Argon Cluster Quelle mit integriertem Focus Ion Beam System für die Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit Hilfe der bewilligten Mittel wurde das bereits vorhandene Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometer (ToF-SIMS) mit einer Argon-Cluster- sowie Focused Ion Beam (FIB)-Quelle nachgerüstet. Die Argon-Clusterquelle kann in der SIMS-Anlage recht vielseitig eingesetzt werden: zum Reinigen von Proben, zum lokalen Abtragen organischer Proben (Sputtern) sowie als Analysequelle. Die FIB-Quelle ermöglicht es auf größerer Skala als üblich (bis hin in die Größenordnung von 100 µm) Probenquerschnitte zu erzeugen und die lokale Zusammensetzung von Funktionsmaterialien zu untersuchen. Im Rahmen des SFB TRR 79 kommt die Argon-Clusterquelle unter anderem zum schonenden Reinigen empfindlicher Oberflächen biologischer Proben zum Einsatz. Verunreinigungen, die aufgrund der Probenpräparation entstehen, können durch sanftes Abtragen mit Ar-Clustern entfernt werden, wodurch die Analytik von Knochenschnitten erst ermöglicht wird. Ein „Highlight“ war in diesem Kontext die ortsaufgelöste Lokalisierung des Knochenkrebsmedikamentes Bortezomib, wodurch das Freisetzungsverhalten dieses Wirkstoffs aus dem verwendeten Biomaterial beschrieben werden konnte. Aufgrund der sanften Ionisation und geringeren Fragmentierung von organischen und biologischen Molekülen wie Fettsäuren, Lipiden und Peptiden, eignet sich die Ar-Clusterquelle besonders für die Tiefenprofilierung von biologischem Weichgewebe und vor allem für die 3D-Analytik von Zellen. Während unter dem Beschuss von O2+ die Signalintensität der Zell-Signale aus der Membran und dem Zellinneren nach dem ersten Sputterzyklus signifikant reduziert oder nicht mehr detektierbar sind, ist es mit Ar1500+ gelungen, die Zelle unter Erhalt der Zellsignale vollständig abzutragen und somit in der 3D-Rekonstruktion sowohl die Zellmembran als auch Zellkompartimente wie den Zellkern darzustellen. Silber-Nanopartikel konnten räumlich aufgelöst in humanen Zellen lokalisiert werden. Da die Argon-Clusterquelle in Kombination mit ToF-SIMS vergleichsweise neu ist, wurde das auf den Primärionenbeschuss zurückzuführende Fragmentierungsverhalten des Peptidhormons Angiotensin II von uns in einer eigenständigen Studie untersucht. Ein Abtrag der mit unterschiedlichen Ionendosen von Ar1000+ beschossenen Modellproben mittels DINEC, ergab einen lediglich bis zu 15 nm tiefen Schädigungsbereich bei einer im Vergleich mit Bi3+ deutlich geringeren Fragmentierungsrate. Aufgrund der vergleichsweise geringen Fragmentierung organischer Moleküle wurde die Quelle insbesondere zur Detektion von Biomolekülen auf Oberflächen eingesetzt. Die FIB-Quelle dient zur Anfertigung von Querschnitten in Funktionsmaterialien. Mit Ihrer Hilfe konnten eine Reihe von Funktionsmaterialien aus laufenden Energieforschungsprojekten (Batterie, Thermoelektrika) sowie lebenswissenschaftlicher Materialforschung (bioabbaubare Implantate, Zahnimplantate, Knochen/Material Grenzfläche) untersucht werden. Hierdurch wurden zielführende Hinweise auf den grundsätzlichen Aufbau, das Degradationsverhalten, sowie Grenzflächenprozesse erhalten. Da die in der SIMS Anlage vorhandene Probenbühne nur um maximal 5 % gekippt werden kann, wurde ein vakuumtauglicher, motorisierter Probenhalter entworfen, gebaut und optimiert, um Materialanschnitte auch unter deutlich flacheren Winkeln ausführen zu können. Dies hat zum Vorteil, dass damit indirekt die gerätespezifische laterale Auflösung der Bilder in einer Achse um bis zum Faktor 10 erhöht werden kann. Somit ist auch die Untersuchung von dünnen Funktionsschichten möglich, insbesondere auch von Batteriematerialien, da der konzipierte Probenhalter mittels Transfermodul unter Luftausschluss zwischen Handschuhbox und Gerät transportiert werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Thermomigration and Soret effect in Nax- CoO2 as thermoelectric material: Preparation and characterization of sodium cobaltate thin films, Phys. Status Solidi A 2016, 213, 1368
C. Schneider, P. Schichtel, B. Mogwitz, R. Straubinger, A. Beyer, M. Rohnke, K. Volz, J. Janek
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XPS and SIMS Analysis of Solid Electrolyte Interphases on Lithium Formed by Ether-Based Electrolytes, Journal of The Electrochemical Society 2017, 164(14):A3742-A3749
C. Fiedler, B. Luerßen, M. Rohnke, J. Sann, J. Janek
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High resolution imaging and 3D analysis of Ag nanoparticles in cells with ToF-SIMS and delayed extraction, Biointerphases 2018, 13, 03B410
A. Henß, S.K. Otto, K. Schaepe, L. Pauksch, K.S. Lips, M. Rohnke
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Improving SIMS imaging of FIB bevel cuts with an elaborate sample holder, J. Vac. Sci. Technol. B 2018, 36, 03F101
C. Schneider, H. Weigand, M. Rohnke
