JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Chemistry

In situ SIMS og IR spektroskopi av godt definerte overflater som er Soft Landing av Mass-utvalgte ioner

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

Summary

Myk landing av masse-valgte ioner mot flatene er en kraftig metode for høyt styrt fremstilling av nye materialer. Sammen med analyse ved in situ sekundær ion massespektrometri (SIMS) og infrarød refleksjon absorpsjon spektroskopi (IRRAS), gir myk landing enestående innsikt i samspillet av veldefinerte arter med overflater.

Abstract

Myk landing av masse-valgte ioner mot flatene er en kraftig metode for høyt styrt fremstilling av materialer som er utilgjengelige ved hjelp av konvensjonelle synteseteknikker. Kopling myk landing med in situ karakterisering ved hjelp av sekundære ion massespektrometri (SIMS) og infrarød refleksjon absorpsjon spektroskopi (IRRAS) muliggjør analyse av veldefinerte flater under rene vakuum. Egenskapene til tre soft-landing instrumenter konstruert i vårt laboratorium er illustrert for det representative systemet for overflate-bundet organometallics utarbeidet av myk landing av masse valgt ruthenium tris (bipyridine) dications, [Ru (BPY) 3] 2 + (BPY = bipyridin) inn karboksylsyre-termin selv-sammensatte monolagsflater på gull (COOH-Sams). In situ time-of-flight (TOF)-SIMS gir innsikt i reaktiviteten av de myk-landet ioner. I tillegg er kinetikken av charge reduksjon, nøytralisering og deabsorpsjon skjer på COOH-SAM både under og etter ion myk landing er studert ved hjelp av in situ Fourier transform ion syklotronen resonans (FT-ICR)-SIMS målinger. In situ IRRAS eksperimenter gi innsikt i hvordan strukturen av organiske ligander rundt metallsentre er opprørt gjennom immobilisering av metallorganiske ioner på COOH-SAM overflater av myk landing. Kollektivt, de tre instrumentene gi utfyllende informasjon om den kjemiske sammensetningen, reaktivitet og struktur av veldefinerte arter støttes på overflater.

Introduction

Myk landing av masse-valgte ioner mot flatene forblir en gjenstand for dagens forskning interesse på grunn av den påviste egenskapene til teknikken for høyt styrt fremstilling av nye materialer 1-6. Nyere forsøk har indikert potensielle fremtidige anvendelser av myk landing av masse-valgte ioner ved fremstilling av peptid-og protein-matriser for anvendelse i high-throughput screening biologisk 7,8, separasjon av proteiner og konformasjonsendring anrikning av peptidene 9-12, kovalent binding av peptider til overflater 9,10,13,14, kiralt berikelse av organiske forbindelser 15, elektrokjemisk karakterisering av spesifikke redoks-aktive proteiner 16-18, produksjon av tynne molekylære filmer 19,20, prosessering av makromolekyler som graphene 21 og utarbeidelse av modell katalysatorsystemene gjennom myk landing av ioniske klynger 22-39, nanopartikler 40-48 og organometallisk complexes på hjelpemidler 19,49-56. Konseptet med å endre overflater gjennom myk landing av polyatomic ioner ble opprinnelig foreslått av Cooks og medarbeidere i 1977 57. I de påfølgende årene er det utviklet et bredt spekter av instrumentale tilnærminger for kontrollert deponering av masse-valgt ioner fra gass- fasen på overflater 1,4,5. Ioner har blitt produsert gjennom prosesser som electro ionisering (ESI) 10,58,59, matrix-assistert laser desorpsjon / ionisering (MALDI) 21, elektron innvirkning ionisering (EI) 60,61, pulsbue utslipp 62, inert gass kondens 36 , 63, magnetron sputtering 64,65, og laser fordamping 25,66,67. Masse utvalg av gass-fase ioner før myk landing er oppnådd primært ansette kvadropol masse filtre 58,68,69, magnetiske nedbøyning enheter 70, og lineære ion felle instrumenter 8,59. En spesielt notaBLE forhånd i ion myk landing metodikk skjedde nylig med en vellykket gjennomføring av omgivelses ion soft-og reaktiv landing av Cooks og medarbeidere 71,72. Ved hjelp av disse ulike ionisering og masse utvalg teknikker, har interaksjoner av hypotermiske (<100 eV) polyatomic ioner med overflater blitt undersøkt for å bedre forstå hvilke faktorer som påvirker effektiviteten av ion myk landing og de konkurrerende prosesser av reaktiv og unreactive spredning som samt overflate indusert dissosiasjon 4,73-75.

Utarbeidelse av veldefinerte modellkatalysatorer for forskningsformål har vært en spesielt fruktbar anvendelse av myk landing av masse valgt ioner 25,34,35,56,76-81. I størrelsesområdet av nanoskala klynger, hvor fysiske og kjemiske oppførsel ikke skalere lineært med klyngestørrelsen har det vist seg at tilsetning eller fjerning av enkle atomer til eller fra klynger kan drastisk påvirke their kjemisk reaktivitet 82-84. Dette nanoskala fenomen, som resulterer fra Quantum nedkomst, ble demonstrert overbevisende av Heiz og medarbeidere 85 for en modell katalysator som består av myke landet klynger av åtte gullatomer (Au ​​8) støttes på en defekt rike MgO overflaten. Flere andre studier har gitt holdepunkter for størrelsen avhengige reaktivitet av klynger støttes på overflater 34,77,86,87. Videre høyoppløselig elektronmikroskopi bilder viser at klynger som inneholder så få som ti 88 og femtifem 89 atomer kan være i stor grad ansvarlig for den overlegne aktiviteten av bulk-syntetisert gullkatalysatorer støttes på jernoksider. Anvendelse av myk landing av masse-valgte ioner, er det mulig å fremstille stabile matriser av størrelsesvalgte grupper og nanopartikler som ikke diffuse og agglomererer til større strukturer på overflaten av bærermaterialer 90-92. Disse tidligere studier indikerer at med kontinuering utvikling, kan myk landing av masse valgt klynger og nanopartikler bli en allsidig teknikk for etablering av svært aktive heterogene katalysatorer som utnytter emergent atferd av et stort antall identiske klynger og nanopartikler i lengre arrays på overflater. Disse ekstremt godt definerte systemer kan anvendes for forskningsformål å forstå hvordan kritiske parametere som cluster størrelse, morfologi, elementær sammensetning og overflatedekning påvirkning katalytisk aktivitet, selektivitet og levetid.

Organometalliske komplekser som vanligvis brukes i løsning-fase som homogene katalysatorer også kan bli immobilisert på overflaten gjennom myk landing av masse-valgte ioner 56,80,81. Feste ioniske metall-ligand komplekser til faste bærere å produsere hybrid organisk-uorganiske materialer er i dag et aktivt forskningsområde i katalyse og overflaterealfagsmiljøene 93. Det overordnede målet er å oppnå høySelektiviteten mot et ønsket produkt av oppløsningen-fase metall-ligand-komplekser og samtidig fremme en lettere separasjon av produkter fra katalysatorer og reaktanter som er igjen i løsningen. På denne måte immobiliserte overflate organometalliske komplekser høste fordelene av både homogene og heterogene katalysatorer. Ved valg av en passende substrat er det mulig å opprettholde eller til og med forbedre den organiske ligand miljøet rundt det aktive metallsenteret samtidig oppnå sterk overflate immobilisering 94.. Selv-montert monolayer overflater (SAMS) på gull kan sies opp med en rekke ulike funksjonelle grupper og er derfor ideelle systemer for å undersøke muligheten for tethering metallorganiske komplekser til overflater gjennom myk landing av masse valgt ioner 95. Videre har ionisering metoder som atmosfæretrykk termisk desorpsjon ionisering (APTDI) blitt vist tidligere for å gi gass-fase blandede metall-uorganiske kompleksersom ikke er tilgjengelige via syntese i løsning 96.. På samme måte, ikke-termokinetisk begrenset syntese og ionisering teknikker som sputtering 65, gass-aggregering 63 og laser fordamping 66 også kan være kombinert med ion myk landing instrumentering for å tilveiebringe en allsidig rute til nye uorganiske klynger og nanopartikler båret på overflater.

For å kunne utvikle seg myk landing av masse-valgte ioner inn i en moden teknologi for fremstilling av materialer, er det viktig at omfattende analytiske metoder være kombinert med myke landing instrumentering for å undersøke de kjemiske og fysiske egenskaper til overflater før, under og etter avsetning av ioner. Til dags dato har et mangfold av teknikker har blitt brukt til dette formålet, inkludert sekundær ion massespektrometri (SIMS) 19,97-100, temperatur programmert desorpsjon og reaksjon 50,52, laser desorpsjon og ionisering en01, pulset molekylær stråle reaksjon 102, infrarød spektroskopi (FTIR og Raman) 98103104, overflate forbedret Raman spek 103105, hulrom ringdown spek 106, x-ray fotoelektron spektroskopi 35107, scanning tunneling mikros 33,108-111, atomic force mikros 112-114, og transmisjonselektronmikros 39. Men for å mest nøyaktig å karakterisere overflater som er modifisert eller ved ione myk landing, er det viktig at analysen utføres in situ uten eksponering av substratet til miljøet i laboratoriet. Tidligere analyser utført in situ har gitt innsikt i fenomener som for eksempel reduksjon av ionisk ansvaret for myke landet ioner over tid 37,38,115,116, desorpsjon av myk landet ioner fra overflater 52, effektiviteten og kinetisk energi avhengighet av ion reaktiv landing 14,81 , og innflytelsen av størrelsenpå den katalytiske aktivitet av klynger og nanopartikler avsatt på overflater 117.. Som eksempel, i vårt laboratorium, vi har systematisk undersøkt ladereduksjonskinetikken av protonert peptider på overflaten av forskjellige Sams 3. Disse forsøk ble utført med en unik myk landing instrument koblet til en Fourier-transform ion syklotron resonans secondary ion mass spektrometer (FT-ICR-SIMS) som muliggjør in situ analyse av flater både under og etter myk landing av ioner 97. Å utvide på disse analytiske evner, ble et annet instrument konstruert som tillater in situ karakterisering av myke landet ioner på overflater ved hjelp IRRAS 104. Denne overflate-sensitive infrarød teknikk muliggjør bindingsdannelse-og destruksjonsprosesser samt konformasjonsendringer i komplekse ioner og overflatelagene som skal overvåkes i sanntid, både under og etter myk landing 12.. For eksempel, ved bruk av IRRAS den vardemonstrert at ion myk landing kan benyttes for kovalent å immobilisere masse valgte peptider på N-hvdroksvsuccinimidvl ester funksjonalisert Sams 13,14.

Heri, illustrerer vi mulighetene til tre unike spesialbygde instrumenter plassert på Pacific Northwest National Laboratory som er designet for in situ TOF-SIMS, FT-ICR-SIMS, og IRRAS analyse av substrater produsert gjennom myk landing av masse valgt ioner på overflater. Som et representativt system, vi presentere resultater for myk landing av masse valgt organometallisk ruthenium tris (bipyridine) dications [Ru (BPY) 3] 2 + på karboksylsyreterminerte Sams (COOH-Sams) å forberede immobiliserte metallorganiske komplekser. Det er vist at TOF-SIMS in situ tilbyr fordelene ved ekstremt høy sensitivitet og stort samlet dynamisk område som muliggjør identifikasjon av lav overflod arter inkludert reaktive mellomprodukter som bare kan forhåndssendt for korte perioder av gangen på overflatene. TOF-SIMS også gir innsikt i hvordan fjerning av en ligand fra en organometallisk ion i gassfase, forut for myk landing, påvirker dens effektivitet mot immobilisering på overflater, og dens kjemiske reaktivitet overfor gassformede molekyler. Komplementær karakterisering ved hjelp av in situ FT-ICR-SIMS gir innsikt i lade reduksjon, nøytralisering og desorpsjonskinetikk av dobbelt ladede ioner på overflaten, mens in situ IRRAS sonder strukturen av de organiske ligander som omgir de ladede metallsentre, som kan påvirke elektroniske egenskaper og reaktivitet av de immobiliserte ioner. Kollektivt, illustrerer vi hvor myk landing av masse valgt ioner kombinert med in situ analyse av SIMS og IRRAS gir innsikt i samspillet mellom veldefinerte arter og overflater som har implikasjoner for et bredt spekter av vitenskapelige bestrebelser.

Protocol

En. Utarbeidelse av COOH-SAM Overflater på gull for Soft Landing av Mass-utvalgte ioner Innhent flate gull substrater på silisium (Si), eller glimmer støttematerialer. Alternativt kan forberede gullfilmer på Si-eller mica overflater i henhold til prosedyrer beskrevet i litteraturen 118119. Merk: Bruk flater som har følgende spesifikasjoner: 1 cm 2 eller sirkulær og 5 mm i diameter, 525 mikrometer tykt Si-lag, 50 Å tykk Ti heftsjikt, 1000 Å. Au lag. Plasser …

Representative Results

En. Gransker Reaktivitet av Ru (BPY) 3 2 + på COOH-Sams bruker i situ TOF-SIMS Myk landing av masse-valgt metallorganiske ioner inn funksjonalisert Sams først blir illustrert ved hjelp av in situ-TOF-SIMS å gi maksimal følsomhet overfor påvisning av addukter dannet mellom det deponerte ioner og de ​​enkelte molekyler i monolag samt eventuelle produkter av kjemiske reaksjoner etter eksponering av overflatene til reaktive gasser. Den dobbelt ladet…

Discussion

Myk landing av masse valgt ioner er generelt utført ansette unike spesialbygde instrumenter som finnes i flere laboratorier rundt om i verden som er spesielt utstyrt for disse eksperimentene. Modifikasjoner blir stadig gjort til disse instrumentene for å lette ioniseringen av et bredere spekter av forbindelser, for å oppnå større ion strømmer og kortere deponering ganger, for å multiplekse myk landing og dermed oppnå samtidig avsetning av flere arter på forskjellige steder på overflaten, og til å tillate mer …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne forskningen ble finansiert av Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geofag og biovitenskap av US Department of Energy (DOE). GEJ erkjenner støtte fra Linus Pauling Fellowship og Laboratory Regi Research and Development Program ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Dette arbeidet ble utført ved hjelp EMSL, en nasjonal vitenskapelig bruker anlegget sponset av Department of Energy Office of Biological and Environmental Research og ligger på PNNL. PNNL drives av Battelle for det amerikanske DOE.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gologan, B., Green, J. R., Alvarez, J., Laskin, J., Cooks, R. G. Ion/surface reactions and ion soft-landing. Physical Chemistry Chemical Physics. 7, 1490-1500 (2005).
  2. Perez, A., et al. Functional nanostructures from clusters. Int J Nanotechnol. 7, 523-574 (2010).
  3. Laskin, J., Wang, P., Hadjar, O. Soft-landing of peptide ions onto self-assembled monolayer surfaces: an overview. Physical Chemistry Chemical Physics. 10, 1079-1090 (2008).
  4. Cyriac, J., Pradeep, T., Kang, H., Souda, R., Cooks, R. G. Low-Energy Ionic Collisions at Molecular Solids. Chem Rev. 112, 5356-5411 (2012).
  5. Verbeck, G., Hoffmann, W., Walton, B. Soft-landing preparative mass spectrometry. Analyst. 137, 4393-4407 (2012).
  6. Johnson, G. E., Hu, Q. C., Laskin, J. Soft Landing of Complex Molecules on Surfaces. Annu Rev Anal Chem. 4, 83-104 (2011).
  7. Ouyang, Z., et al. Preparing protein microarrays by soft-landing of mass-selected ions. Science. 301, 1351-1354 (2003).
  8. Blake, T. A., et al. Preparative linear ion trap mass spectrometer for separation and collection of purified proteins and peptides in arrays using ion soft landing. Anal Chem. 76, 6293-6305 (2004).
  9. Blacken, G. R., Volny, M., Vaisar, T., Sadilek, M., Turecek, F. In situ enrichment of phosphopeptides on MALDI plates functionalized by reactive landing of zirconium(IV)-n-propoxide ions. Anal Chem. 79, 5449-5456 (2007).
  10. Blacken, G. R., et al. Reactive Landing of Gas-Phase Ions as a Tool for the Fabrication of Metal Oxide Surfaces for In Situ Phosphopeptide Enrichment. J Am Soc Mass Spectr. 20, 915-926 (2009).
  11. Wang, P., Laskin, J. Helical peptide arrays on self-assembled monolayer surfaces through soft and reactive landing of mass-selected ions. Angew Chem Int Edit. 47, 6678-6680 (2008).
  12. Hu, Q. C., Wang, P., Laskin, J. Effect of the surface on the secondary structure of soft landed peptide ions. Phys Chem Chem Phys. 12, 12802-12810 (2010).
  13. Wang, P., Hadjar, O., Laskin, J. Covalent immobilization of peptides on self-assembled monolayer surfaces using soft-landing of mass-selected ions. J Am Chem Soc. 129, 8682-8683 (2007).
  14. Wang, P., Hadjar, O., Gassman, P. L., Laskin, J. Reactive landing of peptide ions on self-assembled monolayer surfaces: an alternative approach for covalent immobilization of peptides on surfaces. Physical Chemistry Chemical Physics. 10, 1512-1522 (2008).
  15. Nanita, S. C., Takats, Z., Cooks, R. G., Myung, S., Clemmer, D. E. Chiral enrichment of serine via formation, dissociation, and soft-landing of octameric cluster ions. J Am Soc Mass Spectr. 15, 1360-1365 (2004).
  16. Pepi, F., et al. Soft landed protein voltammetry. (33), 3494-3496 (2007).
  17. Mazzei, F., et al. Soft-landed protein voltammetry: A tool for redox protein characterization. Anal Chem. 80, 5937-5944 (2008).
  18. Mazzei, F., Favero, G., Frasconi, M., Tata, A., Pepi, F. Electron-Transfer Kinetics of Microperoxidase-11 Covalently Immobilised onto the Surface of Multi-Walled Carbon Nanotubes by Reactive Landing of Mass-Selected Ions. Chemistry-a European Journal. 15, 7359-7367 (2009).
  19. Rauschenbach, S., et al. Electrospray Ion Beam Deposition: Soft-Landing and Fragmentation of Functional Molecules at Solid Surfaces. Acs Nano. 3, 2901-2910 (2009).
  20. Saf, R., et al. Thin organic films by atmospheric-pressure ion deposition. Nat Mater. 3, 323-329 (2004).
  21. Rader, H. J., et al. Processing of giant graphene molecules by soft-landing mass spectrometry. Nature Materials. 5, 276-280 (2006).
  22. Xirouchaki, C., Palmer, R. E. Pinning and implantation of size-selected metal clusters: a topical review. Vacuum. 66, 167-173 (2002).
  23. Xirouchaki, C., Palmer, R. E. Deposition of size-selected metal clusters generated by magnetron sputtering and gas condensation: a progress review. Philos T Roy Soc A. 362, 117-124 (2004).
  24. Li, Z. Y., et al. Three-dimensional atomic-scale structure of size-selected gold nanoclusters. Nature. 451, (2008).
  25. Heiz, U., Vanolli, F., Trento, L., Schneider, W. D. Chemical reactivity of size-selected supported clusters: An experimental setup. Rev Sci Instrum. 68, 1986-1994 (1997).
  26. Heiz, U., et al. Chemical reactions on size-selected clusters on surfaces. Nobel Symp. 117, 87-98 (2001).
  27. Kunz, S., et al. Size-selected clusters as heterogeneous model catalysts under applied reaction conditions. Phys Chem Chem Phys. 12, 10288-10291 (2010).
  28. Wepasnick, K. A., et al. Surface Morphologies of Size-Selected Mo-100 +/- 2.5 and (MoO3)(67+/-1.5) Clusters Soft-Landed onto HOPG. J Phys Chem C. 115, 12299-12307 (2011).
  29. Lim, D. C., Dietsche, R., Gantefor, G., Kim, Y. D. Size-selected Au clusters deposited on SiO2/Si: Stability of clusters under ambient pressure and elevated temperatures. Appl Surf Sci. 256, 1148-1151 (2009).
  30. Woodward, W. H., Blake, M. M., Luo, Z. X., Weiss, P. S., Castleman, A. W. Soft-Landing Deposition of Al-17(-) on a Hydroxyl-Terminated Self-Assembled Monolayer. J Phys Chem C. 115, 5373-5377 (2011).
  31. Benz, L., et al. Landing of size-selected Ag-n(+) clusters on single crystal TiO2 (110)-(1×1) surfaces at room temperature. J Chem Phys. 122, (2005).
  32. Tong, X., et al. Intact size-selected Au-n clusters on a TiO2(110)-(1 x 1) surface at room temperature. J Am Chem Soc. 127, 13516-13518 (2005).
  33. Kahle, S., et al. The Quantum Magnetism of Individual Manganese-12-Acetate Molecular Magnets Anchored at Surfaces. Nano Lett. 12, 518-521 (2012).
  34. Proch, S., Wirth, M., White, H. S., Anderson, S. L. Strong Effects of Cluster Size and Air Exposure on Oxygen Reduction and Carbon Oxidation Electrocatalysis by Size-Selected Pt-n (n <= 11) on Glassy Carbon Electrodes. J Am Chem Soc. 135, 3073-3086 (2013).
  35. Kaden, W. E., Wu, T. P., Kunkel, W. A., Anderson, S. L. Electronic Structure Controls Reactivity of Size-Selected Pd Clusters Adsorbed on TiO2 Surfaces. Science. 326, 826-829 (2009).
  36. Binns, C. Nanoclusters deposited on surfaces. Surf Sci Rep. 44, 1-49 (2001).
  37. Johnson, G. E., Priest, T., Laskin, J. Coverage-Dependent Charge Reduction of Cationic Gold Clusters on Surfaces Prepared Using Soft Landing of Mass-Selected Ions. J Phys Chem C. 116, 24977-24986 (2012).
  38. Johnson, G. E., Priest, T., Laskin, J. Charge Retention by Gold Clusters on Surfaces Prepared Using Soft Landing of Mass Selected Ions. Acs Nano. 6, 573-582 (2012).
  39. Johnson, G. E., Wang, C., Priest, T., Laskin, J. Monodisperse Au-11 Clusters Prepared by Soft Landing of Mass Selected Ions. Anal Chem. 83, 8069-8072 (2011).
  40. Zachary, A. M., Bolotin, I. L., Asunskis, D. J., Wroble, A. T., Hanley, L. Cluster Beam Deposition of Lead Sulfide Nanocrystals into Organic Matrices. Acs Appl Mater Inter. 1, 1770-1777 (2009).
  41. Ayesh, A. I., Qamhieh, N., Ghamlouche, H., Thaker, S., El-Shaer, M. Fabrication of size-selected Pd nanoclusters using a magnetron plasma sputtering source. J Appl Phys. 107, (2010).
  42. Ayesh, A. I., Thaker, S., Qamhieh, N., Ghamlouche, H. Size-controlled Pd nanocluster grown by plasma gas-condensation method. J Nanopart Res. 13, 1125-1131 (2011).
  43. Ayesh, A. I., Qamhieh, N., Mahmoud, S. T., Alawadhi, H. Fabrication of size-selected bimetallic nanoclusters using magnetron sputtering. J Mater Res. 27, 2441-2446 (2012).
  44. Datta, D., Bhattacharyya, S. R., Shyjumon, I., Ghose, D., Hippler, R. Production and deposition of energetic metal nanocluster ions of silver on Si substrates. Surf Coat Tech. 203, 2452-2457 (2009).
  45. Majumdar, A., et al. Surface morphology and composition of films grown by size-selected Cu nanoclusters. Vacuum. 83, 719-723 (2008).
  46. Tang, J., Verrelli, E., Tsoukalas, D. Assembly of charged nanoparticles using self-electrodynamic focusing. Nanotechnology. 20, 10 (2009).
  47. Gracia-Pinilla, M. A., Martinez, E., Vidaurri, G. S., Perez-Tijerina, E. Deposition of Size-Selected Cu Nanoparticles by Inert Gas Condensation. Nanoscale Res Lett. 5, 180-188 (2010).
  48. Banerjee, A. N., Krishna, R., Das, B. Size controlled deposition of Cu and Si nano-clusters by an ultra-high vacuum sputtering gas aggregation technique. Appl Phys. 90, 299-303 (2008).
  49. Judai, K., et al. A soft-landing experiment on organometallic cluster ions: infrared spectroscopy of V(benzene)(2) in Ar matrix. Chemical Physics Letters. 334, 277-284 (2001).
  50. Mitsui, M., Nagaoka, S., Matsumoto, T., Nakajima, A. Soft-landing isolation of vanadium-benzene sandwich clusters on a room-temperature substrate using n-alkanethiolate self-assembled monolayer matrixes. J Phys Chem B. 110, 2968-2971 (2006).
  51. Nagaoka, S., Matsumoto, T., Okada, E., Mitsui, M., Nakajima, A. Room-temperature isolation of V(benzene)(2) sandwich clusters via soft-landing into n-alkanethiol self-assembled monolayers. J Phys Chem B. 110, 16008-16017 (2006).
  52. Nagaoka, S., Matsumoto, T., Ikemoto, K., Mitsui, M., Nakajima, A. Soft-landing isolation of multidecker V-2(benzene)(3) complexes in an organic monolayer matrix: An infrared spectroscopy and thermal desorption study. J Am Chem Soc. 129, 1528-1529 (2007).
  53. Nagaoka, S., Ikemoto, K., Matsumoto, T., Mitsui, M., Nakajima, A. Soft-landing isolation of gas-phase-synthesized transition metal-benzene complexes into a fluorinated self-assembled monolayer matrix. J Phys Chem C. 112, 15824-15831 (2008).
  54. Ikemoto, K., Nagaoka, S., Matsumoto, T., Mitsui, M., Nakajima, A. Soft-Landing Experiments of Cr(benzene)(2) Sandwich Complexes onto a Carboxyl-Terminated Self-Assembled Monolayer Matrix. J Phys Chem C. 113, 4476-4482 (2009).
  55. Nagaoka, S., Ikemoto, K., Horiuchi, K., Nakajima, A. Soft- and Reactive-Landing of Cr(aniline)(2) Sandwich Complexes onto Self-Assembled Monolayers: Separation between Functional and Binding Sites. J Am Chem Soc. 133, 18719-18727 (2011).
  56. Pepi, F., et al. Chemically Modified Multiwalled Carbon Nanotubes Electrodes with Ferrocene Derivatives through Reactive Landing. J Phys Chem C. 115, 4863-4871 (2011).
  57. Franchetti, V., Solka, B. H., Baitinger, W. E., Amy, J. W., Cooks, R. G. Soft Landing of Ions as a Means of Surface Modification. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes. 23, 29-35 (1977).
  58. Hadjar, O., et al. Design and performance of an instrument for soft landing of Biomolecular ions on surfaces. Anal Chem. 79, 6566-6574 (2007).
  59. Peng, W. P., et al. Ion soft landing using a rectilinear ion trap mass spectrometer. Anal Chem. 80, 6640-6649 (2008).
  60. Shen, J. W., et al. Soft landing of ions onto self-assembled hydrocarbon and fluorocarbon monolayer surfaces. Int J Mass Spectrom. 182, 423-435 (1999).
  61. Bottcher, A., Weis, P., Bihlmeier, A., Kappes, M. M. C-58 on HOPG: Soft-landing adsorption and thermal desorption. Physical Chemistry Chemical Physics. 6, 5213-5217 (2004).
  62. Klipp, B., et al. Deposition of mass-selected cluster ions using a pulsed arc cluster-ion source. Appl Phys a-Mater. 73, 547-554 (2001).
  63. Baker, S. H., et al. The construction of a gas aggregation source for the preparation of size-selected nanoscale transition metal clusters. Rev Sci Instrum. 71, 3178-3183 (2000).
  64. Haberland, H., Karrais, M., Mall, M., Thurner, Y. Thin-Films from Energetic Cluster Impact – a Feasibility Study. J Vac Sci Technol A. 10, 3266-3271 (1992).
  65. Pratontep, S., Carroll, S. J., Xirouchaki, C., Streun, M., Palmer, R. E. Size-selected cluster beam source based on radio frequency magnetron plasma sputtering and gas condensation. Rev Sci Instrum. 76, (2005).
  66. Duncan, M. A. Invited Review Article: Laser vaporization cluster sources. Rev Sci Instrum. 83, (2012).
  67. Wagner, R. L., Vann, W. D., Castleman, A. W. A technique for efficiently generating bimetallic clusters. Rev Sci Instrum. 68, 3010-3013 (1997).
  68. Harbich, W., et al. Deposition of Mass Selected Silver Clusters in Rare-Gas Matrices. J Chem Phys. 93, 8535-8543 (1990).
  69. Denault, J. W., Evans, C., Koch, K. J., Cooks, R. G. Surface modification using a commercial triple quadrupole mass spectrometer. Anal Chem. 72, 5798-5803 (2000).
  70. Mayer, P. S., et al. Preparative separation of mixtures by mass spectrometry. Anal Chem. 77, 4378-4384 (2005).
  71. Badu-Tawiah, A. K., Wu, C. P., Cooks, R. G. Ambient Ion Soft Landing. Anal Chem. 83, 2648-2654 (2011).
  72. Badu-Tawiah, A. K., Campbell, D. I., Cooks, R. G. Reactions of Microsolvated Organic Compounds at Ambient Surfaces: Droplet Velocity, Charge State, and Solvent Effects. J Am Soc Mass Spectr. 23, 1077-1084 (2012).
  73. Laskin, J., Futrell, J. H. Activation of large ions in FT-ICR mass spectrometry. Mass Spectrom Rev. 24, 135-167 (2005).
  74. Laskin, J., Futrell, J. H. Collisional activation of peptide ions in FT-ICR mass spectrometry. Mass Spectrom Rev. 22, 158-181 (2003).
  75. Wysocki, V. H., Joyce, K. E., Jones, C. M., Beardsley, R. L. Surface-induced dissociation of small molecules, peptides,and non-covalent protein complexes. J Am Soc Mass Spectr. 19, 190-208 (2008).
  76. Abbet, S., Judai, K., Klinger, L., Heiz, U. Synthesis of monodispersed model catalysts using softlanding cluster deposition. Pure Appl Chem. 74, 1527-1535 (2002).
  77. Molina, L. M., et al. Size-dependent selectivity and activity of silver nanoclusters in the partial oxidation of propylene to propylene oxide and acrolein: A joint experimental and theoretical study. Catal Today. 160, 116-130 (2011).
  78. Lei, Y., et al. Increased Silver Activity for Direct Propylene Epoxidation via Subnanometer Size Effects. Science. 328, 224-228 (2010).
  79. Lee, S., et al. Selective Propene Epoxidation on Immobilized Au6-10 Clusters: The Effect of Hydrogen and Water on Activity and Selectivity. Angew Chem Int Edit. 48, 1467-1471 (2009).
  80. Peng, W. P., et al. Redox chemistry in thin layers of organometallic complexes prepared using ion soft landing. Phys Chem Chem Phys. 13, 267-275 (2011).
  81. Johnson, G. E., Laskin, J. Preparation of Surface Organometallic Catalysts by Gas-Phase Ligand Stripping and Reactive Landing of Mass-Selected Ions. Chem-Eur J. 16, 14433-14438 (2010).
  82. Castleman, A. W., Jena, P. Clusters: A bridge between disciplines. P Natl Acad Sci USA. 103, 10552-10553 (2006).
  83. Jena, P., Castleman, A. W. Clusters: A bridge across the disciplines of physics and chemistry. P Natl Acad Sci USA. 103, 10560-10569 (2006).
  84. Castleman, A. W., Jena, P. Clusters: A bridge across the disciplines of environment, materials science, and biology. P Natl Acad Sci USA. 103, 10554-10559 (2006).
  85. Yoon, B., et al. Charging effects on bonding and catalyzed oxidation of CO on Au-8 clusters on MgO. Science. 307, 403-407 (2005).
  86. Landman, U., Yoon, B., Zhang, C., Heiz, U., Arenz, M. Factors in gold nanocatalysis: oxidation of CO in the non-scalable size regime. Top Catal. 44, 145-158 (2007).
  87. Habibpour, V., et al. Novel Powder-Supported Size-Selected Clusters for Heterogeneous Catalysis under Realistic Reaction Conditions. J Phys Chem C. 116, 26295-26299 (2012).
  88. Herzing, A. A., Kiely, C. J., Carley, A. F., Landon, P., Hutchings, G. J. Identification of active gold nanoclusters on iron oxide supports for CO oxidation. Science. 321, 1331-1335 (2008).
  89. Turner, M., et al. Selective oxidation with dioxygen by gold nanoparticle catalysts derived from 55-atom clusters. Nature. 454, (2008).
  90. Yin, F., Xirouchaki, C., Guo, Q. M., Palmer, R. E. High-temperature stability of size-selected gold nanoclusters pinned on graphite. Adv Mater. 17, 731-734 (2005).
  91. Palomba, S., Palmer, R. E. Patterned films of size-selected Au clusters on optical substrates. J Appl Phys. 101, (2007).
  92. Yin, F., Lee, S. S., Abdela, A., Vajda, S., Palmer, R. E. Communication: Suppression of sintering of size-selected Pd clusters under realistic reaction conditions for catalysis. J Chem Phys. 134, (2011).
  93. Zamboulis, A., Moitra, N., Moreau, J. J. E., Cattoen, X., Man, M. W. C. Hybrid materials: versatile matrices for supporting homogeneous catalysts. J Mater Chem. 20, 9322-9338 (2010).
  94. Notestein, J. M., Katz, A. Enhancing heterogeneous catalysis through cooperative hybrid organic-inorganic interfaces. Chem-Eur J. 12, 3954-3965 (2006).
  95. Love, J. C., Estroff, L. A., Kriebel, J. K., Nuzzo, R. G., Whitesides, G. M. Self-assembled monolayers of thiolates on metals as a form of nanotechnology. Chem Rev. 105, 1103-1169 (2005).
  96. Peng, W. P., Goodwin, M. P., Chen, H., Cooks, R. G., Wilker, J. Thermal formation of mixed-metal inorganic complexes at atmospheric pressure. Rapid Commun Mass Sp. 22, 3540-3548 (2008).
  97. Alvarez, J., et al. Preparation and in situ characterization of surfaces using soft landing in a Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer. Anal Chem. 77, 3452-3460 (2005).
  98. Cyriac, J., Li, G. T., Cooks, R. G. Vibrational Spectroscopy and Mass Spectrometry for Characterization of Soft Landed Polyatomic Molecules. Anal Chem. 83, 5114-5121 (2011).
  99. Johnson, G. E., Lysonski, M., Laskin, J. In Situ Reactivity and TOF-SIMS Analysis of Surfaces Prepared by Soft and Reactive Landing of Mass-Selected Ions. Anal Chem. 82, 5718-5727 (2010).
  100. Nie, Z. X., et al. In Situ SIMS Analysis and Reactions of Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-Selected Cations and Anions Using an Ion Trap Mass Spectrometer. J Am Soc Mass Spectr. 20, 949-956 (2009).
  101. Gologan, B., et al. Ion soft-landing into liquids: Protein identification, separation, and purification with retention of biological activity. J Am Soc Mass Spectr. 15, 1874-1884 (2004).
  102. Judai, K., Abbet, S., Worz, A. S., Rottgen, M. A., Heiz, U. Turn-over frequencies of catalytic reactions on nanocatalysts measured by pulsed molecular beams and quantitative mass spectrometry. Int J Mass Spectrom. 229, 99-106 (2003).
  103. Cyriac, J., Wleklinski, M., Li, G. T., Gao, L., Cooks, R. G. In situ Raman spectroscopy of surfaces modified by ion soft landing. Analyst. 137, 1363-1369 (2012).
  104. Hu, Q. C., Wang, P., Gassman, P. L., Laskin, J. In situ Studies of Soft- and Reactive Landing of Mass-Selected Ions Using Infrared Reflection Absorption Spectroscopy. Anal Chem. 81, 7302-7308 (2009).
  105. Volny, M., et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy of soft-landed polyatomic ions and molecules. Anal Chem. 79, 4543-4551 (2007).
  106. Kartouzian, A., et al. Cavity ring-down spectrometer for measuring the optical response of supported size-selected clusters and surface defects in ultrahigh vacuum. J Appl Phys. 104, (2008).
  107. Kaden, W. E., Kunkel, W. A., Roberts, F. S., Kane, M., Anderson, S. L. CO adsorption and desorption on size-selected Pdn/TiO2(110) model catalysts: Size dependence of binding sites and energies, and support-mediated adsorption. J Chem Phys. 136, (2012).
  108. Price, S. P., et al. STM characterization of size-selected V-1, V-2, VO and VO2 clusters on a TiO2 (110)-(1 x 1) surface at room temperature. Surf Sci. 605, 972-976 (2011).
  109. Benz, L., et al. Pinning mononuclear Au on the surface of titania. J Phys Chem B. 110, 663-666 (2006).
  110. Deng, Z. T., et al. A Close Look at Proteins: Submolecular Resolution of Two- and Three-Dimensionally Folded Cytochrome c at Surfaces. Nano Lett. 12, 2452-2458 (2012).
  111. Di Vece, M., Palomba, S., Palmer, R. E. Pinning of size-selected gold and nickel nanoclusters on graphite. Phys Rev B. , (2005).
  112. Benesch, J. L. P., et al. Separating and visualising protein assemblies by means of preparative mass spectrometry and microscopy. J Struct Biol. 172, 161-168 (2010).
  113. Davila, S. J., Birdwell, D. O., Verbeck, G. F. Drift tube soft-landing for the production and characterization of materials: Applied to Cu clusters. Rev Sci Instrum. 81, (2010).
  114. Rauschenbach, S., et al. Electrospray ion beam deposition of clusters and biomolecules. Small. 2, 540-547 (2006).
  115. Hadjar, O., Futrell, J. H., Laskin, J. First observation of charge reduction and desorption kinetics of multiply protonated peptides soft landed onto self-assembled monolayer surfaces. J Phys Chem C. 111, 18220-18225 (2007).
  116. Hadjar, O., Wang, P., Futrell, J. H., Laskin, J. Effect of the Surface on Charge Reduction and Desorption Kinetics of Soft Landed Peptide Ions. J Am Soc Mass Spectr. 20, 901-906 (2009).
  117. Heiz, U., Bullock, E. L. Fundamental aspects of catalysis on supported metal clusters. J Mater Chem. 14, 564-577 (2004).
  118. Nogues, C., Wanunu, M. A rapid approach to reproducible, atomically flat gold films on mica. Surf Sci. 573, (2004).
  119. Kawasaki, M., Uchiki, H. Sputter deposition of atomically flat Au(111) and Ag(111) films. Surf Sci. 388, (1997).
  120. Laskin, J., Denisov, E. V., Shukla, A. K., Barlow, S. E., Futrell, J. H. Surface-induced dissociation in a Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer: Instrument design and evaluation. Anal Chem. 74, 3255-3261 (2002).
  121. Mize, T. H., et al. A modular data and control system to improve sensitivity, selectivity, speed of analysis, ease of use, and transient duration in an external source FTICR-MS. Int J Mass Spectrom. 235, 243-253 (2004).
  122. Mallick, P. K., Danzer, G. D., Strommen, D. P., Kincaid, J. R. Vibrational-Spectra and Normal-Coordinate Analysis of Tris(Bipyridine)Ruthenium(Ii). J Phys Chem-Us. 92, 5628-5634 (1988).
  123. Strommen, D. P., Mallick, P. K., Danzer, G. D., Lumpkin, R. S., Kincaid, J. R. Normal-Coordinate Analyses of the Ground and 3mlct Excited-States of Tris(Bipyridine)Ruthenium(Ii). J Phys Chem-Us. 94, 1357-1366 (1990).
  124. Kim, H., Lee, H. B. R., Maeng, W. J. Applications of atomic layer deposition to nanofabrication and emerging nanodevices. Thin Solid Films. 517, 2563-2580 (2009).
  125. Du, Y., George, S. M. Molecular layer deposition of nylon 66 films examined using in situ FTIR spectroscopy. J Phys Chem C. 111, 8509-8517 (2007).
  126. Yoshimura, T., Tatsuura, S., Sotoyama, W. Polymer-Films Formed with Monolayer Growth Steps by Molecular Layer Deposition. Appl Phys Lett. 59, 482-484 (1991).
  127. Loscutoff, P. W., Zhou, H., Clendenning, S. B., Bent, S. F. Formation of Organic Nanoscale Laminates and Blends by Molecular Layer Deposition. Acs Nano. 4, 331-341 (2010).
  128. George, S. M., Yoon, B., Dameron, A. A. Surface Chemistry for Molecular Layer Deposition of Organic and Hybrid Organic-Inorganic Polymers. Accounts Chem Res. 42, 498-508 (2009).
  129. Marginean, I., Page, J. S., Tolmachev, A. V., Tang, K. Q., Smith, R. D. Achieving 50% Ionization Efficiency in Subambient Pressure Ionization with Nanoelectrospray. Anal Chem. 82, 9344-9349 (2010).
  130. Page, J. S., Tang, K., Kelly, R. T., Smith, R. D. Subambient pressure ionization with nanoelectrospray source and interface for improved sensitivity in mass spectrometry. Anal Chem. 80, 1800-1805 (2008).
  131. Kelly, R. T., Page, J. S., Tang, K. Q., Smith, R. D. Array of chemically etched fused-silica emitters for improving the sensitivity and quantitation of electrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem. 79, 4192-4198 (2007).
  132. Spraggins, J. M., Caprioli, R. High-Speed MALDI-TOF Imaging Mass Spectrometry: Rapid Ion Image Acquisition and Considerations for Next Generation Instrumentation. J Am Soc Mass Spectr. 22, 1022-1031 (2011).
  133. Majumdar, A., et al. Development of metal nanocluster ion source based on dc magnetron plasma sputtering at room temperature. Rev Sci Instrum. 80, (2009).
  134. Ganeva, M., Pipa, A. V., Hippler, R. The influence of target erosion on the mass spectra of clusters formed in the planar DC magnetron sputtering source. Surf Coat Tech. , 213-241 (2012).
  135. Tang, J., Verrelli, E., Tsoukalas, D. Selective deposition of charged nanoparticles by self-electric focusing effect. Microelectron Eng. 86, 898-901 (2009).

Tags

Soft LandingMass-selected IonsIn Situ CharacterizationSecondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)Infrared Reflection Absorption Spectroscopy (IRRAS)OrganometallicsSelf-assembled MonolayersRuthenium Tris(bipyridine) DicationsTime-of-flight (TOF)-SIMSFourier Transform Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR)-SIMS

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image