसरों tethering की व्यवहार्यता की जांच करने के लिए आदर्श प्रणालियों विभिन्न कार्य समूहों की एक संख्या के साथ समाप्त कर रहे हैं और हो सकता है. इसके अलावा, इस तरह के वायुमंडलीय दबाव थर्मल desorption आयनीकरण (APTDI) के रूप में आयनीकरण तरीकों गैस चरण मिश्रित धातु अकार्बनिक परिसरों उपज के लिए पहले से प्रदर्शन किया गया हैसमाधान 96 में संश्लेषण के माध्यम से सुलभ नहीं हैं. इसी तरह की एक नस में, इस तरह magnetron sputtering 65, गैस एकत्रीकरण 63 और लेजर वाष्पीकरण के रूप में 66 गैर थर्मल kinetically सीमित संश्लेषण और आयनीकरण तकनीक भी पर समर्थित उपन्यास अकार्बनिक समूहों और नैनोकणों के लिए एक बहुमुखी मार्ग प्रदान करने के लिए आयन नरम लैंडिंग उपकरण के साथ मिलकर किया जा सकता है सतहों.

सामग्री की तैयारी के लिए एक परिपक्व प्रौद्योगिकी में बड़े पैमाने पर चयनित आयनों की नरम लैंडिंग विकसित करने के लिए, यह जानकारीपूर्ण विश्लेषणात्मक तरीकों के बयान के दौरान और बाद में, पहले सतहों की रासायनिक और भौतिक गुणों की जांच करने के लिए नरम लैंडिंग उपकरण के साथ मिलकर किया है कि महत्वपूर्ण है आयनों. तिथि करने के लिए, तकनीक की एक भीड़ माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एस) 19,97-100, तापमान क्रमादेशित desorption और प्रतिक्रिया 50,52, लेजर desorption और आयनीकरण 1 सहित इस उद्देश्य के लिए लागू किया गया है01, स्पंदित आणविक बीम प्रतिक्रिया 102, अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी (FTIR और रमन) 98103104, सतह बढ़ाया रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी 103105, गुहा ringdown स्पेक्ट्रोस्कोपी 106, एक्स – रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी 35107, स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी 33,108-111, परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी 112-114, और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी 39. हालांकि, सबसे सही तैयार या आयन नरम लैंडिंग द्वारा संशोधित सतहों को चिह्नित करना, यह विश्लेषण प्रयोगशाला में पर्यावरण के लिए सब्सट्रेट के जोखिम के बिना बगल में प्रदर्शन किया जा है कि महत्वपूर्ण है. बगल में आयोजित पिछले विश्लेषण ऐसे समय 37,38,115,116 अधिक नरम उतरा आयनों की आयनिक प्रभारी की कमी के रूप में घटना में अंतर्दृष्टि प्रदान की है, मुलायम का desorption सतहों 52 से आयनों उतरा, दक्षता और आयन प्रतिक्रियाशील लैंडिंग 14,81 की गतिज ऊर्जा निर्भरता , और आकार का प्रभावपर जमा समूहों और नैनोकणों के उत्प्रेरक गतिविधि पर 117 सतहों. उदाहरण के वैसे, हमारी प्रयोगशाला में, हम व्यवस्थित अलग SAMs 3 की सतहों पर protonated पेप्टाइड्स के आरोप में कमी कैनेटीक्स का अध्ययन किया है. इन प्रयोगों के लिए युग्मित एक अद्वितीय नरम लैंडिंग उपकरण के साथ प्रदर्शन किया गया एक फूरियर के दौरान और आयनों 97 के नरम लैंडिंग के बाद दोनों सतहों सीटू विश्लेषण में सक्षम बनाता है कि आयन साइक्लोट्रॉन प्रतिध्वनि माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमीटर (एफटी ICR-एस) बदलना. इन विश्लेषणात्मक क्षमताओं पर विस्तार करने के लिए, एक और साधन IRRAS 104 का उपयोग कर सतहों पर नरम उतरा आयनों की सीटू लक्षण वर्णन में अनुमति देता है कि निर्माण किया गया था. जटिल आयनों और सतह परतों में गठनात्मक परिवर्तन के दौरान और नरम लैंडिंग 12 के बाद दोनों वास्तविक समय में निगरानी रखी जा के रूप में यह सतह के प्रति संवेदनशील अवरक्त तकनीक के रूप में अच्छी तरह से बंध के निर्माण और विनाश प्रक्रियाओं में सक्षम बनाता है. उदाहरण के लिए, IRRAS का उपयोग कर यह थाआयन नरम लैंडिंग covalently एन hydroxysuccinimidyl एस्टर functionalized SAMs 13,14 पर बड़े पैमाने पर चयनित पेप्टाइड्स स्थिर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि प्रदर्शन किया.

इस के साथ साथ, हम सीटू TOF-एस, फुट आईसीआर-एस में के लिए तैयार कर रहे हैं कि प्रशांत नॉर्थवेस्ट राष्ट्रीय प्रयोगशाला में स्थित तीन अद्वितीय कस्टम निर्मित उपकरणों की क्षमताओं को वर्णन, और बड़े पैमाने पर चयनित आयनों की नरम लैंडिंग के माध्यम से उत्पादन substrates के IRRAS विश्लेषण सतहों पर. एक प्रतिनिधि प्रणाली के रूप में, हम immobilized organometallic परिसरों को तैयार करने के लिए बड़े पैमाने पर चयनित organometallic दयाता Tris (bipyridine) dications के नरम लैंडिंग के लिए परिणाम [आरयू (bpy) 3] 2 + कार्बोक्जिलिक एसिड पर समाप्त SAMs (COOH-SAMs) उपस्थित थे. यह बगल में TOF-एस केवल पूर्व की जा सकती है कि प्रतिक्रियाशील मध्यवर्ती सहित कम बहुतायत प्रजातियों की पहचान की सुविधा है, जो अत्यंत उच्च संवेदनशीलता और बड़े समग्र गतिशील रेंज का लाभ प्रदान करता है कि दिखाया गया हैसतहों पर समय का संक्षिप्त अवधि के लिए भेजा है. TOF-एस भी पूर्व नरम लैंडिंग के लिए गैस चरण में एक organometallic आयन से एक ligand को हटाने, सतहों पर स्थिरीकरण की ओर अपनी क्षमता और गैसीय अणुओं के प्रति अपनी रासायनिक जेट को कैसे प्रभावित करता है में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है. बगल में IRRAS को प्रभावित कर सकते जो आरोप लगाया धातु केन्द्रों, आसपास के जैविक ligands की संरचना को जांचता है, जबकि फुट आईसीआर-एस में सीटू का उपयोग पूरक लक्षण वर्णन आरोप कमी, निराकरण और सतह पर दोगुना आरोप लगाया आयनों की desorption कैनेटीक्स में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है इलेक्ट्रॉनिक गुणों और immobilized आयनों की जेट. सामूहिक रूप से, हम एस और IRRAS द्वारा सीटू विश्लेषण में साथ संयुक्त जन चयनित आयनों की नरम लैंडिंग अच्छी तरह से परिभाषित प्रजातियों और वैज्ञानिक प्रयासों का एक व्यापक रेंज के लिए निहितार्थ है जो सतहों के बीच बातचीत में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है वर्णन कैसे.

Protocol

1. जन चयनित आयनों की नरम लैंडिंग के लिए सोने पर COOH-सैम सतहों की तैयारी सिलिकॉन (सी) या अभ्रक समर्थन सामग्री पर फ्लैट सोने substrates प्राप्त करते हैं. वैकल्पिक रूप से, साहित्य 118119 में वर्णित प्रक्रिया के अ?…

Representative Results

1. सीटू TOF-एस में उपयोग कर COOH-SAMs पर आरयू की जेट (bpy) 3 2 + जांच क्रियाशील SAMs पर बड़े पैमाने पर चयनित organometallic आयनों की नरम लैंडिंग के पहले प्रदर्शन के बाद जमा आयनों और व्यक्तिगत अणुओं monolayers में ?…

Discussion

बड़े पैमाने पर चयनित आयनों की नरम लैंडिंग आम तौर पर विशेष रूप से इन प्रयोगों के लिए सुसज्जित हैं कि दुनिया भर के कई प्रयोगशालाओं में मौजूद है कि अद्वितीय कस्टम निर्मित इंस्ट्रूमेंटेशन रोजगार आयोजित क…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

इस शोध के मूल ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय, रसायन विज्ञान, अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डो) के भूविज्ञान और बायोसाइंसेज प्रभाग द्वारा वित्त पोषित किया गया. GEJ लीनुस Pauling फैलोशिप और प्रशांत नॉर्थवेस्ट राष्ट्रीय प्रयोगशाला में प्रयोगशाला निर्देशित अनुसंधान और विकास कार्यक्रम (PNNL) से समर्थन मानता है. इस काम EMSL, जैविक और पर्यावरण अनुसंधान का कार्यालय है ऊर्जा विभाग द्वारा प्रायोजित और PNNL पर स्थित एक राष्ट्रीय वैज्ञानिक उपयोगकर्ता सुविधा का उपयोग किया गया था. PNNL अमेरिका डो के लिए Battelle द्वारा संचालित है.

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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Riferimenti

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Johnson, G. E., Gunaratne, K. D. D., Laskin, J. In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions. J. Vis. Exp. (88), e51344, doi:10.3791/51344 (2014).
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