Moleculaire nano-analyse : statische secundaire ionen massaspectrometrie voor de oppervlakte-analyse van nanovezels gevormd door electrospinning Katleen Himschoot Bachelor proef 2007-2008 Onderzoeksgroep : MiTAC-MS Abstract
Dit onderzoek focusseert zich op de oppervlakte-analyse op nanoschaal van nanowebs en gealigneerde nanovezels van polycaprolacton en een additief met quaternaire ammonium groepen. De vezels zijn aangemaakt met electrospinning. De morfologie van het nanoweb is bepaald d.m.v. een Scanning Electron Microscope (SEM). Statische secondaire ionen massaspectrometrie (S-SIMS) met de nieuwste ionenbron voor polyatomische Bin+ projectielen wordt gebruikt voor de oppervlakte analyse. De verbetering tov. de traditioneel gebruikte Ga+ projectielen voor de informatie-inhoud van de massaspectra, het kwantitatief werk en imaging van structuurionen in nanovezels is nagegaan. Tegenover Ga+ S-SIMS is er duidelijk vooruitgang in de kwaliteit van de spectra voor diagnostische analyse. Er worden nu ionen tot m/z 1000 gedetecteerd. Ontrafeling van de fragmentatieschema’s duidt op een grote en consistente samenhang van de ionen wat de methode een hoog identificatievermogen geeft. Imaging is nu mogelijk op een veel betere schaal dan voorheen. Ionenbeelden over een gebied van 25x25 µm bereiken een laterale resolutie van typisch 400 nm.
Inleiding Nanotechnologie biedt enorm veel mogelijkheden voor de ontwikkeling van nieuwe materialen in het kader van duurzame ontwikkeling. Ordening van de gepaste ingrediënten op nanoschaal laat toe om van een materiaal met minder componenten eenzelfde of zelfs een betere functionaliteit te verkrijgen.
Een typisch voorbeeld van nano-gestructureerde materialen is een polymeer nanoweb. Een nanoweb bestaat uit vezels die door electrospinning zijn geproduceerd uit een polymeeroplossing, al dan niet met additieven. Door de grote verhouding van de oppervlakte tov. het volume van de fibers, de mogelijkheid om functionele groepen in te planten, de keuze van het polymeer en additief, enz. zijn er enorm veel toepassingsmogelijkheden. Op het gebied van o.a. katalyse, nano-elektronica, selectieve filtratie, tissue engineering, biosensoren gaat deze technologie zeker een belangrijke rol opeisen.
Dit onderzoek kadert in de ontwikkeling van materialen voor tissue engineering. In dit geval worden nanowebs bestudeerd die bij de behandeling van brandwonden kunnen worden ingezet.
1
Het web bedekt meteen de wond, er worden desinfectantia ingebouwd voor de ontsmetting en de aangebrachte celreceptoren laten de wond op een gecontroleerde manier en van binnenuit dichtgroeien. Dit wordt gerealiseerd door gebruik te maken van een biodegradeerbaar nanoweb, waarbij het polymeer aan het oppervlak functionele groepen met desinfecterende eigenschappen en celreceptoren draagt .
In dit onderzoek gaat de aandacht naar nanowebs met voorlopig nog slechts ontsmettende eigenschappen. De fibers bestaan uit een biodegradeerbare matrix van polycaprolacton (PCL) waaraan het additief "PCLhexaq" is toegevoegd. Figuur 1 illustreert de structuren. Het additief is dus een derivaat van PCL met een dimethylhexylammonium groep. De hexylketen kan de celwand van de bacteriën doorprikken en geeft de vezel desinfecterende eigenschappen. Quaternaire ammonium derivaten zijn sterk wateroplosbaar en zouden in contact met het weefselvocht meteen uitgeloogd worden. Het PCL gedeelte van PCL-hexaq zorgt voor de verankering in de fiber.
Figuur 1. Structuur van PCL-hexaq (links) en PCL (rechts)
Het nanoweb moet aan bepaalde voorwaarden voldoen om het later te kunnen toepassen. Zo moet de distributie van het desinfecterend additief over het fiber oppervlak homogeen zijn. Bij heterogene verdeling zou een deel van de wond niet ontsmet worden. Ook moet het additief aan het oppervlak aanwezig zijn om actief te werken. De fractie in de bulk is voor de toepassing eigenlijk verloren.
Statische secundaire ionen massaspectrometrie (S-SIMS) is een geavanceerde methode die toelaat de aanwezigheid, concentratie en verdeling van de verschillende componenten in de bovenste monolaag van een vast monster te bepalen. De verdeling wordt gevisualiseerd in zogn. ionenbeelden, waarbij de intensiteit per pixel de aanwezigheid en concentratie van een specifieke molecule weergeeft. Imaging op basis van moleculaire (adduct) ionen of fragmenten geeft de beelden een hoge chemische specificiteit. In dit werk wordt gebruik gemaakt van een nieuwe primaire ionenbron, die polyatomische Bin+ projectielen levert voor verhoogde secundaire ionenopbrengst en laterale resolutie in vergelijking met de gebruikelijke Ga+ bron.
2
Doelstelling van dit werk is de analytische verbetering van de nieuwe Bin+ bron in S-SIMS te evalueren op nanowebs en vezels van PCL met het PCL-hexaq additief. Dit systeem is reeds vroeger onderzocht met de traditionele instrumentatie in het doctoraat van P. Van Royen. Specifiek wordt nu nagegaan in hoeverre de polyatomische projectielen aanleiding geven tot (1) een hogere informatie-inhoud voor de spectra in de vorm van meer diagnostische ionen, (2) verbeterde kwantisatie mogelijkheden en (3) massa-selectieve imaging met een hogere laterale resolutie.
Beschrijving van de gebruikte methoden
S-SIMS instrumentatie
Figuur 2. Schema van het gebruikte S-SIMS instrument.
De analysen zijn uitgevoerd op een Ion TOF IV (Ion TOF, Muenster, Duitsland) instrument, uitgerust met een polyatomische Bin+ ionenbron. Er wordt gebruik gemaakt van een gefocusseerde primaire ionenbron met een spot van 150 nm op het monster. De primaire ionen ,versneld tot 25 keV, gaan bij impact op het monster een botsingscascade veroorzaken en dus verschillende deeltjes vrijstellen uit de vaste fase. Dit zijn hoofdzakelijk neutrale deeltjes (atomen, moleculen), maar ook elektronen, fragmenten en ionen. De secundaire ionen worden door de extractor versneld en naar de time-of-flight (TOF) massa-analyser geleid. Daar worden de ladingsdragers in functie van de tijd en over m/z gescheiden.
De primaire ionen worden met een liquid metal ion gun (LMIG) aangemaakt. Deze bestaat uit een reservoir waarin Bi wordt gesmolten. Dit reservoir staat in verbinding met een naald. Door een sterk elektrisch veld (25keV) aan te leggen gaat de oplossing aan het uiteinde van de naald een Taylor cone vormen. Veldionisatie stelt hieruit ionen vrij, enkelvoudige Bi+ en clusterionen Bin+. De ionen worden geëxtraheerd en
3
in een filter worden de gewenste projectielen geselecteerd. Door gebruik te maken van een chopper worden de primaire ionen gepulst. Dit is nodig wegens het TOF-MS principe (cf. infra). Een bijkomende buncher gaat de pulsbreedte verkleinen tot 1 ns. Vervolgens wordt de primaire ionenbron met verschillende ionenlenzen gefocusseerd op het staal.
De projectielen stellen dan secundaire ionen vrij uit het monster. Deze worden door de extractor versneld en naar de TOF-MS geleid. Bij dezeversnelling krijgen ze allemaal dezelfde kinetische energie zodat de lichtere ionen een grotere snelheid bekomen dan de zwaardere. De TOF-MS bestaat uit een veldvrije vluchtbuis met op het einde een detector. De zwaardere moleculen gaan zich trager bewegen dan de lichtere, waardoor de lichte eerst de detector bereiken. Verschillende massa’s zullen op verschillende tijden aankomen. De tijd wordt dan omgezet naar massa-over-lading (m/z) via calibratie.
Niet alle ionen bezitten exact dezelfde energie. Deze kleine verschillen komen o.a. door verschillen in initiële energie en/of plaats van vorming in het extractieveld. Als een ion dichter bij de extractor is gevormd, dan zal het over een kleiner potentiaalverschil versneld worden en zal dus minder energie meekrijgen. Deze kleine verschillen leiden tot piekverbreding. Om dit tegen te gaan wordt een reflector gebruikt. Een reflector bestaat uit een reeks ringvormige elektroden met een steeds groter wordende positieve potentiaal (voor de analyse van positieve ionen). Ionen met een grotere energie gaan dieper in het elektrisch veld binnendringen en gaan dus een grotere afstand leggen. De reflector is zo afgeregeld dat ionen met dezelfde m/z, maar verschillende energieën, op hetzelfde moment de detector bereiken.
Vorming van secundaire ionen Bij het invallen van een 25 keV primair ion ontstaat er finaal door tal van processen een energiegradiënt aan het oppervlak, zoals geïllustreerd in figuur 3. De aard van de deeltjes (ionen, neutralen, elektronen) die vrijkomen worden grotendeels bepaald door de afstand tot de plaats van impact. Op een kleine afstand gaat de energie zo groot zijn dat alles atomiseert. Er komen atomen, elektronen en ionen (zoals H+, Na+) vrij. Deze ionen gaan een belangrijke rol spelen bij adduct ionisatie (AI) en de elektronen bij elektron ionisatie (EI).
Op een grotere afstand bevindt zich een zone waar er ultra-snelle thermische processen optreden. Het is bekend dat deze de intacte desorptie van zelfs thermolabiele moleculen toelaten. Op grotere afstand ondergaat de perifere zone trage opwarming en dit leidt tot vrijstelling van thermische ontbindingsproducten.
Na de initiële vrijstelling van neutralen gaan deze in de selvedge EI of AI ondergaan. De selvedge is het gebied boven het staal waar er o.a. elektronen en protonen uit de atomisatie zone aanwezig zijn. De ionen uit EI zijn radicale structuren en hebben doorgaans voldoende inwendige energie om flink wat fragmentatie te ondergaan. De ionisatie van neutralen met een laagenergetisch proton in AI geeft doorgaans weinig stress op de adducten en deze fragmenteren maar heel weinig.
4
Figuur 3. Schematische voorstelling van de ionenvorming in S-SIMS volgens het DI model [6] met de effecten vanwege (bovenaan) de lokale energie en (onderaan) de lokale druk.
Electrospinning (ES)
Voor de aanmaak van nanowebs en -vezels wordt in ES gebruik gemaakt van een injector (capillaire naald), hoogspanning en een collectorplaat (cf. figuur 4). Tussen het capillair en de collectorplaat wordt er een hoogspanning van 20 kV gezet. Een polymeeroplossing wordt doorheen de injector gepompt. Aan de uitgang gaan onder invloed van het elektrisch veld de positieve deeltjes in de richting van de meer negatieve elektrode bewegen en de negatieve vice versa. Dit vervormt de normale druppelvorm tot een zogn. Taylor cone, geïllustreerd in figuur 5.
Als de afstoting aan het uiteind van de Taylor cone groter is dan de interne cohesie binnen de vloeistof (viscositeit), dan zullen er microdruppels ontstaan. Dit effect wordt gebruikt in electrospray. In het geval van visceuze polymeeroplossingen ontstaan geen microdruppels, maar vormt er zich een filamentvormige jet en bij verdamping van het solvent, een lange droge nanovezel.
5
polymeeropl. naald fiber
Collectorplaat
Figuur 4. Principe van de ES opstelling met (links) conventionele collector en (rechts) de spleet collector.
Figuur 5. Detail van de Taylor cone aan uitgang van de injector en vorming van de jet.
Een fiber is in principe te beschouwen als een geleider en lucht als een isolator. Door afnemende diameter over de fiber ontstaat een toenemende weerstand en is het potentiaalverloop langsheen de vezel dus niet langer lineair zoals voor de omgevende lucht. Dit geeft flinke potentiaalverschillen tussen de fiber en de omgeving en bij vezels met sub-µm diameters ontstaan grote elektrostatische krachten. Als de vezel perfect op de centrale as blijft, houden deze mekaar in evenwicht maar bij de minste uitwijking van de vezel ontstaan grote zijdelingse krachten. De fiber begint een zweepbeweging of "whipping" te ondergaan wat ervoor zorgt dat de vezels zich over de collectorplaat verspreiden en een web gaan vormen. Afhankelijk van de werkvoorwaarden wordt een vezeldiameter van 1 µm tot 50 nm bekomen.
De structuur van het afgezette materiaal is sterk afhankelijk van de gebruikte collectorplaat. Zo is er in dit onderzoek gebruik gemaakt van een spleetvormige collector en een klassieke plaat met een circulaire opening. Bij de spleetcollector gaat de fiber van de éne metaalplaat naar de andere springen. Deze zigzagbeweging geeft een zogn. "gealigneerd" web. De fibers moeten sterk genoeg zijn om de spleet over te
6
steken zonder af te breken.De overgang naar een spleetcollector gaat gepaard met een stijging van de fiberdiameter. Bij gebruik van de collectorplaat met een circulaire opening bestaat een web uit een wirwar van fibers. Er kan gewerkt worden met dunnere fibers.
Experimentele werkwijzen Er zijn oplossingen bereid van PCL en PCL-hexaq in aceton met een massaverhouding van typisch 1 % gewicht PLC tov. het totale gewicht van de oplossing en 0.2 tot 1.2 % PCL-hexaq relatief tov. PCL.
De in dit werk gebruikte ES opstelling is door het onderzoeksteam zelf gebouwd. De polymeeroplossing is doorheen de injector gepompt aan een debiet van 4 ml u-1. De injector (1mm interne diameter ) is gemonteerd op een afstand van 30 cm tot de geaarde collector plaat en staat op 20 kV.
De vezels worden met een bolvormig stukje aluminium folie overgebracht naar de monsterhouder van SSIMS.
Kwantitatief werk vergt ijklijnen voor de calibratie van de signaalintensiteit in functie van de locale concentratie. Omdat de calibratie afhankelijk is van de dikte van de organische matrix, worden zowel monolaag als dikkere coatings aangemaakt via respectievelijk spincoating en barcaoting. Voor spincoating wordt een druppel van 10 µl op een siliciumplaatje van 1 cm x 1 cm aangebracht. Vervolgens gaat het plaatje gedurende 30 s tegen een snelheid van 4000 toeren per minuut draaien, hierdoor wordt de druppel volledig uitgespreid. Het excess wordt door de middelpuntsvliedende kracht van het plaatje verwijderd en de snelle verdamping van het solvent geeft uiteindelijk de monolaag. Het gebruikte toestel is een Spincoater G3-8, Pi-KEM, Tamworth UK.
De barcoating techniek wordt toegepast om standaarden te maken met grotere dikte. Enkele druppels worden op het substraat gelegd en vervolgens door een staaf, waarrond er draad is gewikkeld, homogeen verdeelt. Afhankelijk van de diameter van de draad ontstaat een vloeistoffilm met een gegeven dikte. Juist nadat de staaf over de oplossing is geweest, is het oppervlak van de viskeuze oplossingen nog "gekarteld" (cf. figuur 6 ), maar dit vervloeit snel tot een egale laag. Bij verdamping van het solvent ontstaat een standaard met een uniforme dikte.
Figuur 6. Illustratie van de barcaotingsmethode.
7
Resultaten en discussie
Alle concentraties die vanaf nu vermeld worden voor PCL-hexaq zijn uitgedrukt in% het gewicht additief relatief tov. het gewicht PCL.
Figuur 7 illustreert de morfologie van een nanoweb en gealigneerde vezels, aangemaakt met respectievelijk de klassieke collector en de spleetcollector. De beelden zijn gemaakt met een SEM (Jeol JSM-6300, Jeoll Ltd. Tokyo Japan). Hierbij vallen hoogenergetische elektronen in op het monster met een spot in het nm bereik. De invallende elektronen kunnen terugkaatsen. Deze backscattered elektronen kunnen gebruikt worden om de morfologie van het monster te karakteriseren. Alternatief kunnen ook de vrijgestelde secundaire elektronen gemeten worden.
De beelden tonen dat het gevormde web sterk afhankelijk is van de gebruikte collectorplaat. Bij de plaat met een circulaire opening bestaat het nanoweb uit random georiënteerde en opeengestapelde fibers. Bij de spleetcollector bestaat het nanoweb uit bijna evenwijdige fibers. De vezeldiameters liggen typisch tussen 0.21 µm.
.
8
Figuur 7. Typische SEM beelden opgenomen met verschillende vergroting van nanowebs (links) en gealigneerde vezels (rechts).
1. Kwalitatieve analyse van de massaspectra Figuur 8 illustreert een typisch positieve ionen massaspectrum, in dit geval opgenomen met Bi3+ projectielen van een nanoweb aangemaakt met een conventionele collector vanuit een 1 % gewicht PLC tov. het totale gewicht van de oplossing met PCL-hexaq in een massaverhouding van 0.4 % relatief tov.PCL. Het massaspectrum is uiteraard een superpositie van de karakteristieke signalen voor PCL en deze voor PCLhexaq.
9
Een vergelijkbaar systeem is vroeger reeds geanalyseerd met gebruik van de conventionele Ga+ LMIG en toen zijn signalen gedetecteerd tot m/z 300. De in dit werk bekomen massaspectra tonen duidelijk de grote vooruitgang die het bombardement met Bin+ projectielen toelaat op het gebied van diagnostische informatie. Er worden nu ionen gedetecteerd tot m/z 1000. De onderlinge piekafstand over 114 m/z eenheden voor de signalen bij hogere m/z wijst al meteen op analoge structuren, telkens verleng met één PCL-repeat unit. Uit de structuurtoewijzing later zal blijken dat deze duidelijk op de verankering van de quaternaire functionaliteit op de PCL keten wijzen, een gegeven dat met de Ga+ bron niet eenduidig kon worden afgeleid.
In te n si ty
x 104 3 .0 2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 20
40
60
80
100
120
140 m as s / u
In te n si ty
x 102 2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 160
180
200
220
240
260
280
m as s / u
In te n si ty
x 102 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 350
400
450
m as s / u
In te n si ty
x 102 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 550
600
650
700
750
800
850
900
950 m as s / u
Figuur 8. Positieve ionen massaspectrum opgenomen met S-SIMS en Bi3+ projectielen vanuit een nanoweb aangemaakt uit een oplossing met PCL-hexaq in een relatieve concentratie van 0.4% tov. van PCL.
10
Tabel 1 geeft de resultaten van de accurate m/z metingen voor de belangrijkste diagnostische ionen. De massa-accuraatheid wordt gedefinieerd als :
deviatie ( ppm ) =
exp. massa - theo. massa * 10 6 nominale massa
De massa-accuraatheid is beter dan 85 ppm tot in het hoge m/z bereik. Dit is nog niet vergelijkbaar met echt hoge resolutie MS, maar wel voldoende om een significante ondersteuning te bieden bij de structuurtoewijzing. De gemiddelde massaresolutie (10% criterium) is 1500. Tabel 1. Accurate m/z metingen voor de belangrijkste diagnostische ionen uit PCL en PCL-hexaq
Ion C2H4N C3H7 CHO2 C3H8N C5H10N C4H8NO2 C7H16N C6H11O2 C8H16N C8H18N C9H20N C9H22N C10H20NO C10H22NO2 C15H32NO2 C16H32NO4 C21H40NO4 C21H42NO4 C22H42NO6 C27H50NO6 C27H52NO6 C28H52NO8 C33H60NO8 C33H62NO8 C34H62NO10 C39H70NO10 C39H72NO10 C40H72NO12 C45H80NO12 C45H82NO12 C46H82NO14 C51H90NO14 C51H92NO14 C52H92NO16 C57H100NO16 C57H102NO16
Experimentele m/z 42,0355 43,0565 44,9956 58,0640 84,0832 102,060 114,135 115,086 126,132 128,148 142,165 144,180 170,157 188,172 258,252 302,229 370,320 372,328 416,322 484,391 486,402 530,398 598,465 600,478 644,477 712,541 714,559 758,558 826,627 828,634 872,635 940,700 942,705 986,710 1.054,77 1.056,77
Theoretische m/z 42,0347 43,0548 44,9977 58,0657 84,0813 102,056 114,128 115,076 126,128 128,144 142,160 144,175 170,154 188,165 258,243 302,233 370,296 372,311 416,301 484,364 486,379 530,369 598,432 600,448 644,437 712,450 714,516 758,505 826,568 828,584 872,574 940,636 942,652 986,642 1.054,70 1.056,72
Exp. fout (ppm) 27 40 46 29 22 47 60 85 28 30 38 30 12 37 33 15 66 44 49 57 45 55 55 50 62 58 60 70 71 60 75 68 57 69 64 50
11
Naast de m/z-waarde en de intensiteit van de ionen is de consistente structuurtoewijzing van de ionen van groot belang voor de chemische specificiteit van de methode. Uiteindelijk moeten in de lokaal analyse vaak onbekende componenten of derivaten zoals interactieproducten tussen ingrediënten worden gekarakteriseerd. Het identificatievermogen van de gebruikte methode is dus van het allergrootste belang en komt voor een groot deel uit de samenhang in een consistent vormings- en fragmentatieschema van de toegewezen structuren, ook al zijn die tot op zekere hoogte tentatief.
Daarom is in dit werk heel wat aandacht besteed aan de volledige ontrafeling van de ionen in de massaspectra. Daarbij wordt uitgegaan van het DI model, dat al 20 jaar experimenteel wordt ondersteund. De eerste stap is de vrijstelling van neutralen, al dan niet met thermische ontbinding als het bvb. over zouten gaat. Polymeren ondergaan daarbij chemisch logische splitsingen.
Vervolgens treedt in de selvedge zowel EI als AI op. De fragmentatie van de moeders uit EI verloopt volgens de mechanismen in de klassieke gasfase MS, rekening houdend met de specifieke hoeveelheid interne stress, die in S-SIMS wordt toebedeeld aan de moeders.
Het additief PCL-hexaq bezit een quaternair ammoniumgroep. Deze kan intact worden vrijgesteld als ionenpaar maar er moet ook rekening gehouden worden met thermische ontbinding tijdens de desorptie. In dat geval zijn er drie groepen, die kunnen afsplitsen : methyl, hexyl of de lange keten (cf. figuur 9).
Figuur 9. Thermische ontbindingsroutes voor PCL-hexaq.
Uiteraard moet ook de lange polymeerketen breken want het volledige polymeer is te groot en ondergaat te veel interacties met andere polymeermoleculen om als geheel in de selvedge te worden vrijgesteld. De keten zal dus splitsingen moeten ondergaan. Figuur 10 illustreert dit proces voor PCL-hexaq, dat reeds een methylgroep heeft verloren door de thermische opwarming (ontbindingsproduct TO 1). Er worden twee reeksen van neutralen gevormd met hetzij een zuur hetzij een esterfunctie.
12
Figuur 11 plaatst een aantal toegewezen structuren in een consistent vormings- en fragmentatieschema vertrekkend van de initiële vrijstelling van het ionenpaar, dus zonder thermische ontbinding van de ammonium groep. De ionen uit het neutraal met carbonzuurgroep zijn uitgeschreven en deze vanuit het overeenkomstige ester zijn gewoon aangeduid met hun m/z in kleur om de schema's enigszins te beperken.
Figuren 12-14 werken de vorming en fragmentatie uit van ionen die ontstaan uit neutralen, gevormd via splitsing van de polymeerketen en thermische degradatie van de quaternaire ammoniumgroep.
Figuren 16 en 17 vatten dan de structuurtoewijzing, vorming en fragmentatie samen voor de vezelmatrix PCL. Dit is uiteraard een stuk eenvoudiger omdat enkel rekening moet gehouden worden met de splitsingen van de polymeerketens, niet met thermische ontbinding.
De schema’s zijn beperkt tot de ionen met essentieel 1 of 2 repeat units. De hogere m/z ionen uit de massaspectra zijn eenvoudig te verklaren door een extra repeat unit, wanneer de splitsing van de polymeerketen net iets verder gebeurt (cf. tabel 2).
Figuur 10. Splitsing van de polymeerketens bij de desorptie in S-SIMS.
13
Figuur 11. Vorming en fragmentatie van de ionen uit PCL-hexaq uitgaande van een gedesorbeerd neutraal monomeer met intacte quaternaire groep.
Figuur 12. Vorming en fragmentatie van de ionen uit PCL-hexaq uitgaande van thermische ontbindingsroute 1 in figuur 9 en splitsing a in figuur 10.
14
Figuur 13. Vorming en fragmentatie van de ionen uit PCL-hexaq uitgaande van thermische ontbindingsroute 1 in figuur 9 en splitsing b in figuur 10.
Figuur 14. Vorming en fragmentatie van de ionen uit PCL-hexaq uitgaande van thermische ontbindingsroute 2 in figuur 9 en splitsing b in figuur 10.
15
Figuur 15. Vorming en fragmentatie van de ionen uit PCL-hexaq uitgaande van thermische ontbindingsroute 3 in figuur 9.
Figuur 16. Splitsing van de polymeerketens in PCL.
Figuur 17. Toewijzing en vorming van de belangrijkste ionen uit PCL.
16
Figuur 17 (vervolg). Toewijzing en vorming van de belangrijkste ionen uit PCL.
17
Tabel 2. Verklaring van de hogere ionen bij hogere m/z (RU = repeat unit PCL). ion C15H32NO2
m/z 258
toewijzing 114 m/z + 1RU
C16H32NO4
302
188 m/z + 1RU
C21H40NO4
370
142 m/z + 2RU
C21H42NO4
372
114 m/z + 2RU
C22H42NO6
416
188 m/z + 2RU
C27H50NO6
484
142 m/z + 3RU
C27H52NO6
486
114 m/z + 3RU
C28H52NO8
530
188 m/z + 3RU
C33H60NO8
598
142 m/z + 4RU
C33H62NO8
600
114 m/z + 4RU
C34H62NO10
644
188 m/z + 4RU
C39H70NO10
712
142 m/z + 5RU
C39H72NO10
714
114 m/z + 5RU
C40H72NO12
758
188 m/z + 5RU
C45H80NO12
826
142 m/z + 6RU
C45H82NO12
828
114 m/z + 6RU
C46H82NO14
872
188 m/z + 6RU
C51H90NO14
940
142 m/z + 7RU
C51H92NO14
942
114 m/z + 7RU
C52H92NO16
986
188 m/z + 7RU
C57H100NO16
1.054
142 m/z + 8RU
C57H102NO16
1.056
114 m/z + 8RU
De conclusie is duidelijk : S-SIMS levert een schat aan logische structuurionen. Dit geeft de methode een hoog identificatievermogen voor eventueel lokaal aanwezige, onbekende componenten. Bovendien illustreert dit de uitzonderlijk hoge chemische specificiteit in vergelijking met andere methoden voor lokaalanalyse. De detectie van hogere m/z ionen met gebruik van Bi3+ in plaats van de traditionele Ga+ projectielen laat toe de verankering van de quaternaire ammoniumfunctie op een lange PCL keten te karakteriseren.
2. Kwantitatieve analyse van de massaspectra
In de oppervlaktelaag van de fiber is er zowel PCL-hexaq als PCL aanwezig. Om de relatieve concentratie te bepalen moeten er specifieke ionen met hoge intensiteit voor elke component geselecteerd worden.
Op basis van de spectra en uitgewerkte fragmentatieschema’s is in dit werk gekozen voor m/z 128 als specifiek ion voor PCL-hexaq. Dit fragment bezit de typische keten bestaande uit zes koolstoffen, gebonden op het stikstof atoom. Het ion komt uiteraard nooit uit PCL en er is geen interferentie. Het ion is stabiel en heeft een hoge intensiteit.
18
Figuur 18. Geselecteerde ionen voor kwantitatieve meting van PCL-hexaq (links) en PCL (rechts).
Voor PCL moet gebruik gemaakt worden van het fragment bij m/z 115 wegens de intensiteit ervan. Wel geeft PCL-hexaq ook aanleiding tot dit fragment, zij het in beperkte mate. Bovendien is het additief slechts in lage concentratie aanwezig wat de eventuele fout beperkt. Toch wordt een correctie doorgevoerd op basis van de intensiteitsverhoudingen voor de ionen bij m/z 115 en 128 in PCL-hexaq. In de massaspectra van zuiver PCL-hexaq is deze verhouding 0,26 ±0,016. De bijdrage van het PCL tot het signaal bij m/z wordt dan ook afgeleid via volgende correctie :
intensiteit afkomstig van PCL bij 115 m/z = int 115m/z -
int 115(zuivere hexaq) * int 128 int 128(zuivere hexaq)
Bij het opstellen van de ijklijnen wordt de intensiteitverhouding van het PCL-hexaq-specifieke ion over het PCL-specifieke ion uitgezet in functie van de relatieve concentratie van PCL-hexaq tov PCL in de oplossing, gebruikt voor electrospinning of de aanmaak van de standaard. Gebruik van relatieve ipv. absolute intensiteiten maakt de calibratie onafhankelijk van bijvoorbeeld schommelingen in de primaire ionenstroom en de vezelbelading van het substraat.
Standaarden zijn dunne lagen met een gekende concentratieverhouding van het additief tov. PCL en met eenzelfde dikte als de nanovezels. De ionenopbrengst is in S-SIMS immers afhankelijk van de energieafzetting door het projectiel in de subsurface. Deze is verschillend voor een metaal of silicum substraat en voor een organische matrix. Bij bereiding van lagen met een dikte groter dan de penetratiediepte van het primaire ion (> 50 nm) kan er belangrijke oppervlakte-aanrijking of veraming optreden van bepaalde ingrediënten. Een systeem zoekt zich steeds zo te organiseren dat de oppervlakte energie minimaal wordt. Siliconen en tensio-actieve componenten in een hydrofiele matrix komen dan preferentieel aan het oppervlak. Dit maakt dat de concentratieverhouding in de oplossing gebuikt voor de afzetting van de laag geen betrouwbaar gegeven meer is voor de concentratieverhouding van de analieten in de bovenste monolaag van de standaard.
Daarom worden standaarden op twee manieren aangemaakt. Spincoating geeft standaarden bestaande uit een monolaag en barcoating levert standaarden met welbepaalde maar veel grotere dikte. In het geval van monolagen is er geen oppervlakte-energie gedreven aanrijking mogelijk en is de samenstelling deze van de oplossing tenzij er gescheiden domeinen ontstaan. Dit laatste is makkelijk op te sporen via bvb. imaging. Het verschil tusen de ijklijnen op basis van monolaag- en dikke laag-standaarden wordt verrekend als extra onzekerheid op het analyseresultaat. Deze werkwijze is de enig mogelijke omdat er geen onafhankelijke methoden bestaan die de standaardsamenstelling op eenzelfde schaal als S-SIMS kunnen verifiëren.
19
Figuur 19 illustreert de bekomen ijkijnen. Deze op basis van dikke laag standaarden is lineair in het belangrijk relatieve concentratiebereik tot 1 % maar de ijklijn op basis van monolagen vertoont een zeer onverwacht verloop. Bij eerdere metingen op het systeem van PCL-hexaq in PCL met de vroegere Ga+ bron is weliswaar ook vastgesteld dat er een verschil is tussen de ijklijnen met de monolaag of de dikke laag standaarden, maar dit verschil was heel beperkt en geeft aanleiding tot een aanvaardbare extra onzekerheid van ongeveer 20 %. Met de nieuwe Bi3+ is het verschil duidelijk groter en de resulterende onzekerheid maakt kwantisatie op dit ogenblik nog onmogelijk.
relatieve intensiteit hexaq 128m/z t.o.v. PCL 115m/z
ijklijnen 0,25 0,2 0,15
y = 0,1851x
0,1
barcoated
0,05 spincoated
0 0
0,2 0,4 0,6 0,8
1
1,2 1,4
gewichtspercent hexaq/PCL in %
Figuur 19. Meting van de intensiteitverhouding van PCL-hexaq specifieke ionen over de PCL specifieke ionen in functie van de relatieve additief concentratie in de voor barcoating en spincoating gebruikte oplossing.
De reden voor dit probleem is niet duidelijk. De precisie op de meetpunten is over het algemeen goed en het verband is mooi continu : dit wijst niet meteen op toevallige fouten bij de monsterbereiding. Binnen het tijdsbestek van dit werk zijn geen verdere experimenten mogelijk geweest.
Belangrijk voor dit werk is dat beide ijklijnen in elk geval continue functies zijn. Een stijging in de intensiteitverhouding betekent ook een stijging van de relatieve additief concentratie.
Meting van de intensiteitverhouding in functie van de relatieve additiefconcentratie in de oplossing die voor electrospinning werd gebruikt, geeft een lineair verband zoals geïllustreerd in figuur 20. Dit betekent dat de additiefconcentratie aan het oppervlak systematisch toeneemt naarmate met meer geconcentreerde oplossingen wordt gewerkt in ES. Er is dus geen spoor van micelvorming zoals bij gebruik van het cetyltrimethylammonium bromide als additief [6]. Deze metingen bevestigen eerder resultaten met de Ga+ bron [6].
20
relatieve intensiteit hexaq 128m/z t.o.v. PCL 115m/z
fibers 0,06 R2 = 0,9817
0,05 0,04 0,03
fibers
0,02 0,01 0 0
0,2 0,4 0,6 0,8
1
1,2 1,4
gewichtspercent hexaq/PCL in %
Figuur 20. Meting van de intensiteitverhouding van PCL-hexaq specifieke ionen over de PCL specifieke ionen in functie van de relatieve additief concentratie in de voor electrospinning gebruikte oplossing.
3. Imaging van individuele nanovezels.
Met een sterk gefocusseerde bundel wordt punt voor punt op het monster een massaspectrum opgenomen. Naderhand reconstrueert de computer een ionenbeeld door van elke pixel de intensiteit van een gegeven ion uit te zetten. Dit gebeurt via een kleurschaal : de laagste intensiteit wordt met zwart aangeduid, de hoogste met fel geel.
De beelden in figuur 21 zijn opgenomen over een gebied van 25 µm x 25 µm van een nanoweb, aangemaakt met gebruik van de conventionele collectorplaat met een circulaire opening. De vezels zijn getransfereerd op een silicium plaatje. Het ionenbeeld voor Si+ bij m/z 28 geeft dus zwarte lijnen waar de fibers liggen. De ionenbeelden bij m/z 115 en 58 tonen de verdeling van de PCL en PCL-hexaq moleculen aan het oppervlak van de nanovezels. Vergelijking van deze beelden onderling toont dat het additief mooi homogeen verdeeld zit over de vezels.
Bij het PCL-hexaq image zijn er onderaan links en bovenaan in het midden enkele zones waar intensiteit wordt gedetecteerd en nochtans geen vezels liggen. Dit komt omdat de intensiteit van de ionen bij m/z 58 laag is en dus achtergrondruis belangrijk kan worden. Waarbij ook moet vermeld worden dat het hier om nano-analyse gaat : de informatie in één pixel is afkomstig van hooguit een paar duizend moleculen.
21
substraat Si 28 m/z
PCL C6H11O2+ 115 m/z
PCL-hexaq C3H8N+ 58 m/z
Figuur 21. Ionenbeelden van nanovezels.
De laterale resolutie is een maat voor het scheidend vermogen in beelden. Algemeen wordt deze gedefinieerd als de afstand tussen de punten waar de intensiteit van 16% en 84% bedraagt van de maximale intensiteit in het object (cf. figuur 22)
84%
16%
laterale resolutie Figuur 22 Definitie van de laterale resolutie in een beeld.
Deze laterale resolutie wordt dus aan de hand van een line scan bepaald (cf. figuur 23). Er is duidelijk een sterke piek zichtbaar op de plaats waar de fiber zich bevindt. De kleinere pieken zijn afkomstig van ruis. In dit representatieve geval wordt een laterale resolutie van 424 nm berekend. De vooruitgang tegenover de vroegere ionenbeelden met Ga+ projectielen op een vergelijkbaar systeem van nanovezels is enorm : cijfermatig uitgedrukt verbetert de laterale resolutie met Bi3+ een factor 5 en in beeldkwaliteit uitgedrukt, spreekt vergelijking van de beelden in figuren 21 en 24 voor zichzelf.
22
300
250
200 in te n s ity
line scan baseline 150
84% 16%
100
50
0 1 3 4 5 6 8 9 10 12 13 14 15 17 18 19 21 22 23 25
0 distance in µ m
Figuur 23. Bepaling van de laterale resolutie op een representatief ionenbeeld van een nanovezel.
Figuur 24. Representatieve ionenbeelden van een nanoweb bestaande uit PCL en CTAB met de vroegere Ga+ bron. [6]
Conclusie In dit werk wordt S-SIMS analyse van nano-objecten met de nieuwe polyatomische bron voor Bin+ projectielen onderzocht. De doelstelling is de analytische verbetering van de nieuwe Bin+ bron tov. het vroeger gebruikte Ga+ ionenbombardement te evalueren van informatie-inhoud en kwaliteit van de massaspectra voor diagnostische analyse, op het gebied van kwantisatie en op het gebied van imaging van structuurspecifieke ionen. Dit onderzoek wordt uitgevoerd op nanovezels aangemaakt door electrospinning vanuit een oplossing met PCL met PCL-hexaq additief. De aanrijking van het additief met ontsmettende eigenschappen aan het oppervlak vormt de basis voor latere ontwikkeling en toepassing bij de tissue engineering en bij de behandeling van brandwonden.
23
Het gebruik van de Bi3+ projectielen verbetert sterk de diagnostische waarde van de S-SIMS massaspectra. Er worden ionen gedetecteerd tot m/z 1000 daar waar vroeger met de Ga+ slechts signalen tot m/z 300 zijn waargenomen. De verbeterde ionenopbrengst bij polyatomische projectielen heeft de maken met de energieafzetting in een zone, dichter bij het oppervlak. De massaresolutie (10 % vallei) is 1500 en de massaaccuraatheid beter dan 85 ppm, ook bij hoge m/z. De hoge chemische specificiteit van de signalen blijkt ook uit de volledige ontrafeling van de vormings- en fragmentatieschema’s, die in dit werk is uitgevoerd.
De verhoogde ionenopbrengst brengt ook grote verbetering op het gebied van imaging. Beelden met goed contrast kunnen worden opgewekt van een gebied van 25 x 25 µm2 waarbij een laterale resolutie van 424 nm wordt bereikt. De vooruitgang tegen de vroegere ionenbeelden met Ga+waarbij de laterale resolutie 1-2 µm bedraagt in het beste geval, is enorm.
Voor kwantitatief werk is gebleken dat nog een aantal problemen verder onderzoek vergen.
referentie [1]
Van Vaeck, L.; Adriaens, A.; Gijbels, R., Mass Spectrometry Reviews 1999 18, 1-47
[2]
Greigner,A.;Wendorff, J.H. ,Angew. Chem. Int. 2007 ,46,5670-5703
[3]
Huang,Z.-M.; Zhang, Y.-Z.; Kotaki,M.; Ramakrishna, S., Composites Science and Technology 2003, 63, 2223-2253
[4]
Tan,S.-H.; Inai, R.; Kotaki, M.; Ramakrishna, S., Polymer 2005, 46, 6128-6134
[5]
Teo,W.E.; Ramakrishna, S., nanotechnology 2006, 17, 89-106
[6]
Van Royen, P., PhD thesis:Statische secundaire ionen massaspectrometrie voor moleculaire nanoanalyse: nanowebs uit electrospinning en nanodispersies, 2008, Universiteit Antwerpen
[7]
Lin, T.; Wang, H.; Wang, X., The effect of surfactants on the formation of fibre beads during the electrospinning of polystrene nanofibers. In Proc. Polymer Fibres 2004, Juli 14-16, Manchester, UK,
Dank aan Prof. Dr. Luc Van Vaeck Bart Boschmans Prof. E. Schacht Polymeerchemie, UGent De ionen
24
