Summary
분석 기술로서 나노 미터 규모의 전기 비활성 입자를 계산하고 특성화하는 데 점점 더 중요한 접근 방식 인 나노 충격 전기 화학은 초 미세 전극 사용으로 인해 발생하는 이질적인 전류 분포로 인해 정밀도가 떨어집니다. 여기에 요약된 것은 이러한 측정의 정밀도를 향상시키는 "전기 촉매 중단"이라고 하는 일반화된 접근 방식입니다.
Abstract
나노충격 전기화학은 단일 나노물질 단위의 시간 분해 현장 특성화(예: 크기, 촉매 활성)를 가능하게 하여 앙상블 연구에서 가려질 수 있는 이질성을 설명하는 수단을 제공합니다. 산화 환원 비활성 입자로 이 기술을 구현하기 위해 용액 상 산화 환원 반응을 사용하여 디스크 초미세 전극에서 정상 상태 배경 전류를 생성합니다. 입자가 전극에 흡착되면 노출된 전극 면적이 단계적으로 감소하고, 이는 차례로 흡착 종의 크기에 비례하는 전류를 단계적으로 감소시킵니다. 그러나 역사적으로 나노 충격 전기 화학은 초 미세 전극의 둘레에 형성된 방사형 확산층이 입자의 크기뿐만 아니라 전극에 떨어지는 위치에 따라 스텝 크기를 만드는 "가장자리 효과"로 어려움을 겪었습니다. 그러나 전기 촉매 전류 생성의 도입은 에지 효과로 인한 이질성을 완화하여 측정 정밀도를 향상시킵니다. "전기촉매 중단"이라고 하는 이 접근법에서는 확산층에서 산화환원 프로브를 재생하는 기판이 도입됩니다. 이것은 현재 세대의 속도 제한 단계를 확산에서 균일한 반응 속도 상수로 전환하여 플럭스 이질성을 줄이고 입자 크기의 정밀도를 한 자릿수만큼 증가시킵니다. 여기에 설명된 프로토콜은 산화 환원 활성 물질의 크기 조정에서 정밀도를 향상시키기 위해 이 효과를 구현하는 나노충격 실험에 사용되는 설정 및 데이터 수집을 설명합니다.
Introduction
나노충격 전기화학은 시료 1,2,3,4,5,6,7에서 개별 입자를 현장에서 시간 분해 검출할 수 있는 전기화학 기술입니다. 이 접근법에 의해 특징 지어 질 수있는 개별 입자는 광범위한 물질 6,8,9,10,11,12,13에 걸쳐 있으며 개별 원자에서 전체 세포 7,8,14,15,16까지의 치수를 포함합니다 . 이러한 작은 물질의 검출 및 특성화를 수용하기 위해 이 기술은 미크론 및 서브미크론 크기의 디스크 초미세전극을 사용합니다. 이러한 전극에 대한 전기 활성 나노 입자의 영향은 나노 입자가 산화 환원 반응을 겪을 때 쉽게 정량화 할 수있는 전류 변화를 생성합니다. 이를 전기 활성 물질의검출로 확장하기 위해, 나노 입자의 흡착이 전극(17)의 표면적을 변화시킴에 따라 단계적으로 감소되는 정상 상태 전류를 생성하기 위해 배경 전기화학 반응이 사용된다. 이 방식에서는 각 나노 충격에 의해 생성 된 상대적 변화를 증가시키기 위해 초 미세 전극이 사용됩니다. 그러나 이러한 미세 전극이 생성하는 방사형 확산층은 "에지 효과"로 인해 측정 정밀도를 감소시킵니다(18). 이는 전극에 대한 산화 환원 종의 플럭스가 중심(19)보다 전극의 가장자리에서 더 크기 때문에 발생합니다. 따라서, 단일 나노입자가 전극 표면의 가장자리에 착륙할 때, 결과적인 전류 이벤트는 전극(19)의 중심에 착륙하는 동일한 입자에 대해 보이는 것보다 더 크며, 이 효과는 이들의 작은 면적 대 둘레 비율로 인해 초미세전극에 대해 더 중요하다. 이러한 가장자리 효과는 나노 충격 전기 화학의 정밀도를 크게 떨어 뜨립니다. 이들의 존재로 인해, 나노충격 사이징에 의해 생성된 추정된 입자 크기 분포는 "금본위제" 현미경 기술(20)을 사용하여 얻은 것보다20배 더 넓다. 이러한 감소된 정밀도는 나노 스케일 4,17,19,21,22,23,24,25,26에서 산화 환원 비활성 물질의 이질성을 평가하기 위한 분석 기술로서 나노충격 전기화학의 사용을 손상시킵니다.
우리는 최근 나노 임팩트 접근법20에서 가장자리 효과를 완화하는 방법 (그림 1)을 도입했습니다. 이 방법에서, 기판의 도입은 초미세전극 표면 근처에서 산화환원 종을 재생시킨다. 이것은 전류 생성의 속도 제한 단계를 확산에서 용액27,28에서 산화 환원 종의 균일 한 화학 반응 속도로 전환하여 방사형 확산 장이 이종 전류에 기여하는 정도를 줄입니다. 구체적으로, 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 1-옥실(TEMPO)의 산화는 초미세전극(29)에서 배경 산화환원 반응을 제공한다. 여기에 맥아당을 첨가하면 TEMPO30,31의 환원 된 형태가 재생됩니다. 이 재생은 빠르고(32), 확산층을 압축하고, 공간 착륙(20)과 관련된 현재의 이질성을 감소시킨다. 결과적으로, "전기 촉매 중단"접근법은 나노 충격 입자 크기의 정밀도를 몇 배나 향상시킵니다.
Protocol
1. 저소음 시스템 구축
참고: 관련 실험에는 저전류의 고도로 시간 분해된 측정을 달성할 수 있는 전위차기가 필요합니다. 이를 위해 펨토암페어 수준에서 전류를 정량화할 수 있는 1μs 시간 분해능이 가능한 연구용 상업용 전위차기를 사용하십시오. 환경으로부터의 전자 간섭을 더욱 줄이려면 두 개의 중첩 패러데이 케이지 내에서 실험을 수행하십시오. 설정이 0.1M 염화칼륨에서 10Hz로 샘플링된 크로노암페로메트리 실험에 대해 100fA 미만의 평균 제곱근 편차를 가질 수 있는지 확인합니다.
- 전위차 및 패러데이 케이지를 포함한 장비를 확보하고 설정합니다.
참고: 패러데이 케이지는 상업적으로 얻거나 전도성 금속(예: 구리 또는 알루미늄)을 사용하여 맞춤 제작할 수 있습니다. 맞춤형으로 제작된 알루미늄 패러데이 케이지가 여기에 설명된 연구에 사용되었습니다( 재료 표 참조).
2. 실험 준비
- 시중에서 판매되는 2μm 직경의 카르복실레이트 변성 폴리스티렌 비드를 사용하십시오( 재료 표 참조).
참고: 이 시스템은 다른 전기 비활성 종으로 일반화될 수 있지만23,33, 충격은 브라운 운동 외에도 전기영동 이동에 의존한다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 따라서, 관심 종에 잠재적인 매력을 적용하고, 낮은 염 농도를 유지한다17. - 실온에서 최소 1 개월 동안 보관할 수있는 다음 용액을 준비하십시오.
- 50 mM 탄산염 용액을 준비하고, 1 M NaOH를 사용하여 pH 12.0으로 적정한다. 매주 pH를 모니터링하십시오.
- 1M 과염소산 나트륨 용액을 준비하십시오.
- 다음 용액을 매일 신선하게 준비하고 하루가 끝나면 폐기하십시오.
- pH 12.0의 50 mM 탄산염 용액에서 10 mM TEMPO를 준비한다.
- 50 mM 탄산염 용액, pH 12.0에서 500 mM 말토오스 스톡을 준비한다.
- 작동 전극을 선택합니다. 일관된 결과를 얻으려면 특성화할 종의 반경이 전극 반경 17,21,23,33,34의 10%-15% 이상이 되도록 초미세전극(재료 표 참조)을 선택하십시오.
참고: 이 비율은 특정 관심 종의 최적 검출을 위해 충격 관련 전류 단계의 크기를 결정한 후 최소화할 수 있습니다. 선택된 전극 재료는 배경 산화 환원 반응을 촉매해야 합니다. - 각각 5mL의 두 개의 전기 화학 셀을 준비합니다.
- pH 12.0의 탄산염 완충액에서 1 mM TEMPO 및 5 mM 과염소산나트륨( 재료 표 참조)을 함유하는 대조군 셀을 준비한다.
- pH 12.0의 탄산염 완충액에서 1 mM TEMPO, 5 mM 과염소산나트륨 및 120 mM 말토스의 용액을 함유하는 시험 셀을 준비한다.
참고: 기질에 대한 산화환원 매개체의 비율(여기서, TEMPO 대 맥아당)은 반응 속도20의 효과를 탐색하기 위해 변화될 수 있다. 이 값은 균질 화학 반응에 대한 통찰력을 제공합니다. - 이 셀을 준비한 후 나중에 전기 화학적 측정을 위해 따로 보관하십시오.
3. 전극 연마
- 각 실험 실행 전에 연마 패드에서 1μm, 0.3μm 및 0.5μm 알루미나 슬러리( 재료 표 참조)를 사용하여 각각 2분 동안 전극을 순차적으로 연마합니다.
- 균일한 광택35,36을 보장하기 위해 전극을 "그림 8" 패턴으로 이동합니다. 탈 이온수로 충분히 헹구고 실험실 물티슈로 말리십시오.
참고: 초미세전극을 초음파 처리하면 손상될 수 있으므로 초음파 처리하지 마십시오.
4. 전기화학적 측정
참고: 결과는 그림 2 를 참조하십시오.
- 전기화학적 측정을 위해 3전극 설정을 활용합니다. 여기에 설명된 실험을 위해 11μm 탄소 섬유 초미세 전극, 백금 와이어 상대 전극 및 포화 칼로멜 기준 전극(SCE)을 사용합니다( 재료 표 참조).
참고: 실험을 위한 전기화학적 전위 창은 아래에 나와 있습니다. 참고로, TEMPO는 SCE에 비해 0.49 V의 공식 전위를 가지며, 말토오스는 이러한 실험에 사용된 전위 창에서 전기활성이 아닙니다. 기준 전극으로부터의 임의의 누출은 총 염 농도(37)에 영향을 미칠 수 있고, 따라서 초미세전극으로의 입자의 전기영동 구동을 감소시키고 계수 효율(17)을 감소시킨다. 실험에서 낮은 충격 주파수가 생성되면 누출이 없는 기준 전극(38,39)으로 전환하는 것을 고려하십시오. - 패러데이 케이지에 제어 셀을 설정하고 전극을 적절한 케이블에 연결합니다. 각 셀에 대한 첫 번째 전기화학적 측정값 세트를 수집합니다. 이것은 아래에 자세히 설명된 대로 순환 전압전류법 실험과 크로노암페로메트리 실험으로 구성됩니다.
- 10 mV·s−1, 20 mV·s−1, 30 mV·s−1, 40 mV·s−1 및 50 mV·s−1의 스캔 속도에서 0.2 V에서 0.8 V까지의 전위 윈도우를 사용하여 순환 전압전류법 데이터를 수집합니다.
- 10분 동안 0.8V 대 SCE를 적용하여 크로노암페로메트리 데이터를 수집하고 10Hz 샘플링 속도로 기록합니다.
참고: 10분의 샘플링 기간은 크로노암페로메트리 실험에서 이후 단계에서 10-15개의 개별 충격을 얻는 것이 좋습니다. 이 시점에서 영향은 없을 것으로 예상됩니다.
- 다음으로, 폴리스티렌 비드의 희석 용액을 최종 농도 0.66 pM17 로 각각의 전기화학 전지에 스파이크한다. 폴리스티렌 비드를 첨가한 후, 각 셀에 대한 전기화학적 측정의 제2 세트를 수집한다.
참고: 충격 빈도는 이 농도의 함수이며 중첩충격 40,41,42,43으로 크로노암페로그램을 포화시키지 않고 통계 분석을 위한 충분한 데이터를 수집하기 위해 최적화가 필요합니다.- 10분 동안 0.8V 대 SCE를 적용하여 크로노암페로메트리 데이터를 수집하고 10Hz 샘플링 속도로 기록합니다.
- 통계 분석을 위해 충분한 데이터 포인트가 수집될 때까지 크로노암페로메트릭 측정을 반복합니다. 신뢰 수준이 95%이고 검정력이 80%인 여러 크기 조정 방법 간의 차이를 탐지하려면 약 200개의 개별 영향 사건의 표본 크기를 선택합니다.
5. 주사전자현미경(SEM)
참고 : 주사 전자 현미경을 "황금 표준"기술로 사용하여 나노 입자 크기와 샘플 이질성을 확인하십시오19,44.
- 시료 전처리
- 이미징을 위한 샘플을 준비하려면 카르복실 라텍스 비드 현탁액( 재료 표 참조)을 물에 1:20으로 희석합니다. 유리 슬라이드에 10μL를 드롭캐스트하고 질소 흐름 하에서 건조시킨 다음 아르곤 하에서 금-팔라듐 전도성 층으로 샘플을 스퍼터 코팅합니다.
- 이미징
- 5kV의 가속 빔 전압과 0.4nA의 전류를 사용하여 통계 분석에 적합한 이미지를 수집합니다. ImageJ45,46 또는 이에 상응하는 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 입자 크기를 측정합니다.
6. 전기화학 데이터 분석
- 전위차 조절기의 소프트웨어를 사용하여 전기화학적 데이터를 기록하고, 나노충격 이벤트(20 )로부터 발생하는 정상 상태 전류(현재 단계)의 검출된 변화로부터 전류 크기를 추출할 수 있는 서면 스크립트(20)를 사용하여 이러한 결과를 분석한다.
참고: 이 스크립트는 이전에 게시된 보고서20에 보충 정보의 일부로 포함되어 있습니다. - 다음 방정식을 사용하여 현재 단계의 진폭을 비드 반지름으로 변환합니다.
참고: 여기서, rb는 비드 반지름이고, rel은 전극 반지름이고, Δ I ss/Iss는 입자의 흡착에 의해 생성된 전류의 변화와 해당 입자의 흡착 전에 관찰된 초기 정상 상태 전류 사이의 비율이고, f(MT,Geom) = 0.067은 기하학적 및 질량 수송 고려 사항20에 따라 달라지는 경험적 스케일링 계수입니다. 25. - 주어진 비드 반경 대 반경을 감지하는 빈도(그림 3)를 플로팅하여 분포 메트릭을 정량화합니다.
7. 모델링
알림: 원하는 경우 전기 촉매 중단이 작동하는 메커니즘은 확산 제한 전류 생성에서 반응 속도 제한 전류 생성으로의 전환을 확인하여 검증할 수 있습니다. 설명하고 시각화하기 위해 두 가지 수치 시뮬레이션 프로그램, 즉 동종 속도 상수를 결정하기 위한 DigiSim과 같은 전압전류도 피팅 소프트웨어와 초미세전극 표면의 확산 프로파일에 대한 국부적 변화를 시각화하기 위한 COMSOL Multiphysics와 같은 다중물리 모델링 플랫폼을 사용합니다( 재료 표 참조).
- 볼타모그램 피팅
알림: 전압전류계 피팅 소프트웨어를 사용하여 균일한 속도 상수를 결정합니다(그림 4).- 1mM TEMPO(전용) 및 1mM TEMPO와 120mM 맥아당을 포함하는 용액에서 주기적 전압계를 수집합니다. 각 조건에 대해 다양한 스캔 속도로 데이터를 수집하고 이 데이터를 사용하여 이러한 실험 데이터 세트의 수치 피팅을 수행합니다.
- 전극47,48에 의해서만 구동되는 반응 과정을 설명하는 E 메커니즘을 사용하여 TEMPO-전용 실험으로부터 수집된 전압항법을 피팅한다. 이렇게 하면 전극 매개변수가 생성됩니다.
- 7.1.1.1 단계에서 얻은 전극 파라미터를 사용하여 1mM TEMPO와 120 맥아당 용액에서 생성된 전압암모그램을 EC' 메커니즘47,48에 맞추며, 이는 산화 환원 매개체를 재생하는 균일한 화학 반응이 뒤따르는 전극 공정을 설명합니다. 이렇게 하면 균질한 속도 상수가 생성됩니다.
- 1mM TEMPO(전용) 및 1mM TEMPO와 120mM 맥아당을 포함하는 용액에서 주기적 전압계를 수집합니다. 각 조건에 대해 다양한 스캔 속도로 데이터를 수집하고 이 데이터를 사용하여 이러한 실험 데이터 세트의 수치 피팅을 수행합니다.
- 다중물리 모델링
- 다중 물리 모델링 플랫폼을 사용하여 제어 및 전기 촉매 차단 시스템 20,49,50,51,52 모두에 대한 초미세전극 표면의 확산 프로파일 변화를 시각화합니다(그림 5). 전압 전류도 피팅에서 얻은 전극 매개변수와 균질 속도 상수를 초기 조건으로 사용합니다. 다양한 소프트웨어에 적용할 수 있는 워크플로에 대한 광범위한 개요가 아래에 나와 있습니다.
- 전역 매개 변수를 입력합니다. 이는 농도 값, 확산 계수, 전극 반경 및 온도와 같은(이에 국한되지 않음) 고정된 값으로 구성됩니다.
- 시뮬레이션 공간을 구축합니다. 이것은 전극, 절연 피복, 관심 영역을 나타내는 주변 용액 공간 및 벌크 주변을 나타내는 무한 요소 영역을 포함하는 일련의 형상입니다.
- 시뮬레이션을 정의하기 위해 물리 패키지를 소개합니다.
- 전극 공간을 전기 해석 스터디와 연관시킵니다. 여기에서 관심 있는 초기값과 전극 반응을 정의합니다.
- 주변 용액 공간을 화학 연구와 연관시킵니다. 여기에서 전극 반응에 뒤따르는 균질한 화학 반응을 정의합니다.
- 전체 시뮬레이션 공간에 메쉬를 도입합니다. 이것은 모델을 풀기 위해 지오메트리를 분할하는 방법을 정의합니다. 고품질 결과를 얻으려면 전극 근처에 더 미세한 메쉬를 사용하십시오.
- 동종 속도 상수의 결과로 나타나는 변화를 관찰하려면 모수 스터디를 사용하여 이 매개변수의 값을 변경하여 모형을 풉니다.
- 변화를 시간의 함수로 관찰하려면 시간 종속 스터디를 사용하여 이 매개변수의 값을 변경하여 모형을 풀어야 합니다.
Representative Results
전기 촉매 차단은 1차 전류 생성 메커니즘을 확산 제한(즉, 산화환원 프로브의 전극으로의 수송에 의해 제한됨)에서 동역학적 제한(즉, 빠른 용액 상 반응에 의해 제한됨)으로 전환하여 에지 효과를 완화합니다(20). 이 방법은 모듈식이므로 전극 재료, 산화 환원 프로브 및 기판을 선택하는 데 있어 믹스 앤 매치(mix-and-match) 접근 방식을 사용할 수 있으며, 이는 많은 나노 및 바이오 재료의 검출에 전기 촉매 중단을 가능하게 합니다 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,22 . 반경 5.5μm 탄소 섬유 전극에 이 기술을 구현하면 산화 환원 프로브로 TEMPO를 포함하고 기판으로 맥아당을 포함하는 용액에서 모델 시스템(폴리스티렌 비드)의 전기화학적 크기 조정과 관련된 정밀도가 10배 향상되었습니다.
이 프로토콜에 따라 이 메커니즘을 검증하는 데 필요한 데이터 세트와 전기 비활성 나노입자의 크기를 측정할 때 분석 정밀도를 복원하는 능력을 얻을 수 있습니다. 첫째, 폴리스티렌 비드가 없는 상태에서 수집된 순환 전압전류압 데이터는 TEMPO 단독을 포함하는 대조 실험에서 가역적인 산화환원 현상을 보여주었습니다. 여기서부터, 맥아당의 첨가는 산화 피크의 증가와 산화 된 TEMPO가 맥아당에 의해 재생됨에 따라 환원 피크의 동시 손실을 초래했다. 둘째, 이러한 조건에서 수집된 크로노암페로그램은 산화 전위에서의 정상 상태 전류가 더 높으며, 이는 순환 전압전류법 결과에서 관찰된 촉매 증폭과 일치한다는 것을 보여주었습니다. 이 단계는 또한 벌크 화학 반응이 전극 반응에 의해 유지됨을 시사합니다. 따라서 제어 방법에 대한 개선은 측정 기간 동안 지속됩니다. 그러나 이것만으로는 측정 정밀도의 개선 사항을 평가하기에는 충분하지 않습니다. 이를 위해서는 폴리스티렌 비드가 있는 상태에서 크로노암페로메트리 데이터를 수집해야 합니다.
사이징 정밀도를 평가하기 위해 2μm 카르복실화 폴리스티렌 비드를 사용하여 크로노암페로그램 데이터를 수집했습니다. 추가시 크로노 암페로 그램 전류의 단계적 변화가 개별 입자가 충격을 받고 흡수됨에 따라 관찰되었습니다 (그림 2A 제어, 그림 2B 전기 촉매 중단). 정상 상태 전류 크기의 각 단계별 변화를 입자 반경으로 변환하고 데이터를 히스토그램으로 시각화하여 이러한 전기 화학 기술의 분포를 주사 전자 현미경과 같은 황금 표준 기술의 분포와 비교했습니다(그림 3). 그런 다음 이 비교를 통해 각 크기 조정 방법과 관련된 정밀도 메트릭의 특성화를 허용했습니다.
이러한 실험적 관찰을 지원하기 위해 모델링이 활용되었습니다. 특히, 이전의 순환 전압암모그램을 맞추면 전극 반응과 용액상 화학 반응을 모두 특징짓는 매개변수가 생성되었습니다(그림 4). 대조 용액에서 얻은 일부 샘플 매개변수는 Efθ = 0.49 V, k 0 =0.02 cm·s-1 및 ν = 10 mV·s-1 T = 25°C에서. 테스트 솔루션으로부터, 전류 생성을 제한하는 운동 파라미터를 얻을 수 있었다; 구체적으로,KEQ가 무한대에 가까워질수록,kobs = 2,200 M-1·s-1. 그런 다음 수치 시뮬레이션은 이 값을 산화환원 프로브의 농도 프로파일을 생성하기 위한 초기 조건으로 사용할 수 있습니다(그림 5). 맥아당이 없는 경우, 결과적인 확산 프로파일은 방사형이었고, 이질적인 물질 플럭스를 초래하였다; 특히, 더 많은 물질이 가장자리에서 전극으로 확산되었습니다. 맥아당의 도입은 확산 프로파일을 압축하여 전극 표면 전체에 걸쳐 보다 균일한 전류를 생성합니다.
그림 1: 실험 프로토콜의 개략도. 각 실험을 실행하기 전에 전극을 연마하십시오. 전기 촉매 중단을 구현하거나 구현하지 않은 비드가 없을 때 전기화학적 측정의 기준선 세트(순환 전압전류법 및 크로노암페로메트리)를 수집하여 기판 추가에 따른 전류 향상을 관찰합니다. 비드를 스파이크하고, 충격 나노입자의 크기 결정을 위한 전기화학적 측정의 제2 세트를 수집한다. 수치 시뮬레이션을 사용하여 작용 메커니즘을 검증합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 11μm 직경의 탄소 섬유 초미세전극을 사용하여 수집한 크로노암페로그램은 전기 촉매 중단을 사용하여 달성한 측정 정밀도의 향상을 보여줍니다. 구체적으로, (A) 부재 (대조군) 및 (B) 120 mM 말토오스의 존재 (전기촉매 중단)에서 1 mM TEMPO의 용액 중의 전류 대 시간을 측정할 때, 후자의 경우에 관찰된 단계들은 더 균질하였다. Chung et al.20의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 기존의 확산 제한 전기화학적 접근 방식과 비교하여 전기 촉매 중단을 사용할 때의 정확한 전기화학적 크기 측정 데이터. 이 데이터를 나타내기 위해 주사 전자 현미경(밝은 회색)과 전기 화학(전기 촉매 중단, 분홍색, 대조군, 짙은 회색)을 사용하여 결정된 크기 분포를 비교하는 히스토그램을 준비합니다. 전류가 매개체의 질량 수송에 의해 제한되는 기존의 나노 충격 연구는 인위적으로 넓은 추정 크기 분포 (짙은 회색)를 생성합니다. 대조적으로, 전기 촉매 차단을 구현하면 더 좁고 정확한 크기 추정(분홍색)이 가능합니다. Chung et al.20의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 새로운 반응 방식을 특성화하기 위한 전극 역학 모델링. 순환 전압전류도 피팅 소프트웨어를 사용하여 실험 데이터에서 전극 반응 파라미터를 추출합니다. (A) 1mM TEMPO의 데이터. (B) 1mM TEMPO와 120mM 맥아당을 더한 데이터. Chung et al.20의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 수치 시뮬레이션으로 시각화된 전기 촉매 중단을 도입할 때 전극 표면에서 재료 플럭스의 변화 . (A) 맥아당의 첨가는 농도 의존적 방식으로 확산층을 압축한다. (B) 맥아당의 첨가는 전극 가장자리에서 이질적인 플럭스를 저하시킨다. Chung et al.20의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
전기 촉매 차단은 구현하기 쉽고 나노 충격 전기 화학과 관련된 부정확성을 몇 배나 줄입니다. 이러한 향상된 정밀도는 연구자들이 혼합 용액20에서 상이한 크기의 입자들을 구별할 수 있게 한다. 또한 전극 반경의 15%-20%인 역사적으로 보고된 한계보다 작은 산화환원 비활성 입자를 안정적으로 감지하는 능력을 향상시킵니다(17,21,23,34).
전기화학적 중단은 다양한 전기비활성 물질의 나노입자 검출을 위한 다양한 산화환원 시스템을 수용할 수 있지만, 이러한 산화환원 시스템을 식별하는 것은 여전히 주요 과제로 남아 있습니다. 전기화학적 중단을 구현하는 데 있어 주요 장벽은 가장자리 효과의 교란 기여를 크게 줄일 수 있을 만큼 충분히 빠른 화학 반응을 식별하는 것입니다. 구체적으로, 전극 반응에 이어 전극 반응물을 재생하는 화학 반응이 뒤따르는 EC' 반응의 일부 예가 문헌 29,32,53,54,55에 잘 특성화되어 있지만, 측정 정밀도를 개선하기에 충분히 빠른 것은 거의 없습니다. 이 연구에서는 충분히 빠른 반응에서 TEMPO-맥아당 시스템을 선택했으며 관찰된 속도 상수는 2,200M-1·s-1이었습니다. 이것은 더 빠른 반응 속도가 전극 가장자리에서 더 균일한 플럭스로 이어진다는 것을 보여주는 다중물리 시뮬레이션과 함께 빠른 화학 반응만이 초미세전극에서 몇 배의 전류 향상을 가져온다는 결론을 뒷받침합니다.
촉매 중단은 상업적으로 이용 가능한 초미세전극에 대한 데이터 조작 또는 수정을 필요로 하지 않습니다. 나노 충격 데이터의 이질적인 전류 크기 특성을 설명하기 위해 Bonezzi와 Boika는 현재 스텝 크기를 입자 크기25와 관련시키는 이론적 모델을 도입했습니다. 그러나 이 분석은 충돌 주파수의 함수로 현재 크기를 평균화하는 데 크게 의존합니다. 이것은 개별 입자의 특성에 대한 통찰력을 방해할 뿐만 아니라 이 기술은 전극에 대한 산화 환원 리포터의 플럭스에 의존하고 가장자리 효과 문제를 제거하지 못하므로 정밀도가 감소합니다. Deng et al. 수은51로 제작된 반구형 초미세전극을 활용하여 가장자리 효과를 해결하기 위한 최초의 실험적 접근 방식을 도입했습니다. 그러나, 수은 액적 전극은 독성이 있고, 기계적으로 불안정하며, 제한된 전위 창(56)에 대해서만 안정하다. 또한, 다른 재료를 사용하여 완벽하게 반구형 미세 전극을 제조 (및 유지)하는 것은 여전히 어려운과제입니다 51,52. 보다 최근에, Moazzenzade et al. 나노충격 특성화를 위한 고리 초미세전극제안 52. 이 기하학은 유망하지만 나노 제조 능력이 필요합니다. 대조적으로, 촉매 차단은 전기 화학 실험실에서 보편적으로 발견되는 물질로 나노 충격 실험을 가능하게합니다.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 국립 보건원 (NIH) 보조금 R35GM142920의 지원을 받았습니다. 여기에 보고된 연구는 재료 연구 시설 네트워크(www.mrfn.org)의 회원인 UCSB MRSEC(NSF DMR 1720256)의 공유 시설을 사용했습니다. 이 작품이 참조하는 원본 기사에 기여해 주신 Phoebe Hertler에게 감사드립니다. 주사 전자 현미경 이미지 획득을 도와준 Claire Chisholm 박사에게 감사드립니다.
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 |
References
- Heyrovsky, M., Jirkovsky, J. Polarography and voltammetry of ultrasmall colloids: Introduction to a new field. Langmuir. 11 (11), 4288-4292 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mirkin, M. V., Sun, T., Yu, Y., Zhou, M.
- 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).
- 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).
- Baker, L. A. Perspective and prospectus on single-entity electrochemistry. Journal of the American Chemical Society. 140 (46), 15549-15559 (2018).
- Cheng, W., Compton, R. G. Electrochemical detection of nanoparticles by 'nano-impact' methods. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 58, 79-89 (2014).
- Bard, A. J., Fan, F. -R. F.
- 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).
- Anderson, T. J., Zhang, B. Single-nanoparticle electrochemistry through immobilization and collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
- 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).
- 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).
- Dick, J. E. Electrochemical detection of single cancer and healthy cell collisions on a microelectrode. Chemical Communications. 52 (72), 10906-10909 (2016).
- 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).
- 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).
- Oldham, K. B.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bonezzi, J., Boika, A. Deciphering the magnitude of current steps in electrochemical blocking collision experiments and its implications. Electrochimica Acta. 236, 252-259 (2017).
- 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).
- 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).
- Francke, R., Little, R. D. Redox catalysis in organic electrosynthesis: Basic principles and recent developments. Chemical Society Reviews. 43 (8), 2492-2521 (2014).
- 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).
- Pierre, G., et al. TEMPO-mediated oxidation of polysaccharides: An ongoing story. Carbohydrate Polymers. 165, 71-85 (2017).
- 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).
- Rafiee, M., Karimi, B., Alizadeh, S. Mechanistic study of the electrocatalytic oxidation of alcohols by TEMPO and MHPI. ChemElectroChem. 1 (2), 455-462 (2014).
- Deng, Z., Renault, C. Detection of individual insulating entities by electrochemical blocking. Current Opinion in Electrochemistry. 25, 100619 (2021).
- 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).
- Elgrishi, N., et al. A practical beginner's guide to cyclic voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
- 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).
- Lämmel, C., Heubner, C., Liebmann, T., Schneider, M. Critical impact of chloride containing reference electrodes on electrochemical measurements. Electroanalysis. 29 (12), 2752-2756 (2017).
- Walker, N. L., Dick, J. E. Leakless, bipolar reference electrodes: Fabrication, performance, and miniaturization. Analytical Chemistry. 93 (29), 10065-10074 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lemay, S. G., Moazzenzade, T. Single-entity electrochemistry for digital biosensing at ultralow concentrations. Analytical Chemistry. 93 (26), 9023-9031 (2021).
- Vernon-Parry, K. D. Scanning electron microscopy: An introduction. III-Vs Review. 13 (4), 40-44 (2000).
- Abramoff, M. D., Magalhães, P. J., Ram, S. J.
- Collins, T. J.
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , Wiley. New York, NY. (2001).
- Compton, R. G., Banks, C. E. Understanding Voltammetry (Third Edition). , World Scientific. Singapore. (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shayani-Jam, H., Nematollahi, D. Electrochemically mediated oxidation of glutathione and N-acetylcysteine with 4,4′-biphenol. Electrochimica Acta. 56 (25), 9311-9316 (2011).
- Vyskočil, V., Barek, J. Mercury electrodes-Possibilities and limitations in environmental electroanalysis. Critical Reviews in Analytical Chemistry. 39 (3), 173-188 (2009).
