X射线光电子能谱XPS对纳米复合物的表面分析.docx

1、X射线光电子能谱XPS对纳米复合物的表面分析X射线光电子能谱(XPS)对纳米复合物的表面分析X射线光电子能谱(XPS)对纳米复合物的表面分析Efrat Korin,*, Natalya Froumin, and Smadar Cohen, avram Goldstein和格伦-星生物技术工程部，工程department of Materials，the Ilse Katz nanoscale协会科技，医药和regenerative干细胞（rMSCs）研究中心，本古里安大学的内盖夫84105茶，啤酒舍瓦，以色列摘要：自组装单分子自发组成的连接通过非共价相互作用的纳米复合物最近成为通用的替代传统的

2、药物控释系统由于其独特的生物特性（反应，动力学，等）。这种纳米复合物的表征通常包括粒度分布、表面电荷、形态、药物包封E效率，并验证阳离子标记组件使用共存研究在纳米复合物的共存。不常见的是coassembled纳米复合双不同组件之间的分子间的相互作用的直接检验，特别是在吸湿组件组成的纳米复合物，因为方便的方法仍缺乏。在这里，我们提出了一个详细的实验协议，用于测定表面组成和化学键的X-射线光电子能谱（XPS）干燥后的沉积物吸湿性样品隔夜在特高压。我们应用这个方法来研究二元钙siRNA纳米复合物和透明质酸硫酸三元纳米复合物的表面化学（已经）-钙的siRNA，沉积在晶片。值得注意的是，我们发现，该协议

3、可以实现与传统的X射线光电子能谱仪对沉积纳米复合物的表面组成和相互作用的研究，它只需要一个相对少量的纳米悬浮液。关键词：XPS、滴沉积、表面特性、药物载体、纳米复合物 简介 X射线光电子能谱（XPS），也被称为电子光谱化学分析（ESCA），是一个敏感的光谱定量分析技术，对材料的表面化学。用一束X射线等典型铝钾或镁K源照射材料得到了XPS光谱，同时测量的动能和电子，从被分析的材料的表面原子逃逸数。1用电子从表面逸出和结合能的强度（从测量的动能记录计算），得到的XPS谱图。在XPS表面分析中，为了获得光谱中的最大电子计数，需要一个超高真空系统，因为分析仪通常离X射线照射表面只有一米远。超高真空表面

4、分析技术定性和定量地估计元素的元素组成，原子序数的锂和以上，除了确定类型的化学键和氧化状态的材料表面。XPS已广泛应用于研究各种各样的领域、表面化学，如电子取证，2、生物学等等。然而，由于传统的XPS必须保持特高压环境，这种方法仅限于在研究半导体的表面固体样品和重点，薄LMS和涂层（例如，金属/金属氧化物/ DNALM），35 biosensors6，干燥粉末药品的材料。714 在过去的十几年里，由多组分纳米复合材料制成的自组装纳米粒子被用于控制药物的传递。对多组分纳米复合材料的形成及其特征的验证通常是通过对净表面电荷和颗粒大小的变化来进行的，同时也对该治疗剂的诱捕效率进行了评估。只有少数出版

5、物通过研究它们表面的化学特征，通过获取表面成分的信息和参与NP形成的键类型来验证NPs中不同组分的共存。15、16主要是大量的化学分析，如核磁共振波谱(NMR)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)吸收光谱，通过检测特定的官能团来确定纳米复合物中不同组分的存在。13、1722然而,核磁共振和红外光谱requirerelatively大样本数量,更重要的是,它们的光谱的变化还不足以提供明确的证据证明nanocomplex形成(因为低灵敏度或峰重叠)。另外，XPS的表面化学特性可以区分表面上的各种官能团(达到10纳米的深度)，收集到的数据可以提供有价值的知识，以阐明纳米复合物与周围环境的可能相互作用。进

6、一步,分析需要相对较小的样本数量,例如在这里提供的示例5L nanocomplex解决方案(12.5M siRNA,0.5、125g /毫升alg)可以检查。本论文描述了XPS分析的实现，利用传统的商用XPS设备，阐明了由二元或三重组分组成的自发组装的纳米络合物的表面组成和结合作用。二元纳米络合物由siRNA和钙离子(表示Ca2 +- siRNA,23)组成，三元组由透明质酸(HAS)、siRNA和钙离子组成，表示hasca2 +- siRNA。在后者的纳米复合物中，有和siRNA之间的静电相互作用是由钙离子桥介导的。单标记纳米复合物的透射电子显微图(带有金标记的siRNA或金标记物)展示了粒

7、子核心中siRNA分子的空间组织，其周围有一层。当siRNA - Cy5和has- 555在用双标记的纳米复合物治疗后在HepG2细胞中显示时，在纳米复合物中的存在和siRNA成分得到进一步的证实(HAS(555)- ca2 +- siRNA(Cy5)。然而，这些方法中没有一种能够提供有关参与并形成形成的纳米颗粒中的键的功能组的信息。为了阐明has- ca2 +- sirna纳米复合物的表面组成和结合相互作用，我们采用了XPS分析。由于所检测的样品具有吸湿性(因为它是用氯化钙配制的)，因此在UHV的夜间干燥下，可以从纳米复悬浮体中蒸发出无束缚的溶剂。在UHV条件下，在UHV条件下干燥样品，避免

8、引入可能通过其他干燥过程，如冻干(冻干)的污染。提出了一个详细的过程,只需要少量(510L)稀释nanocomplex中止调查nanocomplex内的相互作用。材料试剂。试剂为Nanocomplex准备。无rnase -游离碳酸二乙酯(DEPC)-处理过的水(生物工业，Kibbutz Beit hek,Israel,cat no .)852年011)二水氯化钙(试剂+年级99.0%,Sigma-Aldrich以色列Rehovot以色列,猫没有。小干扰rna(C3881 SIGMA-Aldrich)unlabeled-sieGFP序列5-GCCACAACGUCUAUAUCAU-3,踊跃参与,珊

9、瑚镇,IA,分析级)透明质酸硫酸盐(半合成硫酸导数的哺乳动物粘多糖透明质酸)准备从Hyaluronan25如前所述(钠盐,150 kDa,Lifecore生物医学,Chaska,MN,HA100 K，分析等级)RNase away spray(Ornat,Rehovot,Israel,cat)。没有mbp - 7002)一次性注射器过滤器(0.2m膜过滤;Minisart海里;LSartorius GmbH是一家现代化的、可靠的产品供应商。16534- k)晶片清理和附加的试剂。8毫米宽的真空兼容，高纯度导电双面胶粘带(Nisshin EM Co .，Ltd .，Tokyo,Japan cat

10、 no .)15 000508)乙醇绝对(脱水,高效液相色谱法生物实验室,耶路撒冷,以色列,猫没有。052506)。丙酮(HPLC等级，生物实验室，耶路撒冷，以色列，cat no。010306)。设备。干净的镊子，机械的移液管和操作技巧玻璃瓶子(如果想要清除晶片)无掺杂，双面抛光Cz硅片(3英寸)。直径175500m厚度、p型,10取向, 20厘米,弗吉尼亚半导体或类似乐器,猫没有。OA39d1611045)。雕刻笔，硬质合金尖端(sigmaaldrich Israel Ltd .，Rehovot,Israel,cat no .)Z225568奥尔德里奇)Elmasonic S10H超声波清洗

11、单元(埃尔玛汉斯Schmidbauer GmbH & Co .公斤或类似)x射线光电子谱仪ESCALAB 250超高真空(1109条)装置与一个AlKx射线源和单色仪(热费希尔科学Inc .,沃尔瑟姆,英国(或类似的工具)。XPS样品持有者(Thermo Fisher Scientific公司，Waltham,UK或similar)。x射线光束大小是500m。为了分析，使用了一个智能背景，并与洛伦兹/高斯混合比(30%)进行了拟合。过程概述。第一步:选择晶片和切片步骤2:硅片清理步骤3:Nanocomplexes样品制备步骤4:Nanocomplexes样品沉积和干燥在特高压步骤5:XPS采集

12、参数设置步骤6:XPS谱收购第七步:清理第八步:XPS数据处理和分析1。选择晶片和切片(1015分钟)。1-1。选择晶片。选择适合于样品测试的晶圆。在这里，硅晶片被用作样品的衬底，因为它很容易被切割成所需的尺寸。此外，晶圆片的Si信号可以在XPS测量中使用，以区分样品中部分或全部覆盖的区域(参见步骤6 - 1)，从而便于选择合适的采样点。关键步骤:选择合适的衬底，很大程度上取决于所检测样品的性质，而用作滴注的溶剂有可能改变表面化学。推荐使用晶片至少250m厚,因为薄的晶片更容易开裂,很难处理当XPS试样架的安装和移除。1-2。切割晶片(视频S1,00:05)。手工将硅片片切成矩形片，在晶片表面

13、用刻字笔画出一行线，并沿乐谱上的晶圆片。尺寸取决于支架的大小和样品的数量。例如,在一个实验用4种不同的样本,我们附4矩形晶圆片(每个大小14毫米6毫米,请参见图1),specimenholder(14毫米25毫米)。这晶片大小也适合铸造一个大幅下降的样本(10L)晶片中心或两个小滴(5L每个)。关键步骤:只要晶圆片不太薄(见step1 - 1)，手动切割晶片相对容易。必须小心不要刮去晶圆片的表面。试着避免裂化晶圆片。在晶片切割成碎片,每个人都应该考虑到最终的碎片大小必须适合标本夹大小和支持至少5L液滴的样本。2。硅片清理(2030分钟)。将乙醇倒入一个干净的玻璃瓶中。将丙酮倒入另一个玻璃瓶中。

14、浸泡的片晶圆瓶含有丙酮和ultrasonicate 5分钟的晶片在rt,去除晶片,并将其瓶含有乙醇和ultrasonicate的晶片在rt,最后5分钟,冲洗的晶片超滤器高电阻率去离子水和干燥在rt,建议完成过程用溶剂清洗解决方案用于准备样品(这里介绍,最后用DEPC-treated水清洗完成)。关键步骤:一般来说，购买的硅片被认为足够干净，不需要任何额外的处理。如果涉及到污染问题在切割或处理过程中，晶片可以被轻柔地清洗。建议所有晶圆都要经过相同的清洗工序，因为表面的变化会影响结晶过程。3 Nanocomplex样品制备(变量)。准备您的示例解决方案和任何需要的参考解决方案(例如，组件示例的股票

15、解决方案也可以单独检查以获得其确切组成的信息)。在本文的例子中，用二乙基焦碳酸盐(DEPC)处理水制备了双组分sirna - ca2 +纳米复合物和三组分has- ca2 +- sirna纳米复合物。24第一、氯化钙(2米),siRNA eGFP(50M),并(250g /毫升)都在DEPC-treated刚做好的水和氯化钙的过滤是通过一个0.2M syringefilter。has-sirna - ca2 +纳米复合物的制备分为两步;前50M核(eGFP)溶液和2 M氯化钙溶液混合(体积比为1:1),并保持在室温(RT)20分钟,直到完整的络合。在第二阶段,250g /毫升的解决方案是添加到

16、复杂的悬挂,体积比1:1,并保持在30分钟rt,双组分siRNA-Ca2 + nanocomplexes准备以类似的方式,在第二步相反添加解决方案我们添加了DEPC-treated水。关键步骤:因为在这个技术中，形成纳米复合物的不同成分之间的相互作用是通过观察组成纳米复合物的元素的XPS谱的变化来决定的，因此避免使用含有这些元素的溶剂、缓冲溶液等是很重要的。例如，在这里提出的案例中。DEPC水作为溶剂而不是玫瑰(4 -(2-hydroxyethyl)1 piperazineethanesulfonic酸)10毫米,pH值7),我们还研究了S 2 p的变化信号从聚合物(已经),需要避免的贡献玫瑰

17、这个信号。另一个考虑因素是样本浓度;上面的元素必须检查检出限(根据不同的元素,通常0.2%的原子百分比)。4 Nanocomplex样品沉积和干燥在特高压(14日20 h)。4 -1持有者准备(视频S1,1:28)。采用真空兼容、高纯度导电双面胶粘带，将晶圆片与XPS试件夹附在一起。在标本夹的上边缘和下缘放两条双面胶带(图1b)。接下来，将晶片片放在双面胶布上(图1c)。使用干净的手套和镊子避免污染晶圆。必须注意只触摸边缘(不包括分析区域)。最后，用镊子将晶片轻轻压入固定的碳双面胶带，确保晶圆与胶带之间的黏附。关键步骤:晶片相当温和，一旦放置在双面胶带上很难去除。将晶圆片压在胶带上，应小心谨慎

18、，避免晶圆的开裂和破裂。建议将胶带贴在支架的底部和顶部边缘，这样当晶片被固定时，就避免了晶片中心的污染(这是跌落铸造的区域)。4 - 2。样品沉积(视频S2,0:05)。可以下一大滴的样品(10L)或两个小水滴(每5L)晶片的中心(大小14毫米6毫米);参见图1 e。关键步骤:晶圆片上的样品掉落必须放置在holder区域内，因为样品的边界外的任何部分都不能被光谱仪所使用。我们发现将2滴(5L干燥面积2毫米)或一个大幅下降(10L干燥的地方,4毫米)足以允许为每个样本抽样从几个点,当x射线光束大小是500m。4 - 3。在UHV条件下的蒸发样品干燥(视频S2,0:30)。小心地将标本夹放在出入口

19、锁腔内(入口锁和分析室由一个阀门系统隔开，每次隔离一个阀门)。在转入分析室进行XPS分析前，隔夜干燥。基本的压力过渡舱约1108 mbar。如果使用了几个样品，其中一个应该放在机械臂上，以便以后可以进入分析室。与此同时，其他装载的样品必须保存在进入闸室，直到检查为止。重要的是要注意，当装入的样品支架被另一个支架取代时，必须用干氮排放出入口锁腔以保持低水压。下降的关键步骤:超高真空干燥和保存的干样品过渡舱室可以扩展24 h。不建议保持较长时间的样品室,因为部分的干层样品可以开始瓦解和脱落。吸湿的样品在从出入口锁孔取出后立即吸水(图1f)。5。XPS采集参数设置(10分钟)。具体情况可能会有所不同

20、，这取决于所使用的特定XPS仪器和软件的特性，以及所研究的样本的特性。在这项工作中,我们使用收集的XPS数据使用一个x射线光电子谱仪ESCALAB 250超高真空(1109条)装置与一个AlKx射线源和单色仪。在entrylock室中过夜后，支架上的干燥样品被转移到分析室进行XPS的记录。测量后进行样品持有人被引入分析室和x射线测量开始(1109 mbar);参见图1 g。采用avUNK etm包进行数据采集。电荷补偿是通过电子和氩离子水枪的结合实现的。在这种情况下,氩气压力室的210 8 - 4108 mbar。x射线束的大小是500m调查光谱被记录和传递能量(PE)150 eV步长1 eV

21、和居住时间50毫秒,而高能量分辨率光谱记录与PE 20 eV,步长0.07 eV和停留时间100毫秒。Auto-z(即。在每次测量前都要进行自动高度调整，以找到分析仪的焦点。清洁工的每个元素的平均数量的调整,以获得最佳的signalto-noise比率(清洁工的平均数量是530)。关键步骤:所谓的“最优平均扫频”与最低的扫描次数有关，这是一个良好的信噪比。应避免过度增加扫描次数，因为它增加了测量时间，从而增加了污染和x射线导致降解的可能性。6。XPS谱采集(每点3060分钟)。6 - 1。选择采样点。在样本点(图1h)中随机选取一个区域，并验证该步骤是否正确:该步骤确保覆盖薄片的样本层足够厚，

22、以消除来自晶圆本身的元素的贡献。建议每个样品至少检查2个点，以确认可重复性，并获取在干样中表面的同质性或异质性的信息。6 - 2。XPS测量采集(视频S2,1:48)。每一个抽样点(即，从第6 - 1步的注册位置收集在测量光谱中检测到的元素的高分辨率光谱。根据这一步的前一步，建议从至少2个不同的区域收集高分辨率光谱样本。7清理(520分钟)。保存光谱数据，并从XPS仪器中取出支架。如果样品中含有吸湿成分，它会立即在与空气接触时开始补充水分(图1f)。为了避免持有者受到污染，首先要小心地吸收雨滴，使用清洁的Kimwipe擦拭纸，然后从XPS标本夹中取出硅片和胶带。建议处理使用的硅片。如果在彻底清

23、洗后(如第2步所述)，硅晶片被重复使用，建议使用XPS检查它们，以确保在重新加载样品前，清洗过程中清除所有污染。8。XPS数据处理与分析(变量)(视频S2,2:00)。使用XPS数据处理软件(我们使用Avantage软件包进行数据获取和分析)。首先校准所有的光谱相对于一个碳1s峰的位置在284.8 eV以校正充电效应。下一步，通过计算每个元素的原子浓度来确定表面的元素组成(我们使用元素敏感性因子而不应用任何标准化程序)。最后，在背景减法后进行反褶积，假设单组分线的形状为洛伦兹和高斯分量曲线的和。在分析中，采用了智能背景，采用洛伦兹/高斯混合比30%进行拟合。通过非线性最小二乘曲线拟合的方法，可

24、以通过对实验数据进行拟合，可以找到信号的光谱分量。要估计债券的类型，比较B。在实验中获得的E值(如NIST x射线光电子能谱数据库)或其他相关的已发表的资料。时间步骤第一步:选择晶片和切片(1015分钟)第二步:硅片清理(2030分钟)第三步:Nanocomplex样品制备(变量)第四步:Nanocomplex样品沉积在特高压(14日20 h)和干燥步骤第五步:XPS采集参数设置(10分钟)第六步:XPS谱采集(每点3060分钟)第七步:清理(520分钟)第八步:XPS数据处理和分析(变量)故障排除噪声谱在XPS测量采集(步骤6)。获得更好的信号/噪声比,可以提高平均清洁工的每个元素的数量或增

25、加样品的浓度(如果可能的话)。光谱中痕量污染的出现。检查晶片表面是否有痕量污染;如果需要，请在示例应用程序前清理。确保使用干净的镊子和手套。必须小心，只需要触及边缘。此外，购买的股票解决方案也有可能包含用于准备或分离购买材料的元素的痕迹。这可以通过测试所使用的股票解决方案来验证。预期的结果在这里给出的案例研究,XPS分析验证的形成的二进制nanocomplex Ca2 +核的三元nanocomplex HAS-Ca2 + sirna followingchanges在表面成分,而主要关注改变结合能nanocomplex表面检测到的元素。对二元和三元复合纳米复合物的分析和解释如下。Table 1

26、. Binding Energies (0.2 eV) and Atomic Percent of Elements Obtained by XPS for C, N, O, P, Ca, Cl, and S for siRNA, Ca2+-siRNA Nanocomplexes, and HAS-Ca2+-siRNA Nanocomplexes表1。结合能（0.2 eV）和Atomic Percent用XPS的C，N，O，P元素，得到Ca、Cl、S的siRNA，Ca2 + siRNA Nanocomplexes，和has-ca2 + siRNA Nanocomplexes 二元钙- siRN

27、A Nanocomplexes（无聚合物）。中的Ca2 +2H2O，焦磷酸钙【Ca2P2O7 ，双（磷酸钙）Ca（H2PO4） 2 和钙（磷酸二dihyrogen水合物Ca（H2PO4）2H2O。2628因此，这些结果表明，Ca2 +的siRNA纳米复合物，钙离子成键与siRNA的磷酸基团。三元HAS-Ca2 + sirna Nanocomplexes。在三元hasca2 +- sirna纳米复合物的情况下，研究了表面的相互作用，主要是聚焦于p2p信号的结合能的变化，因为:(1)羟基磷灰石/聚合物纳米复合材料的研究表明p2p结合能发生变化。2931(2)更重要的是,尽管元素(如C,N,O源自核

28、和,P 2 P信号仅仅源自核,因此关注这个信号可以简化分析。除了P 2p信号外，S 2p信号被跟踪观察硫酸盐基团在纳米复合地层中的参与情况。31所以,观察到的变化表明,在HAS-Ca2 + siRNA nanocomplexes,Ca2 +核之间的化学键形成nanocomplex和。为了更好地了解形成的化学键类型，纳米复合物的p2p光谱被解压到双峰(图3b,c)。对于Ca2 +- sirna纳米复合物，在B的p2p3 / 2中，一种磷键。由于磷酸钙的形成，检测到的E为133.8 eV。在hasca2 +- sirna纳米复合物中，发现了两种新型的磷键:第一个p2p3 / 2为133.8 eV，

29、第二个为134.9 eV，比例为60:40。这些结果表明,添加Ca2 + sirna nanocomplex可能导致重排在粒子表面,导致再现的P 2 p3/2信号133.8 eV PO43。134.9 eV的第二个p2p3 / 2信号是由硫酸盐基团(聚合物的)与桥接Ca2 +离子之间的静电相互作用产生的。这种静电相互作用使磷酸盐环境的电负性更强，使2p 2p结合能转化为更高的结合能，从而确定了通过Ca2 +离子连接的三元纳米复合物的形成。在co组装的纳米复合材料的参与进一步得到了S 2p信号的检测，这是表面组成部分(图3b)的一部分，其结合能对应于硫酸钙组的钙的结合。32、33合在一起，XPS

30、检测到的沉积纳米复合物表面的所有这些变化都证实了siRNA、Ca2 +和HAS之间形成了三元复合物。总结纳米复合物的表面化学成分对细胞内的药物释放有很大的影响，与周围环境的相互作用，最终决定了细胞和组织对纳米复合物的吸收的数量和途径。因此，获取有关其表面组成的信息是至关重要的，以便更好地了解表面化学/性质关系，并促进纳米复合发展作为一种运载工具。这里提出的协议允许传统的XPS在样品由吸湿材料组成的情况下，研究纳米复合物的表面组成和化学键的变化，而在某些情况下，如cryo - XPS不易获得。XPS数据与其他互补方法的数据相结合，如x射线衍射(XRD)、FTIR和NMR光谱学，提供了关于纳米复合

31、材料的综合信息。与其他方法相比，XPS的潜在优势使其成为首选的选择方法。本文提供的协议,表明相对比较小的样本数量(L)是必需的。利用本协议中所规定的协议，在将样品引入UHV室之前，可以很容易地制备出测试样品，并有可能引入污染。此外，通过UHV的溶剂蒸发，避免了经常与冻干样品冻干有关的污染。最重要的是，尽管在诸如FTIR这样的技术中，由于信号重叠，有时无法检测到功能组/键的变化，但在XPS中，这种情况不会发生。然而，XPS也有一些局限性。该方法仅在无束缚溶剂蒸发后，对样品的表面化学有深入的了解;由于水的损失，样品表面的变化不能被推翻。值得注意的是(1)样品必须与UHV兼容;(2)样品中元素的原子

32、浓度检查必须在检出限(根据元素时,值的顺序通常是0.2%原子百分比);并且(3)在检测的纳米复合成分必须存在于沉积样品的表面(10个nmoutermost层)。综上所述，通过适当的协议，XPS分析可以为纳米复合物的表面组成提供有价值的信息。在我们的例子中，XPS在加入其他组分后检测到p2p结合能的变化，从而证实了二元和三元纳米复合物的形成。相关内容年代支持信息支持是免费的在ACS出版物网站DOI:10.1021 / acsbiomaterials.7b00040。视频描述(PDF)视频S1，晶圆切割演示(00:05)和支架准备(AVI)视频S2，样品沉积示范(00:05)，UHV条件下蒸发样品干燥(0:30)，XPS测量采集(1:48)，XPS数据处理和分析(2:00)(AVI)信息相应的ORCIDEfrat华忻办公:0000-0002-