Nanotechnologia

W 1905 roku Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za kwantowo-mechaniczną interpretację efektu fotoelektrycznego. Jego teoria opierała się na wynikach Heinricha Hertza i Maxa Plancka dotyczących natury światła jako fal elektromagnetycznych oraz empirycznej wiedzy o istnieniu dyskretnych porcji energii, dziś nazywanych „kwantami”. Wtedy był to wielki krok w rozwoju nauk przyrodniczych, ale dzisiaj teoria Einsteina jest podstawą najważniejszej metody nieniszczącej analizy chemicznej powierzchni, zwanej Rentgenowską Spektroskopią Fotoelektronów (XPS, X-ray photoelectron spectroscopy). Technika ta jest częścią szerszej klasy metod spektroskopii elektronowej do analizy chemicznej, czyli ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis). XPS opiera się na analizie zachowania elektronów w próbce pobudzanej przez wiązkę promieniowania wysokoenergetycznego (promieniowanie rentgenowskie lub ultrafioletowe). Energia i pęd elektronów są badane przy pomocy analizatorów dyspersji energii elektronów, co pozwala na charakteryzację materiału pod względem składu chemicznego oraz stanu elektronowego atomów pierwiastków w warstwie przypowierzchniowej. Uzyskane w taki sposób dane są bardzo przydatne w pracy nad nowymi materiałami. Dlatego urządzenia XPS znajdują się na wyposażeniu niemal każdego laboratorium zajmującej się analizą chemiczną.

Światowy sukces rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronowej jest wynikiem długiej pracy nad metodami wiarygodnej i precyzyjnej kwantyfikacji danych ESCA z limitem detekcji pierwiastków <1%. Już we wczesnych latach 70-tych zdano sobie sprawę, że środowisko ultra wysokiej próżni (UHV), niezbędne w konwencjonalnych urządzeniach ESCA, ogranicza zastosowania tej metody do próbek stałych. Zaproponowano więc zastosowanie ESCA do cieczy, wykorzystując zaawansowany układ pompowania różnicowego dla analizatora i źródła promieniowania rentgenowskiego.

System EnviroESCA (źródło zdjęcia: SPECS-GROUP GmbH)

Unikatowy system EnviroESCA, stworzony przez firmę SPECS to nowatorskie i inteligentne narzędzie analityczne o możliwościach szerszych od standardowych systemów XPS. Zastosowanie wielu pionierskich rozwiązań z portfolio SPECS umożliwia analizę chemiczną przy ciśnieniach znacznie przekraczających UHV. EnviroESCA jest przeznaczony do analiz o wysokiej wydajności i otwiera nowe zastosowania w dziedzinie technologii medycznych, biotechnologii i nauk przyrodniczych. Dzięki temu, że system jest całkowicie zintegrowany, oferuje on najkrótszy czas od załadunku do pomiaru próbek wszelkiego rodzaju, w tym: płynów, tkanek biologicznych, tworzyw sztucznych, folii plastikowych, proszków, gleby, zeolitów, skał, minerałów i ceramiki.

Załadunek badanej próbki odbywa się przez w pełni automatyczną śluzę SmartDock. Cały proces wprowadzenia próbki zamontowanej na standardowym uchwycie do mikroskopii elektronowej dalej, do komory analitycznej zajmuje dosłownie parę minut. Sterowany komputerowo stolik z trzema wbudowanymi mikroskopami optycznymi do obserwacji próbki pozwala na precyzyjne, manualne pozycjonowanie próbki o szerokości 60 mm i wysokości do 40 mm. Łatwe w obsłudze oprogramowanie pozwala też na wstępne zdefiniowanie badanych punktów na próbce, bez potrzeby załadowania próbki bezpośrednio do komory analitycznej.  A w przypadku połączenia EnviroESCA z dostępną oddzielnie przystawką SampleExplorer możliwe jest przekazanie współrzędnych wybranego do analizy miejsca od zewnątrz. Jest to niezwykle przydatne w przypadku charakteryzacji dużej ilości próbek. Metoda kompensacji ładunku w EnviroESCA sprawia, że skomplikowane i drogie źródła elektronów lub jonów, normalnie wykorzystywane w tym celu, stają się zbędne. Kontrolowana przez użytkownika atmosfera gazowa otaczająca umieszczoną w komorze analitycznej próbkę dostarcza wszystkich ładunków swobodnych, które są potrzebne do kompensacji ładunków powierzchniowych, gdy jest ona oświetlona miękkim promieniowaniem rentgenowskim.

Jako przykład użytkowania systemu EnviroESCA przedstawiamy charakteryzację próbek pochodzenia biologicznego (ludzkie zęby):

Dwie próbki ludzkiego zęba: ząb dorosłego człowieka i mleczny ząb dziecka, umieszczono bezpośrednio na uchwycie bez dalszego ich utrwalania lub innej obróbki wstępnej. Po wprowadzeniu próbek do komory analitycznej, próbki badano za pomocą układu EnviroESCA przy ciśnieniu roboczym wynoszącym 1 mbar, aby skompensować potencjalne ładunki powierzchniowe. Zgodnie z danymi opublikowanymi wcześniej w literaturze, powierzchnia zęba składa się z tlenu, węgla, azotu, wapnia i fosforu jako głównych pierwiastków. Wybrane widmo przeglądowe trzech różnych analizowanych punktów przedstawiono na rysunku niżej.

Przykładowe widmo zęba dorosłego człowieka zmierzonego w okolicach korony (krzywa adult top, niebieski), widmo kostniwa z bocznej ścianki  zęba dorosłego (adult concrement, czerwony), ząb dziecka (baby top, zielony) (źródło rysunku: SPECS-GROUP GmbH)

Skład chemiczny powierzchni zęba różni się znacząco w analizowanych regionach. Na przykład w środkowej części zęba, gdzie znajduje się warstwa szkliwa, występuje znacznie wyższy poziom wapnia i fosforu niż w pozostałych regionach. W tym regionie dominuje kostniwo zębowe. Wyraźnie widać różnice w wysokości pików wykrytych pierwiastków: tlenu, węgla, wapnia, azotu i fosforu. Taki pomiar pokazuje różnice w składzie chemicznym różnych tkanek tworzących zęby oraz zmiany w zębach człowieka spowodowane dorastaniem (w tym przypadku na górnej części zęba formuje się szkliwo i z wiekiem zwiększa się jego grubość).

Typowy czas trwania charakteryzacji jednej próbki w EnviroESCA nie przekracza 30 minut a w przypadku próbek stałych lub proszków, czas ten skraca się do zaledwie 15 minut. Możliwość badania próbek ludzkich zębów bez wstępnej obróbki lub przygotowania próbki zademonstrowano na dwóch przykładach: zęba dorosłego człowieka i dziecka. Oba zęby wykazywały różny skład chemiczny w zależności od wieku i badanego obszaru.

Źródła:

https://www.specs-group.com/nc/enviro/products/detail/enviroesca/

https://www.specs-group.com/fileadmin/user_upload/products/application-notes/ANote_EnviroESCA__396_Teeth.pdf