Precyzyjne wymiarowanie elektrochemiczne poszczególnych cząstek nieaktywnych elektrycznie
4 sierpnia 2023
Jako technika analityczna, elektrochemia nanoimpactowa, coraz ważniejsze podejście do liczenia i charakteryzowania elektro-nieaktywnych cząstek w skali nanometrowej, cierpi z powodu niskiej precyzji z powodu niejednorodnych rozkładów prądu, które powstają w wyniku użycia ultramikroelektrod. Przedstawiono tutaj uogólnione podejście, zwane "przerwaniem elektrokatalitycznym", które zwiększa precyzję takich pomiarów.
Nasz protokół zwiększa precyzję pomiaru związaną z wymiarowaniem cząstek przy użyciu popularnych technik chemii analitycznej. Zapewnia to lepszą charakterystykę nanomateriałów pojedynczo in situ przy użyciu elektrochemii. Główną zaletą tej techniki jest to, że wykorzystuje ona powszechnie stosowane odczynniki laboratoryjne w celu rozwiązania problemu efektu krawędziowego, który jest długotrwałym problemem w dziedzinie nanoelektrochemii.
Ze względu na modułowy charakter przerywania elektrokatalitycznego, elektroda, sonda redoks i podłoże mogą być wymieniane, aby lepiej spełnić potrzeby detekcji. Po przygotowaniu wymaganych roztworów i elektrod wybierz makroelektrodę jako elektrodę roboczą. Aby przygotować komórkę kontrolną, należy przygotować pięć mililitrów roztworu zawierającego jeden milimolowy TEMPO i pięciomilimolowy nadchloran sodu w buforze węglanowym o pH 12.
Aby przygotować komórkę testową, należy przygotować pięć mililitrów roztworu zawierającego jeden milimolowy TEMPO, pięciomilimolowy nadchloran sodu i 120-milimolową maltozę w buforze węglanowym. Przed przebiegiem eksperymentalnym użyj pada polerskiego z zawiesiną aluminiową, aby wypolerować elektrodę i przesuń elektrodę w ósemkę, aby zapewnić równomierne polerowanie. Obficie spłucz go wodą dejonizowaną.
Następnie osusz elektrodę chusteczką laboratoryjną, nie dotykając jej końcówki. Do pomiarów elektrochemicznych należy użyć układu z trzema elektrodami, wykorzystując makroelektrodę do cyklicznych woltamogram lub ultraelektrodę 11 mikronów do chronoamperogramów, przeciwelektrodę z drutu platynowego i elektrodę odniesienia z nasyconego kalomelu lub SCE. Ustaw komórkę kontrolną w klatce Faradaya i podłącz elektrody do odpowiednich.
Zbierz dane woltamperometrii cyklicznej za pomocą okna potencjału od 0,2 do 0,8 V z szybkością skanowania 10, a następnie 20, 30, 40 i 50 miliwoltów na sekundę. Aby zebrać dane chronoamperomteryjne, wybierz ultramikroelektrodę. Z komórką kontrolną w potencjostacie przyłóż 0,8 V w stosunku do SCE przez 10 minut i rozpocznij nagrywanie z częstotliwością próbkowania 10 Hz.
Korzystając z tych samych parametrów, uzyskaj dane dla komórki testowej. Następnie wstrzyknąć roztwór za pomocą kulek polistyrenowych do końcowego stężenia 0,66 pikomolara do każdego ogniwa elektrochemicznego i zebrać dane chronoamperomteryjne każdego ogniwa, jak wykazano wcześniej. Wybierz wielkość próby około 200 indywidualnych zdarzeń wpływu, aby wykryć różnice między wieloma metodami wymiarowania.
Dodatek kulek polistyrenowych wykazał stopniowe zmiany prądu chronoamperogramu ogniw elektrochemicznych w miarę uderzania i pochłaniania pojedynczych cząstek. Histogram pokazał rozkład wielkości wyznaczony za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, przerwania elektrokatalitycznego i konwencjonalnej elektrochemii nanoudarowej. Oprogramowanie do dopasowania cyklicznej woltammogramy zademonstrowało modelowe dopasowanie parametrów uzyskanych z reakcji chemicznych elektrody i fazy roztworu.
Zwiększony dodatek stężenia maltozy ściskał warstwę dyfuzyjną i obniżał niejednorodny strumień na krawędziach elektrody. Bardzo ważne jest, aby mieć dobrze ugruntowane kontrole. Zbierając dane w skali mikro lub nano, należy upewnić się, że obserwacje są prawdziwe, a nie są wynikiem szumu lub zanieczyszczeń.
Technika ta jest nieniszcząca dla próbki i może być stosowana innymi metodami charakteryzacji, takimi jak dynamiczne rozpraszanie światła. Ponadto technika ta nadaje się do modelowania komputerowego i symulacji.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia nowatorskie podejście o nazwie „przerywanie elektrokatalityczne”, mające na celu zwiększenie precyzji pomiarów w elektrochemii nanoimpaktów. Poprzez rozwiązanie problemu zjawiska efektu krawędziowego, metoda ta umożliwia lepszą charakterystykę nanomateriałów in situ z wykorzystaniem powszechnie stosowanych odczynników laboratoryjnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Elektrochemia
- Techniki nanoupływów
- Charakterystyka nanomateriałów
Wstęp
- Elektrochemia nanoimpaktowa napotyka trudności ze względu na heterogeniczne rozkłady prądu.
- Precyzja w pomiarach cząstek w skali nanometrycznej jest kluczowa dla dokładnej charakterystyki.
- Powszechne techniki chemii analitycznej mogą zostać udoskonalone w celu uzyskania lepszych wyników.
- Przerwanie elektrokatalityczne jest techniką modułową, która może być dostosowana do różnych potrzeb detekcyjnych.
Cel badania
- Aby poprawić precyzję pomiaru w określaniu wielkości cząstek.
- Aby zapewnić nieniszczącą metodę charakteryzacji nanomateriałów.
- Aby wykorzystać powszechne odczynniki laboratoryjne w celu złagodzenia długotrwałych problemów w nanoelektrochemii.
Zastosowane metody
- Przygotowanie ogniw kontrolnych i badawczych z zastosowaniem odpowiednich roztworów chemicznych.
- Wykorzystanie układu tródelektrodowego do pomiarów elektrochemicznych.
- Gromadzenie danych z woltamperometrii cyklicznej i chronoamperometrii.
- Analiza danych w celu określenia rozkładu wielkości i dopasowania modelu.
Główne wyniki
- Przerwanie elektrokatalizy pozwoliło na poprawę precyzji pomiaru.
- Po dodaniu kulek polistyrenowych zaobserwowano skokowe zmiany prądu w chronoamperogramie.
- Rozkład wielkości został skutecznie wyznaczony przy użyciu kilku metod.
- Technika ta okazała się niedestrukcyjna i kompatybilna z dalszymi metodami charakteryzacji.
Wnioski
- Przerwanie elektrokatalityczne zwiększa precyzję w elektrochemii nanoimpaktowej.
- Metoda ta rozwiązuje kluczowe problemy w tej dziedzinie, takie jak efekt krawędziowy.
- Otwiera ona nowe możliwości w zakresie lepszej charakterystyki nanomateriałów.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Precyzyjne elektrochemiczne określanie rozmiarów poszczególnych cząstek nieaktywnych elektrycznie rozwiązuje kluczowy problem w charakteryzacji nanomateriałów, umożliwiając pomiar heterogeniczności cząstek in situ z wysoką rozdzielczością. Możliwość ta zwiększa pewność prognostyczną w początkowej fazie odkryć oraz wspiera rzetelną walidację celów poprzez redukcję niejednoznaczności pomiarowych. Poprawa precyzji określania rozmiarów ma bezpośredni wpływ na selekcję projektów w portfolio oraz decyzje dotyczące rozwoju dostosowane do poziomu ryzyka w badaniach i rozwoju (B&D) w sektorze biofarmaceutycznym.
Strategiczne zastosowania w badaniach biofarmaceutycznych&D
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia rozdzielczość pojedynczych cząstek w celu funkcjonalnej walidacji celu oraz mechanistycznego ograniczania ryzyka.
- Redukuje artefakty heterogeniczności, wspierając bardziej wiarygodną weryfikację hipotez w testach opartych na nanomateriałach.
- Zwiększa pewność predykcyjną dla późniejszych analiz biologicznych i selekcji.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Ułatwia przygotowanie zwalidowanych systemów nanomateriałowych do ilościowych procesów przesiewowych.
- Wspiera powtarzalność analiz poprzez minimalizację zmienności efektu brzegowego w pomiarach elektrochemicznych.
- Umożliwia stosowanie skalowalnych, ustandaryzowanych protokołów określania rozmiaru w celu rzetelnej oceny związków.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia niedestrukcyjną charakterystykę in situ, która jest kompatybilna z dalszymi badaniami analitycznymi lub przedklinicznymi.
- Wspiera ciągłość procesu od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną poprzez umożliwienie rzetelnej oceny nanomateriałów.
- Usprawnia rozwój z uwzględnieniem analizy ryzyka dzięki wyjaśnieniu heterogeniczności i właściwości nanomateriałów.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta wpisuje się w proces od etapu odkrycia do badań przedklinicznych, zapewniając precyzyjne, ilościowe określanie rozmiarów nanomateriałów niezbędne do wczesnego testowania hipotez oraz opracowywania analiz.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez rozdzielanie heterogeniczności pojedynczych cząstek.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki w celu oceny gotowości testów i ewaluacji związków.
- Analityka: Zapewnia stopniowe pomiary prądu oraz histogramy rozkładu wielkości dla wiarygodnego porównywania danych.
- Badania translacyjne: Umożliwia nieniszczącą analizę, wspierając dalsze badania nad biomarkerami lub studia przedkliniczne.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje modułową, adaptacyjną platformę do powtarzalnej charakterystyki nanomateriałów w ramach różnych programów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w procesach opartych na nanomateriałach.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje i skaluje elektrochemiczne wyznaczanie rozmiarów przy poprawionej powtarzalności.
- Wartość strategiczna: Umożliwia lepsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) oraz zwiększa efektywność kapitałową poprzez wyjaśnienie parametrów wydajności nanomateriałów.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój zasobów wykorzystujących nanomateriały.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu elektrochemii i pracy z nanomateriałami.
- Wymaga dostępu do układów trójelektrodowych, potencjostatów oraz infrastruktury analitycznej.
- Wymaga rygorystycznej standaryzacji międzyzespołowej w celu zapewnienia powtarzalności gromadzonych danych.
- Możliwość adaptacji do różnych kombinacji elektrod, sond redoks i podłoży w zależności od potrzeb detekcyjnych.
- Staranna kontrola i walidacja są niezbędne do odróżnienia rzeczywistych sygnałów od szumów lub zanieczyszczeń.
