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Chemistry

व्यक्तिगत इलेक्ट्रो-निष्क्रिय कणों का सटीक इलेक्ट्रोकेमिकल साइज़िंग

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

एक विश्लेषणात्मक तकनीक के रूप में, नैनोइम्पैक्ट इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री, नैनोमीटर-स्केल, इलेक्ट्रो-निष्क्रिय कणों की गिनती और विशेषता के लिए एक तेजी से महत्वपूर्ण दृष्टिकोण, अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड के उपयोग से उत्पन्न होने वाले विषम वर्तमान वितरण के कारण खराब परिशुद्धता से ग्रस्त है। यहां उल्लिखित एक सामान्यीकृत दृष्टिकोण है, जिसे "इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट" कहा जाता है, जो इस तरह के मापों में सटीकता को बढ़ाता है।

Abstract

नैनोइम्पैक्ट इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री एकल नैनोमटेरियल इकाइयों के सीटू लक्षण वर्णन (जैसे, आकार, उत्प्रेरक गतिविधि) में समय-समाधान को सक्षम बनाता है, जो हेटरोजेनेटिक्स को स्पष्ट करने का एक साधन प्रदान करता है जिसे पहनावा अध्ययन में मुखौटा किया जाएगा। रेडॉक्स निष्क्रिय कणों के साथ इस तकनीक को लागू करने के लिए, डिस्क अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड पर एक स्थिर-राज्य पृष्ठभूमि प्रवाह का उत्पादन करने के लिए एक समाधान-चरण रेडॉक्स प्रतिक्रिया का उपयोग किया जाता है। जब एक कण इलेक्ट्रोड पर सोख लेता है, तो यह उजागर इलेक्ट्रोड क्षेत्र में चरणबद्ध कमी पैदा करता है, जो बदले में, सोखने वाली प्रजातियों के आकार के अनुरूप वर्तमान में चरणबद्ध कमी पैदा करता है। ऐतिहासिक रूप से, हालांकि, नैनोइम्पैक्ट इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को "एज इफेक्ट्स" का सामना करना पड़ा है, जिसमें अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड की परिधि पर बनने वाली रेडियल प्रसार परत चरण आकार को न केवल कण के आकार पर निर्भर करती है, बल्कि यह भी कि यह इलेक्ट्रोड पर कहां उतरता है। इलेक्ट्रोकैटेलिटिक वर्तमान पीढ़ी की शुरूआत, हालांकि, किनारे के प्रभावों के कारण होने वाली विषमता को कम करती है, इस प्रकार माप परिशुद्धता में सुधार करती है। इस दृष्टिकोण में, जिसे "इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट" कहा जाता है, एक सब्सट्रेट जो प्रसार परत पर रेडॉक्स जांच को पुनर्जीवित करता है, पेश किया जाता है। यह वर्तमान पीढ़ी के दर-सीमित चरण को प्रसार से सजातीय प्रतिक्रिया दर स्थिर में बदल देता है, इस प्रकार प्रवाह विषमता को कम करता है और परिमाण के क्रम से कण आकार की सटीकता को बढ़ाता है। यहां वर्णित प्रोटोकॉल नैनोइम्पैक्ट प्रयोगों में नियोजित सेट-अप और डेटा संग्रह की व्याख्या करता है जो रेडॉक्स इन-एक्टिव सामग्रियों के आकार में बेहतर परिशुद्धता के लिए इस प्रभाव को लागू करता है।

Introduction

नैनोइम्पैक्ट इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री एक इलेक्ट्रोकेमिकल तकनीक है जो 1,2,3,4,5,6,7 नमूने में सीटू में व्यक्तिगत कणों का समय-समाधान पता लगाने में सक्षम बनाती है। व्यक्तिगत कण जिन्हें इस दृष्टिकोण द्वारा विशेषता दी जा सकती है,वे सामग्री 6,8,9,10,11,12,13 की एक विस्तृत श्रृंखला में फैले हुए हैं और व्यक्तिगत परमाणुओं से लेकर पूरी कोशिकाओं 7,8,14,15,16 तक आयामों को शामिल करते हैं।. ऐसी छोटी सामग्रियों का पता लगाने और लक्षण वर्णन को समायोजित करने के लिए, तकनीक माइक्रोन- और सबमाइक्रोन-स्केल डिस्क अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड्स का उपयोग करती है। इस तरह के इलेक्ट्रोड पर एक इलेक्ट्रोएक्टिव नैनोपार्टिकल का प्रभाव एक आसानी से मात्रात्मक वर्तमान परिवर्तन पैदा करता है क्योंकि नैनोपार्टिकल एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया से गुजरता है। इलेक्ट्रो-इनसक्रिय सामग्रियों का पता लगाने के लिए इसका विस्तार करने के लिए, एक पृष्ठभूमि इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया का उपयोग एक स्थिर-अवस्था प्रवाह का उत्पादन करने के लिए किया जाता है जो चरण-वार फैशन में कम हो जाता है क्योंकि नैनोकणों का सोखना इलेक्ट्रोड17 के सतह क्षेत्र को बदल देता है। इस योजना में, प्रत्येक नैनोइम्पैक्ट द्वारा उत्पादित सापेक्ष परिवर्तन को बढ़ाने के लिए अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड को नियोजित किया जाता है। रेडियल प्रसार परत जो ऐसे माइक्रोइलेक्ट्रोड उत्पन्न करती है, हालांकि, "एज इफेक्ट्स" के कारण माप परिशुद्धता को कम करती है। ये इसलिए होते हैं क्योंकि इलेक्ट्रोड के लिए रेडॉक्स प्रजातियों का प्रवाह इलेक्ट्रोड के किनारों पर इसके केंद्र19 की तुलना में अधिक होता है। इस प्रकार, जब एक एकल नैनोपार्टिकल इलेक्ट्रोड सतह के किनारे पर उतरता है, तो परिणामी वर्तमान घटना इलेक्ट्रोड19 के केंद्र में एक समान कण लैंडिंग के लिए देखी गई तुलना में बड़ी होती है, और यह प्रभाव अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड के लिए उनके छोटे क्षेत्र-से-परिधि अनुपात के कारण अधिक महत्वपूर्ण होता है। ये किनारे प्रभाव नैनोइम्पैक्ट इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री की सटीकता से काफी कम हो जाते हैं; उनकी उपस्थिति के कारण, नैनोइम्पैक्ट साइज़िंग द्वारा उत्पादित अनुमानित कण आकार वितरण "गोल्ड स्टैंडर्ड" माइक्रोस्कोपी तकनीक 20 का उपयोग करके प्राप्त किए गए लोगों की तुलना में20 गुना व्यापक हैं। इसने नैनोस्केल 4,17,19,21,22,23,24,25,26 पर रेडॉक्स निष्क्रिय सामग्रियों की विविधता का मूल्यांकन करने के लिए एक विश्लेषणात्मक तकनीक के रूप में नैनोइम्पैक्ट इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री के उपयोग से परिशुद्धता को कम कर दिया।

हमने हाल ही में एक विधि (चित्रा 1) पेश की है जो नैनोइम्पैक्ट दृष्टिकोण20 में बढ़त प्रभाव को कम करती है। इस विधि में, एक सब्सट्रेट की शुरूआत अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड सतह के पास रेडॉक्स प्रजातियों को पुनर्जीवित करती है। यह वर्तमान पीढ़ी में दर-सीमित कदम को प्रसार से समाधान27,28 में रेडॉक्स प्रजातियों की सजातीय रासायनिक प्रतिक्रिया की दर में बदल देता है, इस प्रकार रेडियल प्रसार क्षेत्र विषम धाराओं में योगदान देता है। विशेष रूप से, 2,2,6,6-टेट्रामेथिलपिपेरिडीन 1-ऑक्सील (टेम्पो) का ऑक्सीकरण अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड29 पर पृष्ठभूमि रेडॉक्स प्रतिक्रिया प्रदान करता है। इसमें माल्टोज को जोड़ने से टेम्पो30,31 का कम रूप पुनर्जीवित होता है। यह पुनर्जनन तेजी से32 है, और यह प्रसार परत को संकुचित करता है और स्थानिक लैंडिंग20 से जुड़ी वर्तमान विषमता को कम करता है। नतीजतन, "इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट" दृष्टिकोण परिमाण के क्रम से नैनोइम्पैक्ट कण आकार की सटीकता में सुधार करता है।

Protocol

1. कम शोर प्रणाली की स्थापना

नोट: प्रासंगिक प्रयोगों के लिए कम धाराओं के अत्यधिक समय-हल किए गए माप को प्राप्त करने में सक्षम एक पोटेंशियोस्टैट की आवश्यकता होती है। इसे प्राप्त करने के लिए, एक शोध-ग्रेड वाणिज्यिक पोटेंशियोस्टैट को नियोजित करें जो 1 μs समय संकल्प में सक्षम है जो फेम्टोएम्पीयर स्तर पर धाराओं को निर्धारित कर सकता है। पर्यावरण से इलेक्ट्रॉनिक हस्तक्षेप को और कम करने के लिए, दो घोंसले वाले फैराडे पिंजरों के भीतर प्रयोग ों का संचालन करें। सुनिश्चित करें कि सेटअप 0.1 एम पोटेशियम क्लोराइड में 10 हर्ट्ज पर नमूना किए गए क्रोनोम्पेरोमेट्री प्रयोग के लिए 100 एफए से कम के रूट-माध्य-वर्ग विचलन में सक्षम है।

  1. पोटेंशियोस्टेट और फैराडे पिंजरों सहित उपकरण प्राप्त करें और स्थापित करें।
    नोट: फैराडे पिंजरों को प्रवाहकीय धातुओं (जैसे, तांबा या एल्यूमीनियम) का उपयोग करके व्यावसायिक या कस्टम-निर्मित किया जा सकता है। कस्टम-निर्मित एल्यूमीनियम फैराडे पिंजरों का उपयोग यहां वर्णित अध्ययन के लिए किया गया था ( सामग्री की तालिका देखें)।

2. प्रायोगिक तैयारी

  1. व्यावसायिक रूप से उपलब्ध 2 μm व्यास कार्बोक्सिलेट-संशोधित पॉलीस्टाइनिन मोतियों का उपयोग करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
    नोट: जबकि इस प्रणाली को अन्य इलेक्ट्रो-निष्क्रिय प्रजातियों23,33 के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है, यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि प्रभाव ब्राउनियन गति के अलावा इलेक्ट्रोफोरेटिक माइग्रेशन पर निर्भर करते हैं। इस प्रकार, रुचि की प्रजातियों के लिए एक संभावित आकर्षक लागू करें, और कम नमक सांद्रताबनाए रखें।
  2. निम्नलिखित समाधान तैयार करें, जिन्हें कम से कम 1 महीने के लिए कमरे के तापमान पर संग्रहीत किया जा सकता है।
    1. एक 50 mM कार्बोनेट समाधान तैयार करें, और 1 M NaOH का उपयोग करके pH 12.0 पर टाइटरेट करें। साप्ताहिक पीएच की निगरानी करें।
    2. 1 एम सोडियम परक्लोरेट घोल तैयार करें।
  3. प्रत्येक दिन निम्नलिखित समाधान ों को ताजा तैयार करें, उन्हें दिन के अंत में छोड़ दें।
    1. 50 mM कार्बोनेट घोल, pH 12.0 में 10 mM टेम्पो तैयार करें।
    2. 50 mM कार्बोनेट समाधान, pH 12.0 में 500 mM माल्टोज़ स्टॉक तैयार करें।
  4. काम करने वाले इलेक्ट्रोड का चयन करें। लगातार परिणामों के लिए, एक अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड (सामग्री की तालिका देखें) का चयन करें जैसे कि विशेषता वाली प्रजातियों की त्रिज्या इलेक्ट्रोड त्रिज्या17,21,23,33,34 के 10% -15% से कम न हो।
    नोट: रुचि की एक विशेष प्रजाति का इष्टतम पता लगाने के लिए प्रभाव से जुड़े वर्तमान चरणों के परिमाण को निर्धारित करने के बाद इस अनुपात को कम किया जा सकता है। चयनित इलेक्ट्रोड सामग्री को पृष्ठभूमि रेडॉक्स प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करना चाहिए।
  5. प्रत्येक 5 एमएल के दो इलेक्ट्रोकेमिकल सेल तैयार करें।
    1. पीएच 12.0 पर कार्बोनेट बफर में 1 एमएम टेम्पो और 5 एमएम सोडियम परक्लोरेट ( सामग्री की तालिका देखें) युक्त एक नियंत्रण सेल तैयार करें।
    2. पीएच 12.0 पर कार्बोनेट बफर में 1 एमएम टेम्पो, 5 एमएम सोडियम परक्लोरेट और 120 एमएम माल्टोज का घोल युक्त एक परीक्षण सेल तैयार करें।
      नोट: प्रतिक्रिया दर20 के प्रभावों का पता लगाने के लिए सब्सट्रेट (यहां, टेम्पो से माल्टोज) के लिए रेडॉक्स मध्यस्थ का अनुपात भिन्न हो सकता है। यह मान सजातीय रासायनिक प्रतिक्रिया में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।
    3. इन कोशिकाओं को तैयार करने के बाद, उन्हें बाद में विद्युत रासायनिक माप के लिए अलग रखें।

3. इलेक्ट्रोड पॉलिशिंग

  1. प्रत्येक प्रयोगात्मक रन से पहले, पॉलिशिंग पैड पर 1 μm, 0.3 μm, और 0.5 μm एल्यूमिना घोल ( सामग्री की तालिका देखें) के साथ प्रत्येक 2 मिनट के लिए इलेक्ट्रोड को क्रमिक रूप से पॉलिश करें।
  2. 35,36 पॉलिश सुनिश्चित करने के लिए इलेक्ट्रोड को "चित्रा 8" पैटर्न में ले जाएं। उदारतापूर्वक विआयनीकृत पानी से कुल्ला करें, और एक प्रयोगशाला पोंछे के साथ सुखाएं।
    नोट: अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड को सोनिक न करें, क्योंकि यह उन्हें नुकसान पहुंचा सकता है।

4. इलेक्ट्रोकेमिकल माप

नोट: परिणामों के लिए चित्र 2 देखें।

  1. इलेक्ट्रोकेमिकल माप के लिए तीन-इलेक्ट्रोड सेटअप का उपयोग करें। यहां वर्णित प्रयोगों के लिए, एक 11 μm कार्बन-फाइबर अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड, एक प्लैटिनम तार काउंटर इलेक्ट्रोड, और एक संतृप्त कैलोमेल संदर्भ इलेक्ट्रोड (एससीई) ( सामग्री की तालिका देखें) को नियोजित करें।
    नोट: प्रयोगों के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल संभावित खिड़कियां नीचे नोट की गई हैं; संदर्भ के लिए, टेम्पो में 0.49 वी बनाम एससीई की औपचारिक क्षमता है, और माल्टोज इन प्रयोगों में उपयोग की जाने वाली संभावित विंडो में इलेक्ट्रोएक्टिव नहीं है। संदर्भ इलेक्ट्रोड से कोई भी रिसाव कुल नमक एकाग्रता37 को प्रभावित कर सकता है, इस प्रकार कणों के इलेक्ट्रोफोरेटिक ड्राइविंग को अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड में कम कर सकता है और गिनती दक्षताको कम कर सकता है। यदि प्रयोग कम प्रभाव आवृत्ति उत्पन्न करते हैं, तो रिसाव रहित संदर्भ इलेक्ट्रोड38,39 पर स्विच करने पर विचार करें।
  2. फैराडे पिंजरों में नियंत्रण कक्ष सेट करें, और इलेक्ट्रोड को उपयुक्त केबलों से कनेक्ट करें। प्रत्येक सेल के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल माप का पहला सेट एकत्र करें। इसमें एक चक्रीय वोल्टामेट्री प्रयोग और एक क्रोनोम्पेरोमेट्री प्रयोग शामिल होगा, जैसा कि नीचे बताया गया है।
    1. 10 mV-1, 20 mV-s-1, 30 mV-s-1, 40 mV-s-1, और 50 mV-s-1 की स्कैन दरों पर 0.2 V से 0.8 V बनाम SCE तक संभावित विंडो का उपयोग करके चक्रीय वोल्टामेट्री डेटा एकत्र करें।
    2. 10 मिनट के लिए 0.8 वी बनाम एससीई लागू करके क्रोनोएम्पेरोमेट्री डेटा एकत्र करें, और 10 हर्ट्ज नमूना दर पर रिकॉर्ड करें।
      नोट: बाद के चरणों में 10-15 व्यक्तिगत प्रभाव प्राप्त करने के लिए क्रोनोम्पेरोमेट्री प्रयोगों के लिए 10 मिनट की नमूना अवधि की सिफारिश की जाती है। इस समय कोई प्रभाव पड़ने की उम्मीद नहीं है।
  3. इसके बाद, प्रत्येक इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाओं में 0.66 पीएम17 की अंतिम एकाग्रता के लिए पॉलीस्टाइनिन मोतियों के एक पतला घोल को स्पाइक करें। पॉलीस्टाइनिन मोतियों के अलावा, प्रत्येक सेल के लिए विद्युत रासायनिक माप का दूसरा सेट एकत्र करें।
    नोट: प्रभाव आवृत्ति इस एकाग्रता का एक कार्य होगा और अतिव्यापी प्रभावों40,41,42,43 के साथ क्रोनोएम्पेरोग्राम को संतृप्त किए बिना सांख्यिकीय विश्लेषण के लिए पर्याप्त डेटा एकत्र करने के लिए अनुकूलन की आवश्यकता होती है।
    1. 10 मिनट के लिए 0.8 वी बनाम एससीई लागू करके क्रोनोएम्पेरोमेट्री डेटा एकत्र करें, और 10 हर्ट्ज नमूना दर पर रिकॉर्ड करें।
    2. क्रोनोएम्परोमेट्रिक माप को तब तक दोहराएं जब तक कि सांख्यिकीय विश्लेषण के लिए पर्याप्त डेटा बिंदु एकत्र नहीं किए गए हों। 95% के आत्मविश्वास स्तर और 80% की शक्ति के साथ कई आकार विधियों के बीच अंतर का पता लगाने के लिए, लगभग 200 व्यक्तिगत प्रभाव घटनाओं के नमूना आकार का चयन करें।

5. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम)

नोट: नैनोपार्टिकल आकार और नमूना विषमता19,44 की पुष्टि करने के लिए "स्वर्ण मानक" तकनीक के रूप में स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करें।

  1. नमूना तैयार करना
    1. इमेजिंग के लिए एक नमूना तैयार करने के लिए, पानी में कार्बोक्सिल लेटेक्स बीड सस्पेंशन ( सामग्री की तालिका देखें) 1:20 को पतला करें। एक ग्लास स्लाइड पर ड्रॉप-कास्ट 10 μL, नाइट्रोजन स्ट्रीम के नीचे सुखाएं, और आर्गन के नीचे सोने-पैलेडियम की प्रवाहकीय परत के साथ नमूने को स्पटर-कोट करें।
  2. इमेजिंग
    1. 5 केवी के तेज बीम वोल्टेज और 0.4 एनए की धारा का उपयोग करके, सांख्यिकीय विश्लेषण के लिए उपयुक्त छवियों को एकत्र करें। कण आकार निर्धारित करने के लिए ImageJ45,46 या एक समकक्ष छवि विश्लेषण सॉफ्टवेयर का उपयोग करें।

6. इलेक्ट्रोकेमिकल डेटा विश्लेषण

  1. पोटेंशियोस्टेट के सॉफ्टवेयर का उपयोग करके इलेक्ट्रोकेमिकल डेटा रिकॉर्ड करें, और एक लिखित स्क्रिप्ट20 का उपयोग करके इन परिणामों का विश्लेषण करें जो नैनोइम्पैक्ट घटनाओं20 के परिणामस्वरूप स्थिर-अवस्था धारा (वर्तमान चरणों) में पता लगाए गए परिवर्तनों से वर्तमान परिमाण निकाल सकता है।
    नोट: यह स्क्रिप्ट हमारी पहले प्रकाशित रिपोर्ट20 में पूरक जानकारी के हिस्से के रूप में शामिल है।
  2. निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके वर्तमान चरणों के आयामों को मोती त्रिज्या में परिवर्तित करें:
    Equation 1
    नोट: यहाँ, rb मोती त्रिज्या है, relइलेक्ट्रोड त्रिज्या है, त्रिभुज Iss/Iss एक कण के सोखने से उत्पन्न धारा में परिवर्तन और उस कण के सोखने से पहले देखी गई प्रारंभिक स्थिर-अवस्था धारा के बीच का अनुपात है, और f(MT, Geom) = 0.067 एक अनुभवजन्य स्केलिंग कारक है जो ज्यामितीय और द्रव्यमान परिवहन दोनों विचारों पर निर्भर करता है। 25.
  3. वितरण मैट्रिक्स को मापने के लिए किसी दिए गए मोती त्रिज्या बनाम त्रिज्या (चित्रा 3) का पता लगाने की आवृत्ति को प्लॉट करें।

7. मॉडलिंग

नोट: यदि वांछित हो, तो इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट जिस तंत्र द्वारा काम करती है, उसे प्रसार-सीमित वर्तमान पीढ़ी से प्रतिक्रिया दर-सीमित वर्तमान पीढ़ी में बदलाव की पुष्टि करके मान्य किया जा सकता है। वर्णन और कल्पना करने के लिए, दो अलग-अलग संख्यात्मक सिमुलेशन कार्यक्रमों का उपयोग करें: एक वोल्टामोग्राम फिटिंग सॉफ्टवेयर, जैसे कि डिजीसिम, सजातीय दर स्थिर निर्धारित करने के लिए, और एक मल्टीफिजिक्स मॉडलिंग प्लेटफॉर्म, जैसे कि COMSOL मल्टीफिजिक्स, अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड सतह पर प्रसार प्रोफ़ाइल में स्थानीय परिवर्तनों की कल्पना करने के लिए ( सामग्री की तालिका देखें)।

  1. वोल्टामोग्राम फिटिंग
    नोट: सजातीय दर स्थिरांक (चित्रा 4) निर्धारित करने के लिए वोल्टामोग्राम फिटिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करें।
    1. चक्रीय वोल्टामोग्राम को 1 mM टेम्पो (केवल) और 1 mM टेम्पो प्लस 120 mM माल्टोज़ वाले घोल में एकत्र करें। प्रत्येक स्थिति के लिए, विभिन्न स्कैन दरों पर डेटा एकत्र करें, और इन प्रयोगात्मक डेटासेट के संख्यात्मक फिटिंग के लिए इस डेटा का उपयोग करें।
      1. ई तंत्र का उपयोग करके टेम्पो-केवल प्रयोग से एकत्र किए गए वोल्टामोग्राम को फिट करें, जो पूरी तरह से इलेक्ट्रोड47,48 द्वारा संचालित प्रतिक्रिया प्रक्रिया का वर्णन करता है। यह इलेक्ट्रोड पैरामीटर उत्पन्न करेगा।
      2. चरण 7.1.1.1 से प्राप्त इलेक्ट्रोड मापदंडों का उपयोग करते हुए, 1 एमएम टेम्पो प्लस 120 माल्टोज समाधान से परिणामी वोल्टामोग्राम को ईसी ' तंत्र47,48 में फिट करें, जो एक इलेक्ट्रोड प्रक्रिया का वर्णन करता है जिसके बाद एक सजातीय रासायनिक प्रतिक्रिया होती है जो रेडॉक्स मध्यस्थ को पुन: उत्पन्न करती है। यह सजातीय दर स्थिर उत्पन्न करेगा।
  2. मल्टीफिजिक्स मॉडलिंग
    1. नियंत्रण और इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट प्रणाली 20,49,50,51,52 (चित्रा 5) दोनों के लिए अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड सतह पर प्रसार प्रोफाइल में परिवर्तन की कल्पना करने के लिए एक मल्टीफिजिक्स मॉडलिंग प्लेटफॉर्म का उपयोग करें। प्रारंभिक स्थितियों के रूप में वोल्टामोग्राम फिटिंग से प्राप्त इलेक्ट्रोड पैरामीटर और सजातीय दर स्थिरांक का उपयोग करें। वर्कफ़्लो का एक व्यापक अवलोकन, जिसे विभिन्न सॉफ़्टवेयर के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, नीचे प्रदान किया गया है।
    2. वैश्विक पैरामीटर इनपुट करें। इनमें एकाग्रता मूल्य, प्रसार गुणांक, इलेक्ट्रोड त्रिज्या और तापमान जैसे निश्चित मान (लेकिन सीमित नहीं) शामिल हैं।
    3. सिमुलेशन स्पेस का निर्माण करें। यह ज्यामिति का एक सेट है जिसमें इलेक्ट्रोड, इन्सुलेट शीथ, रुचि के क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करने वाला आसपास का समाधान स्थान और थोक परिवेश का प्रतिनिधित्व करने वाला एक अनंत तत्व डोमेन शामिल है।
    4. सिमुलेशन को परिभाषित करने के लिए भौतिकी पैकेज पेश करें।
      1. इलेक्ट्रोड स्पेस को इलेक्ट्रोएनालिसिस अध्ययन के साथ संबद्ध करें। यहां रुचि के प्रारंभिक मूल्यों और इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया को परिभाषित करें।
      2. रसायन विज्ञान के अध्ययन के साथ आसपास के समाधान स्थान को संबद्ध करें। यहां इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया का अनुसरण करने वाली सजातीय रासायनिक प्रतिक्रिया को परिभाषित करें।
      3. पूरे सिमुलेशन स्पेस पर एक जाल पेश करें। यह परिभाषित करता है कि मॉडल को हल करने के लिए ज्यामिति को कैसे विभाजित किया जाता है। उच्च गुणवत्ता वाले परिणाम प्राप्त करने के लिए, इलेक्ट्रोड के पास एक महीन जाल का उपयोग करें।
    5. सजातीय दर स्थिरांक के परिणामस्वरूप परिवर्तनों का निरीक्षण करने के लिए, मॉडल को हल करने के लिए एक पैरामीट्रिक अध्ययन का उपयोग करके इस पैरामीटर के मूल्य को बदलें।
    6. समय के कार्य के रूप में परिवर्तनों का निरीक्षण करने के लिए, मॉडल को हल करने के लिए समय-निर्भर अध्ययन का उपयोग करके इस पैरामीटर के मूल्य को बदलें।

Representative Results

इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट प्राथमिक वर्तमान पीढ़ी तंत्र को प्रसार-सीमित (यानी, इलेक्ट्रोड तक एक रेडॉक्स जांच के परिवहन द्वारा सीमित) से गतिज रूप से सीमित (यानी, एक तेजी से, समाधान-चरण प्रतिक्रिया द्वारा सीमित) में स्थानांतरित करके बढ़त के प्रभाव को कम करती है। यह विधि मॉड्यूलर है, जिसका अर्थ है कि यह इलेक्ट्रोड सामग्री, रेडॉक्स जांच और सब्सट्रेट चुनने के लिए एक मिक्स-एंड-मैच दृष्टिकोण की अनुमति देता है, और यह कई नैनो- औरजैव-सामग्रियों 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,22 का पता लगाने के लिए इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट को उत्तरदायी बनाता है।. 5.5 μm त्रिज्या कार्बन-फाइबर इलेक्ट्रोड पर इस तकनीक को लागू करने से एक मॉडल सिस्टम (पॉलीस्टाइनिन मोती) के इलेक्ट्रोकेमिकल साइज़िंग से जुड़े परिशुद्धता में 10 गुना सुधार हुआ, जिसमें एक रेडॉक्स जांच के रूप में टेम्पो और सब्सट्रेट के रूप में माल्टोज़ शामिल थे।

इस प्रोटोकॉल के बाद, इस तंत्र को मान्य करने के लिए आवश्यक डेटा सेट और इलेक्ट्रो-निष्क्रिय नैनोकणों को आकार देते समय विश्लेषणात्मक परिशुद्धता को बहाल करने की इसकी क्षमता प्राप्त की जा सकती है। सबसे पहले, पॉलीस्टाइनिन मोतियों की अनुपस्थिति में एकत्र किए गए चक्रीय वोल्टामोग्राम डेटा ने अकेले टेम्पो से जुड़े नियंत्रण प्रयोगों में एक प्रतिवर्ती रेडॉक्स घटना दिखाई। यहां से, माल्टोज के अतिरिक्त ऑक्सीडेटिव पीक में वृद्धि हुई और रिडक्टिव पीक में समवर्ती हानि हुई क्योंकि ऑक्सीकृत टेम्पो को माल्टोज द्वारा पुनर्जीवित किया गया था। दूसरा, इन स्थितियों के तहत एकत्र किए गए क्रोनोएम्पेरोग्राम ने प्रदर्शित किया कि ऑक्सीडेटिव क्षमता पर स्थिर-राज्य धाराएं अधिक थीं, जो चक्रीय वोल्टामेट्री परिणामों में देखे गए उत्प्रेरक प्रवर्धन के अनुरूप थीं। यह कदम यह भी बताता है कि इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया द्वारा थोक रासायनिक प्रतिक्रिया को बनाए रखा जाता है; इस प्रकार, नियंत्रण विधि पर कोई भी सुधार माप अवधि से अधिक समय तक चलेगा। हालांकि, माप परिशुद्धता में किसी भी सुधार का आकलन करने के लिए यह अकेले अपर्याप्त है; ऐसा करने के लिए, पॉलीस्टाइनिन मोतियों की उपस्थिति में क्रोनोएम्पेरोमेट्री डेटा एकत्र किया जाना चाहिए।

साइज़िंग परिशुद्धता का आकलन करने के लिए, क्रोनोएम्पेरोग्राम डेटा 2 μm कार्बोक्सिलेटेड पॉलीस्टाइनिन मोतियों का उपयोग करके एकत्र किया गया था। उनके अलावा, क्रोनोएम्पेरोग्राम धारा में चरण-वार परिवर्तन देखे गए क्योंकि व्यक्तिगत कण प्रभावित और अवशोषित होते हैं (चित्रा 2 ए नियंत्रण, चित्रा 2 बी इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट)। स्थिर-अवस्था वर्तमान परिमाण में प्रत्येक चरण-वार परिवर्तन को कण त्रिज्या में परिवर्तित किया गया था, और डेटा को हिस्टोग्राम के रूप में देखा गया था ताकि इन विद्युत रासायनिक तकनीकों से वितरण की तुलना सोने की मानक तकनीक से की जा सके, जैसे कि स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (चित्रा 3)। इस तुलना ने तब प्रत्येक साइज़िंग दृष्टिकोण से जुड़े सटीक मैट्रिक्स के लक्षण वर्णन की अनुमति दी।

इन प्रयोगात्मक टिप्पणियों का समर्थन करने के लिए मॉडलिंग का उपयोग किया गया था। विशेष रूप से, पहले से चक्रीय वोल्टामोग्राम को फिट करने से पैरामीटर प्राप्त हुए जो इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया और समाधान-चरण रासायनिक प्रतिक्रिया दोनों की विशेषता है (चित्रा 4)। नियंत्रण समाधान से, प्राप्त कुछ नमूना पैरामीटर Ef = 0.49 V, k 0 = 0.02 cm-s-1, और T = 25° C पर त्रिभुज = 10 mV/s-1 थे। परीक्षण समाधान से, गतिज पैरामीटर जो वर्तमान पीढ़ी को सीमित करते हैं, प्राप्त किए जा सकते हैं; विशेष रूप से, जैसे ही Keq अनंत के करीब पहुंचता है, kobs = 2,200 M-1.s-1। संख्यात्मक सिमुलेशन तब इन मूल्यों का उपयोग रेडॉक्स जांच की एकाग्रता प्रोफ़ाइल उत्पन्न करने के लिए प्रारंभिक स्थितियों के रूप में कर सकते हैं (चित्रा 5)। माल्टोज की अनुपस्थिति में, परिणामी प्रसार प्रोफ़ाइल रेडियल थी, जिससे विषम सामग्री प्रवाह होता था; विशेष रूप से, किनारों पर इलेक्ट्रोड में अधिक सामग्री फैल जाती है। माल्टोज की शुरूआत ने प्रसार प्रोफ़ाइल को संकुचित कर दिया, बदले में, इलेक्ट्रोड सतह पर अधिक सजातीय धाराओं का उत्पादन किया।

Figure 1
चित्रा 1: प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल का योजनाबद्ध। प्रत्येक प्रयोगात्मक रन से पहले इलेक्ट्रोड को पॉलिश करें। सब्सट्रेट के अतिरिक्त वर्तमान वृद्धि का निरीक्षण करने के लिए इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट को लागू करने के साथ और बिना मोतियों की अनुपस्थिति में इलेक्ट्रोकेमिकल माप (चक्रीय वोल्टामेट्री और क्रोनोएम्पेरोमेट्री) का एक बेसलाइन सेट एकत्र करें। मोतियों में स्पाइक, और प्रभावित नैनोकणों के आकार निर्धारण के लिए विद्युत रासायनिक माप का एक दूसरा सेट एकत्र करें। संख्यात्मक सिमुलेशन का उपयोग करके कार्रवाई के तंत्र को मान्य करें। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: 11 μm व्यास कार्बन-फाइबर अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड का उपयोग करके एकत्र किए गए क्रोनोम्पेरोग्राम इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट का उपयोग करके प्राप्त माप परिशुद्धता में सुधार का प्रदर्शन करते हैं। विशेष रूप से, जब (ए) अनुपस्थिति (नियंत्रण) और (बी) 120 एमएम माल्टोज (इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट) की उपस्थिति में 1 एमएम टेम्पो के समाधान में वर्तमान बनाम समय को मापते हैं, तो बाद के मामले में देखे गए चरण अधिक सजातीय थे। चुंग एट अल 20 से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: पारंपरिक, प्रसार-सीमित विद्युत रासायनिक दृष्टिकोण की तुलना में इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट का उपयोग करते समय सटीक इलेक्ट्रोकेमिकल साइज़िंग डेटा। इस डेटा का प्रतिनिधित्व करने के लिए, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (लाइट ग्रे) और इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री (इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट, गुलाबी; नियंत्रण, डार्क ग्रे) का उपयोग करके निर्धारित आकार वितरण की तुलना करने वाले हिस्टोग्राम तैयार करें। पारंपरिक नैनोइम्पैक्ट अध्ययन, जिसमें मध्यस्थ के बड़े पैमाने पर परिवहन द्वारा वर्तमान सीमित है, कृत्रिम रूप से व्यापक अनुमानित आकार वितरण (डार्क ग्रे) का उत्पादन करता है। इसके विपरीत, इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट को लागू करने से संकीर्ण, अधिक सटीक आकार अनुमान (गुलाबी) होता है। चुंग एट अल 20 से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: नई प्रतिक्रिया योजना को चिह्नित करने के लिए इलेक्ट्रोड कैनेटीक्स का मॉडलिंग। चक्रीय वोल्टामोग्राम फिटिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करके, प्रयोगात्मक डेटा से इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया पैरामीटर निकालें। (ए) 1 एमएम टेम्पो के साथ डेटा। (बी) 1 एमएम टेम्पो प्लस 120 एमएम माल्टोज के साथ डेटा। चुंग एट अल 20 से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: संख्यात्मक सिमुलेशन द्वारा कल्पना की गई इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट शुरू करने पर इलेक्ट्रोड सतह पर सामग्री प्रवाह में परिवर्तन । (ए) माल्टोज को जोड़ने से प्रसार परत एकाग्रता-निर्भर तरीके से संकुचित हो जाती है। (बी) माल्टोज के अलावा इलेक्ट्रोड किनारों पर विषम प्रवाह को कम करता है। चुंग एट अल 20 से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

इलेक्ट्रोकैटेलिटिक रुकावट को लागू करना आसान है और परिमाण के क्रम से नैनोइम्पैक्ट इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री से जुड़ी अशुद्धता को कम करता है। यह बढ़ी हुई परिशुद्धता सीधे शोधकर्ताओं को मिश्रित समाधान20 में अलग-अलग आकार के कणों के बीच भेदभाव करने में सक्षम बनाती है। यह इलेक्ट्रोड17,21,23,34 की त्रिज्या के 15% -20% की ऐतिहासिक रूप से रिपोर्ट की गई सीमा से छोटे रेडॉक्स-निष्क्रिय कणों का विश्वसनीय रूप से पता लगाने की क्षमता को भी बढ़ाता है।

जबकि इलेक्ट्रोकेमिकल रुकावट विभिन्न इलेक्ट्रो-निष्क्रिय सामग्रियों के नैनोकणों का पता लगाने के लिए विभिन्न रेडॉक्स सिस्टम को समायोजित कर सकती है, ऐसे रेडॉक्स सिस्टम की पहचान करना एक बड़ी चुनौती बनी हुई है। इलेक्ट्रोकेमिकल रुकावट को लागू करने के लिए मुख्य बाधा एक रासायनिक प्रतिक्रिया की पहचान कर रही है जो किनारे के प्रभावों के भ्रामक योगदान को काफी कम करने के लिए पर्याप्त तेज है। विशेष रूप से, जबकि ईसी ' प्रतिक्रियाओं के कुछ उदाहरण, जिसमें इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया के बाद एक रासायनिक प्रतिक्रिया होती है जो इलेक्ट्रोड अभिकारक को पुनर्जीवित करती है, 29,32,53,54,55 साहित्य में अच्छी तरह से विशेषता है, कुछ माप परिशुद्धता में सुधार करने के लिए पर्याप्त रूप से तेज हैं। इस अध्ययन में, उन प्रतिक्रियाओं में से जो पर्याप्त रूप से तेज हैं, एक टेम्पो-माल्टोज़ प्रणाली को चुना गया था, और इससे 2,200 एम -1 की देखी गई दर स्थिर थी। यह, मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन के साथ संयोजन में जो दर्शाता है कि तेज प्रतिक्रिया दर इलेक्ट्रोड किनारे पर अधिक सजातीय प्रवाह का कारण बनती है, इस निष्कर्ष का समर्थन करती है कि केवल तेज रासायनिक प्रतिक्रियाएं अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड पर कई गुना वर्तमान वृद्धि उत्पन्न करती हैं।

उत्प्रेरक रुकावट को व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड के लिए डेटा हेरफेर या संशोधन की आवश्यकता नहीं होती है। नैनोइम्पैक्ट डेटा की विषम वर्तमान परिमाण विशेषता की व्याख्या करने के लिए, बोनेज़ी और बोइका ने एक सैद्धांतिक मॉडल पेश किया जो वर्तमान चरण परिमाण को कण आकार25 से संबंधित करता है। हालांकि, यह विश्लेषण टकराव आवृत्ति के कार्य के रूप में वर्तमान परिमाण के औसत पर बहुत अधिक निर्भर करता है। न केवल यह व्यक्तिगत कणों के गुणों में अंतर्दृष्टि को रोकता है, बल्कि यह तकनीक इलेक्ट्रोड के लिए रेडॉक्स रिपोर्टर के प्रवाह पर भी निर्भर रहती है और किनारे के प्रभाव की समस्या को दूर नहीं करती है, जिसके परिणामस्वरूप परिशुद्धता कम हो जाती है। डेंग एट अल ने पारा51 से निर्मित एक अर्धगोलाकार अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड का उपयोग करते हुए किनारे के प्रभावों को संबोधित करने के लिए पहला प्रयोगात्मक दृष्टिकोण पेश किया। पारा ड्रॉपलेट इलेक्ट्रोड, हालांकि, विषाक्त, यांत्रिक रूप से अस्थिर हैं, और केवल एक सीमित संभावित खिड़की56 पर स्थिर हैं। इसके अलावा, अन्य सामग्रियों का उपयोग करके पूरी तरह से अर्धगोलाकार माइक्रोइलेक्ट्रोड बनाना (और बनाए रखना) चुनौतीपूर्ण51,52 बना हुआ है। हाल ही में, मोज़ेनज़ादे एट अल ने नैनोइम्पैक्ट लक्षण वर्णन52 के लिए रिंग अल्ट्रामाइक्रोइलेक्ट्रोड का प्रस्ताव दिया। यह ज्यामिति आशाजनक है लेकिन नैनोफैब्रिकेशन क्षमताओं की आवश्यकता है। इसके विपरीत, उत्प्रेरक रुकावट एक इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री प्रयोगशाला में सार्वभौमिक रूप से पाए जाने वाले सामग्रियों के साथ नैनोइम्पैक्ट प्रयोगों को सक्षम बनाता है।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस काम को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (एनआईएच) अनुदान R35GM142920 द्वारा वित्त पोषित किया गया था। यहां रिपोर्ट किए गए शोध में सामग्री अनुसंधान सुविधा नेटवर्क (www.mrfn.org) के सदस्य यूसीएसबी एमआरएसईसी (एनएसएफ डीएमआर 1720256) की साझा सुविधाओं का उपयोग किया गया है। हम इस काम के संदर्भ में मूल लेख में योगदान देने के लिए फोएबे हर्टलर को धन्यवाद देते हैं। हम स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों के अधिग्रहण में सहायता के लिए डॉ क्लेयर चिशोल्म को धन्यवाद देते हैं।

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

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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).

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रसायन विज्ञान अंक 198
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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).

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