Charakterisierung von plasmafunktionalisierten Oberflächen mittels ToF-SIMS und multivariaten Analysemethoden

Die grundlegenden Prinzipien und Möglichkeiten der Oberflächencharakterisierung mittels ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie) werden an ausgewählten Beispielen aus einem aktuell laufenden und vom BMBF geförderten Verbundforschungsprojekt (Fkz: 03N8022A) zum Thema Nanofunktionalisierung von Grenzflächen vorgestellt. Ein Schwerpunkt innerhalb des Projekts stellen die nichtgeschlossenen Schichtsysteme dar, die entweder über Domänenstrukturen oder einer definierten Einzelfunktionalisierung neuartige funktionelle Oberflächen bereitstellen. Mithilfe der sehr oberflächensensitiven ToF-SIMS Methode sowie der Möglichkeit einer graphischen Darstellung lateraler Molekülionenverteilungen auf funktionalisierten Oberflächen können Informationen über Struktur und Belegungsdichte der Funktionsschicht gewonnen werden. Die Kombination des ToF-SIMS Experimentes und eines multivariaten Algorithmus (partial least squares, PLS) liefert eine interessante Möglichkeit zur quantitativen und simultanen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften (Element- und molekulare Konzentrationen sowie Kontaktwinkelwerte). Da das ToF-SIMS Spektrum einer plasmafunktionalisierten Oberfläche im Allgemeinen eine Vielzahl unterschiedlicher Fragmentsignale enthält, lässt eine einfache eindimensionale Korrelation (z.B. CF3 - Fragmentintensität ßà CF3-Konzentration) den größten Teil der im Spektrum prinzipiell enthaltenen Information unberücksichtigt. Aufgrund der großen Anzahl von atomaren und molekularen Signalen, die repräsentativ für die chemische Struktur der analysierten Oberflächen sind, ist es sinnvoll, diese Fülle von Informationen zur Quantifizierung der Oberflächeneigenschaften (Elementkonzentrationen, Kontaktwinkel etc.) zu verwenden. Zusätzlich ermöglicht diese Methode eine quantitative Bestimmung der Oberflächeneigenschaften auf nur µm-großen Bereichen. Das ist vorteilhaft für Untersuchungen chemisch strukturierter Oberflächen, da die Größe der Strukturierung für viele Anwendungen in einem Bereich von mehreren µm liegt. Anhand eines Beispieles aus dem biologisch-medizinischen Fachgebiet, soll der erfolgreiche Einsatz multivariater Modelle aufgezeigt werden. In diesem Experiment wurden menschlichen Bindegewebs- (Fibroblasten) und Pankreaszellen auf plasmafunktionalisiserten Oberflächen kultiviert, um die Beeinflussung der Funktionalisierung auf das Zellwachstum zu untersuchen. Die plasmabehandelten Oberflächen wurden durch die Verwendung von TEM-Gittern mit µm-großen Öffnungen chemisch strukturiert und das Wachstumsverhalten der Zellen beobachtet. Jedem dieser µm-großen Bereiche können mithilfe der multivariaten Modelle quantitative Größen zugeordnet werden (Konzentrationen und Kontaktwinkelwerte), die zur Interpretation des Wachstumsverhaltens der Zellen beitragen.

The basic principles and opportunities of surface characterisation of selected functionalised samples via ToF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry) are presented. The investigations have been carried out within a research project (Fkz: 03N8022) sponsored by the BMBF. One major focus of the project was the investigation of non-cohesive surface layers which could exhibit either domain like structure or well defined single functionalised surfaces. By means of ToF-SIMS with the ability of displaying the lateral distribution of surface fragments information on the structure and surface density of specific fragments on the investigated film can be obtained. The combination of the ToF-SIMS experiment with a multivariate algorithm (partial least squares, PLS) provides an interesting opportunity to quantitatively determine surface properties such as elemental and molecular concentrations. Due to the fact that the ToF-SIMS spectrum consist of a huge amount of intensities, a single one-dimensional correlation (e.g. CF3 fragment intensity ßà CF3 concentration) would disregard the rest of the spectral information. The large number of fragment intensities in the spectrum is representative for the chemical structure of the analysed surface. Therefore, it is crucial to consider this total information for the quantification of surface properties (element concentration, water contact angle etc.). Furthermore, this method allows the determination of surface properties with a lateral resolution of a few microns only. This can be used for chemically structured surfaces which for many applications show micrometer sized surface structures. Finally, a successful application of the multivariate models is presented for samples from the biological and medical area. Human fibroblasts and pancreas cells have been cultivated on plasma functionalised surfaces in order to study the influence of the functionalisation on the cell growth. The samples have been covered by TEM grids with meshes in the µm range before the plasma treatment to generate structured surfaces. By applying the multivariate models onto the ToF-SIMS spectra quantitative surface properties could then be assigned to each µm-sized surface area which are crucial in interpreting the cell growth on the surface.