גודל אלקטרוכימי מדויק של חלקיקים אלקטרו-לא פעילים בודדים
4 באוגוסט 2023
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.
הפרוטוקול שלנו מגביר את דיוק המדידה הקשור לגודל חלקיקים באמצעות טכניקות כימיה אנליטית נפוצות. זה מספק אפיון טוב יותר של ננו-חומרים אחד בכל פעם באתרו באמצעות אלקטרוכימיה. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא משתמשת בריאגנטים מעבדתיים נפוצים על מנת לטפל בתופעת אפקט הקצה, שהיא בעיה ארוכת שנים בתחום הננו-אלקטרוכימיה.
בשל האופי המודולרי של הפרעה אלקטרוקטליטית, ניתן להחליף את האלקטרודה, גשושית החיזור והמצע כדי לענות טוב יותר על צרכי הזיהוי. לאחר הכנת התמיסות והאלקטרודות הנדרשות, בחר מקרואלקטרודה כאלקטרודת העבודה. כדי להכין את תא הבקרה, הכינו חמישה מיליליטר של תמיסה המכילה TEMPO מילימולרי אחד וחמישה מילימולרים נתרן פרכלורט במאגר פחמתי ב- pH 12.
כדי להכין תא בדיקה, הכינו חמישה מיליליטר של תמיסה המכילה טמפו מילימולרי אחד, חמישה מילימולרים נתרן פרכלורט ומלטוז 120 מילימולרי במאגר פחמתי. לפני ריצת ניסיון, השתמש במשטח ליטוש עם תרחיף אלומיניום כדי ללטש את האלקטרודה והזז את האלקטרודה בתבנית הספרה שמונה כדי להבטיח ליטוש אחיד. שטפו אותו בחופשיות במים נטולי יונים.
לאחר מכן יבש את האלקטרודה באמצעות מגבון מעבדה מבלי לגעת בקצה שלה. למדידות אלקטרוכימיות, השתמש במערך של שלוש אלקטרודות על ידי שימוש במקרואלקטרודה עבור וולטמוגרפיה מחזורית או מיקרואלקטרודה אולטרה של 11 מיקרון עבור כרונואמפרוגרמות, אלקטרודת מונה חוטי פלטינה, ואלקטרודת ייחוס קלומלית רוויה או SCE. הגדר את תא הבקרה בכלוב פאראדיי וחבר את האלקטרודות לכבלים המתאימים.
אסוף את נתוני הוולטמטריה המחזורית באמצעות חלון פוטנציאלי בין 0.2 ל -0.8 וולט בקצב סריקה של 10, ואחריו 20, 30, 40 ו -50 מיליוולט לשנייה. כדי לאסוף נתוני כרונואמפרומטריה, בחר מיקרואלקטרודה אולטרה. כאשר תא הבקרה נמצא בפוטנציוסטט, יש להפעיל 0.8 וולט לעומת SCE למשך 10 דקות ולהתחיל להקליט בקצב דגימה של 10 הרץ.
באמצעות אותם פרמטרים, קבל נתונים עבור תא הבדיקה. לאחר מכן, הקפיצו את התמיסה עם חרוזי פוליסטירן לריכוז סופי של 0.66 פיקומולרי לתוך כל תא אלקטרוכימי ואספו את הנתונים הכרונואמפרומטריים של כל תא כפי שהודגם קודם לכן. בחר את גודל המדגם של כ- 200 אירועי השפעה בודדים כדי לזהות הבדלים בין שיטות הגודל המרובות.
תוספת חרוזי הפוליסטירן הראתה שינויים הדרגתיים בזרם הכרונואמפרוגרם של תאים אלקטרוכימיים כאשר חלקיקים בודדים נפגעו ונספגו. ההיסטוגרמה הדגימה את התפלגות הגודל שנקבעה על ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים, הפרעה אלקטרוקטליטית ואלקטרוכימיה קונבנציונלית של ננו-פגיעה. תוכנת התאמת וולטמוגרפיה מחזורית הדגימה את התאמת המודל של הפרמטרים המתקבלים מהתגובות הכימיות של שלב האלקטרודה והתמיסה.
התוספת המוגברת של ריכוז המלטוז דחסה את שכבת הדיפוזיה ודיכאה את השטף ההטרוגני בקצוות האלקטרודות. זה קריטי שיהיו בקרות מבוססות היטב. בעת איסוף נתונים בקנה מידה מיקרו או ננומטרי, אתה צריך לוודא כי התצפיות הן אמיתיות ולא תוצאה של רעש או מזהמים.
טכניקה זו אינה הרסנית לדגימה וניתן לעקוב אחריה בשיטות אפיון אחרות כגון פיזור אור דינמי. בנוסף, טכניקה זו מקובלת על מודלים חישוביים וסימולציות.
סקירה כללית
מאמר זה מציג גישה חדשנית הנקראת "הפסקה אלקטרוקטליטית" (electrocatalytic interruption) לשיפור דיוק המדידות באלקטרוכימיה של אימפקטים ננומטריים (nanoimpact electrochemistry). באמצעות התייחסות לתופעת אפקט הקצה, שיטה זו מאפשרת אפיון טוב יותר של ננו-חומרים in situ תוך שימוש בריאגנטים מעבדה נפוצים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- אלקטרוכימיה
- טכניקות ננו-אימפקט
- אפיון ננו-חומרים
רקע
- אלקטרוכימיה של ננו-פגיעות (Nanoimpact electrochemistry) ניצבת בפני אתגרים עקב התפלגויות זרם הטרוגניות.
- דיוק במדידת חלקיקים בקנה מידה ננומטרי הוא קריטי לאפיון מדויק.
- ניתן לשפר טכניקות נפוצות בכימיה אנליטית כדי להשיג תוצאות טובות יותר.
- הפרעה אלקטרוקטליטית (Electrocatalytic interruption) היא טכניקה מודולרית שיכולה להסתגל לצרכי זיהוי שונים.
מטרת המחקר
- לשיפור דיוק המדידה בקביעת גודל חלקיקים.
- לספק שיטה לא-הרסנית לאפיון ננו-חומרים.
- להשתמש בריאגנטים נפוצים במעבדה כדי לצמצם בעיות ארוכות שנים בננו-אלקטרוכימיה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת תאי ביקורת ותאי בדיקה עם תמיסות כימיות ספציפיות.
- שימוש במערך של שלושה אלקטרודות למדידות אלקטרוכימיות.
- איסוף נתונים של וולטמטריה מחזורית וכרונו-אמפרומטריה.
- ניתוח נתונים לקביעת התפלגות הגודל והתאמה למודל.
תוצאות עיקריות
- הפסקות אלקטרוקטליטיות הראו דיוק מדידה משופר.
- שינויים מדורגים בזרם של הכרונו-אמפרוגרמה נצפו עם הוספת חרוזי פוליסטירן.
- התפלגות הגדלים נקבעה ביעילות באמצעות מספר שיטות.
- הטכניקה הוכחה כלא הרסנית ותואמת לשיטות אפיון נוספות.
מסקנות
- הפסקה אלקטרוקטליטית משפרת את הדיוק באלקטרוכימיה של ננו-התנגשויות (nanoimpact electrochemistry).
- שיטה זו נותנת מענה לאתגרים מרכזיים בתחום, כגון אפקט השפה (edge effect).
- היא פותחת אפיקים לאפיון משופר של ננו-חומרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
קביעת גודל אלקטרוכימית מדויקת של חלקיקים בודדים שאינם פעילים חשמלית נותנת מענה לאתגר קריטי באפיון ננו-חומרים, על ידי מתן אפשרות למדידה ברזולוציה גבוהה ובמצב in situ של הטרוגניות החלקיקים. יכולת זו מגבירה את הביטחון החזוי בשלבי הגילוי המוקדמים ותומכת בתיקוף יעד (target validation) חסון באמצעות הפחתת העמימות במדידה. דיוק משופר בקביעת הגודל משפיע ישירות על מיון הפורטפוליו ועל החלטות קידום מותאמות סיכון במחקר ופיתוח של תרופות ביולוגיות (biopharma R&D).&ד.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פרמה&ד'
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר רזולוציית חלקיק בודד לצורך תיקוף תפקודי של מטרה והפחתת סיכונים מכניסטיים.
- מפחית ארטיפקטים של הגנרציה, ובכך תומך בבדיקת השערות מהימנה יותר במטריקות המבוססות על ננו-חומרים.
- משפר את הביטחון החזוי להערכה ביולוגית ולמיון בשלבים הבאים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מקל על הכנת מערכות ננו-חומרים מתוקפות עבור תהליכי סריקה כמותיים.
- תומך בחזרתיות של הבדיקה על ידי מזעור השונות הנובעת מאפקט השוליים במדידות אלקטרוכימיות.
- מאפשר פרוטוקולי תגסום סטנדרטיים וניתנים להרחבה להערכה מהימנה של תרכובות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מספק אפיון in situ לא הרסני התואם למחקרים אנליטיים או פרה-קליניים נוספים.
- תומך ברציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי מתן אפשרות להערכה חסונה של ננו-חומרים.
- משפר את ההתקדמות המותאמת לסיכון על ידי הבהרת ההטרוגניות והביצועים של הננו-חומרים.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
שיטה זו משתלבת ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי אספקת מדידה כמותית ומדויקת של גודל ננו-חומרים לצורך בדיקת השערות ופיתוח בדיקות בשלבים מוקדמים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות ובהבהרת מסלולים על ידי פתרון הטרוגניות של חלקיקים בודדים.
- סריקה: מספק פלטים כמותיים הניתנים לשחזור לצורך בדיקת מוכנות של מערכי בדיקה והערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מספק מדידות זרם מדורג והיסטוגרמות של התפלגות גדלים להשוואת נתונים איתנה.
- מחקר תרגומי: מאפשר ניתוח לא הרסני, התומך במחקרי ביומרקרים או במחקרים פרה-קליניים בשלבים הבאים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע פלטפורמה מודולרית וסתגלנית לאפיון חוזר של ננו-חומרים לאורך תוכניות שונות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתהליכי עבודה המבוססים על ננו-חומרים.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה והרחבה של קביעת גודל אלקטרוכימית עם שיפור ביכולת השחזור.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות טובה יותר לגבי המשך התהליך (go/no-go) ויעילות הון על ידי הבהרת ביצועי הננו-חומרים.
- השפעה על תיק הנכסים: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום נכסים המאפשרים שימוש בננו-חומרים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות באלקטרוכימיה ובטיפול בננו-חומרים.
- נדרשת גישה למערכי שלוש אלקטרודות, לפוטנציוסטטים ולתשתית אנליטית.
- דורש סטנדרטיזציה קפדנית בין צוותים לצורך איסוף נתונים הניתן לשחזור.
- ניתן להתאמה לשילובים שונים של אלקטרודות, גששים לחמצון-חיזור ומצעים עבור צרכי גילוי שונים.
- בקרה ותיקוף קפדניים חיוניים כדי להבדיל בין אותות אמיתיים לרעש או לזיהומים.
