Sondierung der elektrochemischen Oberflächenaktivität von Nanomaterialien mit einem hybriden Rasterkraftmikroskop-Scanning Elektrochemischen Mikroskop (AFM-SECM)
10. Februar 2021
Mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) in Kombination mit der rasterelektrochemischen Mikroskopie (SECM), nämlich AFM-SECM, können gleichzeitig hochauflösende topographische und elektrochemische Informationen auf Materialoberflächen im Nanomaßstab erfasst werden. Solche Informationen sind entscheidend für das Verständnis heterogener Eigenschaften (z. B. Reaktivität, Defekte und Reaktionsstellen) auf lokalen Oberflächen von Nanomaterialien, Elektroden und Biomaterialien.
Dieses Protokoll basiert auf einer leistungsstarken und innovativen Technologie, dem sogenannten Rasterkraftmikroskop, gekoppelt mit dem Elektrochemikalien-Rastermikroskop AFM-SECM, um die morphologischen und elektrochemischen Informationen über facettierte Nanomaterialien und Nanoblasen in Wasser zu scannen. AFM-SECM ist in der Lage, elektrochemisch reaktive Oberflächen basierend auf Spitzenstrombildern abzubilden und ermöglicht auch die gleichzeitige Erfassung von nanoskaligen Oberflächenstrukturen und elektrochemischen Informationen über Probenmaterialien. Die Probenvorbereitung für dieses Verfahren erfordert, dass die festen Partikel vollständig auf dem Substrat immobilisiert werden und die Bindungen zwischen Proben und Substraten die elektrische Leitfähigkeit gewährleisten.
Die Wahl des Redox Mediators ist ebenso entscheidend. Darüber hinaus ist eine Demonstration notwendig, um wirklich zu zeigen, dass es unter einem dedizierten, separaten Vorgang in diesem Protokoll gehalten wird, wie z. B. Probenvorbereitungssysteme, die unter dem Bildgebungsprozess stattfinden. 10 Mikroliter Epoxidharz mit einer Pipettenspitze auf einem gereinigten Siliziumwafer abscheiden und mit einem sauberen Glasobjektträger kacheln.
Nach etwa fünf Minuten lassen Sie 10 Mikroliter der Kupferoxid-Nanopartikelsuspension auf die mit Epoxid beschichteten Siliziumwafersubstrate fallen. Anschließend vakuumtrocknen Sie das Substrat bei 40 Grad Celsius oder sechs Stunden. Zur Herstellung von Sauerstoff injizieren Nanoblasen komprimierten Sauerstoff direkt durch eine röhrenförmige Keramikmembran in entionisiertes Wasser.
1,8 Milliliter der Nanoblasensuspension auf einem Goldsubstrat in der elektrochemischen Probenzelle abscheiden und 10 Minuten lang stabilisieren. Ersetzen Sie den vorhandenen Beispielblock durch den SECM-Block. Schrauben Sie es dann mit zwei M3, 6 mm Sockelkopfschrauben und einem 2,5 Millimeter Sechskantschlüssel ein.
Installieren Sie das Dehnungsentriegelungsmodul auf dem AFM-Scanner und verbinden Sie es mit einem Verlängerungskabel mit dem Arbeitselektrodenstecker am Federsteckerblock. Doppelklicken Sie auf die beiden Softwaresymbole, um das AFM-System und die steuerungsbehaftete Schnittstelle von potentiostat zu initialisieren. Bereiten Sie das elektrostatische Entladungsfeld, das Oberflächenpaket einschließlich eines antistatischen Pads, eines Elektrostatischen Entladungsschutz-Sondenständers, tragbarer antistatischer Handschuhe und einer Handschlaufe vor.
Um zu verhindern, dass der AFM-Scanner Flüssigkeit ausgesetzt wird, verwenden Sie während des AFM-SECM-Tests einen Schutzstiefel. Setzen Sie den Sondenhalter auf den Schutzständer für elektrostatische Entladung und befestigen Sie den Schutzstiefel mit einer Kunststoffpinzette am Spitzenhalter. Richten Sie dann den kleinen Schnitt im Schutzstiefel an der Notch im Sondenhalter aus.
Öffnen Sie die Box mit den AFM-SECM-Sonden mit einer Spitzenpinzette und greifen Sie die Sonde von beiden Seiten der Rillen. Halten Sie den Sondenhalter mit dem Scheibengreifer auf dem Ständer und stecken Sie den Sondendraht in das Loch des Ständers. Schieben Sie dann die Sonde in den Schlitz des Sondenhalters.
Nachdem sich die Sonde im Steckplatz befindet, verwenden Sie das flache Ende der Pinzette, um sie einzuschieben. Befestigen Sie den gesamten Sondenhalter am Scanner und verwenden Sie die PTFE-Spitzenpinzette, um den Draht direkt unter dem Kupferring zu greifen und an das Modul anzuschließen. Setzen Sie den Scanner dann wieder auf den Schwalbenschwanz.
Legen Sie die zuvor montierte elektrochemische Probenzelle mit der Testprobe auf den zentralen Punkt des SECM-Stücks. Verbinden Sie dann die Pseudoreferenzelektrode und die Gegenelektrode mit dem Federanschlussblock. Wählen Sie in der AFM-SECM-Software SECM PeakForce QNM aus, um den Arbeitsbereich zu laden.
Laden Sie im Setup die SECM-Sonde und richten Sie dann einen Laser mithilfe einer Ausrichtungsstation an der Spitze aus. Gehen Sie zu Navigation und bewegen Sie den Scanner langsam nach unten, um sich auf die Probenoberfläche zu konzentrieren. Passen Sie die Position der elektrochemischen Probenzellen leicht an, um sicherzustellen, dass der Scanner die Glasabdeckung der Probenzelle während der Bewegung nicht berührt.
Nachdem Sie sich auf das Beispiel konzentriert haben, klicken Sie auf Blind Engage Position aktualisieren. Klicken Sie auf , Um Flüssigkeitsposition hinzuzufügen, und fügen Sie etwa 1,8 Milliliter der Pufferlösung in die Probenzelle ein. Stellen Sie sicher, dass der Füllstand der Lösung niedriger ist als die Glasabdeckung und dass die Drähte in die Lösung eingetaucht sind, verwenden Sie eine Pipette, um die Lösung zu rühren, um Blasen zu entfernen, und warten Sie fünf Minuten.
Klicken Sie auf Move to Blind Engage Position, wodurch die Spitze zurück in die Pufferlösung verschoben wird. Stellen Sie den Laser leicht ein, um sicherzustellen, dass der Laser auf der Spitze ausgerichtet ist. Öffnen Sie die elektrochemische Workstation-Software und klicken Sie auf den Technikbefehl in der Symbolleiste, um den technischen Selektor zu öffnen.
Wählen Sie Open Circuit Potential Time und verwenden Sie die Standardeinstellung, um die OCP-Messung auszuführen, die fast Null und stabil sein sollte. Klicken Sie erneut auf den Technikbefehl und wählen Sie Zyklische Voltammetrie, geben Sie dann die zyklischen Voltammetrieparameter ein und fahren Sie mit der SECM-Bildgebung fort. Gehen Sie zurück zur AFM-SECM-Software und klicken Sie auf Engage.
Als nächstes wählen Sie Chronoamperometrie und stellen Sie die Chronoamperometrie-Parameter mit der Zunächst als minus 0,4 Volt die Pulsbreite als 1000 Sekunden und die gleiche Empfindlichkeit wie der CV-Scan ein. Wenn das Programm läuft, gehen Sie zurück zur AFM-SECM-Software, überprüfen Sie den Echtzeitwert auf dem Streifendiagramm und klicken Sie auf Start. Speichern Sie die Bilder in der AFM-SECM Software.
Verwenden Sie die elektrische chemische Probenzelle als Reinwasserbehälter, bewegen Sie die Spitze mit den Blind Engage-Funktionen im Navigationsfeld in die Flüssigkeit und aus der Flüssigkeit und wechseln Sie das Wasser dreimal. Verwenden Sie dann saubere Tücher, um vorsichtig Restwasser aus dem Sondenhalter zu entfernen und die Sonde wieder in die Sondenbox zu legen. Dieses Protokoll wurde verwendet, um einzelne Sauerstoff-Nanoblasen zu charakterisieren und sowohl morphologische als auch elektrochemische Informationen zu enthüllen.
Der Vergleich der Topographie mit dem aktuellen Bild zeigt die Korrelation zwischen den Positionen der Nanoblasen und den aktuellen Flecken. Die Topographie und aktuelle Bilder von Kupferoxid-Nanopartikeln sind hier dargestellt. Das Spitzenstrombild zeigt an, dass das im Topographiebild sichtbare Nanopartikel mit einem offensichtlichen elektrischen Stromfleck verbunden ist.
Während der Hintergrundstrom dem flachen Siliziumsubstrat entspricht. Hier sind fünf repräsentative zyklische Voltammetriekurven der AFM-SECM-Spitze in etwa einem Millimeter Vom Substrat entfernt. Der diffusionsbegrennte Spitzenstrom nahm mit der Zeit nicht ab.
Die Änderungen des Spitzenstroms, wenn sich die Spitze der Probenoberfläche nähert, werden hier aufgezeichnet. Die AFM-SECM-Spitze näherte sich der Substratoberfläche in Z-Richtung, bis sie einen Sollpunkt erreichte, der den Kontakt oder die Biegung des physischen Spitzensubstrats anzeigte. Wenn dieses Protokoll sicherstellt, dass die festen Partikel als Substrat immobilisiert werden, sind sie vollständig elektrisch leitfähig und es gibt keine Blasen in der Lösung in der Probenzelle.
Die Probenvorbereitungsmethode ist für ein breiteres Anwendungsspektrum relevant, das Nanomaterialien umfasst, insbesondere für die Charakterisierung von Nanomaterialien. Mit der AFM-SECM-Technik können simultane Topographie und das elektrochemische Bild auf der Nanoskala erfasst werden, was für die Entwicklung und Anwendung von Nanomaterialien in Forschungsbereichen wie Materialwissenschaften, Chemie und Life Science wichtig ist.
Sehen Sie sich das vollständige Transkript an und erhalten Sie Zugang zu Tausenden wissenschaftlicher Videos
Übersicht
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) in Kombination mit der elektrochemischen Rastersondenmikroskopie (SECM), bekannt als AFM-SECM, ermöglicht die gleichzeitige Erfassung hochauflösender topographischer und elektrochemischer Informationen über Materialoberflächen im Nanometerbereich. Diese Technik ist entscheidend für das Verständnis heterogener Eigenschaften wie Reaktivität und Defekte auf lokalen Oberflächen von Nanomaterialien und Biomaterialien.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Nanotechnologie
- Elektrochemie
- Materialwissenschaft
Hintergrund
- Die AFM-SECM liefert detaillierte Abbildungen elektrochemisch reaktiver Oberflächen.
- Die Methode erfordert, dass feste Partikel auf einem Substrat immobilisiert werden, um eine effektive Leitfähigkeit zu gewährleisten.
- Die Wahl des Redoxmediators ist entscheidend für eine erfolgreiche Abbildung.
- Die Probenvorbereitung muss sicherstellen, dass der Abbildungsprozess die Probeneinheit nicht beeinträchtigt.
Zweck der Studie
- Die Fähigkeiten der AFM-SECM bei der Analyse von Nanomaterialien demonstrieren.
- Eine Anleitung zur Probenvorbereitung für eine effektive Abbildung bereitstellen.
- Die Bedeutung der Probenvorbereitung für die Gewinnung genauer elektrochemischer Daten verdeutlichen.
Verwendete Methoden
- Nutzung der AFM-SECM für die simultane topografische und elektrochemische Abbildung.
- Immobilisierung von festen Partikeln auf einem leitfähigen Substrat.
- Anwendung eines Redox-Mediators zur Verbesserung der Bildqualität.
- Herstellung von Proben unter kontrollierten Bedingungen, um die Integrität während der Abbildung zu bewahren.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Abbildung nanoskaliger Oberflächenstrukturen und elektrochemischer Eigenschaften.
- Nachweis der Bedeutung der Auswahl von Substrat und Mediator.
- Validierung des Protokolls durch praktische Anwendung.
- Erkenntnisse zur Reaktivität und zu Defekten von Nanomaterialien.
Schlussfolgerungen
- AFM-SECM ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung von Nanomaterialien.
- Eine sorgfältige Probenvorbereitung ist entscheidend, um zuverlässige Daten zu erhalten.
- Diese Methode vertieft das Verständnis der Materialeigenschaften auf der Nanoskala.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die AFM-SECM ermöglicht die nanoskalige Korrelation von Oberflächentopographie mit elektrochemischer Reaktivität und unterstützt so die mechanistische Risikominimierung bei der Bewertung von Nanomaterialien in frühen Entwicklungsstadien. Diese Fähigkeit erhöht das Vorhersagevertrauen bei der Zielvalidierung, indem strukturelle Merkmale mit funktioneller Aktivität verknüpft werden, und liefert Entscheidungsgrundlagen für Go/No-Go-Entscheidungen in Entdeckungsprozessen. Die Methode liefert quantitative, räumlich aufgelöste Daten, die für die Beurteilung von Struktur-Funktions-Beziehungen bei katalytischen, sensorischen oder biomedizinischen Nanomaterialien entscheidend sind.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Überprüft therapeutische Hypothesen, indem elektrochemische Aktivität auf der Ebene kristalliner Facetten von Nanomaterialien abgebildet wird.
- Operationaler Wert: Ermöglicht die biologische Risikominimierung durch direkte Beobachtung lokalisierten Reaktionsverhaltens, das mit der Nanostruktur verknüpft ist.
- Prädiktiver Wert: Unterstützt die Priorisierung von Portfolioansätzen, indem Oberflächenmerkmale mit funktionellen Ergebnissen korreliert werden, wodurch mechanistische Unklarheiten verringert werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Assay-Bereitschaft: Bereitet validierte biologische oder nanomaterielle Systeme für die nachgeschaltete Untersuchung mit simultaner topographischer und elektrochemischer Detektion vor.
- Reproduzierbarkeit: Standardisiert Messungen durch immobilisierte Proben und kontrollierte Bedingungen mit Redox-Mediatoren, um eine konsistente Signalerfassung zu gewährleisten.
- Skalierbarkeit: Ermöglicht die Wiederverwendung der Plattform über verschiedene Materialtypen hinweg, indem die quantitative Beurteilung lokaler Oberflächenaktivität mit höherer Auflösung als bei herkömmlichem SECM ermöglicht wird.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationaler Zusammenhang: Verbindet Entdeckung und präklinische Validierung, indem nanoskalige Einblicke in Reaktivität und Defekte bereitgestellt werden, die für die Ausrichtung von Biomarkern relevant sind.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Unterstützt die Entscheidungsfindung durch validierte Protokolle, die die Probenechtheit und elektrische Leitfähigkeit während der Bildgebung sicherstellen.
- Mechanistische Risikominimierung: Konzentriert sich auf den Vorhersagewert, indem gezeigt wird, wie die Auswahl von Substrat und Mediator die Datenzuverlässigkeit bei der Charakterisierung von Nanomaterialien beeinflusst.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die AFM-SECM fügt sich in den Entdeckungsprozess von der frühen Hypothesenprüfung bis hin zur Identifizierung von Leitsubstanzen ein und ermöglicht eine iterative Optimierung von Nanomaterial-Designs auf der Grundlage korrelierter struktureller und funktioneller Daten.
- Entdeckungsbasierte Biologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung, indem aufgezeigt wird, wie nanoskalige Oberflächenmerkmale das elektrochemische Verhalten beeinflussen, und klärt somit Struktur-Wirkungs-Beziehungen auf.
- Screening: Stellt sofort einsetzbare Assaysysteme bereit, die quantitative, ortsauflösende Ergebnisse liefern und den Vergleich verschiedener Materialvarianten unter identischen Bedingungen ermöglichen.
- Analytik: Erzeugt Bilder des Tip-Stroms, zyklische Voltammogramme und Chronoamperometriedaten, die es Forschungsteams ermöglichen, Reaktivitätsmuster und zeitliche Stabilität zu bewerten.
- Translationale Forschung: Vernetzt mit präklinischen Arbeiten, indem sie Abbildungen von Defekten und Reaktivität bereitstellt, die zur Beurteilung von Sicherheit und Wirksamkeit von Nanomaterialien herangezogen werden können.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Funktioniert als wiederverwendbare Methode in verschiedenen Projekten, da sie an unterschiedliche Substrate, Mediatoren und Probentypen in kontrollierten elektrochemischen Umgebungen angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagegenauigkeit, Zielvalidierung, Verringerung mechanistischer Unklarheiten bezüglich der Funktion von Nanomaterialien.
- Operativer Wert: Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit durch definierte Probenvorbereitung und elektrochemische Kontrollen.
- Strategischer Wert: Verbesserte Go/No-Go-Entscheidungen, Kapitaleffizienz und vermindertes biologisches Risiko in späteren Phasen durch frühzeitige funktionelle Untersuchung.
- Portfolio-Implikation: Risikoadjustierte Priorisierungs- und Fortschrittsentscheidungen basierend auf validierten Struktur-Eigenschafts-Korrelationen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in Elektrochemie, Probenvorbereitung und Integration von AFM-SECM-Software für einen erfolgreichen Betrieb.
- Ist abhängig von leitfähigen Substraten, geeigneten Redox-Mediatoren und stabilen elektrochemischen Zellen, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen den Arbeitsgruppen hinsichtlich der Probeneinbindung und der sicherstellung blasenfreier Lösungsbedingungen, um die Datenzuverlässigkeit zu gewährleisten.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen beim Übertragen von Protokollen auf verschiedene Nanomaterialsysteme, wie beispielsweise Metalloxide oder Nanobläschen.
- Umfasst praktische Einschränkungen, wie den Bedarf an striktem Schutz vor elektrostatischer Entladung und die Vermeidung von Flüssigkeitskontakt während des Abtastvorgangs.
