Nanotechnologia

Rentgenowska spektroskopia fotoelektronowa (XPS) jest wydajną i nieniszczącą techniką analizy materiałów i powierzchni, która dostarcza ilościowych informacji pierwiastkowych i chemicznych (ESCA). NAP-XPS to rozwinięcie metody XPS w ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego. Metoda ta została opracowana w celu umożliwienia rutynowej analizy „trudnych” próbek o złożonym składzie chemicznym. Rozwinięcie XPS z metody wymagającej warunków ultra wysokiej próżni (UHV) w kierunku bardziej naturalnego otoczenia próbki, radykalnie zrewolucjonizowało XPS i otworzyło zupełnie nowe obszary zastosowań. Technika NAP-XPS jest szeroko wykorzystywana do badań in situ i operando istotnych dla przemysłowych badan reakcji (elektro)chemicznych i procesów katalitycznych, zwłaszcza na interfejsach gaz-ciecz, gaz-ciało stałe i ciecz-ciało stałe (na przykład elektrody baterii litowo-jonowych lub katalizatorów). Badania NAP-XPS próbek biologicznych są nadal rzadkie ze względu na delikatny charakter takich próbek. [1-2]

W niniejszej notatce przedstawiamy pierwsze wyniki pomiaru NAP-XPS ze świeżego pomidora i jabłka z wykorzystaniem systemu SPECS EnviroESCA.

Do układu wprowadzono owoce pomidora i jabłka, a ciśnienie ustabilizowano na poziomie 10 mbar. Badano różne regiony na powierzchni, a widma fotoelektronowe wykazywały znaczne różnice chemiczne pomiędzy tymi regionami. Otrzymane wyniki zademonstrowały unikalne możliwości urządzenia EnviroESCA i rozszerzyły pole zastosowań metody NAP-XPS na próbki żywności oraz inne próbki naturalne lub biologiczne (kultury bakterii, biofilmy, wirusy, etc.), które do tej pory nie mogły być badane metodą XPS.

EnviroESCA posiada wbudowaną kompensację ładunku, zwaną Environmental Charge Compensation, dzięki czemu nie jest konieczne stosowanie dodatkowych niskoenergetycznych źródeł elektronów lub jonów. Oświetlenie atmosfery gazu otaczającego próbkę miękkim promieniowaniem X generuje wolne ładunki, które kompensują ładunek powierzchniowy na próbce.

Poniżej przedstawiamy wyniki analizy chemicznej powierzchni pomidora sałatkowego i jabłka wykonane w ciśnieniu 10 mbar. Pomidor sałatkowy, uprawiany komercyjnie w Wielkiej Brytanii, został przecięty na pół i jedna połowa została umieszczona na standardowym uchwycie do próbek bez żadnej dodatkowej preparatyki. Jabłko, wyhodowane w ogrodzie przydomowym, pokrojono w plastry i mechanicznie zamocowano na statywie do próbek stroną ze skórką lub miąższem do góry.

Rysunek: Przykładowe zdjęcie badanej próbki pomidora zamieszczonej w komorze EnviroESCA.

Wyniki: Pomidor

Po spompowaniu układu i stabilizacji ciśnienia na poziomie 10 mbar zebrano widmo ze środka połówki pomidora w rejonie, gdzie znajduje się biały miąższ. Widmo to pokazuje węgiel (49,5 at.-%,), azot (3,8 at.-%) i tlen (46,7 at.-%) jako główne składniki w analizowanym obszarze powierzchni.

Rys 1: Widmo XPS miąższu pomidora w ciśnieniu 10 mbar.

Wyniki: Jabłko

Po spompowaniu układu i stabilizacji ciśnienia na poziomie 10 mbar rejestrowano widma czerwonego fragmentu skórki oraz białego obszaru miąższu jabłka. Widma przykładowe skórki i miąższu jabłka pokazują odpowiednio węgiel (90,0 at.-%) i tlen (10,0 at.-%) oraz węgiel (63,0 at.-%), tlen (17,0 at.-%) i azot (19,0 at.-%) jako główne składniki w analizowanym obszarze powierzchniowym.

Rys 2: Widmo XPS skórki (krzywa niebieska) oraz miąższu pomidora (krzywa czerwona) w ciśnieniu 10 mbar.

Analiza stosunkowej intensywności pików C1s i O1s pozwala na wykrycie różnicy w powierzchniowym składzie chemicznym skórki i miąższu jabłek. Obserwacja piku azotu N1s dostarcza informacji o koncentracji azotu, który jest jednym z głównych składników nawozów sztucznych.

Podsumowanie

Badania pomidora i jabłka w podwyższonym ciśnieniu zademonstrowało unikalne możliwości EnviroESCA w zakresie NAP-XPS na próbkach naturalnych, takich jak owoce i warzywa. Różnice w składzie chemicznym zostały potwierdzone podczas analizy różnych obszarów miąższu pomidora oraz skórki i miąższu jabłka.

Badanie to rozszerza zakres zastosowań metody ESCA na próbki żywności oraz inne uwodnione próbki naturalne lub biologiczne, które do tej pory nie mogły być badane metodą XPS.

Literatura:

[1] M. Kjærvik et al. Surf Interface Anal. 2018, 1–5.

[2] V. Jain et al. Surface Science Spectra 2019, 26, 014027.

Podziękowania:

Prof. Svenowi L. M. Schroederowi i dr Elizabeth Willneff z Leeds University za udostępnienie danych o jabłkach i inspirującą współpracę.

Źródło artykułu: Near ambient pressure photoelectron spectroscopy of fruit and vegetables – https://www.specs-group.com/nc/enviro/products/detail/enviroesca/