Sondowanie powierzchniowej aktywności elektrochemicznej nanomateriałów przy użyciu hybrydowego mikroskopu sił atomowych ze skaningowym mikroskopem elektrochemicznym (AFM-SECM)
10 lutego 2021
Mikroskopia sił atomowych (AFM) w połączeniu ze skaningową mikroskopią elektrochemiczną (SECM), a mianowicie AFM-SECM, może być używana do jednoczesnego pozyskiwania informacji topograficznych i elektrochemicznych o wysokiej rozdzielczości na powierzchniach materiałów w nanoskali. Takie informacje mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia niejednorodnych właściwości (np. reaktywności, defektów i miejsc reakcji) na lokalnych powierzchniach nanomateriałów, elektrod i biomateriałów.
Protokół ten wykorzystuje potężną i innowacyjną technologię, tak zwaną Mikroskop Sił Atomowych w połączeniu z Elektrochemicznym Mikroskopem Skaningowym, który jest AFM-SECM do skanowania informacji morfologicznych i elektrochemicznych na fasetowanych nanomateriałach i nanopęcherzykach w wodzie. AFM-SECM jest w stanie mapować elektrochemicznie reaktywną powierzchnię na podstawie obrazów prądu końcówki, a także umożliwia jednoczesne pozyskiwanie nanoskalowych struktur powierzchniowych i informacji elektrochemicznych na materiałach próbnych. Przygotowanie próbki do tej metody wymaga, aby cząstki stałe były całkowicie unieruchomione na podłożu, a wiązania między próbkami a podłożami zapewniały przewodność elektryczną.
Wybór Redox Mediator jest również krytyczny. Co więcej, demonstracja jest konieczna, aby naprawdę wykazać, że odbyło się to w ramach dedykowanej, oddzielnej operacji w tym protokole, takiej jak systemy przygotowywania próbek, które zachodzą w procesie obrazowania. Umieść 10 mikrolitrów żywicy epoksydowej na oczyszczonej płytce krzemowej za pomocą końcówki pipety i wyłożyć ją czystym szkiełkiem.
Po około pięciu minutach upuść 10 mikrolitrów zawiesiny nanocząstek tlenku miedzi na podłoża wafli krzemowych pokrytych żywicą epoksydową. Następnie wysuszyć próżniowo podłoże w temperaturze 40 stopni Celsjusza lub sześciu godzin. Aby przygotować nanopęcherzyki tlenu, bezpośrednio wstrzykuje się sprężony tlen przez rurkową membranę ceramiczną do wody dejonizowanej.
Umieść 1,8 mililitra zawiesiny nanopęcherzyków na złotym podłożu w elektrochemicznej celi próbki i ustabilizuj ją przez 10 minut. Zastąp istniejący fragment próbki fragmentem SECM. Następnie przykręć go na miejscu za pomocą dwóch z walcowym M3, 6 mm i klucza imbusowego 2,5 milimetra.
Zamontuj moduł zwalniający naprężenie na skanerze AFM i podłącz go do działającego złącza elektrody na bloku złącza sprężynowego za pomocą przedłużacza. Kliknij dwukrotnie dwie ikony oprogramowania, aby zainicjować system AFM i interfejs sterowania potencjostatem. Przygotuj pole wyładowań elektrostatycznych, opakowanie powierzchniowe, w tym podkładkę antystatyczną, stojak na sondę chroniącą przed wyładowaniami elektrostatycznymi, rękawice antystatyczne do noszenia i pasek na nadgarstek.
Aby zapobiec narażeniu skanera AFM na działanie cieczy, podczas testowania AFM-SECM należy używać obuwia ochronnego. Umieść uchwyt sondy na stojaku sondy chroniącej przed wyładowaniami elektrostatycznymi i użyj plastikowej pęsety, aby przymocować osłonę ochronną do uchwytu końcówki. Następnie dopasuj małe nacięcie w osłonie ochronnej do wycięcia w uchwycie sondy.
Otwórz pudełko sond AFM-SECM za pomocą pęsety z końcówką i chwyć sondę po obu stronach rowków. Użyj chwytaka tarczy, aby przytrzymać uchwyt sondy na stojaku i włóż przewód sondy do otworu w stojaku. Następnie wsuń sondę w szczelinę w uchwycie sondy.
Gdy sonda znajdzie się w gnieździe, użyj płaskiego końca pęsety, aby ją wepchnąć. Przymocuj cały uchwyt sondy do skanera i użyj pęsety z końcówką PTFE, aby chwycić przewód tuż pod miedzianym pierścieniem i podłączyć go do modułu. Następnie umieść skaner z powrotem w jaskółczym ogonie.
Umieść wcześniej zmontowaną elektrochemiczną celę próbki z próbką testową w centralnym punkcie kawałka SECM. Następnie podłącz pseudoelektrodę odniesienia i przeciwelektrodę do bloku złącza sprężynowego. W oprogramowaniu AFM-SECM wybierz SECM PeakForce QNM, aby załadować obszar roboczy.
Podczas konfiguracji załaduj sondę SECM, a następnie wyrównaj laser do końcówki za pomocą stacji wyrównowania. Przejdź do opcji Nawigacja i powoli przesuwaj skaner w dół, aby ustawić ostrość na powierzchni próbki. Dostosuj nieznacznie położenie elektrochemicznych komórek próbki, aby upewnić się, że skaner nie dotyka szklanej pokrywy celi próbki podczas ruchu.
Po ustawieniu ostrości na próbce kliknij przycisk Aktualizuj pozycję ślepego zaangażowania. Kliknij, przejdź do pozycji dodawania płynu i dodaj około 1,8 mililitra roztworu buforowego do celi próbki. Upewnij się, że poziom roztworu jest niższy niż szklana pokrywa i że druty są zanurzone w roztworze, użyj pipety do wymieszania roztworu w celu usunięcia pęcherzyków i odczekaj pięć minut.
Kliknij, przejdź do pozycji ślepego zaangażowania, co spowoduje, że końcówka przesunie się z powrotem do roztworu buforowego. Lekko wyreguluj laser, aby upewnić się, że laser jest wyrównany na końcówce. Otwórz oprogramowanie elektrochemicznej stacji roboczej i kliknij polecenie techniki na pasku narzędzi, aby otworzyć selektor techniczny.
Wybierz Czas potencjału obwodu otwartego i użyj ustawienia domyślnego, aby uruchomić pomiar OCP, który powinien być prawie zerowy i stabilny. Kliknij ponownie polecenie techniki i wybierz Woltamperometria cykliczna, a następnie wprowadź parametry woltamperometrii cyklicznej i kontynuuj obrazowanie SECM. Wróć do oprogramowania AFM-SECM i kliknij Włącz.
Następnie wybierz chronoamperometrię i ustaw parametry chronoamperometrii z początkowym minus 0,4 wolta, szerokością impulsu na 1000 sekund i taką samą czułością jak skanowanie CV. Po uruchomieniu programu wróć do oprogramowania AFM-SECM, sprawdź odczyt w czasie rzeczywistym na wykresie paskowym i kliknij start. Zapisz obrazy w oprogramowaniu AFM-SECM.
Używając elektrycznej celi na próbki chemiczne jako pojemnika na czystą wodę, wsuwajaj i wyjmuj końcówkę z cieczy za pomocą funkcji Blind Engage w panelu nawigacyjnym, trzykrotnie zmieniając wodę. Następnie użyj czystych chusteczek, aby ostrożnie usunąć resztki wody z uchwytu sondy i włóż sondę z powrotem do pudełka na sondę. Protokół ten wykorzystano do scharakteryzowania pojedynczych nanopęcherzyków tlenu, ujawniając zarówno informacje morfologiczne, jak i elektrochemiczne.
Porównanie topografii terenu z obecnym obrazem pokazuje korelację między położeniem nanopęcherzyków a obecnymi plamami. Topografia i aktualne obrazy nanocząstek tlenku miedzi są pokazane tutaj. Obraz prądu końcówki wskazuje, że nanocząstka widoczna na obrazie topograficznym jest związana z wyraźną plamką prądu elektrycznego.
Natomiast prąd tła odpowiada płaskiemu podłożu krzemowemu. Oto pięć reprezentatywnych krzywych woltamperometrii cyklicznej końcówki AFM-SECM w odległości około jednego milimetra od podłoża. Prąd końcówki ograniczony dyfuzją nie zmniejszał się z upływem czasu.
W tym miejscu wykreślane są zmiany prądu końcówki w miarę zbliżania się końcówki do powierzchni próbki. Końcówka AFM-SECM zbliżała się do powierzchni podłoża w kierunku Z, aż osiągnęła nastawę wskazującą fizyczny kontakt lub zginanie podłoża końcówki. W tym protokole upewnij się, że cząstka stała jest unieruchomiona jako podłoże, ma całkowicie przewodność elektryczną i nie ma pęcherzyków w roztworze w komórce próbki.
Metody przygotowania próbek są istotne dla szerszego zakresu zastosowań obejmujących nanomateriały, zwłaszcza do charakteryzacji nanomateriałów. Technika AFM-SECM może być wykorzystana do uzyskania jednoczesnej topografii i obrazu elektrochemicznego w nanoskali, co jest ważne w rozwoju i zastosowaniu nanomateriałów w dziedzinach badawczych, takich jak materiałoznawstwo, chemia i nauki przyrodnicze.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Mikroskopia sił atomowych (AFM) w połączeniu z skaningową mikroskopią elektrochemiczną (SECM), znana jako AFM-SECM, umożliwia jednoczesne pozyskiwanie wysokorozdzielczych informacji topograficznych i elektrochemicznych z powierzchni materiałów w skali nanometrycznej. Technika ta jest niezbędna do zrozumienia właściwości heterogenicznych, takich jak reaktywność i defekty na lokalnych powierzchniach nanomateriałów i biomateriałów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nanotechnologia
- Elektrochemia
- Inżynieria materiałowa
Wprowadzenie
- AFM-SECM zapewnia szczegółowe mapowanie powierzchni aktywnych elektrochemicznie.
- Metoda ta wymaga unieruchomienia cząstek stałych na podłożu w celu zapewnienia skutecznego przewodnictwa.
- Wybór mediatora redoks jest kluczowy dla uzyskania poprawnego obrazowania.
- Przygotowanie próbki musi gwarantować, że proces obrazowania nie naruszy integralności próbki.
Cel badania
- Aby zademonstrować możliwości AFM-SECM w analizie nanomateriałów.
- Aby przedstawić protokół przygotowania próbek w celu zapewnienia efektywnego obrazowania.
- Aby zilustrować znaczenie przygotowania próbek dla uzyskania dokładnych danych elektrochemicznych.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie AFM-SECM do jednoczesnego mapowania topograficznego i elektrochemicznego.
- Immobilizacja cząstek stałych na przewodzącym podłożu.
- Zastosowanie mediatora redoks w celu poprawy jakości obrazowania.
- Przygotowanie próbek w kontrolowanych warunkach w celu zachowania ich integralności podczas obrazowania.
Główne wyniki
- Skuteczne mapowanie nanostruktur powierzchniowych oraz właściwości elektrochemicznych.
- Wykazanie znaczenia doboru podłoża i mediatora.
- Walidacja protokołu poprzez zastosowanie praktyczne.
- Wnioski dotyczące reaktywności i defektów nanomateriałów.
Wnioski
- AFM-SECM jest potężnym narzędziem do badania nanomateriałów.
- Prawidłowe przygotowanie próbki jest kluczowe dla uzyskania wiarygodnych danych.
- Metoda ta pogłębia naszą wiedzę na temat właściwości materiałów w skali nano.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Technika AFM-SECM umożliwia korelację topografii powierzchni z reaktywnością elektrochemiczną w skali nanometrycznej, co wspiera minimalizację ryzyka mechanistycznego na wczesnym etapie oceny nanomateriałów. Możliwość ta zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów poprzez powiązanie cech strukturalnych z aktywnością funkcjonalną, co dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac w procesach badawczych. Metoda ta dostarcza ilościowych, rozdzielonych przestrzennie danych, które są kluczowe dla oceny zależności struktura-funkcja w nanomateriałach katalitycznych, sensorycznych lub biomedycznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Weryfikacja hipotez terapeutycznych poprzez mapowanie aktywności elektrochemicznej na poziomie poszczególnych ścian krystalicznych nanomateriałów.
- Wartość operacyjna: Umożliwia biologiczną minimalizację ryzyka dzięki bezpośredniej obserwacji lokalnej reaktywności powiązanej z nanostrukturą.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfolio poprzez korelację cech powierzchni z wynikami funkcjonalnymi, co redukuje niejasności mechanistyczne.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne lub nanomateriałowe do dalszego przesiewania z jednoczesnym odczytem topograficznym i elektrochemicznym.
- Powtarzalność: Standaryzuje pomiary poprzez unieruchomienie próbek i kontrolowanie warunków mediatora redoks, zapewniając spójną detekcję sygnału.
- Skalowalność: Ułatwia ponowne wykorzystanie platformy dla różnych typów materiałów, umożliwiając ilościową ocenę lokalnej aktywności powierzchni z wyższą rozdzielczością niż w konwencjonalnej SECM.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy etap odkryć z walidacją przedkliniczną, dostarczając wglądu w nanoskalę w zakresie reaktywności i defektów istotnych dla dopasowania biomarkerów.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Wspiera podejmowanie decyzji poprzez zwalidowane protokoły, które zapewniają integralność próbek i przewodność elektryczną podczas obrazowania.
- Mechanistyczne ograniczanie ryzyka: Koncentruje się na wartości prognostycznej, wykazując, w jaki sposób dobór substratu i mediatora wpływa na niezawodność danych w charakterystyce nanomateriałów.
Integracja potoków i przepływów pracy
AFM-SECM wpisuje się w kontinuum procesu badawczego, od wczesnego testowania hipotez po identyfikację wiodących struktur, umożliwiając iteracyjne udoskonalanie projektów nanomateriałów w oparciu o skorelowane dane strukturalne i funkcjonalne.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez, ujawniając, w jaki sposób nanostrukturalne cechy powierzchni wpływają na zachowanie elektrochemiczne, co pozwala wyjaśnić zależności między strukturą a aktywnością.
- Screening: Dostarcza systemy gotowe do analizy z ilościowymi, rozdzielczo przestrzennymi wynikami, które umożliwiają porównanie wariantów materiałów w identycznych warunkach.
- Analityka: Generuje obrazy prądu końcówki, krzywe woltamperometrii cyklicznej oraz dane chronoamperometryczne, które pozwalają zespołom oceniać trendy reaktywności i stabilność w czasie.
- Badania translacyjne: Łączy się z pracami przedklinicznymi poprzez mapowanie defektów i reaktywności, co dostarcza informacji niezbędnych do profilowania bezpieczeństwa i skuteczności nanomateriałów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako reużywalne rozwiązanie w różnych projektach dzięki możliwości adaptacji do różnych podłoży, mediatorów i typów próbek w kontrolowanych środowiskach elektrochemicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna, walidacja celu, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w działaniu nanomateriałów.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność dzięki zdefiniowanemu przygotowaniu próbek oraz kontrolom elektrochemicznym.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go), efektywność kapitałowa oraz zmniejszone ryzyko biologiczne na późnych etapach dzięki wczesnemu screeningowi funkcjonalnemu.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja skorygowana o ryzyko oraz decyzje o rozwoju oparte na zwalidowanych korelacjach struktura-właściwości.
Uwagi dotyczące implementacji
- Pomyślna obsługa wymaga doświadczenia w zakresie elektrochemii, posługiwania się sondami oraz integracji oprogramowania AFM-SECM.
- Zależność od przewodzących podłoży, odpowiednich mediatorów redoks i stabilnych ogniw elektrochemicznych w celu zachowania integralności sygnału.
- Konieczność standaryzacji immobilizacji próbek i zapewnienia warunków roztworu wolnego od pęcherzyków powietrza w ramach współpracy międzyzespołowej w celu zapewnienia wiarygodności danych.
- Konieczność uwzględnienia adaptacji przy przenoszeniu protokołów pomiędzy różnymi systemami nanomateriałów, takimi jak tlenki metali czy nanopęcherzyki.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak potrzeba ścisłej ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi oraz zapobieganie ekspozycji na ciecz podczas skanowania.
