Het bepalen van de chemische samenstelling van Corrosion Inhibitor / Metal Interfaces met XPS: minimaliseren Bericht Immersion Oxidatie
15 maart 2017
Er wordt een protocol gepresenteerd om de oxidatie van metalen substraten te voorkomen tijdens de overdracht van monsters van een geïnhibeerde zure oplossing naar een röntgenfoto-elektronenspectrometer.
Het algemene doel van deze experimentele procedure is om de oxidatie van metalen substraten te voorkomen tijdens de overdracht van monsters van een geremde zure oplossing naar een röntgenfotoelektronspectrometer. Deze procedure maakt het mogelijk om betrouwbaarder de chemische aard van interfaces tussen corrosieremmers en het oppervlak in zure oplossingen te bepalen, wat een essentieel onderdeel is voor het mechanistische begrip en het voorspellen van de prestaties. Een specifiek voordeel van deze aanpak is dat deze relatief eenvoudig toe te passen is.
En zo kan deze methode worden overgenomen door andere onderzoekers die soortgelijke metingen uitvoeren. Het protocol is relatief eenvoudig, maar men dient te oefenen in het hanteren van monsters in de glovebox, aangezien dit het meest nauwkeurige onderdeel van de methode is. Naast corrosieremming zou deze aanpak ook overwogen moeten worden in andere gebieden waar XPS-metingen worden uitgevoerd op luchtkwestgevoelige interfaces die zijn gevormd in een vloeistofomgeving.
We hebben er eerst voor gekozen om deze aanpak te proberen, omdat we ons zorgen maakten dat het voorgaande werk was aangetast door oxidatie van het geremde grensvlak bij blootstelling aan lucht. Om deze procedure te starten, bereidt u het koolstofstalen substraat en de zoutzuuroplossing met toegevoegd CI voor zoals beschreven in het tekstprotocol. Giet vervolgens 25 milliliter van de bereide HCl-plus-CI-oplossing in een klein glazen bekerglas.
Pak met zuurbestendige pincetten de schijfvormige koolstofstalen monster op en laat deze vervolgens zakken in de HCL plus CI-oplossing. Positioneer het monster zodanig dat de cilindrische vlakken zich in het verticale vlak bevinden. Sluit eerst de glovebox aan op een bron van inert gas, zoals stikstof of argon.
Plak vervolgens een klein vierkantje dubbelzijdige geleidende koolstoftape op de XPS-monsterstaf. Plaats alle hardware die nodig is om het monster naar het XPS-instrument over te brengen via een open poort in de glove box. Plaats daarna het glazen bekerglas met het ondergedompelde substraat in de glove box.
Sluit elke poort af. Spoel vervolgens de glovebox door met een inert gas. Laat het monster gedurende de gewenste onderdompelingsperiode ondergedompeld blijven.
Houd de relatieve vochtigheidswaarde in de glovebox in de gaten. Zodra de relatieve vochtigheid onder acht procent ligt, steekt u uw handen in de handschoenen van de glovebox. Trek vervolgens nitrielhandschoenen over deze handschoenen heen.
Verwijder de koolstofstalen monster uit de oplossing met een pincet. Blaas het monster onmiddellijk droog met een lege spoelfles. Dek vervolgens het bekerglas met de HCl- en CI-oplossing af met een plastic paraffinefilm.
Bevestig het gedroogde monster aan het kleine vierkantje plakband op de XPS-monsterstang. Ontlucht daarna de XPS-sluiskamer met inert gas. Open de flens van de sluiskamer, breng de monsterstang over in de sluiskamer en schuif deze op de monsterhouderpen.
Sluit vervolgens de flens. Schakel de combinatie van turbomoleculaire en rotatiepomp in om de kamer vacuüm te trekken. Zodra de druk ongeveer 5 x 10⁻⁷ mbar bereikt, wordt het monster handmatig met de transportarm naar de tussenkamer overgebracht.
Gebruik het toetsenbord om het monster in de gewenste foto-elektronenemissiehoek te oriënteren. Open vervolgens de software voor XPS-gegevensverwerving. Navigeer naar het venster voor de handmatige besturing van het instrument.
Voer 10 milliamps en 15 killivolts in als respectievelijke waarden voor de parameters anode emissie en anode HT. Klik vervolgens op de On-knop in het gedeelte Xray gun om de monochromatische aluminium K alpha röntgenbron in te schakelen. Klik daarna op de On-knop in het gedeelte Neutralizer om de ladingsneutralisator aan te zetten.
Selecteer in het gedeelte Analyzer de meetmodus Hybrid spectrum uit de vervolgkeuzemenu's voor modus en lens. Voer vervolgens de gewenste parameters in het gedeelte voor de scancontrole van de acquisitie in. Optimaliseer met behulp van het toetsenbord de positie van het monster om het signaal van het geselecteerde kernniveau te maximaliseren.
Verwerf vervolgens XPS-gegevens zoals beschreven in het tekstprotocol. In deze studie wordt een alternatieve methode voor het inbrengen van monsters in een XPS-instrument met ultra-hoog vacuüm gebruikt om oxidatie na onderdompeling in een zure oplossing met een corrosie-inhibitor te minimaliseren. De XPS-gegevens voor een gepolijst monster vertonen drie prominente kenmerken: het ijzer 2p-signaal is afkomstig van het koolstofstaal waaruit het monster is samengesteld.
Het zuurstof 1s-signaal is afkomstig van zowel een oxidische filmlaag op het oppervlak als van adsorbaten, terwijl het koolstof 1s-signaal wordt veroorzaakt door adventitieel koolstof. Onderdompeling in een van de geremde 1 M HCL-oplossingen resulteert in significante veranderingen in het overeenkomstige overzichtsspectrum. Er verschijnt een stikstofsignaal door oppervlakteadsorptie van de inhibitor, terwijl het zuurstofsignaal vrijwel volledig verdwijnt.
De spectrale profielen met een hogere resolutie van zuurstof 1s en ijzer 2p geven aan dat er oppervlakteoxidatie van het gepolijste monster heeft plaatsgevonden, wat heeft geleid tot ijzeroxiden en -hydroxiden. Deze soorten zijn afwezig in de ondergedompelde monsters, wat erop wijst dat er weinig tot geen oppervlakteoxide of -hydroxide over is gebleven. Het effect van de omgevingsatmosfeer van het laboratorium op een geremde interface wordt bepaald door een monster over te brengen naar een gedeeltelijk gespoelde glovebox.
Dit monster, dat is blootgesteld aan een hogere zuurstofconcentratie, vertoont tekenen van oppervlakteoxidatie. Daarom wordt oppervlakteoxidatie alleen geminimaliseerd wanneer de overdracht van het monster plaatsvindt in een goed gespoelde glovebox. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe u oxidatie van interfaces van corrosieremmers kunt voorkomen voorafgaand aan XPS-metingen.
De procedure is relatief eenvoudig en zodra deze onder de knie is, kan de stap van monsteroverdracht in minder dan 30 minuten worden voltooid als deze correct wordt uitgevoerd. Het is echter bij het uitvoeren van de procedure belangrijk om te allen tijde het oppervlak dat met XPS wordt onderzocht niet aan te raken tijdens het onderdompelen of overdragen van het monster. Vergeet tenslotte niet dat werken met zuren gevaarlijk kan zijn en dat er passende voorzorgsmaatregelen moeten worden getroffen.
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol dat is ontworpen om de oxidatie van metalen substraten te voorkomen tijdens de overdracht van een geremmede zure oplossing naar een röntgenfoto-elektronspectrometer (XPS). De methode verbetert de betrouwbaarheid bij het bepalen van de chemische aard van corrosieremmer-interfaces in zure oplossingen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Corrosiewetenschap
- Oppervlaktechemie
- Röntgenfotoelektronspectroscopie
Achtergrond
- Oxidatie kan de integriteit van metalen monsters tijdens de analyse aantasten.
- Corrosieremmers spelen een cruciale rol bij het beschermen van metalen oppervlakken in zure omgevingen.
- Inzicht in de chemische aard van deze interfaces is essentieel voor het voorspellen van de prestaties.
- Eerdere methoden werden belemmerd door oxidatie bij blootstelling aan lucht.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een betrouwbare methode voor het overbrengen van metallische monsters zonder oxidatie.
- Het verbeteren van de nauwkeurigheid van XPS-metingen van corrosieremmer-interfaces.
- Het bieden van een eenvoudig protocol dat door andere onderzoekers kan worden overgenomen.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van koolstofstalen substraten en zoutzuuroplossingen met corrosieremmers.
- Gebruik van een glovebox gespoeld met inert gas voor de overdracht van monsters.
- Gebruik van zuurbestendige pincetten voor de behandeling van monsters.
- Optimalisatie van XPS-parameters voor data-acquisitie.
Belangrijkste resultaten
- Er werden significante veranderingen in de XPS-spectra waargenomen na onderdompeling in geremde oplossingen.
- Oppervlakteoxidatie werd geminimaliseerd wanneer monsters werden overgebracht in een goed gespoelde glovebox.
- Oxidatieproducten waren afwezig in de ondergedompelde monsters, wat duidt op een effectieve bescherming.
- Een correcte behandeling en overdracht kunnen in minder dan 30 minuten worden voltooid.
Conclusies
- Het ontwikkelde protocol voorkomt effectief oxidatie tijdens de monsteroverdracht.
- Het biedt een betrouwbare methode voor het bestuderen van corrosieremmer-interfaces.
- Er moet zorgvuldig worden gewerkt om te voorkomen dat het monsteroppervlak tijdens het proces wordt aangeraakt.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
Een nauwkeurige karakterisering van corrosieremmer/metaal-interfaces is essentieel voor het voorspellen van materiaalprestaties in zure omgevingen, wat een belangrijke overweging is bij formuleontwikkeling en stabiliteitstesten. Door oxidatie na immersie tijdens de monstertransfer te voorkomen, waarborgt deze methode dat XPS-gegevens de werkelijke interfacechemie weerspiegelen, wat betrouwbare mechanistische inzichten ondersteunt. Deze mogelijkheid helpt bij het verminderen van risico's bij de selectie van remmers in een vroeg stadium door zekerheid te bieden over de gegevens van oppervlakte-interacties.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om inhibitor-bindingsmechanismen bij metaalinterfaces onder gecontroleerde omstandigheden te onderzoeken.
- Operationele waarde: Vermindert artefacten door blootstelling aan de atmosfeer, waardoor de reproduceerbaarheid van gegevens tussen studies wordt verbeterd.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert kwantitatieve gegevens over de oppervlaktesamenstelling om de effectiviteit van inhibitoren te rangschikken op basis van de grensvlakbezetting.
- Operationele waarde: Optimaliseert de workflow voor luchtgevoelige monsters door de overdracht vanuit een glovebox te integreren met XPS-analyse.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt de extrapolatie van de prestaties van inhibitoren op labschaal naar echte zure omgevingen door het behoud van oorspronkelijke grensvlaktoestanden.
- Operationele waarde: Faciliteert crossfunctionele samenwerking tussen teams voor corrosiewetenschap en formulering via gestandaardiseerde, overdraagbare protocollen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze methode past binnen workflows voor vroege ontdekking, waarbij inzicht in moleculaire interacties op materiaalgrenzelaanvullingen bijdraagt aan de selectie van lead-verbindingen en beoordelingen van de formulatiestabiliteit.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten met betrekking tot adsorptie van inhibitoren en mechanismen voor oppervlaktebescherming.
- Screening: Maakt reproduceerbare, kwantitatieve read-outs mogelijk voor het vergelijken van de prestaties van inhibitoren onder zure omstandigheden.
- Analytics: Levert gegevens over de elementaire en chemische toestand (bijv. Fe 2p, O 1s, C 1s, N 1s) om de oppervlaktesamenstelling te correleren met functionele resultaten.
- Translationeel Onderzoek: Slaat een brug tussen screening op laboratoriumschaal en milieurelevantie door de integriteit van de interface tijdens de analyse te behouden.
- Bedrijfsmatige Hergebruik: Vestigt een herbruikbaar platform voor het bestuderen van elke luchtgevoelige vloeistof-vaste interface bij tests voor materiaalkompatibiliteit.
Operationele & Bedrijfsmatige Impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in de prestaties van inhibitoren door meetartefacten te minimaliseren.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en standaardisatie tussen laboratoria die corrosieve interfaces bestuderen.
- Strategische waarde: Ondersteunt snellere go/no-go-beslissingen door onzekerheid in prestatiegegevens uit de vroege fase te verminderen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van inhibitor-kandidaten mogelijk op basis van betrouwbare interfaciale karakterisering.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in het bedienen van een glovebox en het hanteren van luchtkritische monsters.
- Afhankelijk van toegang tot een XPS-instrument met load-lock-compatibiliteit voor overdracht onder inert gas.
- Vereist gestandaardiseerde training om oppervlaktecontaminatie tijdens monstermanipulatie te voorkomen.
- Moet rekening houden met oplossingsspecifieke variabelen, zoals inhibitorconcentratie en zure pH, bij vergelijkingen tussen condities.
- Beperkt tot vacuümcompatibele monstervoorbereiding; voor niet-vluchtige of thermisch labiele inhibitoren kunnen alternatieve benaderingen nodig zijn.
