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Surface Functional Group Characterization Using Chemical Derivatization X-ray Photoelectron Spectroscopy (CD-XPS)

  • Different amino group carrying surfaces, prepared by spin coating, self-assembly and plasma polymerization, were successfully investigated by XPS and NEXAFS. Amino groups were derivatized with the widely used primary amino group tags, PFB and TFBA, prior to analysis. Primary amino group quantification was then carried out according to the spectroscopic data. The gas-phase derivatization reactions of PFB and TFBA were also studied in order to understand their reaction behaviour, the spectral differences they cause and the time required for reaction completion. For the determination of maximum reaction yields of gas-phase surface derivatizations, a set of liquid-phase derivatization reactions was carried out. The selected amino compounds with a different degree of steric hindrance were reacted with PFB and TFBA. The yields (78-89%) were accepted as the upper limit of the gas- phase surface derivatizations. Thin films were prepared by spin coating of 4,4’-methylenebis(2,6-diethylaniline)Different amino group carrying surfaces, prepared by spin coating, self-assembly and plasma polymerization, were successfully investigated by XPS and NEXAFS. Amino groups were derivatized with the widely used primary amino group tags, PFB and TFBA, prior to analysis. Primary amino group quantification was then carried out according to the spectroscopic data. The gas-phase derivatization reactions of PFB and TFBA were also studied in order to understand their reaction behaviour, the spectral differences they cause and the time required for reaction completion. For the determination of maximum reaction yields of gas-phase surface derivatizations, a set of liquid-phase derivatization reactions was carried out. The selected amino compounds with a different degree of steric hindrance were reacted with PFB and TFBA. The yields (78-89%) were accepted as the upper limit of the gas- phase surface derivatizations. Thin films were prepared by spin coating of 4,4’-methylenebis(2,6-diethylaniline) on Si wafers and were reacted with the markers at 50ºC. The saturation time was found to be 15 min. for both reactions. XPS measurements showed the formation of a CF3 or C-F peak and a BE shift of the corresponding C=N group indicating a successful reaction. The NEXAFS results supported the XPS data by showing a sharp π*(C=N) resonance. The CF3 and C-F resonances were observed in the σ* region. The yields of the reactions were calculated from the component areas of the high resolution XP N1s spectra and from the [F]/[N] ratios. The surface amino groups were calculated from the stoichiometry and from the XP survey scans. The results were consistent with each other and showed a yield of 80-90% for PFB and 60-70% for TFBA. Self-assembled monolayers (SAMs) of different terminal groups were prepared and investigated with XPS and NEXAFS. The spectral properties of aliphatic and aromatic SAMs were compared to the reference surfaces of poly(allylamine) and 4,4’-methylenebis(2,6-diethylaniline) spin coated on Si wafers. NEXAFS was used to determine the orientation of SAMs. An angle resolved NEXAFS was applied at the C K-edge in order to prove a successful SAM deposition on Au. The intense peaks in the difference spectra are due to the polarization dependence in the orbital responsible for the NEXAFS resonance showing a successful bond/functional group orientation. The gas-phase surface derivatization of two amino terminated SAMs, 4-aminophenylbutane-1-thiolate and 11- amino-1-undecanethiol, were studied. 4-aminophenylbutane-1-thiolate was derivatized with TFBA whereas 11- amino-1-undecanethiol with PFB at room temperature for 90 min. The stoichiometrical data were compared to the atomic percentages obtained from the XPS spectra and the results were consistent with each other. The yields of the reactions (60-80%) were obtained from the high resolution N1s spectra. Since a certain number of spectra had to be acquired to reach reasonable S/N ratios, a considerable danger of beam damage in the NEXAFS measurements occurs. The potential radiation damage effects on the C and N K- edge of 11-amino-1-undecanethiol film on Au was studied. The spectral differences before and after 1 h radiation exposure were investigated. The intensities of resonances related to unsaturated species such as C=C and C=N were increased for the C K-edge spectra. The NEXAFS N K-edge spectra of 11-amino-1-undecanethiol film showed no significant irradiation effect. Plasma deposited allylamine samples were successfully investigated by XPS and NEXAFS. Primary amino group quantification on plasma deposited allylamine surfaces was carried out by derivatization after plasma deposition. TFBA and PFB showed side reactions when plasma polymerization was used. Due to the radical mechanisms, C- F bond cleavages followed by HF releases occurred resulting in a second peak formation in XP F1s spectra. PFB derivatized surfaces suffer more from the C-F bond cleavage since fluorinated aromatic molecules are highly susceptible to nucleophilic aromatic substitution. Potential X-ray beam damage of TFBA was studied by a 10 h XPS measurement and showed a fluorine degradation. Due to the short measurement times, X-ray beam damage can be neglected. Since HF release on the TFBA surfaces are lower in percentage, it was used as the marker reagent for the coupling reactions. A series of samples deposited at 20W, 0.5 duty cycle and 15 Pa were derivatized to determine the time required for saturation (90 min.). Plasma polymerized allylamine samples with different duty cycle, power and pressure values were prepared in order to study the effects of external plasma parameters on the primary amino group retention. The [CF3] area percentages, obtained from the high resolution XP C1s spectra, vs. plasma parameter variations were compared. Duty cycle, power and pressure variation experiments showed the same trend on amino group retention. The more the plasma conditions move from mild to hard, the more rearrangements occur on the surface. Milder plasma conditions promote the retention of amino groups originating from the allylamine monomer. QEA (Quantitative Elemental Analysis) and PFA (Peak Fit Analysis) methods were used for the quantification of surface amino groups, depending on the XPS data. The results of two data evaluation methods were compared by using a Youden plot showing no deviation. NEXAFS was used along with XPS in order to study plasma parameter effects on amino groups. As being sensitive against unsaturated moieties, NEXAFS was successfully applied to plasma deposited allylamine surfaces. An increase in fragmentation rate due to a variation in plasma parameters was followed by intensity changes in NEXAFS C K-edge spectra. An inter-laboratory comparison of hydroxyl group determination on plasma surfaces was carried out. Hydroxyl groups on polypropylene foil, treated with oxygen plasma at 100 W for 90 s, were coupled with TFAA. The surfaces were investigated with XPS and the [OH] amount on the surfaces was calculated by QEA and PFA methods showing a 33% deviation between the two methods. CD-XPS is applied successfully in order to determine different functional groups on the thin film surfaces. However, a validated derivatization procedure, which can be easily applied in each lab, should be established. The used hardware and the peak fitting procedures of XPS should be defined in detail for the validation. The sample inhomogeneity and the effects of beam damage play a role on the deviations of the results. The surface thickness should be optimized for consistency. By the derivatization reactions, the surface amino groups are successfully quantified. As the next step, the studied surfaces can be used for potential biological applications, such as coupling the available amino groups with DNA or stem cells.zeige mehrzeige weniger
  • Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung und Quantifizierung von Aminofunktionalitäten auf Oberflächen mittels der Analyseverfahren Röntgen-Photoelektronenspektrometrie (XPS) und Röntgen-Absorptionsspektrometrie (Analyse der Feinstruktur an der Absorptionskante, NEXAFS). Die Oberflächen wurden durch Spincoating, Selbstassemblierung oder Plasmapolymerisation hergestellt und die primären Aminogruppen mit den dafür oft genutzten Markern PFB und TFBA derivatisiert. Die Gasphasenderivatisierungen mittels PFB und TFBA wurden auch genutzt, um Reaktionsverhalten, Reaktionszeit und die resultierenden spektroskopischen Unterschiede genauer zu ermitteln. In nasschemischen Untersuchungen reagierten abgeschirmte Amine mit PFB und TFBA unterschiedlich stark mit Ausbeuten von 78- 89%, was als maximale Ausbeute der Oberflächenderivatisierung in der Gasphase angesehen wird. Die Dünnschichtfilme wurden mittels Spin coating von 4,4’-Methylen-bis(2,6-diethylanilin) auf Si-Wafern hergestellt undZiel dieser Arbeit war die Charakterisierung und Quantifizierung von Aminofunktionalitäten auf Oberflächen mittels der Analyseverfahren Röntgen-Photoelektronenspektrometrie (XPS) und Röntgen-Absorptionsspektrometrie (Analyse der Feinstruktur an der Absorptionskante, NEXAFS). Die Oberflächen wurden durch Spincoating, Selbstassemblierung oder Plasmapolymerisation hergestellt und die primären Aminogruppen mit den dafür oft genutzten Markern PFB und TFBA derivatisiert. Die Gasphasenderivatisierungen mittels PFB und TFBA wurden auch genutzt, um Reaktionsverhalten, Reaktionszeit und die resultierenden spektroskopischen Unterschiede genauer zu ermitteln. In nasschemischen Untersuchungen reagierten abgeschirmte Amine mit PFB und TFBA unterschiedlich stark mit Ausbeuten von 78- 89%, was als maximale Ausbeute der Oberflächenderivatisierung in der Gasphase angesehen wird. Die Dünnschichtfilme wurden mittels Spin coating von 4,4’-Methylen-bis(2,6-diethylanilin) auf Si-Wafern hergestellt und reagierten bei 50 ºC mit den Markern. Die Sättigungszeit betrug in beiden Fällen 15 min. Die XPS Messungen zeigten die erfolgreiche Umsetzungen durch das Auftreten eines neuen CF3- bzw. C-F-Signals und einen BE-Verschiebung der entsprechenden C=N-Gruppe. In Übereinstimmung mit den XPS-Daten, zeigen die NEXAFS-Spektren eine Scharfe π*(C=N) Resonanz und die CF3 bzw. C-F Resonanz in der σ*-Region. Die Ausbeuten der Reaktionen wurden aus den Komponenten-Flächen der hochaufgelösten XP N1s Spektren und aus den [F]/[N]-Verhältnissen berechnet. Stöchiometrie und XP-Übersichtsspektren dienten zur Bestimmung der Aminofunktionalitäten an den Oberflächen. Die Resultate waren konsistent und zeigten eine Ausbeute von 80- 90% für PFB und 60-70% für TFBA. Für die Untersuchung von selbstorganisierenden Monoschichten (SAMs) mit unterschiedlichen Funktionalitäten wurden spektroskopische Daten von aliphatischen und aromatischen SAMs mit denen von Si-Wafern, welche mit Polyallylamin und 4,4’-Methylenbis(2,6-diethylanilin) beschichtet wurden, verglichen. Die Orientierung der Monoschichten wurde mittels der winkelaufgelösten NEXAFS an der C K-Kante bestimmt. Die scharfen Signale im Differenzspektrum zeigen eine erfolgreiche Orientierung der Bindungen bzw. funktionellen Gruppen und resultieren aus der Polarisationsabhängigkeit der NEXAFS-Resonanzen an relevanten Molekülorbitalen. Die Gasphasen-Oberflächenderivatisierungen von zwei SAMs mit Aminofunktionalitäten (4-Aminophenylbutan-1- thiolat und 11-Amino-1-undecanthiol) wurden untersucht. Für eine Zeit von 90 min. wurde 4-Aminophenylbutan-1- thiolat mit TFBA bzw. 11-Amino-1-undecanthiol mit PFB bei RT umgesetzt. Die stöchiometrischen Daten der Umsetzungen waren in Übereinstimmung mit den Elementkonzentrationen, welche sich aus den XPS-Daten ableiten ließen. Die Ausbeuten wurden mit Hilfe der N1s-Spektren berechnet und betrugen 60-80%. Da für eine aussagekräftige NEXAFS-Messung eine gewisse Anzahl von Spektren aufgenommen werden muss, steigt die Gefahr der Schädigung der Probe durch Strahlung. Aus diesem Grund wurde ein 11-Amino-1-undecanthiol-Film auf Au für 1 h mit weichem Röntgenlicht bestrahlt und die spektroskopischen Unterschiede an der C und N K- Kante untersucht. Es zeigte sich kein signifikanter Unterschied für die N K-Kante, allerdings erhöhten sich die Intensitäten der C=C und C=N-Spezies im C K-Kanten-Spektrum, was für einen Strahlenschaden spricht. Mittels Allylamin als Plasmagas und Si-Wafern wurden plasma-chemisch abgeschiedene Allylaminfilm Oberflächen hergestellt und untersucht. Der Einfluss der externen Plasmaparameter (Duty Cycle, Plasmaleistung und Druck des gasförmigen Monomers im Reaktor) auf den chemischen Charakter des abgeschiedenen Films wurde im Detail analysiert. Die anschließenden Gasphasen-Oberflächenderivatisierungen mit TFBA und PFB zeigten Nebenreaktionen. C-F- Bindungsbruch und HF-Abspaltung führten zu einem zusätzlichen Signal im XP F1s Spektrum. Oberflächen, welche mit PFB derivatisiert wurden, zeigten einen höheren Anteil von C-F-Bindungsbrüchen, da an fluorierten aromatischen Molekülen leicht nukleophile aromatische Substitutionen stattfinden. Potentielle Schäden durch Röntgenstrahlung wurden mittels TFBA derivatisierter Proben, welche für 10 h der Strahlung ausgesetzt wurden, studiert. Es zeigte sich eine Abnahme der Fluorgehalte an der Oberfläche, allerdings hat dieser Effekt aufgrund der kurzen Messzeiten praktische keine Auswirkung bei der Datenerfassung. Da die HF-Abspaltung auf TFBA- Oberflächen prozentual geringer ist, wurde es als Marker für alle weiteren Kupplungsreaktionen genutzt. Eine Serie von Proben, welche bei einer Plasmaleistung von 20W, 0,5 Duty Cycle und einem Druck von 15 Pa derivatisiert wurden, zeigten eine Sättigungszeit von 90 min. Bei variierenden Plasmabedingungen wurden die unterschiedlichen [CF3]-Flächenprozent in den hochaufgelösten XP C1s Spektren miteinander verglichen. Duty Cycle, Plasmaleistung und Druck zeigten identische Trends in der Retention der Aminogruppen. Grundsätzlich führt die Anwendung von harten Plasmabedingungen, d .h bei hoher effektiver Plasmaleistung, zu Filmen mit einer vergleichsweisen geringen Retention der Aminofunktionalitäten. Darüber hinaus sind diese Filme stark vernetzt bzw. verzweigt. Eine hohe Anzahl ungesättigter Kohlenstoffspezies ist ebenfalls typisch. In Abhängigkeit von den XPS-Daten wurden für die Quantifizierung der Aminogruppen an der Oberfläche die Methoden QEA (Quantitative Elementar-Analyse) und PFA (Peak Fit Analyse) genutzt. Die Berechnungen wurden mittels Youden-Plot verglichen und zeigten keine Abweichung voneinander. NEXAFS wurde zusätzlich genutzt, um den Einfluss der Plasmaparameter auf die Aminogruppen zu studieren, da die Methode empfindlich gegenüber ungesättigten Spezies ist. Eine Zunahme der Fragmentationsraten bei Veränderungen in den Plasmaparametern konnten aus Intensitätsveränderungen in den NEXAFS C K-Kanten Spektren abgeleitet werden. Ein Ringversuch für die Bestimmung von Hydroxylgruppen auf mit Plasma behandelten Oberflächen wurde ebenfalls durchgeführt. Dafür wurde eine Polypropylenfolie, welche Sauerstoffplasma bei 100 W für 90 s ausgesetzt wurde, mit TFAA derivatisiert. Die Oberfläche wurde mittels XPS untersucht und der [OH]-Gehalt mittels QEA und PFA bestimmt. Die Methoden zeigten eine Abweichung von 33% voneinander. CD-XPS wurde erfolgreich zur Bestimmung unterschiedlicher Funktionalitäten auf Dünnschichtfilmen eingesetzt. Allerdings bedarf es für den Erhalt von in sich konsistenten Datensätzen einer validierten Derivatisationsprozedur, die in jedem Labor angewendet werden muss. Die verwendete Hardware und die Peak-Fitting-Prozeduren bei XPSUntersuchungen müssen ebenfalls im Detail beschrieben werden. Die Inhomogenitäten und eventuelle Strahlungsschäden führen zu Abweichungen in den erhaltenen Resultaten. Die gemessene Schichtdicke muss auch für konsistente Ergebnisse optimiert werden. Dünnere Schichten führen zu weniger Hintergrundrauschen. Die erfolgreich durchgeführten Derivatisierungsreaktionen zeigten die Verfügbarkeit der Aminogruppen an der Oberfläche. In einem nächsten Schritt können an diese Funktionalitäten z.B. Stammzellen oder DNA gekoppelt werden, was hochinteressant in Hinblick auf potentielle biologische Anwendungen ist.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autor*innen:Eda Jagst
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (69)
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2011
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Freie Universität Berlin, Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie
Gutachter*innen:Manfred Hennecke, Rainer Haag
Datum der Abschlussprüfung:07.06.2010
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:69
Erste Seite:1
Letzte Seite:129
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Freie Schlagwörter:Organic surface; functional group; photoelectron spectroscopy; plasma modification; surface analysis
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-893
ISSN:1613-4249
ISBN:978-3-9813853-4-1
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:23.01.2015
Referierte Publikation:Nein
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