Elektronenemissionsspektren von Goldnanopartikeln – Strahlzeit DESY PETRA III

Goldnanopartikel (AuNPs) werden sowohl in der Strahlentherapie als auch in der Diagnostik zur Verstärkung der Strahlenwirkung eingesetzt. Diese Verstärkung entsteht im Wesentlichen durch die Sekundärelektronen, die von AuNPs beim Durchgang ionisierender Strahlung emittiert werden. In einem kürzlich durchgeführten Vergleich der Simulationsergebnisse verschiedener Monte-Carlo Codes wurden für röntgeninduzierte, niederenergetische Elektronenemissionen von AuNPs Diskrepanzen einiger Größenordnungen in Fluenzspektren festgestellt [1].

Deshalb wurden in einer Strahlzeit am DESY bei PETRA III Beamline 22 Experimente zur Messung der Elektronenemissionsspektren von Goldnanopartikeln über einen breiten Energiebereich durchgeführt, mit dem Ziel, einen ersten Datensatz für das Benchmarking von Monte‑Carlo Simulationen zu gewinnen.

Vier verschiedene Proben wurden während der Strahlzeit untersucht: zwei Goldnanopartikelproben mit Durchmessern von 5,3 nm und 12 nm sowie zwei Referenzproben bestehend aus einer Gold- und Kohlenstofffolie. Die Goldnanopartikel wurden durch Sputtern oder Auftropfen auf einen mit einer Kohlenstofffolie bezogenen Aluminiumprobenhalter aufgebracht, der auf einen keilförmigen Kupfertargethalter montiert wurde (Abb.1).

Abb. 1: Verteilung der auf einen mit Kohlenstofffolie bezogenen Aluminiumprobenhalter aufgetropften AuNPs. Der Probenhalter wurde auf einem keilförmigen Standard‑Kupfertargethalter des DESYs montiert.

Die Elektronenemissionsspektren der AuNPs sowie der Referenzproben wurden mittels des HAXPES‑Spektrometers für Photonenenergien ober- und unterhalb der Gold L‑Kanten bei 14,4 keV, 14,3 keV, 13,8 keV, 13,7 keV, 12 keV und 11,9 keV aufgenommen. Der gemessene Energiebereich der Sekundärelektronen lag zwischen 100 eV und 9,5 keV. Winkelaufgelöste Messungen wurden bei einem Photonen‑Einfallswinkel von 15° sowie 60° durchgeführt, um eine effektive Schichtdicke der AuNPs bestimmen zu können. Zur Gewährleistung der Reproduzierbarkeit wurden die Messungen mehrfach wiederholt. Um die Ergebnisse in einen absoluten Maßstab setzen zu können, wurden zusätzliche Transmissionsmessungen durchgeführt, sodass eine mögliche Energieabhängigkeit der Transmission des Spektrometers bestimmt werden kann. Darüber hinaus wurden mittels einer kalibrierten Photodiode der Photonenfluss und das Strahlprofil durch die Abtastung des Strahls über die Kanten der Diode bestimmt.

Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Elektronenemissionsspektren für die beiden untersuchten AuNP‑Proben oberhalb der Gold L‑Kante bei 14,4 keV und einem Einfallswinkel des Photonenstrahls von 60°. Die Spektren wurden hinsichtlich der Position sowie Form, Breite und Intensität der Linien ausgewertet. So handelt es sich beispielsweise bei dem intensivsten Peak bei 2,5 keV um den Au-L3-Photopeak oder bei dem scharfen Peak bei 2,11 keV im 12 nm-Spektrum um den Au‑M4N6N7‑Augerpeak. Die breite Verteilung zwischen 4 keV und 5 keV im 12 nm‑Spektrum ist der sogenannte Tougaard‑Untergrund. Dieser Peak ist auf die durch inelastische Streuung der aus der K‑Schale des Kupfertargethalters ausgetretenen Photoelektronen zurückzuführen [2-3]. Weitere Datenanalysen zur Feststellung, inwieweit der Unterschied der Spektren auf die unterschiedlichen AuNP‑Größen zurückgeführt werden kann, folgen.

Abb. 2: Vergleich der gemessenen Elektronenemissionsspektren für zwei verschiedene Größen von AuNPs. Die Photonenenergie lag bei 14,4 keV und somit oberhalb der Gold L1‑Kante. Der Einfallswinkel war 60°.

Die Messungen liefern einen ersten Datensatz für das Benchmarking von Monte‑Carlo Simulationen. In einer zweiten Strahlzeit sollen weitere Messungen mit AuNPs auf einem dickeren Kohlenstoffsubstrat durchgeführt werden, um den Effekt eines Tougaard‑Untergrundes zu minimieren und dadurch qualitativ bessere Daten zu erhalten. Zukünftig könnten Messungen mit einer deutlich höheren Auflösung durchgeführt werden, um den Beitrag der Plasmonenanregung zur spektralen Verteilung der Sekundärelektronen zu untersuchen.

Referenzen:

[01]    W. B. Li et al., “Physica Medica Intercomparison of dose enhancement ratio and secondary electron spectra for gold nanoparticles irradiated by X-rays calculated using multiple Monte Carlo simulation codes,” vol. 69, no. December 2019, pp. 147–163, 2020.

[02]    R. Hesse and R. Denecke, “Improved Tougaard background calculation by introduction of fittable parameters for the inelastic electron scattering cross-section in the peak fit of photoelectron spectra with UNIFIT 2011,” no. October 2010, pp. 1514–1526, 2011.

[03]    NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database, NIST Standard Reference Database Number 20, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 20899 (2000), (retrieved 29.10.2020).

Kontakt

P. Hepperle, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.36