Cryogenic atom probe tomography technique development for analysis of water-based organic compounds

Von Strobel Woods, Eric; Gault, Baptiste; Raabe, Dierk; Schneider, Jochen M.

doi:HT030951490

Cryogenic atom probe tomography technique development for analysis of water-based organic compounds

Von Strobel Woods, Eric^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eric Von Strobel Woods, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)^RWTH* ; Schneider, Jochen M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Gault, Baptiste (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00962
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1003283/files/1003283.pdf

Einrichtungen

Projekte

SHINE - Seeing hydrogen in matter (771602) (771602)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Probenpräparation von gefrorenen flüssigen Lösungen zur Herstellung biologisch relevanter Moleküle in ihrer natürlichen Umgebung für die Analyse mittels Atomsondentomographie (APT) stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Präparationsmethoden für gefrorene flüssige Proben entwickelt, die jedoch entweder durch den Probendurchsatz oder durch das begrenzte Analysevolumen eingeschränkt sind. Die Verwendung von nanoporösen Metallsubstraten zur Fixierung von gefrorenen Flüssigkeiten hat sich als sehr erfolgsversprechend erwiesen. Bisher war es jedoch nur möglich, Proben aus dem beschichteten Substrat auszuschneiden, wodurch nur eine oder sehr wenige Proben hergestellt werden konnte und die anschließende Analyse eine große Herausforderung darstellte. Eine ortsspezifische Probenextraktion und Montage auf handelsüblichen Analysesubstraten unter kryogenen Bedingungen war nicht möglich. Um jedoch eine routinemäßige ortsspezifische Analyse flüssiger Proben in der APT zu ermöglichen, müssen sowohl die Einschränkungen des Probendurchsatzes als auch der Zuverlässigkeit überwunden werden. Um das Problem des Probendurchsatzes und der Zuverlässigkeit zu lösen, wurden zwei Ansätze verfolgt. Der erste bestand in der Herstellung von speziell entwickelten nanoporösen Metallsubstraten, die in Flüssigkeiten getaucht, eingefroren und dann als APT Proben präpariert werden konnten. Dazu wurden zwei Designs entwickelt, (1) in Form eines Halbgitters, ähnlich einem TEM-Gitter, und (2) ein vertikal selbstausrichtendes Metallarray aus nadelförmigen Spitzen, eine sogenannte Krone. Beide Probendesigns können in einen APT Probenhalter montiert werden und anschließend von einer Glovebox mit Hilfe eines bestehenden kryogenisch gekühlten Ultrahochvakuum (UHV)-Shuttle-Systems zu einem kryogenen FIB / REM für die Probenpräparation und anschließend zur Analyse in die APT transferiert werden. Hierfür wurden zwei verschiedene Materialsysteme ausgewählt (1) nanoporöses Gold (NPG), das durch chemisches Ätzen von Silber aus AuAg hergestellt wurde. (2) Wurde nanoporöses Kupfer entwickelt, das aus Gelbmessing, Cu63Zn37 (at.%), sowohl durch chemische als auch durch Vakuumlegierungsprozesshergestellt wurde. Da nanoporöse dealloyierte Metalle nur einmal verwendet werden können, wurde parallel zu dieser Arbeit eine alternative Dünnfilmbeschichtung von NPG-Beschichtung auf Siliziumwafern durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) entwickelt. Das nanoporöse Gold wurde mit Hilfe einer Standard-FIB-REM-Liftout-Technik auf kommerziellen Silizium Substrate platziert. Diese konnten anschließend in eine zu untersuchende Flüssigkeit getaucht, eingefroren und schließlich im FIB/SEM zu einer APT-Probe präpariert werden. Auf diese Weise konnte innerhalb weniger Stunden mehrere APT-Proben hergestellt werden, wasvieinen großen Fortschritt in Bezug auf den Durchsatz und die Anzahl der aus gefrorenen Flüssigkeiten hergestellten APT-Proben darstellt. Als zweiter Ansatz wurde eine Methode entwickelt, um bei kyrogenen Temperaturen ohne den Einsatz eines Gas-Injektion Systems und die Abscheidung eines Pt-Precursors ortspezifische Proben mit Hilfe des Mikromanipulators zu entnehmen und auf kommerziellen Si-Substraten zu montieren. Die Methode basiert auf dem Redepositionschweißen, d.h. dem Rücksputtern von eines am Mikromanipulator befestigten Metallstücks. Die Verbindung zwischen Material und Substrate wurde durch die Abscheidung von einem zuvor am Mikromanipulator befestigten Metall verstärkt. Dadurch konnte eine universelle Methode um ortsspezifische Liftouts unter kryogenen Bedingungen an einer Vielzahl von leitfähigen, nicht-leitenden Materialien und gefrorenen Flüssigkeiten demonstriert werden. Die neu entwickelten Methoden wurden anschließend zur Analyse des Fragmentierungsverhalten von verschiedenen Aminosäuren verwendet, die die Grundbausteine für komplexere biologische Moleküle darstellen. Jedoch um das Fragmentierungs- und Verdampfungsverhalten zu vergleichen, wurde das Ladungszustandsverhältnis (CSR) als Indikator für das elektrische Feld verwendet. Dazu wurden das Verhältnis verschiedener Wassercluster verwendet, das sich als reproduzierbarer Indikator für das lokale elektrische Feld der APT-Probe erwies. Dieses Cluster-Ionen-Verhältnis (CIR) ermöglicht die Vergleichbarkeit von APT-Datensätzen für gefrorene Flüssigkeiten. Die Massenspektren verschiedener einzelner Aminosäuren in Lösung werden verglichen, um die Fragmentierung besser zu verstehen. Anschließend wird gezeigt, dass die Verwendung von nanoporösem Cu für gefrorene Flüssigkeiten weniger geeignet ist als NPG, jedoch wäre in Zukunft die Probenpräparation ohne ein metallisches Substrat ideal.

Current characterization techniques for cells and biomolecules can provide either atomic-level spatial resolution or ultra-precise chemical identification with submicron localization, but not both. Only atom probe tomography (APT) has the potential to simultaneously provide both, which would help to provide answers to biology’s most difficult questions. Sample preparation of frozen liquid solutions containing biologically relevant molecules in their native state for analysis using atom probe tomography (APT) still remains very challenging. Various preparation methods have been developed for such frozen liquid samples over the last decades, but these methods are limited by either sample throughput or limited analysis volumes. New, promising techniques using nanoporous metal substrates to hold such frozen liquids have recently been developed. Until now, it was only possible to cut specimens on one edge of a coated substrate and required substantial etching of the material, which meant that only one or a very few samples could be produced. Site-specific sample extraction and mounting on standard commercial analysis substrates under cryogenic conditions was not possible. However, to enable routine site-specific analysis of liquid samples in APT, both the sample throughput and reliability limitations need to be overcome. To solve the sample throughput and reliability problems, two approaches were taken. The first involved fabricating specifically designed nanoporous metal substrates prepared from bulk material, which could simply be dipped into liquids, frozen, and then prepared for APT analysis. Two designs were developed, (1) in the form of a half-circular TEM grid typically prepared using a focused ion beam (FIB) / scanning electron microscope (SEM), and (2) a vertically self-aligning and self-supported metal array of needle-shaped tips, a so-called crown. Both designs can be mounted in an APT specimen carrier (also known as a ‘puck’) and then transferred from an inert gas glovebox using an existing cryogenically cooled ultrahigh-vacuum (UHV) shuttle system to a cryogenic FIB / SEM for sharpening and subsequently to the APT for analysis. Two different material systems were chosen for this purpose. One was nanoporous gold (NPG) bulk material, obtained by chemically dealloyed silver from an Au25Ag75 (at. %) alloy. The other was nanoporous copper (nanoporous Cu), which was developed as an alternative substrate, produced from yellow brass, Cu63Zn37 (at. %), via both chemical and vacuum dealloying processes, for both designs. Since nanoporous dealloyed metals can only be used once, an alternative thin film NPG coating on silicon wafer pieces was developed in parallel with this work using physical vapor deposition (PVD), e.g. thin film sputtering. Using standard FIB-SEM liftout techniques, the NPG was placed on a commercial silicon microtip coupon array. These could then be dipped into liquid, frozen, and then easily sharpened in the FIB/SEM. In this way, a dozen APT specimens could be prepared inivsome hours, which represented a great advance in throughput and number of APT specimens produced. As a second approach, a method was developed to perform site-specific liftouts of cryogenic liquid specimens using the micromanipulator and mount them on commercial silicon microtip arrays without the use of a gas injection system and metal deposition. The method is based on redeposition welding, e.g. back-sputtering from a piece of metal attached to the micromanipulator. This method allowed a specimen to be optionally coated with a protection layer, then a lamella lifted out and transferred to the standard silicon microtip coupon array. The sputtered metal strengthened the bond between the substrate and the material. This redeposition method enables universal site-specific liftout under cryogenic conditions. This method was demonstrated on a variety of metals, battery cathodes, anodized aluminium oxide, and bulk frozen liquids. The newly developed methods have subsequently been used to analyse the fragmentation behaviour of various amino acids, which are the building blocks for more complex biological molecules like proteins. However, in order to compare the fragmentation and evaporation behaviour, the charge state ratio (CSR) is typically used as a proxy or indicator of the local electric field. For this purpose, the ratio of different water clusters was used, which was found to be a repeatable indicator of local electric field of the APT specimen during acquisition. This water cluster ratio is termed the cluster ion ratio (CIR), which allows for comparability of APT datasets for frozen liquids. The mass spectra of various single amino acids in solution are compared to better understand their fragmentation. It is then shown that the use of nanoporous Cu is inferior to NPG for frozen liquids, although in the future sample preparation without a metallic substrate would be ideal.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)