Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

גודל אלקטרוכימי מדויק של חלקיקים אלקטרו-לא פעילים בודדים

Published: August 4, 2023 doi: 10.3791/65116
Automatic Translation
1, 1,2, 2
1Interdepartmental Program in Biomedical Science and Engineering, University of California at Santa Barbara, 2Department of Chemistry and Biochemistry, University of California at Santa Barbara

Summary

כטכניקה אנליטית, אלקטרוכימיה ננו-אימפקנטית, גישה חשובה יותר ויותר לספירה ואפיון של חלקיקים אלקטרו-לא פעילים בקנה מידה ננומטרי, סובלת מדיוק ירוד בשל התפלגות הזרם ההטרוגנית הנובעת מהשימוש שלה באולטרה-מיקרואלקטרודות. מתוארת כאן גישה כללית, המכונה "הפרעה אלקטרוקטליטית", המשפרת את הדיוק במדידות כאלה.

Abstract

אלקטרוכימיה ננו-אימפקנטית מאפשרת אפיון באתרו (למשל, גודל, פעילות קטליטית) של יחידות ננו-חומר בודדות, ומספקת אמצעי להבהרת הטרוגניות שיוסוותה במחקרי אנסמבל. כדי ליישם טכניקה זו עם חלקיקים לא פעילים של חמצון-חיזור, תגובת חמצון-חיזור בשלב הפתרון משמשת לייצור זרם רקע במצב יציב על אולטרה-מיקרואלקטרודת דיסק. כאשר חלקיק נספג על האלקטרודה, הוא מייצר הפחתה מדורגת באזור האלקטרודה החשופה, אשר מייצרת, בתורו, ירידה מדורגת בזרם המתאים לגודל המין הסופח. עם זאת, מבחינה היסטורית, אלקטרוכימיה של ננו-אימפקט סבלה מ"השפעות קצה", שבהן שכבת הדיפוזיה הרדיאלית הנוצרת בהיקף האולטרה-מיקרואלקטרודות הופכת את גודל המדרגה לתלוי לא רק בגודל החלקיק אלא גם במקום שבו הוא נוחת על האלקטרודה. עם זאת, הכנסת הדור הנוכחי האלקטרוקטליטי ממתנת את ההטרוגניות הנגרמת על ידי השפעות הקצה, ובכך משפרת את דיוק המדידה. בגישה זו, המכונה "הפרעה אלקטרוקטליטית", מוצג מצע המחדש את גשושית החיזור בשכבת הדיפוזיה. זה מעביר את שלב הגבלת הקצב של הדור הנוכחי מדיפוזיה לקבוע קצב התגובה ההומוגני, ובכך מפחית את הטרוגניות השטף ומגדיל את הדיוק של גודל החלקיקים בסדר גודל. הפרוטוקול המתואר כאן מסביר את ההקמה ואיסוף הנתונים המשמשים בניסויי ננו-אימפקט המיישמים אפקט זה לשיפור הדיוק בגודל של חומרים לא פעילים של חמצון-חיזור.

Introduction

אלקטרוכימיה ננו-אימפקנטית היא טכניקה אלקטרוכימית המאפשרת זיהוי בזמן של חלקיקים בודדים באתרם בדגימה 1,2,3,4,5,6,7. החלקיקים הבודדים שניתן לאפיין בגישה זו משתרעים על פני מגוון רחב של חומרים 6,8,9,10,11,12,13 ומקיפים ממדים מאטומים בודדים לתאים שלמים 7,8,14,15,16 . כדי להתאים לזיהוי ואפיון של חומרים קטנים כאלה, הטכניקה משתמשת באולטרה-מיקרואלקטרודות דיסק בקנה מידה מיקרוני ותת-מיקרוני. ההשפעה של ננו-חלקיק אלקטרואקטיבי על אלקטרודה כזו מייצרת שינוי זרם שניתן לכמת בקלות כאשר הננו-חלקיק עובר תגובת חמצון-חיזור. כדי להרחיב זאת לזיהוי של חומרים אלקטרו-בפעילים, תגובה אלקטרוכימית ברקע משמשת לייצור זרם במצב יציב אשר מופחת באופן הדרגתי כאשר ספיחה של ננו-חלקיקים משנה את שטח הפנים של אלקטרודה17. בתוכנית זו, אולטרה-מיקרואלקטרודות משמשות כדי להגדיל את השינוי היחסי המיוצר על ידי כל ננו-פגיעה. שכבת הדיפוזיה הרדיאלית שמיקרואלקטרודות כאלה מייצרות, לעומת זאת, מפחיתה את דיוק המדידה עקב "השפעות קצה"18. אלה מתרחשים מכיוון שהשטף של מיני החיזור לאלקטרודה גדול יותר בשולי האלקטרודה מאשר במרכזה19. לכן, כאשר ננו-חלקיק בודד נוחת בקצה משטח האלקטרודה, האירוע הנוכחי המתקבל גדול יותר מזה שנראה עבור חלקיק זהה שנוחת במרכז האלקטרודה19, והשפעה זו משמעותית יותר עבור אולטרה-מיקרואלקטרודות בשל יחס השטח להיקף הקטן שלהן. השפעות קצה אלה גורעות באופן משמעותי מהדיוק של אלקטרוכימיה ננו-אימפקנטית; בשל נוכחותם, התפלגות גודל החלקיקים המשוערת הנוצרת על ידי גודל ננו-אימפקט רחבה פי 20 מאלו המתקבלות באמצעות טכניקות מיקרוסקופיה "תקן זהב"20. דיוק מופחת זה גורע מהשימוש באלקטרוכימיה ננו-אימפקנטית כטכניקה אנליטית להערכת ההטרוגניות של חומרים לא פעילים חמצון-חיזור בסקאלה הננומטרית4,17,19,21,22,23,24,25,26.

לאחרונה הצגנו שיטה (איור 1) שממתנת את השפעות הקצה בגישות ננו-אימפקט20. בשיטה זו, הכנסת מצע מחדשת את מיני החיזור ליד משטח האולטרה-מיקרואלקטרודות. זה מעביר את שלב הגבלת הקצב בדור הנוכחי מדיפוזיה לקצב התגובה הכימית ההומוגנית של מיני החיזור בתמיסה27,28, ובכך מפחית את המידה שבה שדה הדיפוזיה הרדיאלית תורם לזרמים הטרוגניים. באופן ספציפי, חמצון של 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) מספק את תגובת חמצון-חיזור הרקע באולטרה-מיקרואלקטרודה29. תוספת של מלטוז זה מחדש את הצורה המופחתת של TEMPO30,31. התחדשות זו מהירה32, והיא דוחסת את שכבת הדיפוזיה ומפחיתה את ההטרוגניות הנוכחית הקשורה לנחיתה מרחבית20. כתוצאה מכך, גישת "הפרעה אלקטרוקטליטית" משפרת את הדיוק של גודל חלקיקי ננו-פגיעה בסדר גודל.

Protocol

1. הקמת מערכת רעש נמוכה

הערה: הניסויים הרלוונטיים דורשים פוטנציוסטט המסוגל להשיג מדידה מאוד פתורה בזמן של זרמים נמוכים. כדי להשיג זאת, השתמש בפוטנציוסטט מסחרי ברמת מחקר המסוגל לרזולוציית זמן של 1 μs שיכול לכמת זרמים ברמת הפמטואמפר. כדי להפחית עוד יותר את ההפרעות האלקטרוניות מהסביבה, ערכו ניסויים בתוך שני כלובי פאראדיי מקננים. ודא שההתקנה מסוגלת לסטיית שורש-ממוצע-ריבוע של פחות מ- 100 fA עבור ניסוי כרונואמפרומטריה שנדגם ב- 10 הרץ ב- 0.1 M אשלגן כלורי.

  1. השג והגדר את הציוד, כולל כלובי פוטנציוסטט ופאראדיי.
    הערה: ניתן להשיג כלובי פאראדיי באופן מסחרי או בהתאמה אישית באמצעות מתכות מוליכות (למשל, נחושת או אלומיניום). כלובי פאראדיי מאלומיניום בהתאמה אישית שימשו למחקר המתואר כאן (ראו טבלת חומרים).

2. הכנה ניסיונית

  1. יש להשתמש בחרוזי פוליסטירן מעובדים בקוטר 2 מיקרומטר בקוטר 2 מיקרומטר (ראו טבלת חומרים).
    הערה: בעוד שניתן להכליל מערכת זו למינים אלקטרו-לא פעילים אחרים23,33, חשוב לזכור כי ההשפעות מסתמכות על נדידה אלקטרופורטית בנוסף לתנועה בראונית. לכן, ליישם פוטנציאל אטרקטיבי למינים המעניינים, ולשמור על ריכוזי מלח נמוכים17.
  2. הכן את הפתרונות הבאים, אשר ניתן לאחסן בטמפרטורת החדר לפחות 1 חודש.
    1. הכינו תמיסת קרבונט של 50 מ"מ, וטיטראט ל-pH 12.0 באמצעות 1 M NaOH. עקוב אחר ה- pH מדי שבוע.
    2. הכינו תמיסת נתרן פרכלורט באורך 1 מ'.
  3. הכינו את הפתרונות הבאים טריים בכל יום, והשליכו אותם בסוף היום.
    1. הכינו 10 mM TEMPO בתמיסת 50 mM פחמתיים, pH 12.0.
    2. הכינו מלאי מלטוז של 500 מ"מ בתמיסת 50 מ"מ פחמתי, pH 12.0.
  4. בחר את אלקטרודת העבודה. לקבלת תוצאות עקביות, בחרו אולטרה-מיקרואלקטרודה (ראו טבלת חומרים) כך שהרדיוס של המין המאופיין הוא לא פחות מ-10%-15% מרדיוס האלקטרודה 17,21,23,33,34.
    הערה: ניתן למזער יחס זה לאחר קביעת גודל השלבים הנוכחיים הקשורים להשפעה לצורך זיהוי מיטבי של מין מסוים של עניין. חומר האלקטרודה שנבחר חייב לזרז את תגובת חיזור הרקע.
  5. הכינו שני תאים אלקטרוכימיים של 5 מ"ל כל אחד.
    1. הכינו תא בקרה המכיל 1 mM TEMPO ו-5 mM נתרן פרכלורט (ראו טבלת חומרים) במאגר פחמתי ב-pH 12.0.
    2. הכינו תא בדיקה המכיל תמיסה של 1 mM TEMPO, 5 mM נתרן פרכלורט ומלטוז 120 mM במאגר פחמתי ב- pH 12.0.
      הערה: ניתן לשנות את היחס בין מתווך החיזור למצע (כאן, TEMPO למלטוז) כדי לחקור את ההשפעות של קצב התגובה20. ערך זה מספק תובנה לגבי התגובה הכימית ההומוגנית.
    3. לאחר הכנת תאים אלה, הניחו אותם בצד למדידות אלקטרוכימיות מאוחרות יותר.

3. ליטוש אלקטרודות

  1. לפני כל ריצת ניסוי, לטש את האלקטרודה ברצף במשך 2 דקות כל אחת עם תרחיף אלומינה של 1 מיקרומטר, 0.3 מיקרומטר ו- 0.5 מיקרומטר אלומינה (ראה טבלת חומרים) על רפידות ליטוש.
  2. הזיזו את האלקטרודה בתבנית "איור 8" כדי להבטיח ליטוש אחידשל 35,36. יש לשטוף בחופשיות במים נטולי יונים, ולייבש במגבון מעבדה.
    הערה: אין להפעיל את האולטרה-מיקרואלקטרודות, מכיוון שהדבר עלול להזיק להן.

4. מדידות אלקטרוכימיות

הערה: ראה איור 2 לקבלת התוצאות.

  1. השתמש במערך של שלוש אלקטרודות עבור המדידות האלקטרוכימיות. עבור הניסויים המתוארים כאן, השתמש באולטרה-מיקרואלקטרודה מסיבי פחמן בגודל 11 מיקרומטר, אלקטרודת מונה חוטי פלטינה, ואלקטרודת ייחוס קלומלית רוויה (SCE) (ראה טבלת חומרים).
    הערה: חלונות פוטנציאליים אלקטרוכימיים לניסויים מצוינים להלן; לשם השוואה, לטמפו יש פוטנציאל פורמלי של 0.49 וולט לעומת SCE, ומלטוז אינו אלקטרואקטיבי בחלון הפוטנציאלי המשמש בניסויים אלה. כל דליפה מאלקטרודת הייחוס עלולה להשפיע על ריכוז המלח הכולל37, ובכך להפחית את הדחף האלקטרופורטי של החלקיקים לאולטרה-מיקרואלקטרודה ולהפחית את יעילות הספירה17. אם הניסויים מניבים תדירות פגיעה נמוכה, שקול לעבור לאלקטרודת ייחוס ללא דליפה38,39.
  2. הגדר את תא הבקרה בכלובי פאראדיי, וחבר את האלקטרודות לכבלים המתאימים. אסוף את הקבוצה הראשונה של מדידות אלקטרוכימיות עבור כל תא. זה יכלול ניסוי וולטמטריה מחזורית וניסוי כרונואמפרומטריה, כמפורט להלן.
    1. אסוף את נתוני הוולטמטריה המחזורית באמצעות חלון פוטנציאלי בין 0.2 וולט ל- 0.8 וולט לעומת SCE בקצבי סריקה של 10 mV·s−1, 20 mV·s−1, 30 mV·s−1, 40 mV·s−1 ו- 50 mV·s−1.
    2. אסוף את נתוני הכרונואמפרומטריה על ידי החלת 0.8 V לעומת SCE למשך 10 דקות, והקלט בקצב דגימה של 10 הרץ.
      הערה: תקופת דגימה של 10 דקות מומלצת לניסויי כרונואמפרומטריה כדי להשיג 10-15 פגיעות בודדות בשלבים מאוחרים יותר. לא צפויות השפעות בשלב זה.
  3. לאחר מכן, הקפיצו תמיסה מדוללת של חרוזי פוליסטירן לריכוז סופי של 0.66 pM17 לתוך כל אחד מהתאים האלקטרוכימיים. לאחר הוספת חרוזי פוליסטירן, לאסוף את הקבוצה השנייה של מדידות אלקטרוכימיות עבור כל תא.
    הערה: תדירות ההשפעה תהיה פונקציה של ריכוז זה ודורשת אופטימיזציה כדי לאסוף נתונים מספיקים לניתוח סטטיסטי מבלי להרוות את הכרונואמפרוגרמה בהשפעות חופפות 40,41,42,43.
    1. אסוף נתוני כרונואמפרומטריה על ידי החלת 0.8 V לעומת SCE למשך 10 דקות, והקלט בקצב דגימה של 10 הרץ.
    2. חזור על המדידות הכרונואמפרומטריות עד שנאספו מספיק נקודות נתונים לניתוח סטטיסטי. כדי לזהות הבדלים בין שיטות הגודל המרובות ברמת ביטחון של 95% ובעוצמה של 80%, בחר גודל מדגם של כ- 200 אירועי השפעה בודדים.

5. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)

הערה: השתמש במיקרוסקופ אלקטרונים סורק כטכניקת "תקן זהב" כדי לאשר את גדלי הננו-חלקיקים ואת הטרוגניות הדגימה 19,44.

  1. הכנת דוגמאות
    1. להכנת דגימה להדמיה, יש לדלל תרחיף חרוזי לטקס קרבוקסיל (ראו טבלת חומרים) ביחס 1:20 במים. יש להטיל 10 μL על מגלשת זכוכית, לייבש תחת זרם חנקן, ולצפות את הדגימה בשכבה מוליכה של פלדיום זהב מתחת לארגון.
  2. דימות
    1. באמצעות מתח קרן מואץ של 5 kV וזרם של 0.4 nA, לאסוף תמונות בהתאם לניתוח סטטיסטי. השתמש ב- ImageJ45,46 או בתוכנה מקבילה לניתוח תמונות כדי לקבוע את גדלי החלקיקים.

6. ניתוח נתונים אלקטרוכימיים

  1. הקלט את הנתונים האלקטרוכימיים באמצעות תוכנת הפוטנציוסטט, ונתח תוצאות אלה באמצעות סקריפטכתוב 20 שיכול לחלץ את סדרי הגודל הנוכחיים מהשינויים שזוהו בזרם המצב היציב (השלבים הנוכחיים) הנובעים מאירועי ננו-השפעה20.
    הערה: סקריפט זה נכלל כחלק מהמידע המשלים בדוח20 שפורסם בעבר.
  2. המר את המשרעת של השלבים הנוכחיים לרדיוסי חרוזים באמצעות המשוואה הבאה:
    Equation 1
    הערה: כאן, rb הוא רדיוס החרוז, relהוא רדיוס האלקטרודה, Δ Iss/Iss הוא היחס בין השינוי בזרם שנוצר על ידי ספיחה של חלקיק לבין זרם המצב היציב הראשוני שנצפה לפני ספיחת אותו חלקיק, ו- f(MT,Geom) = 0.067 הוא גורם קנה מידה אמפירי התלוי הן בשיקולים גיאומטריים והן בשיקולי הסעת המונים20, 25.
  3. התווה את התדירות של זיהוי רדיוס חרוז נתון לעומת רדיוס (איור 3) כדי לכמת את מדדי ההתפלגות.

7. דוגמנות

הערה: אם תרצה, ניתן לאמת את המנגנון שבאמצעותו פועלת הפרעה אלקטרוקטליטית על ידי אישור המעבר מדור זרם מוגבל דיפוזיה ליצירת זרם מוגבל קצב תגובה. כדי לתאר ולהמחיש, השתמש בשתי תוכניות סימולציה נומריות שונות: תוכנה להתאמת וולטמוגרפיה, כגון DigiSim, כדי לקבוע את קבוע הקצב ההומוגני, ופלטפורמת מידול רב-פיזיקלית, כגון COMSOL Multiphysics, כדי להמחיש את השינויים המקומיים בפרופיל הדיפוזיה במשטח האולטרה-מיקרואלקטרודות (ראה טבלת חומרים).

  1. התאמת וולטמוגרפיה
    הערה: השתמשו בתוכנה להתאמת וולטמוגרפיה כדי לקבוע את קבוע הקצב ההומוגני (איור 4).
    1. יש לאסוף וולטמוגרפיה מחזורית בתמיסה המכילה 1 mM TEMPO (בלבד) ו-1 mM TEMPO בתוספת מלטוז של 120 mM. עבור כל תנאי, אסוף נתונים בקצב סריקה שונה, והשתמש בנתונים אלה להתאמה מספרית של מערכי נתונים ניסיוניים אלה.
      1. התאימו את הוולטמוגרפיות שנאספו מניסוי TEMPO בלבד באמצעות מנגנון E, המתאר תהליך תגובה המונע אך ורק על ידי אלקטרודה47,48. זה יניב את הפרמטרים אלקטרודה.
      2. באמצעות פרמטרי האלקטרודות שהתקבלו משלב 7.1.1.1, התאימו את הוולטמוגרפיה המתקבלת מתמיסת 1 mM TEMPO בתוספת 120 מלטוז למנגנון EC′47,48, המתאר תהליך אלקטרודה ואחריו תגובה כימית הומוגנית המחדשת את מתווך החיזור. זה יניב את קבוע השיעור ההומוגני.
  2. מידול מולטיפיזיקלי
    1. השתמשו בפלטפורמת מידול רב-פיזיקלית כדי להמחיש את השינויים בפרופילי הדיפוזיה במשטח האולטרה-מיקרואלקטרודות הן עבור מערכות הבקרה והן עבור מערכות ההפרעה האלקטרוקטליטית 20,49,50,51,52 (איור 5). השתמש בפרמטרים של האלקטרודות ובקבוע קצב הומוגני המתקבל מהתאמת הוולטמוגרפיה כתנאים התחלתיים. סקירה רחבה של זרימת העבודה, אשר ניתן להתאים לתוכנות שונות, מסופק להלן.
    2. הזן את הפרמטרים הגלובליים. אלה מורכבים מערכים קבועים כגון (אך לא רק) ערכי ריכוז, מקדמי דיפוזיה, רדיוס אלקטרודה וטמפרטורה.
    3. בנו את מרחב הסימולציה. זוהי קבוצה של גאומטריות הכוללות את האלקטרודה, נדן הבידוד, מרחב התמיסה הסובב המייצג את אזור העניין, ותחום אלמנטים אינסופי המייצג את סביבת הצובר .
    4. הציגו חבילות פיזיקה כדי להגדיר את הסימולציה.
      1. שייך את מרחב האלקטרודות למחקר אלקטרואנליזה. הגדר כאן את הערכים הראשוניים ואת תגובת האלקטרודות המעניינות.
      2. שייך את מרחב הפתרון שמסביב למחקר כימיה. הגדירו כאן את התגובה הכימית ההומוגנית שבאה בעקבות תגובת האלקטרודות.
      3. הציגו רשת שינוי על כל מרחב הסימולציה. זה מגדיר כיצד הגיאומטריה מחולקת כדי לפתור את המודל. כדי להשיג תוצאות באיכות גבוהה, השתמש ברשת עדינה יותר ליד האלקטרודה.
    5. כדי לצפות בשינויים כתוצאה מקבוע הקצב ההומוגני, שנה את הערך של פרמטר זה באמצעות מחקר פרמטרי כדי לפתור את המודל.
    6. כדי לצפות בשינויים כפונקציה של זמן, שנה את הערך של פרמטר זה באמצעות מחקר תלוי זמן כדי לפתור את המודל.

Representative Results

הפרעה אלקטרוקטליטית ממתנת את השפעות הקצה על ידי העברת מנגנון ייצור הזרם העיקרי ממוגבל דיפוזיה (כלומר, מוגבל על ידי הובלת גשושית חמצון-חיזור לאלקטרודה) למוגבל קינטית (כלומר, מוגבל על ידי תגובה מהירה, פאזת פתרון)20. שיטה זו היא מודולרית, כלומר היא מאפשרת גישה של ערבוב והתאמה לבחירת חומר האלקטרודה, גשושית החיזור והמצע, וזה הופך את ההפרעה האלקטרוקטליטית למקובלת לזיהוי של ננו-חומרים וביו-חומרים רבים 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,22 . יישום טכניקה זו על אלקטרודת סיבי פחמן ברדיוס של 5.5 מיקרומטר הביא לשיפור של פי 10 בדיוק הקשור לגודל האלקטרוכימי של מערכת מודל (חרוזי פוליסטירן) בתמיסה המכילה TEMPO כבדיקת חמצון-חיזור ומלטוז כמצע.

בעקבות פרוטוקול זה, ניתן לקבל את מערכי הנתונים הדרושים לאימות מנגנון זה ואת יכולתו לשחזר דיוק אנליטי בעת שינוי גודל של ננו-חלקיקים אלקטרו-לא פעילים. ראשית, נתוני הוולטמוגרפיה המחזורית שנאספו בהיעדר חרוזי פוליסטירן הראו אירוע חמצון-חיזור הפיך בניסויי בקרה הכוללים TEMPO בלבד. מכאן, תוספת המלטוז הביאה לעלייה בשיא החמצוני ולאובדן מקביל בשיא הרדוקטיבי כאשר ה-TEMPO המחומצן התחדש על ידי מלטוז. שנית, הכרונואמפרוגרמות שנאספו בתנאים אלה הראו כי זרמי המצב היציב בפוטנציאל חמצוני היו גבוהים יותר, בהתאם להגברה הקטליטית שנצפתה בתוצאות הוולטמטריה המחזורית. צעד זה גם מצביע על כך שהתגובה הכימית בתפזורת נשמרת על ידי תגובת האלקטרודות; לפיכך, כל שיפור בשיטת הבקרה יימשך לאורך משך המדידה. עם זאת, זה לבדו אינו מספיק להערכת שיפורים כלשהם בדיוק המדידה; לשם כך, יש לאסוף נתוני כרונואמפרומטריה בנוכחות חרוזי פוליסטירן.

כדי להעריך את דיוק הגודל, נתוני הכרונואמפרוגרמה נאספו באמצעות חרוזי פוליסטירן קרבוקסילציה של 2 מיקרומטר. עם הוספתם, שינויים הדרגתיים בזרם הכרונואמפרוגרמה נצפו כאשר חלקיקים בודדים הושפעו ונספגו (איור 2A בקרה, הפרעה אלקטרוקטליטית איור 2B). כל שינוי הדרגתי בעוצמת הזרם במצב יציב הומר לרדיוסי חלקיקים, והנתונים הוצגו באופן חזותי כהיסטוגרמות כדי להשוות את ההתפלגות מהשיטות האלקטרוכימיות האלה לזו של טכניקת תקן זהב, כגון סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (איור 3). השוואה זו אפשרה אז אפיון של מדדי דיוק הקשורים לכל גישת מידה.

נעשה שימוש במידול כדי לתמוך בתצפיות ניסיוניות אלה. באופן ספציפי, התאמת הוולטמוגרפיה המחזורית מלפני הניבה פרמטרים שאפיינו הן את תגובת האלקטרודות והן את התגובה הכימית בשלב התמיסה (איור 4). מתמיסת הבקרה, כמה פרמטרים לדוגמה שהתקבלו היו Efθ = 0.49 V, k 0 =0.02 cm·s-1, ו- ν = 10 mV·s-1 ב- T = 25° C. מפתרון הבדיקה ניתן היה לקבל את הפרמטרים הקינטיים שהגבילו את הדור הנוכחי; באופן ספציפי, כאשר Keq מתקרב לאינסוף, kobs = 2,200 M-1·s-1. הסימולציות הנומריות יכלו להשתמש בערכים האלה כתנאים התחלתיים ליצירת פרופיל ריכוז של הגשושית החיזור (איור 5). בהיעדר מלטוז, פרופיל הדיפוזיה שנוצר היה רדיאלי, מה שהוביל לשטף חומר הטרוגני; באופן ספציפי, יותר חומר התפזר לאלקטרודה בקצוות. הכנסת מלטוז דחסה את פרופיל הדיפוזיה, וייצרה, בתורו, זרמים הומוגניים יותר על פני השטח של האלקטרודה.

Figure 1
איור 1: סכמה של פרוטוקול הניסוי. לטש את האלקטרודות לפני כל ריצת ניסוי. לאסוף קבוצה בסיסית של מדידות אלקטרוכימיות (וולטמטריה מחזורית וכרונואמפרומטריה) בהיעדר חרוזים עם וללא יישום הפרעה אלקטרוקטליטית כדי לצפות בשיפור הנוכחי עם הוספת המצע. דופקים את החרוזים, ואוספים קבוצה שנייה של מדידות אלקטרוכימיות לקביעת הגודל של הננו-חלקיקים הפוגעים. לאמת את מנגנון הפעולה באמצעות סימולציות נומריות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: כרונואמפרוגרמות שנאספו באמצעות אולטרה-מיקרואלקטרודה מסיבי פחמן בקוטר 11 מיקרומטר, המדגימות את השיפור בדיוק המדידה שהושג באמצעות הפרעה אלקטרוקטליטית. באופן ספציפי, בעת מדידת הזרם לעומת הזמן בתמיסה של 1 mM TEMPO בהיעדר (A) (בקרה) ו- (B) נוכחות של מלטוז 120 mM (הפרעה אלקטרוקטליטית), השלבים שנצפו במקרה האחרון היו הומוגניים יותר. הודפס מחדש באישור Chung et al.20. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: נתוני גודל אלקטרוכימיים מדויקים בעת שימוש בהפרעה אלקטרוקטליטית בהשוואה לגישה האלקטרוכימית הקונבנציונלית, המוגבלת בדיפוזיה. כדי לייצג נתונים אלה, הכינו היסטוגרמות המשווים את התפלגות הגודל שנקבעה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (אפור בהיר) ואלקטרוכימיה (הפרעה אלקטרוקטליטית, ורוד; בקרה, אפור כהה). מחקרי ננו-אימפקט קונבנציונליים, שבהם הזרם מוגבל על ידי הובלה המונית של המתווך, מייצרים התפלגות גודל משוערת רחבה באופן מלאכותי (אפור כהה). לעומת זאת, יישום הפרעה אלקטרוקטליטית מוביל להערכות גודל צרות ומדויקות יותר (ורוד). הודפס מחדש באישור Chung et al.20. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: מידול קינטיקה של אלקטרודות כדי לאפיין את סכמת התגובה החדשה. באמצעות תוכנת התאמת וולטמוגרפיה מחזורית, חלץ את פרמטרי תגובת האלקטרודה מנתוני הניסוי. (A) נתונים עם 1 mM TEMPO. (B) נתונים עם 1 mM TEMPO בתוספת מלטוז של 120 mM. הודפס מחדש באישור Chung et al.20. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: שינויים בשטף החומר על פני השטח של האלקטרודות בעקבות החדרת הפרעה אלקטרוקטליטית שהודגמה באמצעות סימולציות נומריות . (A) תוספת של מלטוז דוחסת את שכבת הדיפוזיה באופן תלוי ריכוז. (B) תוספת מלטוז מדכאת את השטף ההטרוגני בקצוות האלקטרודות. הודפס מחדש באישור Chung et al.20. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

הפרעה אלקטרוקטליטית קלה ליישום ומפחיתה את חוסר הדיוק הקשור לאלקטרוכימיה של ננו-השפעה בסדר גודל. דיוק משופר זה מאפשר ישירות לחוקרים להבחין בין חלקיקים בגודל שונה בתמיסה מעורבת20. זה גם משפר את היכולת לזהות באופן אמין חלקיקים לא פעילים חמצון-חיזור קטן מהגבול ההיסטורי המדווח של 15%-20% מרדיוס האלקטרודה 17,21,23,34.

בעוד הפרעה אלקטרוכימית יכולה להכיל מערכות חמצון-חיזור שונות לזיהוי ננו-חלקיקים של חומרים אלקטרו-לא פעילים שונים, זיהוי מערכות חמצון-חיזור כאלה נותר אתגר גדול. המחסום העיקרי ליישום הפרעה אלקטרוכימית הוא זיהוי תגובה כימית מהירה מספיק כדי להפחית באופן משמעותי את התרומות המבלבלות של השפעות הקצה. באופן ספציפי, בעוד כמה דוגמאות של תגובות EC′, שבהן תגובת אלקטרודה מלווה בתגובה כימית שמחדשת את מגיב האלקטרודה, מאופיינות היטב בספרות 29,32,53,54,55, מעטות מהן מהירות מספיק כדי לשפר את דיוק המדידה. במחקר זה, מתוך אותן תגובות מהירות מספיק, נבחרה מערכת טמפו-מלטוז, שהניבה קבוע קצב נצפה של 2,200 M-1·s-1. זה, בשילוב עם סימולציות מולטיפיזיקליות המדגימות כי קצבי תגובה מהירים יותר מובילים לשטף הומוגני יותר בקצה האלקטרודה, תומך במסקנה שרק תגובות כימיות מהירות מניבות שיפורי זרם פי כמה באולטרה-מיקרואלקטרודות.

הפרעה קטליטית אינה דורשת מניפולציה של נתונים או שינויים באולטרה-מיקרואלקטרודות הזמינות באופן מסחרי. כדי להסביר את עוצמות הזרם ההטרוגניות האופייניות לנתוני ננו-אימפקטים, הציגו בונצי ובויקה מודל תיאורטי המקשר בין גודל הצעד הנוכחי לגודלהחלקיקים 25. ניתוח זה, לעומת זאת, מסתמך במידה רבה על ממוצע הגדלים הנוכחיים כפונקציה של תדירות ההתנגשות. לא רק שזה מונע תובנה לגבי התכונות של חלקיקים בודדים, אלא שטכניקה זו גם נשארת תלויה בשטף של כתב החיזור לאלקטרודה ואינה מסירה את בעיית השפעות הקצה, ובכך גורמת לדיוק מופחת. דנג ועמיתיו הציגו את הגישה הניסיונית הראשונה לטיפול בהשפעות הקצה, תוך שימוש באולטרה-מיקרואלקטרודה המיספרית המיוצרת מכספית51. אלקטרודות טיפת כספית, לעומת זאת, הן רעילות, לא יציבות מבחינה מכנית ויציבות על פני חלון פוטנציאלי מוגבלבלבד 56. יתר על כן, ייצור (ותחזוקה) מיקרואלקטרודות חצי ספריות בצורה מושלמת באמצעות חומרים אחרים נותר מאתגר51,52. לאחרונה, Moazzenzade et al. הציעו אולטרה-מיקרואלקטרודות טבעתיות לאפיון ננו-אימפקט52. גיאומטריה זו מבטיחה, אך דורשת יכולות ננו-ייצור. לעומת זאת, הפרעה קטליטית מאפשרת ניסויי ננו-אימפקט בחומרים הנמצאים באופן אוניברסלי במעבדה אלקטרוכימית.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו מומנה על ידי R35GM142920 המענקים של המכונים הלאומיים לבריאות (NIH). המחקר המדווח כאן עשה שימוש במתקנים משותפים של UCSB MRSEC (NSF DMR 1720256), חבר ברשת מתקני מחקר החומרים (www.mrfn.org). אנו מודים לפיבי הרטלר על תרומתה למאמר המקורי שעבודה זו מפנה אליו. אנו מודים לד"ר קלייר צ'יזהולם על הסיוע ברכישת תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.05 µm microalumina polish Buehler 4010075
0.3 µm microalumina polish Buehler 4010077
1 µm microalumina polish Buehler 4010079
20 mL scintillation vials Fisher Sci 03-339-26C
Analytical balance Ohaus
Apreo C LoVac FEG SEM Thermo Fisher
Carbon fiber microelectrode ALS 002007 Working electrode; purchased from CH Instruments
Carboxyl Latex Beads, 4% w/v, 2 µm ThermoFisher Scientific C37278
COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics v6.0
D-(+)-Maltose monohydrate Sigma Aldrich M5885
DigiSim Bioanalytical Systems, Inc. v3.03b Discontinued; comparable software is available commercially through the same vendor
EC-Lab BioLogic v11.27
Faraday cages Custom; analogous equipment can be commercially purchased or fabriated of conductive sheet metals (e.g., copper or aluminum)
Hummer Sputter Coater Anatech USA
OriginPro OriginLab v2022b
P1000 micropipette Fisher Scientific
P2 micropipette Fisher Scientific
P20 micropipette Fisher Scientific
P200 micropipette Fisher Scientific
Platinum Wire Electrode CH Instruments CHI115 Counter electrode
Potassium chloride Sigma Aldrich P3911
PSA-backed MicroCloth Buehler 407218
Saturated Calomel Electrode CH Instruments CHI150 Reference electrode
Sodium carbonate Fisher Chemical S263
Sodium hydroxide Sigma Aldrich S8045
Sodium perchlorate EM Science SX0692
SP-300 BioLogic
TEMPO Oakwood Chemical 013714
Ultra Low Current module BioLogic

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Heyrovsky, M., Jirkovsky, J. Polarography and voltammetry of ultrasmall colloids: Introduction to a new field. Langmuir. 11 (11), 4288-4292 (1995).
  2. Kleijn, S. E. F., et al. Landing and catalytic characterization of individual nanoparticles on electrode surfaces. Journal of the American Chemical Society. 134 (45), 18558-18561 (2012).
  3. Hill, C. M., Clayton, D. A., Pan, S. Combined optical and electrochemical methods for studying electrochemistry at the single molecule and single particle level: Recent progress and perspectives. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (48), 20797-20807 (2013).
  4. Dick, J. E., Hilterbrand, A. T., Boika, A., Upton, J. W., Bard, A. J. Electrochemical detection of a single cytomegalovirus at an ultramicroelectrode and its antibody anchoring. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (17), 5303-5308 (2015).
  5. Mirkin, M. V., Sun, T., Yu, Y., Zhou, M. Electrochemistry at one nanoparticle. Accounts of Chemical Research. 49 (10), 2328-2335 (2016).
  6. Sokolov, S. V., Eloul, S., Kätelhön, E., Batchelor-McAuley, C., Compton, R. G. Electrode-particle impacts: A users guide. Physical Chemistry Chemical Physics. 19 (1), 28-43 (2017).
  7. Stevenson, K. J., Tschulik, K. A materials driven approach for understanding single entity nano impact electrochemistry. Current Opinion in Electrochemistry. 6 (1), 38-45 (2017).
  8. Baker, L. A. Perspective and prospectus on single-entity electrochemistry. Journal of the American Chemical Society. 140 (46), 15549-15559 (2018).
  9. Cheng, W., Compton, R. G. Electrochemical detection of nanoparticles by 'nano-impact' methods. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 58, 79-89 (2014).
  10. Bard, A. J., Fan, F. -R. F. Electrochemical detection of single molecules. Accounts of Chemical Research. 29 (12), 572-578 (1996).
  11. Xiao, X., Bard, A. J. Observing single nanoparticle collisions at an ultramicroelectrode by electrocatalytic amplification. Journal of the American Chemical Society. 129 (31), 9610-9612 (2007).
  12. Anderson, T. J., Zhang, B. Single-nanoparticle electrochemistry through immobilization and collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
  13. Goines, S., Dick, J. E. Review-Electrochemistry's potential to reach the ultimate sensitivity in measurement science. Journal of the Electrochemical Society. 167 (3), 037505 (2020).
  14. Kai, T., Zhou, M., Johnson, S., Ahn, H. S., Bard, A. J. Direct observation of C2O4•- and CO2•- by oxidation of oxalate within nanogap of scanning electrochemical microscope. Journal of the American Chemical Society. 140 (47), 16178-16183 (2018).
  15. Dick, J. E. Electrochemical detection of single cancer and healthy cell collisions on a microelectrode. Chemical Communications. 52 (72), 10906-10909 (2016).
  16. Sepunaru, L., Sokolov, S. V., Holter, J., Young, N. P., Compton, R. G. Electrochemical red blood cell counting: One at a time. Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9768-9771 (2016).
  17. Quinn, B. M., van't Hof, P. G., Lemay, S. G. Time-resolved electrochemical detection of discrete adsorption events. Journal of the American Chemical Society. 126 (27), 8360-8361 (2004).
  18. Oldham, K. B. Edge effects in semiinfinite diffusion. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 122, 1-17 (1981).
  19. Fosdick, S. E., Anderson, M. J., Nettleton, E. G., Crooks, R. M. Correlated electrochemical and optical tracking of discrete collision events. Journal of the American Chemical Society. 135 (16), 5994-5997 (2013).
  20. Chung, J., Hertler, P., Plaxco, K. W., Sepunaru, L. Catalytic interruption mitigates edge effects in the characterization of heterogeneous, insulating nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 143 (45), 18888-18898 (2021).
  21. Boika, A., Thorgaard, S. N., Bard, A. J. Monitoring the electrophoretic migration and adsorption of single insulating nanoparticles at ultramicroelectrodes. The Journal of Physical Chemistry B. 117 (16), 4371-4380 (2013).
  22. Kim, B. -K., Boika, A., Kim, J., Dick, J. E., Bard, A. J. Characterizing emulsions by observation of single droplet collisions-Attoliter electrochemical reactors. Journal of the American Chemical Society. 136 (13), 4849-4852 (2014).
  23. Dick, J. E., Renault, C., Bard, A. J. Observation of single-protein and DNA macromolecule collisions on ultramicroelectrodes. Journal of the American Chemical Society. 137 (26), 8376-8379 (2015).
  24. Lee, J. Y., Kim, B. -K., Kang, M., Park, J. H. Label-free detection of single living bacteria via electrochemical collision event. Scientific Reports. 6 (1), 30022 (2016).
  25. Bonezzi, J., Boika, A. Deciphering the magnitude of current steps in electrochemical blocking collision experiments and its implications. Electrochimica Acta. 236, 252-259 (2017).
  26. Ellison, J., Batchelor-McAuley, C., Tschulik, K., Compton, R. G. The use of cylindrical micro-wire electrodes for nano-impact experiments; Facilitating the sub-picomolar detection of single nanoparticles. Sensors and Actuators B: Chemical. 200, 47-52 (2014).
  27. Denuault, G., Fleischmann, M., Pletcher, D., Tutty, O. R. Development of the theory for the interpretation of steady state limiting currents at a microelectrode: EC' processes: First and second order reactions. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 280 (2), 243-254 (1990).
  28. Francke, R., Little, R. D. Redox catalysis in organic electrosynthesis: Basic principles and recent developments. Chemical Society Reviews. 43 (8), 2492-2521 (2014).
  29. Nutting, J. E., Rafiee, M., Stahl, S. S. Tetramethylpiperidine N-Oxyl (TEMPO), phthalimide N-oxyl (PINO), and related N-Oxyl species: Electrochemical properties and their use in electrocatalytic reactions. Chemical Reviews. 118 (9), 4834 (2018).
  30. Pierre, G., et al. TEMPO-mediated oxidation of polysaccharides: An ongoing story. Carbohydrate Polymers. 165, 71-85 (2017).
  31. Liaigre, D., Breton, T., Belgsir, E. M. Kinetic and selectivity control of TEMPO electro-mediated oxidation of alcohols. Electrochemistry Communications. 7 (3), 312-316 (2005).
  32. Rafiee, M., Karimi, B., Alizadeh, S. Mechanistic study of the electrocatalytic oxidation of alcohols by TEMPO and MHPI. ChemElectroChem. 1 (2), 455-462 (2014).
  33. Deng, Z., Renault, C. Detection of individual insulating entities by electrochemical blocking. Current Opinion in Electrochemistry. 25, 100619 (2021).
  34. Laborda, E., Molina, A., Batchelor-McAuley, C., Compton, R. G. Individual detection and characterization of non-electrocatalytic, redox-inactive particles in solution by using electrochemistry. ChemElectroChem. 5 (3), 410-417 (2018).
  35. Elgrishi, N., et al. A practical beginner's guide to cyclic voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
  36. Cardwell, T. J., Mocak, J., Santos, J. H., Bond, A. M. Preparation of microelectrodes: comparison of polishing procedures by statistical analysis of voltammetric data. Analyst. 121 (3), 357-362 (1996).
  37. Lämmel, C., Heubner, C., Liebmann, T., Schneider, M. Critical impact of chloride containing reference electrodes on electrochemical measurements. Electroanalysis. 29 (12), 2752-2756 (2017).
  38. Walker, N. L., Dick, J. E. Leakless, bipolar reference electrodes: Fabrication, performance, and miniaturization. Analytical Chemistry. 93 (29), 10065-10074 (2021).
  39. Troudt, B. K., Rousseau, C. R., Dong, X. I. N., Anderson, E. L., Bühlmann, P. Recent progress in the development of improved reference electrodes for electrochemistry. Analytical Sciences. 38 (1), 71-83 (2022).
  40. Stuart, E. J. E., Zhou, Y. -G., Rees, N. V., Compton, R. G. Particle-impact nanoelectrochemistry: A Fickian model for nanoparticle transport. RSC Advances. 2 (33), 12702-12705 (2012).
  41. Boika, A., Bard, A. J. Time of first arrival in electrochemical collision experiments as a measure of ultralow concentrations of analytes in solution. Analytical Chemistry. 87 (8), 4341-4346 (2015).
  42. Robinson, D. A., et al. Collision dynamics during the electrooxidation of individual silver nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 139 (46), 16923-16931 (2017).
  43. Lemay, S. G., Moazzenzade, T. Single-entity electrochemistry for digital biosensing at ultralow concentrations. Analytical Chemistry. 93 (26), 9023-9031 (2021).
  44. Vernon-Parry, K. D. Scanning electron microscopy: An introduction. III-Vs Review. 13 (4), 40-44 (2000).
  45. Abramoff, M. D., Magalhães, P. J., Ram, S. J. Image processing with ImageJ. Biophotonics International. 11 (7), 36-42 (2004).
  46. Collins, T. J. ImageJ for microscopy. BioTechniques. 43, S25-S30 (2007).
  47. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , Wiley. New York, NY. (2001).
  48. Compton, R. G., Banks, C. E. Understanding Voltammetry (Third Edition). , World Scientific. Singapore. (2018).
  49. Cutress, I. J., Dickinson, E. J. F., Compton, R. G. Analysis of commercial general engineering finite element software in electrochemical simulations. Journal of Electroanalytical Chemistry. 638 (1), 76-83 (2010).
  50. Dickinson, E. J. F., Ekström, H., Fontes, E. COMSOL Multiphysics®: Finite element software for electrochemical analysis. A mini-review. Electrochemistry Communications. 40, 71-74 (2014).
  51. Deng, Z., Elattar, R., Maroun, F., Renault, C. In situ measurement of the size distribution and concentration of insulating particles by electrochemical collision on hemispherical ultramicroelectrodes. Analytical Chemistry. 90 (21), 12923-12929 (2018).
  52. Moazzenzade, T., Walstra, T., Yang, X., Huskens, J., Lemay, S. G. Ring ultramicroelectrodes for current-blockade particle-impact electrochemistry. Analytical Chemistry. 94 (28), 10168-101747 (2022).
  53. Nekrassova, O., et al. The oxidation of cysteine by aqueous ferricyanide: A kinetic study using boron doped diamond electrode voltammetry. Electroanalysis. 14 (21), 1464-1469 (2002).
  54. Kuss, S., Compton, R. G. Electrocatalytic detection of ascorbic acid using N,N,N',N'-tetramethyl-para-phenylene-diamine (TMPD) mediated oxidation at unmodified gold electrodes; Reaction mechanism and analytical application. Electrochimica Acta. 242, 19-24 (2017).
  55. Shayani-Jam, H., Nematollahi, D. Electrochemically mediated oxidation of glutathione and N-acetylcysteine with 4,4′-biphenol. Electrochimica Acta. 56 (25), 9311-9316 (2011).
  56. Vyskočil, V., Barek, J. Mercury electrodes-Possibilities and limitations in environmental electroanalysis. Critical Reviews in Analytical Chemistry. 39 (3), 173-188 (2009).

Tags

כימיה גיליון 198
גודל אלקטרוכימי מדויק של חלקיקים אלקטרו-לא פעילים בודדים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chung, J., Plaxco, K. W., Sepunaru,… More

Chung, J., Plaxco, K. W., Sepunaru, L. Precise Electrochemical Sizing of Individual Electro-Inactive Particles. J. Vis. Exp. (198), e65116, doi:10.3791/65116 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter