Indringende oppervlakte-elektrochemische activiteit van nanomaterialen met behulp van een hybride atoomkrachtmicroscoopscanmicroscoop (AFM-SECM)
10 februari 2021
Atoomkrachtmicroscopie (AFM) in combinatie met scanning elektrochemische microscopie (SECM), namelijk AFM-SECM, kan worden gebruikt om tegelijkertijd topografische en elektrochemische informatie met hoge resolutie te verkrijgen op materiaaloppervlakken op nanoschaal. Dergelijke informatie is van cruciaal belang voor het begrijpen van heterogene eigenschappen (bijv. reactiviteit, defecten en reactieplaatsen) op lokale oppervlakken van nanomaterialen, elektroden en biomaterialen.
Dit protocol bevat een krachtige en innovatieve technologie, de zogenaamde Atomic Force Microscope, gekoppeld aan de Electro-chemicals Scanning Microscope, afm-SECM om de morfologische en elektrochemische informatie over gefacetteerd nanomateriaal en nanobubbels in water te scannen. AFM-SECM is in staat om elektrochemisch reactief oppervlak in kaart te brengen op basis van tipstroombeelden en maakt ook gelijktijdige verwerving van nanoschaaloppervlakstructuren en elektrochemie-informatie op monstermaterialen mogelijk. Het monstervoorbereiding voor deze methode vereist dat de vaste deeltjes volledig op het substraat worden geïmmobiliseerd en de bindingen tussen monsters en substraten zorgen voor elektrische geleidbaarheid.
Ook de keuze voor de Redox Mediator is van cruciaal belang. Meer nog, demonstratie is nodig om echt te laten zien dat het onder een speciale, afzonderlijke operatie in dit protocol wordt gehouden, zoals monstervoorbereidingssystemen die plaatsvinden tijdens het beeldvormingsproces. Deponeer 10 microliter epoxy op een gereinigde siliconen wafer met behulp van een pipettip en tegel het met een schone glazen glijbaan.
Laat na ongeveer vijf minuten 10 microliters van de koperoxide nanodeeltjessuspensie vallen op de epoxy gecoate siliciumwafels substraten. Droog vervolgens het substraat op 40 graden Celsius of zes uur. Om zuurstof nanobubbles te bereiden, injecteer je gecomprimeerde zuurstof rechtstreeks via een buisvormig keramisch membraan in gedeioneerd water.
Deponeer 1,8 milliliter van de nanobubble suspensie op een gouden substraat in de elektrochemische monstercel en stabiliseer deze gedurende 10 minuten. Vervang het bestaande monstersegment door het SECM-segment. Schroef het vervolgens op zijn plaats met twee M3, 6 mm socket head cap schroeven en een 2,5 millimeter inbussleutel.
Installeer de spanningsontgrendelingsmodule op de AFM-scanner en sluit deze met een verlengkabel aan op de werkende elektrodeconnector op het veerconnectorblok. Dubbelklik op de twee softwarepictogrammen om het AFM-systeem en de by potentiostat-besturingsinterface te initialiseren. Bereid het elektrostatische ontladingsveld, het oppervlaktepakket inclusief een antistatisch kussen, de elektrostatische ontladingsbeveiliging, draagbare antistatische handschoenen en polsband voor.
Gebruik een beschermschoen tijdens afm-SECM-testen om te voorkomen dat de AFM-scanner wordt blootgesteld aan vloeistof. Plaats de sondehouder op de elektrostatische ontladingsbeveiligingsstandaard en gebruik een plastic pincet om de beschermende kofferruimte aan de tiphouder te bevestigen. Lijn vervolgens de kleine snede in de beschermende laars uit op de inkeping in de sondehouder.
Open de doos AFM-SECM-sondes met een tip-pincet en pak de sonde aan beide zijden van de groeven. Gebruik de schijfgrijper om de sondehouder op de standaard te houden en de sondedraad in het gat van de standaard te plaatsen. Schuif vervolgens de sonde in de sleuf van de sondehouder.
Nadat de sonde zich in de sleuf bevindt, gebruikt u het platte uiteinde van het pincet om het in te drukken. Bevestig de hele sondehouder aan de scanner en gebruik het PTFE-tippenzerje om de draad direct onder de koperen ring te pakken en op de module aan te sluiten. Plaats vervolgens de scanner terug op de zwaluwstaart.
Plaats de eerder geassembleerde elektrochemische monstercel met het testmonster op het centrale punt van de SECM-brok. Sluit vervolgens de pseudo-referentie-elektrode en de tellerelektrode aan op het veerconnectorblok. Selecteer in de AFM-SECM-software SECM PeakForce QNM om de werkruimte te laden.
Laad bij de installatie de SECM-sonde en lijn vervolgens een laser uit op de punt met behulp van een uitlijningsstation. Ga naar Navigatie en beweeg de scanner langzaam naar beneden om scherp te stellen op het monsteroppervlak. Pas de positie van de elektrochemische monstercellen enigszins aan om ervoor te zorgen dat de scanner tijdens het bewegen het glazen deksel van de monstercel niet aanraakt.
Nadat u zich op het voorbeeld hebt gericht, klikt u op Blind engage-positie bijwerken. Klik op, Ga naar Vloeistofpositie toevoegen en voeg ongeveer 1,8 milliliter van de bufferoplossing toe aan de monstercel. Zorg ervoor dat het niveau van de oplossing lager is dan de glazen afdekking en dat de draden in de oplossing worden ondergedompeld, gebruik een pipet om de oplossing te roeren om eventuele bubbels te verwijderen en wacht vijf minuten.
Klik op Verplaatsen naar blind engage positie waardoor de tip terug naar de bufferoplossing gaat. Stel de laser iets in om er zeker van te zijn dat de laser op de punt is uitgelijnd. Open de elektrochemische werkstationsoftware en klik op de techniekopdracht op de werkbalk om de technische selector te openen.
Selecteer Potentiële tijd open circuit en gebruik de standaardinstelling om de OCP-meting uit te voeren die bijna nul en stabiel moet zijn. Klik nogmaals op de opdracht Techniek en selecteer Cyclische voltammetrie en voer vervolgens de cyclische voltammetrieparameters in en ga verder met SECM-beeldvorming. Ga terug naar de AFM-SECM software en klik op Engage.
Selecteer vervolgens chronoamperometrie en stel de chronoamperometrieparameters in met de aanvankelijk min 0,4 volt de pulsbreedte als 1000 seconden en dezelfde gevoeligheid als de CV-scan. Terwijl het programma loopt, gaat u terug naar de AFM-SECM-software controleert u de realtime meting op de stripgrafiek en klikt u op start. Sla de afbeeldingen op in de AFM-SECM software.
Gebruik de elektrische chemische monstercel als een schoon waterreservoir en beweeg de punt in en uit de vloeistof met de Blind Engage-functies in het navigatiepaneel en ververs het water drie keer. Gebruik vervolgens schone doekjes om het resterende water voorzichtig uit de sondehouder te verwijderen en plaats de sonde terug in de sondedoos. Dit protocol werd gebruikt om individuele zuurstofnanobubbels te karakteriseren, waardoor zowel morfologische als elektrochemische informatie werd onthuld.
De vergelijking van de topografie en de huidige afbeelding toont de correlatie aan tussen de locaties van de nanobubbels en de huidige vlekken. De topografie en actuele beelden van koperoxide nanodeeltjes worden hier getoond. De tipstroomafbeelding geeft aan dat het nanodeeltje dat zichtbaar is in de topografieafbeelding wordt geassocieerd met een duidelijke elektrische stroomvlek.
Terwijl de achtergrondstroom overeenkomt met het vlakke siliciumsubstraat. Hier zijn vijf representatieve cyclische voltammetriecurves van de AFM-SECM tip op ongeveer een millimeter van het substraat. De diffusie beperkte tipstroom nam niet af met de tijd.
De veranderingen van de tipstroom wanneer de tip het monsteroppervlak nadert, worden hier uitgezet. De AFM-SECM-tip benaderde het substraatoppervlak in de Z-richting totdat het een instelpunt bereikte dat het fysieke tipsubstraatcontact of -buigen aangaf. Wanneer dit protocol ervoor zorgt dat het vaste deeltje wordt geïmmobiliseerd als substraat, zijn ze volledig met elektrische geleidbaarheid en zijn er geen bellen in de oplossing in de monstercel.
De monstervoorbereidingsmethode is relevant voor een breder scala aan toepassingen waarbij nanomaterialen betrokken zijn, met name voor de karakterisering van nanomateriaal. De AFM-SECM techniek kan worden gebruikt om gelijktijdige topografie en het elektrochemische beeld op nanoschaal te verwerven, wat belangrijk is bij de ontwikkeling en toepassing van nanomaterialen op onderzoeksgebieden zoals materiaalkunde, chemie en life science.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Atomkrachtmicroscopie (AFM) gecombineerd met scanning elektrochemische microscopie (SECM), bekend als AFM-SECM, maakt de gelijktijdige acquisitie van topografische informatie met een hoge resolutie en elektrochemische informatie op materiaaloppervlakken op nanoschaal mogelijk. Deze techniek is essentieel voor het begrijpen van heterogene eigenschappen, zoals reactiviteit en defecten, op lokale oppervlakken van nanomaterialen en biomaterialen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Nanotechnologie
- Elektrochemie
- Materiaalkunde
Achtergrond
- AFM-SECM biedt gedetailleerde mapping van elektrochemisch reactieve oppervlakken.
- De methode vereist dat vaste deeltjes op een substraat worden geïmmobiliseerd voor een effectieve geleidbaarheid.
- De keuze van de redoxmediator is cruciaal voor een succesvolle beeldvorming.
- Bij de monstervoorbereiding moet worden gewaarborgd dat het beeldvormingsproces de integriteit van het monster niet beïnvloedt.
Doel van de studie
- Om de mogelijkheden van AFM-SECM bij de analyse van nanomaterialen aan te tonen.
- Om een protocol te bieden voor het prepareren van monsters voor effectieve beeldvorming.
- Om het belang van monsterpreparatie bij het verkrijgen van nauwkeurige elektrochemische gegevens te illustreren.
Gebruikte methoden
- Gebruik van AFM-SECM voor gelijktijdige topografische en elektrochemische mapping.
- Immobilisatie van vaste deeltjes op een geleidend substraat.
- Toepassing van een redoxmediator om de beeldkwaliteit te verbeteren.
- Preparatie van monsters onder gecontroleerde omstandigheden om de integriteit tijdens de beeldvorming te behouden.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle mapping van nanostructuren op het oppervlak en elektrochemische eigenschappen.
- Demonstratie van het belang van de selectie van het substraat en de mediator.
- Validatie van het protocol door middel van praktische toepassing.
- Inzichten in de reactiviteit en defecten van nanomaterialen.
Conclusies
- AFM-SECM is een krachtig instrument voor het bestuderen van nanomaterialen.
- Een juiste monstervoorbereiding is essentieel voor het verkrijgen van betrouwbare gegevens.
- Deze methode vergroot ons begrip van materiaaleigenschappen op nanoschaal.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
AFM-SECM maakt correlatie op nanoschaal mogelijk tussen oppervlaktopografie en elektrochemische reactiviteit, wat bijdraagt aan mechanistische risicoreductie bij de evaluatie van nanomaterialen in een vroeg stadium. Deze mogelijkheid vergroot de voorspellende betrouwbaarheid bij doelvalidatie door structurele kenmerken te koppelen aan functionele activiteit, wat go/no-go-beslissingen in discovery-pipelines ondersteunt. De methode levert kwantitatieve, ruimtelijk opgeloste gegevens die essentieel zijn voor het beoordelen van structuur-functierelaties in katalytische, sensorische of biomedische nanomaterialen.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen door elektrochemische activiteit in kaart te brengen op het niveau van kristalvlakken van nanomaterialen.
- Operationele waarde: Maakt biologische risicoreductie mogelijk door directe observatie van gelokaliseerde reactiviteit gekoppeld aan de nanostructuur.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt portfolio-triage door oppervlaktekenmerken te correleren met functionele output, waardoor mechanistische ambiguïteit wordt verminderd.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Klaarheid voor analyse: Bereidt gevalideerde biologische of nanomateriaalsystemen voor op downstream screening met gelijktijdige topografische en elektrochemische uitlezingen.
- Reproduceerbaarheid: Standaardiseert metingen via geïmmobiliseerde monsters en gecontroleerde redoxmediatorcondities, wat een consistente signaaldetectie waarborgt.
- Schaalbaarheid: Faciliteert hergebruik van het platform voor verschillende materiaaltypen door een kwantitatieve beoordeling van de lokale oppervlakteactiviteit mogelijk te maken met een hogere resolutie dan conventionele SECM.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele Continuïteit: Slaat een brug tussen ontdekking en preklinische validatie door nanoscale-inzichten te bieden in reactiviteit en defecten die relevant zijn voor de afstemming van biomarkers.
- Risico-gecorrigeerde Vooruitgang: Ondersteunt de besluitvorming via gevalideerde protocollen die de integriteit van het monster en de elektrische geleidbaarheid tijdens de beeldvorming waarborgen.
- Mechanistische Risicoreductie: Richt zich op de voorspellende waarde door aan te tonen hoe de selectie van het substraat en de mediator de betrouwbaarheid van de gegevens bij de karakterisering van nanomaterialen beïnvloeden.
Integratie van Pipeline & Workflow
AFM-SECM past binnen het ontdekkingscontinuüm, van vroege hypothese-testen tot lead-identificatie, waardoor iteratieve verfijning van nanomateriaalontwerpen mogelijk wordt gemaakt op basis van gecorreleerde structurele en functionele gegevens.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten door te onthullen hoe oppervlaktekenmerken op nanoschaal het elektrochemische gedrag beïnvloeden, waardoor structuur-activiteitsrelaties worden verduidelijkt.
- Screening: Levert assay-klare systemen met kwantitatieve, ruimtelijk opgeloste outputs die vergelijking van materiaalvarianten onder identieke omstandigheden mogelijk maken.
- Analytics: Genereert beelden van de tipstroom, cyclische voltammetrie-curves en chronoamperometrische gegevens waarmee teams reactiviteitstrends en stabiliteit over tijd kunnen beoordelen.
- Translationeel Onderzoek: Sluit aan bij preklinisch werk door defect- en reactiviteitsmapping te bieden die bijdraagt aan de veiligheids- en effectiviteitsprofielering van nanomaterialen.
- Enterprise Hergebruik: Fungeert als een herbruikbare capaciteit over verschillende projecten heen vanwege de aanpasbaarheid aan diverse substraten, mediatoren en monstertypes in gecontroleerde elektrochemische omgevingen.
Operationele en zakelijke impact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende betrouwbaarheid, targetvalidatie, vermindering van mechanistische ambiguïteit in de functie van nanomaterialen.
- Operationele waarde: Standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid door gedefinieerde monstervoorbereiding en elektrochemische controles.
- Strategische waarde: Betere go/no-go-beslissingen, kapitaalefficiëntie en verminderd biologisch risico in een laat stadium via vroege functionele screening.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering en beslissingen over verdere ontwikkeling op basis van gevalideerde structuur-eigenschapcorrelaties.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in elektrochemie, de hantering van probes en de integratie van AFM-SECM-software voor een succesvolle uitvoering.
- Is afhankelijk van geleidende substraten, geschikte redoxmediatoren en stabiele elektrochemische cellen om de signaalintegriteit te behouden.
- Necessiteert standaardisatie tussen teams wat betreft monsterimmobilisatie en beluchtingsvrije oplossingscondities om de betrouwbaarheid van de gegevens te waarborgen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het overdragen van protocollen naar verschillende nanomateriaalsystemen, zoals metaaloxiden of nanobubbels.
- Bevat praktische beperkingen, zoals de noodzaak van strikte bescherming tegen elektrostatische ontlading en het voorkomen van blootstelling aan vloeistoffen tijdens het scannen.
