Прецизионный электрохимический определение размеров отдельных электронеактивных частиц
4 августа 2023 г.
Как аналитический метод, наноударная электрохимия, все более важный подход к подсчету и характеристике электронеактивных частиц нанометрового масштаба, страдает от низкой точности из-за гетерогенного распределения тока, возникающего при использовании ультрамикроэлектродов. Здесь описан обобщенный подход, называемый «электрокаталитическим прерыванием», который повышает точность таких измерений.
Наш протокол повышает точность измерений, связанных с определением размеров частиц с использованием распространенных методов аналитической химии. Это обеспечивает лучшую характеристику наноматериалов по одному in situ с помощью электрохимии. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он использует обычные лабораторные реагенты для решения проблемы краевого эффекта, который является давней проблемой в области наноэлектрохимии.
Благодаря модульному характеру электрокаталитического прерывания электрод, окислительно-восстановительный зонд и подложка могут быть заменены для лучшего удовлетворения потребностей в обнаружении. После приготовления необходимых растворов и электродов в качестве рабочего электрода выбирают макроэлектрод. Для приготовления контрольной клетки приготовьте пять миллилитров раствора, содержащего один миллимолярный TEMPO и пять миллимолярных перхлората натрия в карбонатном буфере при рН 12.
Для подготовки тестовой ячейки приготовьте пять миллилитров раствора, содержащего один миллимолярный TEMPO, пять миллимолярных перхлората натрия и 120 миллимолярных мальтоз в карбонатном буфере. Перед экспериментальным запуском используйте полировальную губку с алюминиевой суспензией, чтобы отполировать электрод, и перемещайте электрод в виде восьмерки, чтобы обеспечить равномерную полировку. Обильно промойте его деионизированной водой.
Затем высушите электрод с помощью лабораторной салфетки, не прикасаясь к его кончику. Для электрохимических измерений используйте трехэлектродную установку, используя макроэлектрод для циклических вольтамперограмм или ультрамикроэлектрод 11 микрон для хроноамперограмм, платиновый проволочный контрэлектрод и насыщенный каломельный электрод сравнения или SCE. Установите контрольную ячейку в клетку Фарадея и подключите электроды к соответствующим кабелям.
Собирайте данные циклической вольтамперометрии, используя окно потенциалов от 0,2 до 0,8 вольт при скорости сканирования 10, а затем 20, 30, 40 и 50 милливольт в секунду. Для сбора данных хроноамперометрии выберите ультрамикроэлектрод. С управляющей ячейкой в потенциостате подайте 0,8 вольта против SCE в течение 10 минут и начните запись с частотой дискретизации 10 герц.
Используя те же параметры, получите данные для тестовой ячейки. Затем добавьте раствор с гранулами полистирола до конечной концентрации 0,66 пикомолара в каждую электрохимическую ячейку и соберите данные хроноамперометрии каждой ячейки, как было продемонстрировано ранее. Выберите размер выборки примерно из 200 отдельных событий, чтобы обнаружить различия между несколькими методами определения размеров.
Добавление полистирольных шариков показало ступенчатые изменения тока хроноамперограммы электрохимических ячеек при ударе и поглощении отдельных частиц. Гистограмма продемонстрировала распределение по размерам, определенное с помощью сканирующей электронной микроскопии, электрокаталитического прерывания и обычной наноударной электрохимии. Программное обеспечение для подгонки циклической вольтамперограммы продемонстрировало подгонку модели получаемых параметров из химических реакций электродной и растворной фаз.
Повышенная концентрация мальтозы сжимала диффузионный слой и угнетала гетерогенный поток по краям электродов. Очень важно иметь хорошо налаженные средства контроля. При сборе данных на микро- или наноуровне необходимо убедиться, что наблюдения реальны, а не являются результатом шума или загрязняющих веществ.
Этот метод не разрушает образец и может использоваться другими методами определения характеристик, такими как динамическое рассеяние света. Кроме того, данная методика поддается вычислительному моделированию и симуляциям.
Обзор
В данной статье представлен новый подход, получивший название «электрокаталитическое прерывание», предназначенный для повышения точности измерений в наноударной электрохимии. Позволяя устранить влияние краевого эффекта, этот метод обеспечивает более качественную характеристику наноматериалов in situ с использованием стандартных лабораторных реагентов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Электрохимия
- Методы наноударного воздействия
- Характеристика наноматериалов
Теоретические основы
- Наноимпактная электрохимия сталкивается с определенными трудностями из-за неоднородного распределения тока.
- Точность измерения частиц нанометрового масштаба имеет решающее значение для корректной характеризации.
- Общепринятые методы аналитической химии могут быть усовершенствованы для достижения более качественных результатов.
- Электрокаталитическое прерывание представляет собой модульный метод, который может быть адаптирован под различные задачи детектирования.
Цель исследования
- Для повышения точности измерений при определении размера частиц.
- Для обеспечения неразрушающего метода характеристики наноматериалов.
- Для использования общепринятых лабораторных реагентов с целью решения давних проблем в наноэлектрохимии.
Используемые методы
- Подготовка контрольных и опытных ячеек со специфическими химическими растворами.
- Использование трехэлектродной системы для электрохимических измерений.
- Сбор данных циклической вольтамперометрии и хроноамперометрии.
- Анализ данных для определения распределения частиц по размерам и подбора модели.
Основные результаты
- Электрокаталитическое прерывание обеспечило повышение точности измерений.
- При добавлении полистирольных микросфер наблюдались ступенчатые изменения тока на хроноамперограмме.
- Распределение по размерам было эффективно определено с использованием нескольких методов.
- Метод оказался неразрушающим и совместимым с дальнейшими методами анализа.
Заключение
- Электрокаталитическое прерывание повышает точность в наноударной электрохимии.
- Этот метод позволяет решить ключевые проблемы в данной области, такие как краевой эффект.
- Он открывает возможности для более качественной характеризации наноматериалов.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Точное электрохимическое определение размера отдельных электронеактивных частиц решает критическую задачу характеризации наноматериалов, обеспечивая измерение гетерогенности частиц с высоким разрешением in situ. Эта возможность повышает прогностическую достоверность на ранних этапах поиска и способствует надежной валидации мишеней за счет снижения неопределенности измерений. Повышение точности определения размера напрямую влияет на приоритизацию портфеля и принятие решений о продвижении проектов с учетом рисков в биофармацевтических исследованиях и разработках (R&D).
Стратегические применения в биофармацевтических исследованиях и разработках&D
Первичный поиск и валидация мишени
- Обеспечивает разрешение на уровне отдельных частиц для функциональной валидации мишеней и снижения механистических рисков.
- Снижает влияние артефактов неоднородности, что позволяет более надежно проверять гипотезы в анализах на основе наноматериалов.
- Повышает прогностическую достоверность при последующей биологической оценке и сортировке.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает подготовку валидированных систем наноматериалов для рабочих процессов количественного скрининга.
- Поддерживает воспроизводимость анализа за счет минимизации вариативности краевого эффекта при электрохимических измерениях.
- Позволяет использовать масштабируемые стандартизированные протоколы определения размеров для надежной оценки соединений.
Трансляционные и доклинические исследования
- Обеспечивает неразрушающую характеристику in situ, совместимую с дальнейшими аналитическими или доклиническими исследованиями.
- Поддерживает непрерывность процесса от этапа открытия до доклинической валидации, обеспечивая надежную оценку наноматериалов.
- Снижает риски при дальнейшем продвижении разработки за счет уточнения гетерогенности и функциональных характеристик наноматериалов.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в континуум от этапа поиска до доклинических исследований, обеспечивая точное количественное определение размеров наноматериалов для проверки гипотез на ранних стадиях и разработки аналитических методов.
- Фундаментальная биология: способствует проверке гипотез и уточнению путей за счет разрешения гетерогенности отдельных частиц.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные результаты для оценки готовности анализа и тестирования соединений.
- Аналитика: предоставляет пошаговые измерения тока и гистограммы распределения по размеру для надежного сравнения данных.
- Трансляционные исследования: позволяет проводить неразрушающий анализ, поддерживая последующие исследования биомаркеров или доклинические исследования.
- Корпоративное использование: предлагает модульную, адаптируемую платформу для повторяющейся характеризации наноматериалов в рамках различных программ.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую уверенность и снижает механистическую неоднозначность в рабочих процессах на основе наноматериалов.
- Операционная ценность: Стандартизирует и масштабирует определение размера частиц электрохимическим методом с улучшенной воспроизводимостью.
- Стратегическая ценность: Обеспечивает более эффективное принятие решений о продолжении или прекращении разработок (go/no-go) и оптимизирует использование капитала за счет уточнения характеристик наноматериалов.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритизацию с учетом рисков и развитие активов, созданных с использованием наноматериалов.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы в области электрохимии и обращения с наноматериалами.
- Необходим доступ к трехэлектродным установкам, потенциостатам и аналитической инфраструктуре.
- Требуется строгая стандартизация между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимости собираемых данных.
- Метод адаптируем к различным комбинациям электродов, редокс-зондов и субстратов в зависимости от задач детектирования.
- Тщательный контроль и валидация имеют решающее значение для отличия истинных сигналов от шума или загрязнений.
