title: Depth profiling on ion conducting glasses by means of time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS)
title: Tiefenprofiluntersuchungen an ionenleitenden Gläsern mittels Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS)
Creators: name: Zakel, Julia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Tiefenprofilierung
ion conducting glasses
depth profiling
Gläser
Leitfähigkeit
Chemie
ToF-SIMS

description: In dieser Arbeit wird das Verhalten
      von ionenleitenden, bioaktiven Gläsern und Polymermembranen
      untersucht. Dabei kommt hauptsächlich die
      Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) zum
      Einsatz. Damit kann eine dreidimensionale Darstellung der
      Elementverteilung in einer Probe geschaffen werden. Nach der
      Synthese von bioabsorbierbaren Gläsern der allgemeinen Formel
      CaXA (X% CaO; (55-X)% A2O; 45% P2O5 mit X = 20, 30, 40, 50
      und A = Na, K, Rb, Cs) und dem bioaktiven Glas 46S4 (46,4%
      SiO2; 25,2% Na2O; 25,2% CaO; 3,2% P2O5) werden zwei
      unterschiedliche Experimente daran angewendet. Zum einen wird
      eine elektro-thermische Polarisation durchgeführt. Dabei wird
      bei erhöhter Temperatur ein elektrisches Feld an das Glas
      angelegt, was zur Ausbildung einer Natrium-Verarmungszone
      unter der Anodenseite des Glases führt. Durch eine
      Kombination von Impedanzspektroskopie,
      Depolarisationsstrommessungen und ToF-SIMS-Tiefenprofilierung
      kann die Bildung der Verarmungszone beobachtet werden, sowie
      deren Dicke bestimmt und die darin gespeicherte Ladung
      ermittelt werden. Anschließend wird der Einfluss der
      Polarisation auf die Bioaktivität der Gläser überprüft.
      Bioaktive Gläser sind in der Lage, beim Kontakt mit Gewebe
      oder Knochen des menschlichen Körpers knochenähnliches
      Material an ihrer Oberfläche auszubilden und so eine feste
      Bindung mit dem Gewebe einzugehen. Für die Untersuchung der
      Bioaktivität werden sie für einige Zeit in eine Lösung
      eingelegt, die den Ionengehalt und pH-Wert von
      Gewebsflüssigkeit genau nachbildet (simulierte
      Körperflüssigkeit). Die anschließende Analyse der Oberfläche
      zeigt einen deutlichen Einfluss der Polarisation auf die
      Bioaktivität und das Löslichkeitsverhalten der Gläser. Zum
      anderen wird die Technik des bombardement-induzierten
      Ionentransports (BIIT) auf die Gläser und Polymermembran
      angewendet. Dabei werden mit Hilfe eines geleiteten
      Ionenstrahls Alkaliionen auf der Oberfläche deponiert.
      Dadurch entsteht ein elektrischer Potentialgradient, der zur
      Wanderung der Ionen durch das Material führt. Mit ToF-SIMS
      kann dieses Diffusionsprofil gemessen werden. Anschließend
      wird mit Hilfe der Nernst-Planck-Poisson-Gleichungen das
      Tiefenprofil mit der Theorie verglichen. Dabei können die
      konzentrationsabhängigen Diffusionskoeffizienten der
      Alkaliionen berechnet werden.
description: In this thesis the behavior of
      ion-conducting bioactive glasses and polymer membranes is
      examined. For the analysis, time-of-flight secondary ion mass
      spectrometry (ToF-SIMS) is mainly used. Thus, a
      three-dimensional representation of the distribution of
      elements in the sample is provided. After the synthesis of
      the bioabsorbable glasses of the general formula CaXA (X%
      CaO; (55-X)% A2O; 45% P2O5 with X = 20, 30, 40, 50 and A =
      Na, K, Rb, Cs) and the bioactive 46S4 glass (46.4% SiO2,
      25.2% Na2O, 25.2% CaO, 3.2% P2O5) two different experiments
      are carried out. First, an electro-thermal poling experiment
      is performed. In this case, an electric field is applied to
      the glass at an elevated temperature, resulting in a
      formation of a sodium depletion region under the anode.
      Combining impedance spectroscopy, depolarization current
      measurement and ToF-SIMS depth profiling the formation of the
      depletion region can be observed. The thickness of the
      depletion layer and the amount of the stored charge can be
      determined as well. Subsequently, the influence of the
      polarization on the bioactivity of the glasses is tested.
      Bioactive glasses are able to form bone-like material on
      their surface when they come in contact with tissue or bones
      of the human body and so they strongly bind to the organic
      material. To study the bioactivity the polarized glasses are
      placed temporarily in a solution that exactly replicates the
      conditions of the human body like ion content and pH
      (simulated body fluid). The subsequent analysis of the
      surface shows a clear influence of the polarization on the
      bioactivity and the solubility of the glasses. On the other
      hand, the technique of the bombardment induced ion transport
      (BIIT) is applied to the glasses and polymer membrane.
      Thereby alkali ions are deposited on the surface of the
      samples using an guided ion beam. This produces a electrical
      potential gradient that leads to the migration of ions
      through the material. With ToF-SIMS this diffusion profile
      can be measured. The depth profile is then compared with the
      theory using the Nernst-Planck-Poisson equations. Finally,
      the concentration dependent diffusion coefficient of the
      alkali ions can be calculated.