M. FIN[GAR:L ABORATORIJ ZA ANALIZNO KEMIJO IN INDUSTRIJSKO ANALIZO POSTAVLJEN NA ZEMLJEVID POVR[INSKE ANALIZE LABORATORIJ ZA ANALIZNO KEMIJO IN INDUSTRIJSKO ANALIZO POSTAVLJEN NA ZEMLJEVID POVR[INSKE ANALIZE Matja` Fin{gar Strokovni ~lanek Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Laboratorij za analizno kemijo in industrijsko analizo, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor Laboratorij za analizno kemijo in industrijsko analizo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru (FKKT UM) se raziskovalno ukvarja z razvojem in uporabo novih analiznih metod na podro~ju elektrokemije, povr{inske analize, razvojem senzorjev za analizo zelo nizkih koncentracij analitov ter razvojem in validacijo kromatografskih analiznih metod. Avtor tega prispevka, izr. prof. Matja` Fin{gar, sem vodenje laboratorija prevzel leta 2015. Od takrat se je laboratorij za~el intenzivno ukvarjati z razvojem in uporabo elektroanaliznih tehnik, ki omogo~ajo analizo ene kapljice vzorca, in elektrokemijskih metod za preiskave materialov. Na podlagi tovrstnega dela smo laboratorij opremili z ve~kanalnimi potenciostati/ galvanostati, kar je elektrokemijske raziskave dvignilo na {e vi{jo raziskovalno raven. To smo izvedli v sklopu projekta RIUM (Nadgradnja nacionalnih raziskovalnih infrastruktur, sofinancirata ga Republika Slovenija, Ministrstvo za izobra`evanje, znanost in {port, in Evropska unija iz Evropskega sklada za regionalni razvoj). Ker je za preiskave senzorjev in ostalih materialov zelo pomembna povr{ina, se je laboratorij razvil tudi v tej smeri. V sklopu RIUM smo v Laboratoriju za analizno kemijo in industrijsko analizo FKKT UM vzpostavili unikaten laboratorij za povr{insko analizo z rentgensko fotoelektronsko spektroskopijo (XPS), tandemsko masno spektro- metrijo sekundarnih ionov z analizatorjema na ~as preleta (MS/MS ToF-SIMS), elektrokemijsko mikro- skopijo na atomsko silo (E-AFM) in 3D-profilo- metrijo. Kot mladi raziskovalec na Institutu »Jo`ef Stefan« (IJS) pod mentorstvom prof. dr. Ingrid Milo{ev sem pogosto prihajal v Laboratorij za analizo povr{in in tankih plasti na Odseku za tehnologijo povr{in, kjer sem se navdu{il nad uporabnostjo povr{inske analize. Imel sem prilo`nost v `ivo spoznati prof. dr. Antona Zalarja, ki je vpeljal metodo rotacije vzorca med profilno analizo, imenovano tudi »Zalar rotation«. Povr{insko analizo sem uporabljal tudi v ~asu svojega izpopolnjevanja v tujini (BASF, Ludwigshafen, Nem~ija). Na IJS sem se za podro~je povr{inske analize predvsem navdu{il po zaslugi prof. dr. Janeza Kova~a, ki mi je vrsto let nesebi~no nudil znanje na podro~ju povr{inske analize. Po nastopu funkcije univerzitetnega profesorja sem k prof. Kova~u na IJS ve~krat pripeljal {tudente FKKT UM, da so v `ivo izvajali analize v okviru predmeta Povr{inska analiza in Analitika trdnih snovi na magistrski stopnji. Vse omenjeno je botrovalo in ~akalo na pravo prilo`nost, da se tovrstne raziskave za~nejo in nadgradijo na Univerzi v Mariboru. Projekt RIUM je izvedbo na FKKT UM omogo~il. V letu 2021 je bil izveden nakup instrumenta XPS in v letu 2022 nakup spektro- metra ToF-SIMS. Na fakulteti smo morali najprej urediti primeren prostor za umestitev te ob~utljive opreme, pri ~emer instrumenta XPS in MS/MS ToF-SIMS zahtevata ultravisoki vakuum (okoli 10 –9 –10 –10 mbar). Stavba fakultete je relativno stara in je bilo treba najprej urediti stati~no oja~itev, saj je skupna masa instru- mentov MS/MS ToF-SIMS in XPS presegala 2,5 tone, kar je predstavljal velik gradbeni poseg. Sre~a v nesre~i je bila, da je to potekalo v ~asu razgla{ene epidemije in v laboratoriju nadstropje ni`je niso pote- kale {tudentske laboratorijske vaje. Stati~no oja~itev je koordiniral profesor na Fakulteti za strojni{tvo Univerze v Mariboru, prof. dr. Andrej [trukelj. Dodatno je bilo treba za tovrstno opremo urediti posebno elektri~no napeljavo, klimatizacijo, dovod stisnjenega zraka in vodovodno napeljavo. Naslednji velik zalogaj je bil, kako instrumenta XPS in MS/MS ToF-SIMS dostaviti v laboratorij stavbe, ki je brez transportnega dvigala. Tako smo in- strument XPS vnesli v laboratorij s posebnim M. FIN[GAR:L ABORATORIJ ZA ANALIZNO KEMIJO IN INDUSTRIJSKO ANALIZO POSTAVLJEN NA ZEMLJEVID POVR[INSKE ANALIZE VAKUUMIST 42 (2022) 1–2 15 Slika 1: Vnos instrumenta XPS v Laboratorij za analizno kemijo in industrijsko analizo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru `erjavom skozi okno na strani fakultetnega parkiri{~a (slika 1), instrument MS/MS ToF-SIMS pa po kosih s transportno gosenico po stopnicah tehni{kih fakultet. Zakaj je povr{inska plast materiala tako pomembna? Gre za plast, ki narekuje funkcionalne lastnosti izdelka in je pogosto vzrok za delovanje ali nedelovanje dolo~enega procesa. Tehniki XPS in MS/MS ToF-SIMS omogo~ata analizo povr{in trdnih vzorcev brez posebne predpriprave, kot je to zna~ilno za mokre postopke kemijske analitike. Zahteva za vzorce pa je, da so obstojni v ultravisokem vakuumu. Tehnika XPS omogo~a dolo~anje elementne sestave in okolja elementa – njegovo oksidacijsko stanje in kemijske vezi na povr{ini vzorca debeline nekaj nanometrov, kar je standardno pri analizah XPS. Z nabavo XPS-instrumenta Supra plus podjetja Kratos iz Velike Britanije (slika 2) smo v laboratoriju kot prvi v Sloveniji razpolagali z ionskim izvorom klastrov plina argona (angl. gas cluster ion beam, GCIB) za kemijsko neporu{no jedkanje snovi in profilno analizo XPS. Slednje je zelo pomembno za kemijsko ne- destruktivno globinsko profiliranje organskih snovi. Ta tehnologija, ki so jo razvili pred kratkim, nadome{~a uporabo konvencionalnega monoatomnega `arka Ar + za jedkanje organskih snovi. Znano je, da lahko uporaba monoatomnega `arka Ar + med jedkanjem povzro~i razpad organskih molekul. Tako se pove~a zanesljivost informacij, ki jih pridobimo z globinskim profiliranjem po metodi GCIB v pri- merjavi z uporabo monoatomnega `arka Ar + za jedkanje. Novi instrument XPS omogo~a tudi Zalarjevo rotacijo vzorcev med profilno analizo in avto- matizirano kotno lo~ljivo analizo XPS (angl. angle-re- solved XPS) za dolo~anje relativne globine ve~plastnih struktur. Instrument omogo~a tudi hlajenje vzorca z integrirano pastjo teko~ega du{ika in gretje vzorca do okoli 800 °C v komori za analizo XPS. Na voljo je tudi posoda za transport vzorca v inertni atmosferi. Monokromatizirani rentgenski izvor je tipa t. i. dvojne anode (angl. twin anode), ki poleg konvencionalnega aluminijevega izvira omogo~a tudi uporabo srebro- vega izvira za izvajanje analize HRXPS (angl. hard XPS). Instrument prav tako omogo~a merjenje 2D-slik kemijske sestave povr{ine. Posebnost tega instrumenta je paralelno merjenje 2D-slik. Slednja analiza je bistveno hitrej{a od starej{ih tehnologij in omogo~a kasnej{o spektroskopsko analizo podro~ja velikosti premera od 15 μm do 300 μm × 700 μm. Mesto analize XPS izberemo s pomo~jo umerjenega opti~nega mikroskopa. Hitro umerjanje pozicije, ki ga ka`e slika opti~nega mikroskopa, izvedemo z ujemanjem slike opti~nega mikroskopa in paralelne 2D-slike na kalibracijski mre`ici gr{kih ~rk v samem instrumentu XPS. Tehnika tandemske MS/MS ToF-SIMS nem{kega podjetja IONTOF (slika 3) je popolna novost v slovenskem prostoru. Model M6 v tandemski izvedbi je trenutno edini instrument tak{ne konfiguracije podjetja IONTOF v Evropi in eden izmed petih na svetu. Kaj tehnika MS/MS ToF-SIMS na FKKT UM omogo~a? Poleg informacije o elementni sestavi pridobimo tudi molekulsko specifi~ne informacije. M. FIN[GAR:L ABORATORIJ ZA ANALIZNO KEMIJO IN INDUSTRIJSKO ANALIZO POSTAVLJEN NA ZEMLJEVID POVR[INSKE ANALIZE 16 VAKUUMIST 42 (2022) 1–2 Slika 3: Instrument MS/MS ToF-SIMS, ki je name{~en na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru. Slika 2: Instrument XPS, ki je name{~en na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru. Tehnika temelji na obstreljevanju povr{ine z visoko- energijskimi bizmutovimi ioni, kar povzro~i nastanek sekundarnih ionov (od tod tudi ime tehnike), ki nosijo bogate informacije o povr{ini vzorca. Tandemska izvedba pa dodatno omogo~a ekstrakcijo prekurzor- skega iona, ki ga vodimo do kolizijske celice, kar povzro~i dodaten razpad iona na fragmente, ki jih kasneje dolo~imo v drugem analizatorju ToF. S tem na~inom lahko z ve~jo zanesljivostjo dolo~amo struk- turo predvsem organskih komponent in drugih frag- mentov na povr{ini materialov nekaj nanometrov globoko. Prednost tehnike ToF-SIMS pred XPS je hitro pridobivanje 2D-slike povr{ine z visoko pro- storsko lo~ljivostjo (instrument omogo~a prostorske lo~ljivosti pod 50 nm). Instrument je opremljen z GCIB-izvorom, ki omogo~a tvorjenje klastrov argona in klastrov kisika za jedkanje povr{in materialov, ki lahko razpadejo ali se kemijsko deformirajo med jedkanjem. Ta ionski izvir omogo~a izbiro velikosti klastrov in jakosti toka `arka za jedkanje. Instrument je opremljen tudi z `arkoma za jedkanje anorganskih vzorcev. Za ta namen se uporabljata `arka ionov Cs + in O 2 + . @arek za jedkanje s Cs + izbolj{a detekcijo dolo~enih sekun- darnih ionov v negativni polariteti, medtem ko `arek O 2 + izbolj{a detekcijo za sekundarne ione v pozitivni polariteti. Mo`na pa je tudi analiza klastrov, ki se tvorijo med ioni analita in Cs + v pozitivni polariteti. Nosilec vzorca omogo~a tudi Zalarjevo rotacijo vzorca med profilno analizo. Velika prednost tehnike ToF-SIMS pred tehniko XPS je pridobivanje 2D- in 3D-slike materiala z elementno in molekulsko spe- cifi~no informacijo. Instrument MS/MS ToF-SIMS prav tako omogo~a gretje in hlajenje vzorca s pastjo teko~ega du{ika v predkomori in komori za analizo. Laboratorij smo opremili tudi z AFM-mikrosko- pom in 3D-profilometrom, ki sta predvsem namenjena za dolo~anje hitrosti jedkanja z metodama XPS in ToF-SIMS (dolo~anje globine kraterjev). Posebnost mikroskopa E-AFM podjetja Asylum (Oxford Instru- ments) iz Velike Britanije je elektrokemijski modul, ki omogo~a so~asno izvajanje elektrokemijskih meritev in meritve AFM (slika 4 levo). Tehnika AFM, kot `e samo ime pove, omogo~a tudi preiskovanje snovi na atomski ravni v primeru ustrezno pripravljenih vzor- cev. V laboratoriju je {e posebej uporabna za analizo kraterjev, ki nastajajo pri globinskem profiliranju z metodama XPS in MS/MS ToF-SIMS. Tehniko AFM dopolnjuje 3D-profilometer podjetja Bruker, ki je opremljen s konicami s krivinskim radijem 2 μm, 5 μm in 12,5 μm (slika 4 desno). Na predstavljenem podro~ju analiz sodelavci Labo- ratorija za analizno kemijo in industrijsko analizo FKKT UM tesno sodelujemo s sodelavci Instituta »Jo`ef Stefan« (predvsem s prof. dr. Janezom Kova~em), kjer se komplementarno dopolnjujemo pri uporabi tehnik za povr{insko analizo. Na tem podro~ju raziskav zelo tesno sodelujemo tudi s sodelavci Kemijskega in{tituta, Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani, Univerze v Novi Gorici, Zavoda za gradbeni{tvo, Tehni{ke univerze v Gradcu in China University of Petroleum. Slednja spada med 1 % najbolj{ih univerz na Kitajskem, teh je ve~ kot 5000, in je ena izmed najbolj{ih treh univerz za naftno in`enirstvo, energetiko in kemijsko in`enirstvo v tej dr`avi. V obdobju nekaj mesecev po in{talaciji smo v laboratoriju `e izvedli analize za slovensko in tujo industrijo (Cinkarna Celje, Impol, BSH Hi{ni aparati, BIA Separations, TDK Electronics GmbH & Co OG ...). Vsekakor je postavitev opreme prispevala k {e ve~ji globalni konkuren~nosti Univerze v Mariboru in mo`nosti pridobitve vrhunskih znanj na podro~ju kemijske analize za {tudente FKKT UM in {ir{e. Okrepila je razvojne potenciale, omogo~ila dodatna vrhunska znanja, ki ga imajo raziskovalke in raziskovalci na Univerzi v Mariboru, saj to prispeva k dodatni krepitvi zaupanja v lastne potenciale v severovzhodni Sloveniji in krepitvi samozavesti v na{em okolju, kar je glede na izzive, pred katere smo postavljeni, in `elje po doseganju razvojnega preboja na{e regije {e kako pomembno. M. FIN[GAR:L ABORATORIJ ZA ANALIZNO KEMIJO IN INDUSTRIJSKO ANALIZO POSTAVLJEN NA ZEMLJEVID POVR[INSKE ANALIZE VAKUUMIST 42 (2022) 1–2 17 Slika 4: Fotografija instrumenta AFM (levo) in 3D-profilo- metra (desno)