בSIMS אתרו וIR ספקטרוסקופיה של משטחים מוגדרים היטב הוכן על ידי רכה נחיתה של יונים המוניים שנבחרו

Summary

נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים על גבי משטחים היא גישה רבת עוצמה לעריכה לשליטה מאוד של חומרים חדשים. בשילוב עם ניתוח על ידי בספקטרומטריית האתר משנית המונית יון (SIMS) וספקטרוסקופיה קליטת השתקפות אינפרא אדום (IRRAS), נחיתה רכה מספקת תובנות חסרות תקדים לתוך האינטראקציות של מינים מוגדרים היטב עם משטחים.

Abstract

נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים על גבי משטחים היא גישה רבת עוצמה לעריכה לשליטה מאוד של חומרים שאינם נגישים תוך שימוש בטכניקות סינתזה קונבנציונליות. צימוד נחיתה רכה עם באפיון אתר באמצעות ספקטרומטריית משנית המוני יון (SIMS) וספקטרוסקופית אינפרא אדום קליטת השתקפות (IRRAS) מאפשר ניתוח של משטחים מוגדרים היטב בתנאי ואקום נקיים. היכולות של שלושה מכשירים רך נחיתה נבנו במעבדה שלנו באות לידי ביטוי במערכת הנציג של organometallics מאוגד משטח שהוכנה על ידי נחיתה רכה של טריס רותניום נבחר המוני dications (bipyridine), [Ru (bpy) _3] ^{2 +} (bpy = bipyridine), על חומצה קרבוקסילית הופסקה משטחי monolayer עצמי התאספו על זהב (COOH-Sams). באתרו (TOF הזמן של טיסה)-SIMS מספק תובנה על תגובתיות של היונים רכים נחתו. בנוסף, קינטיקה של הפחתת תשלום, נטרול ודהספיחה מתרחשת על COOH-SAM הן במהלך ואחרי נחיתה רכה יון נלמדות באמצעות בפורה באתרו להפוך תהודה הציקלוטרון יון מדידות (FT-ICR)-SIMS. בIRRAS אתר ניסויים לספק תובנות לגבי אופן שבו המבנה של ligands האורגני המקיף את מרכזי מתכת הוא מוטרד באמצעות קיבוע של יונים אורגנומתכתית על COOH-SAM משטחים על ידי נחיתה רכה. ביחד, שלושה המכשירים מספקים מידע משלים על ההרכב הכימי, תגובתיות והמבנה של מינים מוגדרים היטב נתמכים על משטחים.

Introduction

נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים על גבי משטחים נשארה נושא להתעניינות מחקר הנוכחי בשל היכולות המוכחות של הטכניקה להכנה מבוקרת ביותר של חומרים חדשים ^1-6. מאמצים שנעשו לאחרונה הצביעו על יישומים אפשריים בעתיד של נחיתה הרכה של יונים שנבחרו המוניים בהכנת מערכי פפטיד וחלבונים לשימוש בתפוקה גבוהה הקרנה ביולוגית ^7,8, הפרדת חלבונים והעשרת קונפורמציה של פפטידים ^9-12, קובץ מצורף קוולנטיים של פפטידים למשטחים ^9,10,13,14, העשרת כיראליות של תרכובות אורגניות ^15, אפיון אלקטרוכימי של חלבוני חיזור פעיל ספציפיים ^16-18, הפקת סרטים מולקולריים דקים ^19,20, עיבוד של מקרומולקולות כגון גרפן ²¹ והכנת המודל מערכות זרז דרך נחיתה רכה של אשכולות יוניים ^22-39, חלקיקי ^40-48 ושיתוף אורגנומתכתיתmplexes על חומרי תמיכה ^19,49-56. הרעיון של שינוי משטחים דרך נחיתה רכה של יוני polyatomic בתחילה הוצע על ידי טבחים ועמיתים לעבודה בשנת 1977 ^57. בשנים שלאחר מכן במגוון רחב של גישות אינסטרומנטלי פותחו עבור בתצהיר המבוקר של יונים שנבחרו המוניים מהגז שלב על גבי משטחי ^1,4,5. הופקו יונים באמצעות תהליכים כגון יינון electrospray (ESI) ^10,58,59, DESORPTION / יינון לייזר בסיוע מטריקס (MALDI) ^21, יינון השפעת האלקטרונים (EI) ^60,61, הפרשות קשת פעמו ^62, עיבוי גז אינרטי ^{36 , 63,} magnetron המקרטעת ^{64,65, ו25,66,67} אידוי בלייזר. בחירה המונית של יוני שלב הגז לפני נחיתה רכה הושגה בעיקר העסקת מסנני quadrupole המוני ^58,68,69, התקנים מגנטיים סטיה ^70, ומכשירי מלכודת היונים יניארי ^8,59. במיוחד נוטהמראש ble במתודולוגיה נחיתה רכה יון התרחש לאחרונה עם היישום המוצלח של נחיתת יונים הסביבה רכה ותגובתי על ידי טבחים ועמיתים לעבודה ^71,72. שימוש בטכניקות אלה יינון ומסת בחירה שונות, האינטראקציות של hyperthermal (<100 eV) יוני polyatomic עם משטחים נחקרו על מנת להבין טוב יותר את הגורמים המשפיעים על היעילות של נחיתה רכה יון והתהליכים המתחרים של פיזור תגובתי ובלתי כ גם משטח מושרה דיסוציאציה ^4,73-75.

הכנת זרזי מודל מוגדר היטב למטרות מחקר הייתה יישום פורה במיוחד של נחיתה הרכה של יונים שנבחרו המוניים ^{25,34,35,56,76-81.} בטווח הגודל של אשכולות בקנה מידה ננומטרי, שבו התנהגות פיסיקלית וכימית אינה קנה מידה ליניארי עם גודל אשכול, זה כבר הוכיח כי התוספת או גריעה של אטומים בודדים או מאשכולות עשויה להשפיע באופן דרסטי התגובה הכימית EIR ^82-84. תופעה בקנה מידה ננומטרי זה, הנובע מכליאה הקוונטית, הודגמה באופן משכנע על ידי Heiz ועמיתים לעבודה ⁸⁵ לזרז מודל המורכב של אשכולות נחתו רכים של שמונה אטומי זהב (Au ₈₎ הנתמכים על משטח MgO פגם עשיר. מספר מחקרים נוספים סיפקו ראיות של תגובתיות תלויה בגודל של אשכולות נתמכים על משטחי ^34,77,86,87. יתר על כן, תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים ברזולוציה גבוהה מצביעות על כך שצבירים המכילים כמה כמו עשרה ⁸⁸ וחמישים וחמישה ⁸⁹ אטומים עשויים להיות אחראים במידה רבה לפעילות מעולה של זרזי זהב מסונתז בתפזורת נתמכת בתחמוצות ברזל. העסקת נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים, אפשר להכין מערכים יציבים של אשכולות שנבחר גודל וחלקיקים שאינם מפעפעים ומצבר לתוך מבנים גדולים יותר על פני השטח של חומרי תמיכת ^90-92. מחקרים קודמים אלו מצביעים על כך עם רציףing פיתוח, נחיתה רכה של אשכולות שנבחרו המוניים וחלקיקים עשויה להפוך לטכניקה תכליתית עבור היצירה של זרזים הטרוגניים מאוד פעילים המנצלים את הופעתה של ההתנהגות של מספר הגדול של אשכולות זהים וחלקיקים במערכים הרחיבו על משטחים. מערכות מאוד מוגדרים היטב אלה עשויות לשמש למטרות מחקר כדי להבין כיצד פרמטרים קריטיים כגון גודל אשכול, מורפולוגיה, הרכב יסודות ופעילות קטליטית השפעת כיסוי פני השטח, בררנות ועמידות.

מתחמים אורגנומתכתית שמשמשים בדרך כלל בזרזים הומוגניים כפתרון בשלב גם עלולים להיות משותקים על משטחים דרך נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים ^56,80,81. מצרף מתחמי מתכת ליגנד יוניים לתומך מוצק כדי לייצר חומרים אורגניים אורגניים היברידיים הוא כיום אזור פעיל של מחקר בקהילות קטליזה ומדע שטח ^93. המטרה הכללית היא להשיג גבוהסלקטיביות כלפי מוצר רצוי של מתחמי מתכת ליגנד פתרון שלב תוך הקלת הפרדה קלה יותר של מוצרים מזרזים ומגיבים שנותרו בתמיסה. באופן זה, משטח משותק מתחמים אורגנומתכתית לקצור את היתרונות של שני זרזים הומוגניים והטרוגניים. דרך בחירה של מצע מתאים ניתן לשמור או אפילו לשפר את הסביבה ליגנד האורגנית סביב מרכז המתכת הפעיל גם בעת השגת קיבוע משטח חזק ^94. משטחי monolayer התאסף עצמיים (Sams) על זהב עשויים להסתיים עם מספר הקבוצות פונקציונליות שונות, ועל כן, מערכות אידיאלי כדי לחקור את ההיתכנות של קשירת מתחמים אורגנומתכתית למשטחים באמצעות נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים ^95. יתר על כן, שיטות יינון כגון יינון לחץ אטמוספרי desorption תרמית (APTDI) כבר הוכיחו בעבר להניב מתחמים אורגניים מעורבת מתכת שלב הגזשאינם נגישים באמצעות סינתזה בפתרון ^96. ברוח דומה, סינתזה ויינון kinetically מוגבלות שאינו תרמיים טכניקות כגון magnetron המקרטעת ^65, צבירת גז ⁶³ ואידוי בלייזר ⁶⁶ יכולות להיות גם בשילוב עם מכשור נחיתה רך יון לספק מסלול צדדי לאשכולות אורגניים רומן וחלקיקים הנתמכים על משטחים.

כדי להתפתח נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים לטכנולוגיה בשלה לעריכה של חומרים, זה קריטי, כי שיטות אנליטיות אינפורמטיבי להיות בשילוב עם מכשור נחיתה רך כדי לחקור את התכונות כימיות ופיזיות של משטחים לפני, במהלך ואחרי התצהיר של יונים. נכון להיום, מספר רב של טכניקות שיושמו למטרה זו כולל ספקטרומטריית משנית המוני יון (SIMS) ^19,97-100, DESORPTION מתוכנת טמפרטורה ותגובה ^50,52, DESORPTION לייזר ויינון ¹01, תגובת קרן מולקולרית פעם ^102, ספקטרוסקופית אינפרא אדום (FTIR וראמאן) ^98,103,104, ספקטרוסקופיה משטח משופר ראמאן ^103,105, ספקטרוסקופיה ringdown החלל ^106, רנטגן ספקטרוסקופיה Photoelectron ^35,107, מיקרוסקופית מנהור הסורק ^33,108-111, מיקרוסקופ כוח אטומי ^112-114, ומיקרוסקופי אלקטרונים הילוכים ^39. עם זאת, על מנת לאפיין באופן מדויק ביותר משטחים שהוכנו או שונו על ידי נחיתה רכה יון, זה קריטי, כי הניתוח יבוצע באתרו ללא חשיפה של המצע לסביבה במעבדה. ניתוחים קודמים שנערכו באתר סיפקו תובנה תופעות כגון ההפחתה של מטען היוני של יונים רכים נחתו לאורך זמן ^{37,38,115,116,} desorption רך נחת יונים ממשטחים ^52, את היעילות ואת התלות באנרגיה הקינטית של נחיתה תגובתי יון ^14,81 , ואת השפעת הגודלעל הפעילות הקטליטית של אשכולות וחלקיקים שהופקדו על גבי משטחי ^117. כדוגמא, במעבדה שלנו, יש לנו באופן שיטתי למדו קינטיקה הפחתת תשלום של פפטידים protonated על פני השטח של סאמס שונה ^3. ניסויים אלה בוצעו עם מכשיר נחיתה רך ייחודי מצמידים את התמרת ספקטרומטר התהודה הציקלוטרון יון יונים משני המוני (FT-ICR-SIMS), המאפשר ניתוח באתרו של משטחים במהלך ואחרי נחיתה רכה של יונים ^97. להרחיב על יכולות אנליטיות אלה, מכשיר אחר נבנה שמאפשרת באפיון אתר של יונים נחתו על משטחים רכים באמצעות IRRAS ^104. טכניקת אינפרא אדום פני השטח רגיש זה מאפשרת היווצרות קשר ותהליכי הרס, כמו גם שינויי קונפורמציה ביונים מורכבים ושכבות פני השטח כדי להיות במעקב בזמן אמת במהלך ואחרי נחיתה רכה ^12. לדוגמא, באמצעות IRRAS זה היההוכיח כי נחיתה רכה יון עשויה לשמש כדי לשתק קוולנטית פפטידים שנבחרו המוניים על N-hydroxysuccinimidyl אסתר פונקציונליות סאמס ^13,14.

בזאת, אנו ממחישים את היכולות של שלושה מכשירים שהותקן ייחודיים הממוקמים במעבדה הלאומית האמריקנית פסיפיק נורת'ווסט המיועדות באתר TOF-SIMS, FT-ICR-SIMS, וניתוח IRRAS של מצעים מיוצרים באמצעות נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים על גבי משטחים. כמערכת נציג, אנו מציגים תוצאות לנחיתה רכה של נבחר המוני טריס רותניום אורגנומתכתית dications (bipyridine) [Ru (bpy) _3] ^{2 +} על גבי חומצה קרבוקסילית הופסק סאמס (COOH-Sams) כדי להכין את מתחמים אורגנומתכתית משותקים. הוא הראה כי באתרו TOF-SIMS מציע את היתרונות של רגישות גבוהה מאוד וטווח דינמי הכולל גדול המאפשר זיהוי של מיני שפע נמוכים כולל ביניים תגובתי שעשויים להיות מראש בלבדנשלח לתקופות קצרות של זמן על המשטחים. TOF-SIMS גם מספק תובנות לגבי אופן הסרת יגנד מיון אורגנומתכתית בשלב הגז, לפני נחיתה רכה, משפיעה על יעילותה כלפי חוסר תנועה על משטחים והתגובה הכימית שלה לכיוון מולקולות גז. אפיון משלים שימוש באתר FT-ICR-SIMS מספק תובנות לגבי הפחתת תשלום, הנטרול וקינטיקה desorption של היונים טעונים כפליים על פני השטח ואילו באתר IRRAS בדיקות המבנה של ligands האורגני המקיף את מרכזי מתכת הטעונים, אשר עשוי להשפיע על תכונות אלקטרוניות ותגובתיות של היונים משותקים. ביחד, אנו מדגימים כיצד נחיתה רכה של יונים שנבחר במסה בשילוב עם ניתוח באתרו על ידי SIMS וIRRAS מספקת תובנה על יחסי הגומלין בין מינים ומשטחים שיש להם השלכות לטווח רחב של עשייה מדעית מוגדרים היטב.

Protocol

1. הכנת משטחי COOH-SAM על זהב לנחיתה רכה של יונים המוניים שנבחרו השג מצעי זהב שטוחים על סיליקון (Si) או של חמרי גיבוי נציץ. לחלופין, להכין סרטי זהב על Si או משטחים נציץ על פי נהלים שתוארו בספרות 118,119. שים לב: שימוש במשטחים ?…

Representative Results

1. חקירת תגובתיות של רו (bpy) 3 + 2 בCOOH-סאמס השימוש באתרו TOF-SIMS נחיתה רכה של יונים אורגנומתכתית נבחר המוניים על סאמס פונקציונליות באה לידי ביטוי הראשון באמצעות באתר TOF-SIMS לספק רגישות מקסימלית לזיהוי של adducts נוצר בין …

Discussion

נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים בדרך כלל נערכה העסקת מכשור שהותקן ייחודי שקיים במספר מעבדות ברחבי העולם שמצוידות במיוחד עבור ניסויים אלו. שינויים כל הזמן נעשים למכשירים אלה כדי להקל על היינון של מגוון רחב יותר של תרכובות, כדי להשיג זרמי יון גדולים יותר ופעמים בתצה?…

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