Name: precise electrochemical sizing of individual electro-inactive particles
Uploaded: 2023-08-04T15:00:00
Duration: 5 min 3 s
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この作業は、国立衛生研究所(NIH)の助成金R35GM142920によって資金提供されました。ここで報告された研究は、材料研究施設ネットワーク(www.mrfn.org)のメンバーであるUCSB MRSEC(NSF DMR 1720256)の共有施設を利用しました。この作品が参照する元の記事に貢献してくれたフィービー・ヘルトラーに感謝します。走査型電子顕微鏡画像の取得を支援してくださったクレア・チザム博士に感謝します。

1. 低騒音システムの構築
注:関連する実験には、低電流の高度に時間分解された測定を達成できるポテンショスタットが必要です。これを実現するには、フェムトアンペアレベルで電流を定量化できる1μsの時間分解能が可能な研究グレードの商用ポテンショスタットを使用します。環境からの電子干渉をさらに減らすために、2つの入れ子のファラデーケージ内で実験を行います。0.1 M塩化カリウム中で10 Hzでサンプリングしたクロノアンペロメトリー実験で、セットアップが100 fA未満の二乗平均平方根偏差を実現できることを確認してください。
<ol><li>ポテンショスタットとファラデーケージなどの機器を入手してセットアップします。 注:ファラデーケージは、商業的に入手することも、導電性金属(銅やアルミニウムなど)を使用してカスタム製造することもできます。カスタムメイドのアルミニウムファラデーケージは、ここで説明する研究に使用されました( 材料表を参照)。</li>
</ol>2.実験の準備
<ol><li>市販の直径2μmのカルボン酸塩変性ポリスチレンビーズを使用してください( 材料表を参照)。 注:このシステムは他の電気不活性種23,33に一般化することができますが、影響はブラウン運動に加えて電気泳動移動に依存していることを覚えておくことが重要です。これにより、関心のある種に魅力的な電位を適用し、低い塩濃度を維持する17。</li>
	<li>室温で少なくとも1ヶ月間保存できる以下の溶液を調製してください。<ol><li>50 mM炭酸塩溶液を調製し、1 M NaOHを用いてpH 12.0まで滴定します。毎週pHを監視します。</li>
		<li>1 M過塩素酸ナトリウム溶液を調製します。</li>
	</ol></li>
	<li>以下の溶液を毎日新鮮に準備し、一日の終わりにそれらを捨てます。<ol><li>pH 12.0の50 mM炭酸塩溶液中で10 mM TEMPOを調製します。</li>
		<li>pH 12.0の50 mM炭酸塩溶液で500 mMマルトースストックを調製します。</li>
	</ol></li>
	<li>作用電極を選択します。一貫した結果を得るには、特性評価する種の半径が電極半径17、21、23、33、34の10%〜15%以上になるように超微小電極(材料表を参照)を選択します。 注:この比率は、関心のある特定の種を最適に検出するための衝撃に関連する電流ステップの大きさを決定した後、最小限に抑えることができます。選択される電極材料は、バックグラウンド酸化還元反応を触媒しなければならない。</li>
	<li>それぞれ5 mLの電気化学セルを2つ用意します。<ol><li>pH 12.0の炭酸塩緩衝液中に1 mM TEMPOおよび5 mM過塩素酸ナトリウム( 材料表を参照)を含むコントロールセルを調製します。</li>
		<li>pH 12.0の炭酸緩衝液中の1 mM TEMPO、5 mM 過塩素酸ナトリウム、および120 mM マルトースの溶液を含む試験セルを準備します。 注:基質に対する酸化還元メディエーターの比率(ここでは、マルトースに対するTEMPO)は、反応速度20の影響を調べるために変化させることができる。この値は、均質な化学反応に関する洞察を提供します。</li>
		<li>これらのセルを準備した後、後の電気化学測定のためにそれらを取っておきます。</li>
	</ol></li>
</ol>3. 電極研磨
<ol><li>各実験の実行の前に、研磨パッド上で1 μm、0.3 μm、および0.5 μmのアルミナスラリー( 材料表を参照)を使用して、電極をそれぞれ2分間順番に研磨します。</li>
	<li>電極を「8の字」パターンで動かして、均一な研磨35,36を確保します。脱イオン水で十分にすすぎ、実験室用ワイプで乾かします。 注:超微小電極を超音波処理しないでください, これはそれらを損傷する可能性があるため.</li>
</ol>4. 電気化学測定
メモ: 結果については、 図 2 を参照してください。
<ol><li>電気化学測定には3電極セットアップを利用します。ここで説明する実験には、11 μmの炭素繊維超微小電極、白金線の対極、および飽和カロメル参照電極(SCE)を使用します( 材料表を参照)。 注:実験の電気化学ポテンシャルウィンドウを以下に示します。参考までに、TEMPOの形式電位はSCEに対して0.49Vであり、マルトースはこれらの実験で使用された電位ウィンドウでは電気的に活性ではありません。参照電極からの漏れは、総塩濃度37に影響を与える可能性があり、したがって、超微小電極への粒子の電気泳動駆動を低下させ、計数効率を低下させる17。実験の結果、衝撃周波数が低い場合は、リークレス参照電極38、39に切り替えることを検討してください。</li>
	<li>コントロールセルをファラデーケージにセットし、電極を適切なケーブルに接続します。各セルの最初の電気化学測定値を収集します。これは、以下に詳述するように、サイクリックボルタンメトリー実験とクロノアンペロメトリー実験で構成されます。<ol><li>10 mV·s−1、20 mV·s−1、30 mV·s−1、40 mV·s−1、および50 mV·s−1のスキャンレートで、0.2 Vから0.8 Vの電位ウィンドウとSCEを使用してサイクリックボルタンメトリーデータを収集します。</li>
		<li>0.8 V対SCEを10分間印加してクロノアンペロメトリーデータを収集し、10 Hzのサンプリングレートで記録します。 注:クロノアンペロメトリー実験では、後のステップで10〜15個の個別の衝撃を得るための10分のサンプリング期間をお勧めします。現時点では影響は見込まれません。</li>
	</ol></li>
	<li>次に、ポリスチレンビーズの希薄溶液を最終濃度0.66 pM17 に各電気化学セルにスパイクします。ポリスチレンビーズを添加した後、各セルの電気化学的測定値の2番目のセットを収集します。 注:衝撃頻度はこの濃度の関数であり、重複する衝撃40,41,42,43でクロノアンペログラムを飽和させることなく、統計分析に十分なデータを収集するための最適化が必要です。<ol><li>0.8 V対SCEを10分間印加してクロノアンペロメトリーデータを収集し、10 Hzのサンプリングレートで記録します。</li>
		<li>統計分析のために十分なデータポイントが収集されるまで、クロノアンペロメトリック測定を繰り返します。信頼水準が95%、検出力が80%の複数のサイジング方法の違いを検出するには、約200個の個別影響イベントのサンプルサイズを選択します。</li>
	</ol></li>
</ol>5. 走査型電子顕微鏡
注:ナノ粒子サイズとサンプルの不均一性を確認するための「ゴールドスタンダード」技術として走査型電子顕微鏡法を使用してください19,44。
<ol><li>サンプル調製<ol><li>イメージング用のサンプルを調製するには、カルボキシルラテックスビーズ懸濁液( 材料表を参照)を水で1:20に希釈します。スライドガラスに10 μLを滴下し、窒素気流下で乾燥させた後、アルゴン下で金-パラジウムの導電層でサンプルをスパッタコートします。</li>
	</ol></li>
	<li>イメージング<ol><li>5 kVの加速ビーム電圧と0.4 nAの電流を使用して、統計分析に適した画像を収集します。ImageJ45,46または同等の画像解析ソフトウェアを使用して、粒子サイズを決定します。</li>
	</ol></li>
</ol>6. 電気化学データ解析
<ol><li>ポテンショスタットのソフトウェアを使用して電気化学データを記録し、ナノ衝撃事象20から生じる定常状態電流(電流ステップ)の検出された変化から電流の大きさを抽出することができる書面によるスクリプト20を使用してこれらの結果を分析します。 注: このスクリプトは、以前に公開されたレポート20 の補足情報の一部として含まれています。</li>
	<li>次の式を使用して、現在のステップの振幅をビード半径に変換します。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65116/65116eq01.jpg" style="margin: auto;"> 注:ここで、rbはビーズ半径、relは電極半径、Δ I ss/I ssは粒子の吸着によって生成される電流の変化とその粒子の吸着前に観測された初期定常電流との比であり、f(MT,Geom)= 0.067は幾何学的および物質輸送の両方の考慮事項に依存する経験的スケーリング係数です20、25.</li>
	<li>特定のビード半径と半径を検出する頻度をプロットして(図3)、分布メトリックを定量化します。</li>
</ol>7. モデリング
注:必要に応じて、拡散制限電流生成から反応速度制限電流生成へのシフトを確認することにより、電極触媒遮断が機能するメカニズムを検証できます。記述と視覚化には、DigiSimなどのボルタモグラムフィッティングソフトウェアを使用して均質な速度定数を決定し、COMSOLマルチフィジックスなどのマルチフィジックスモデリングプラットフォームを使用して、超微小電極表面での拡散プロファイルの局所的な変化を視覚化します( 材料表を参照)。
<ol><li>ボルタモグラムフィッティング 注意: ボルタモグラムフィッティングソフトウェアを使用して、均質な速度定数を決定します(図4)。<ol><li>1 mM TEMPO(のみ)および1 mM TEMPOと120 mMマルトースを含む溶液でサイクリックボルタモグラムを収集します。各条件について、さまざまなスキャンレートでデータを収集し、このデータを使用してこれらの実験データセットの数値フィッティングを行います。<ol><li>電極47、48によってのみ駆動される反応プロセスを記述するEメカニズムを使用して、TEMPOのみの実験から収集されたボルタモグラムを適合させます。これにより、電極パラメータが得られます。</li>
			<li>ステップ7.1.1.1から得られた電極パラメータを使用して、1 mM TEMPOと120マルトース溶液から得られたボルタモグラムをEC′メカニズム47,48に適合させ、酸化還元メディエーターを再生する均一な化学反応が続く電極プロセスを記述します。これにより、等速定数が得られます。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>マルチフィジックスモデリング<ol><li>マルチフィジックスモデリングプラットフォームを使用して、制御システムと電極触媒遮断システムの両方の超微小電極表面での拡散プロファイルの変化を視覚化します20、49、50、51、52(図5)。初期条件として、ボルタモグラムフィッティングから得られた電極パラメータと均質速度定数を使用します。さまざまなソフトウェアに適応できるワークフローの概要を以下に示します。</li>
		<li>グローバルパラメータを入力します。これらは、濃度値、拡散係数、電極半径、温度などの固定値で構成されます(ただし、これらに限定されません)。</li>
		<li>シミュレーション空間を構築します。これは、電極、絶縁シース、関心領域を表す周囲のソリューション空間、およびバルク環境を表す無限要素ドメインを含むジオメトリのセットです。</li>
		<li>シミュレーションを定義する物理パッケージを導入します。<ol><li>電極空間を電気解析スタディに関連付けます。ここで目的とする初期値と電極反応を定義する。</li>
			<li>周囲の溶液空間を化学研究に関連付けます。ここでは、電極反応に続く均一な化学反応を定義します。</li>
			<li>シミュレーション空間全体にメッシュを導入します。これは、モデルを解くためにジオメトリをどのように分割するかを定義します。高品質の結果を得るには、電極の近くでより細かいメッシュを使用します。</li>
		</ol></li>
		<li>等質速度定数の結果としての変化を観察するには、パラメトリック スタディを使用してこのパラメータの値を変化させ、モデルを解析します。</li>
		<li>変化を時間の関数として観察するには、時間依存の分析スタディを使用してこのパラメータの値を変化させ、モデルを解析します。</li>
	</ol></li>
</ol>

著者は開示するものは何もありません。

電気触媒遮断は実装が容易で、ナノ衝撃電気化学に関連する不正確さを桁違いに低減します。この強化された精度により、研究者は混合溶液中の異なるサイズの粒子を直接区別することができます20。それはまた、電極17、21、23、34の半径の15%〜20%という歴史的に報告された限界よりも小さい酸化還元不活性粒子を確実に検出する能力を強化する。
電気化学的中断は、様々な電気不活性材料のナノ粒子を検出するための様々な酸化還元系に対応することができるが、そのような酸化還元系を同定することは依然として大きな課題である。電気化学的中断を実装する際の主な障壁は、エッジ効果の交絡寄与を大幅に減らすのに十分な速さの化学反応を特定することです。具体的には、電極反応の後に電極反応物を再生する化学反応が続くEC′反応のいくつかの例は、文献29、32、53、54、55でよく特徴付けられていますが、測定精度を向上させるのに十分な速度はほとんどありません。本研究では、十分に速い反応からTEMPO-マルトース系を選択し、2,200 M-1・s-1の観測速度定数を得た。これは、より速い反応速度が電極端でより均質な磁束をもたらすことを実証するマルチフィジックスシミュレーションと組み合わせて、速い化学反応のみが超微小電極で数倍の電流増強をもたらすという結論を支持します。
触媒遮断は、市販の超微小電極に対するデータ操作または変更を必要としない。ナノ衝撃データに特徴的な不均一な電流の大きさを説明するために、BonezziとBoikaは、電流ステップの大きさを粒子サイズ25に関連付ける理論モデルを導入しました。ただし、この分析は、衝突周波数の関数として現在の大きさを平均することに大きく依存しています。これは個々の粒子の特性への洞察を妨げるだけでなく、この技術は電極への酸化還元レポーターのフラックスに依存したままであり、エッジ効果の問題を取り除かないため、精度が低下します。Dengらは、水銀51から作製された半球状の超微小電極を利用して、エッジ効果に対処するための最初の実験的アプローチを導入した。しかしながら、水銀液滴電極は、毒性があり、機械的に不安定であり、限られた電位窓56に対してのみ安定である。さらに、他の材料を使用して完全な半球状の微小電極を製造(および維持)することは依然として困難です51,52。最近では、Moazzenzadeらは、ナノインパクト特性評価のためのリング超微小電極を提案しました52。この形状は有望ですが、ナノファブリケーション機能が必要です。対照的に、触媒遮断は、電気化学実験室で普遍的に見られる材料を用いたナノインパクト実験を可能にする。

ナノインパクト電気化学は、サンプル1,2,3,4,5,6,7中の個々の粒子をその場で時間分解検出することを可能にする電気化学的手法です。このアプローチによって特徴付けることができる個々の粒子は、広範囲の材料6、8、9、10、11、12、13にまたがり、個々の原子から細胞全体までの寸法を包含する7、8、14、15、16.このような小さな材料の検出と特性評価に対応するために、この技術はミクロンおよびサブミクロンスケールのディスク超微小電極を利用します。このような電極に対する電気活性ナノ粒子の影響は、ナノ粒子が酸化還元反応を受けるときに容易に定量化可能な電流変化を生じる。これをエレクトロイン活性材料の検出に拡張するために、バックグラウンド電気化学反応を使用して、ナノ粒子の吸着が電極17の表面積を変化させるにつれて段階的に減少する定常状態の電流を生成する。このスキームでは、各ナノインパクトによって生じる相対的な変化を増加させるために超微小電極が採用される。しかし、このような微小電極が生成する半径方向の拡散層は、「エッジ効果」18のために測定精度を低下させます。これらは、電極への酸化還元種のフラックスが、電極の中心19よりも電極の端部で大きいために生じる。したがって、単一のナノ粒子が電極表面の端部に着地すると、結果として生じる電流事象は、電極19の中心に着地する同一の粒子の場合に見られるものよりも大きく、この効果は、面積対円周比が小さいため、超微小電極にとってより顕著である。これらのエッジ効果は、ナノインパクト電気化学の精度を大きく損ないます。それらの存在のために、ナノインパクトサイジングによって生成される推定粒度分布は、「ゴールドスタンダード」顕微鏡技術を使用して得られたものよりも20倍広い20。この精度の低下は、ナノスケール4,17,19,21,22,23,24,25,26で酸化還元不活性材料の不均一性を評価するための分析技術としてのナノインパクト電気化学の使用を損なう。
我々は最近、ナノインパクトアプローチ20におけるエッジ効果を緩和する方法(図1)を導入した。この方法では、基質の導入により、超微小電極表面付近の酸化還元種が再生される。これにより、電流発生の律速ステップが拡散から溶液27,28中の酸化還元種の均一な化学反応の速度にシフトし、半径方向の拡散場が不均一電流に寄与する程度が減少します。具体的には、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン1−オキシル(TEMPO)の酸化は、超微小電極29におけるバックグラウンド酸化還元反応を提供する。これにマルトースを添加すると、還元型のTEMPO30,31が再生されます。この再生は急速であり32、拡散層を圧縮し、空間的着地20に関連する現在の不均一性を減少させる。その結果、「電極触媒遮断」アプローチにより、ナノ衝撃粒子のサイジングの精度が桁違いに向上します。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.05 &#181;m microalumina polish</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>4010075</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.3 &#181;m microalumina polish</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>4010077</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 &#181;m microalumina polish</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>4010079</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>20 mL scintillation vials</td>
			<td>Fisher Sci</td>
			<td>03-339-26C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical balance</td>
			<td>Ohaus</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Apreo C LoVac FEG SEM</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon fiber microelectrode</td>
			<td>ALS</td>
			<td>002007</td>
			<td>Working electrode; purchased from CH Instruments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carboxyl Latex Beads, 4% w/v, 2 &#181;m</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>C37278</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COMSOL Multiphysics</td>
			<td>COMSOL Multiphysics</td>
			<td>v6.0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-(+)-Maltose monohydrate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>M5885</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DigiSim</td>
			<td>Bioanalytical Systems, Inc.</td>
			<td>v3.03b</td>
			<td>Discontinued; comparable software is available commercially through the same vendor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EC-Lab</td>
			<td>BioLogic</td>
			<td>v11.27</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Faraday cages</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Custom; analogous equipment can be commercially purchased or fabriated of conductive sheet metals (e.g., copper or aluminum)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hummer Sputter Coater</td>
			<td>Anatech USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OriginPro</td>
			<td>OriginLab</td>
			<td>v2022b</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P1000 micropipette</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P2 micropipette</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P20 micropipette</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P200 micropipette</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Platinum Wire Electrode</td>
			<td>CH Instruments</td>
			<td>CHI115</td>
			<td>Counter electrode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>P3911</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PSA-backed MicroCloth</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>407218</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Saturated Calomel Electrode</td>
			<td>CH Instruments</td>
			<td>CHI150</td>
			<td>Reference electrode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium carbonate</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>S263</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S8045</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium perchlorate</td>
			<td>EM Science</td>
			<td>SX0692</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SP-300</td>
			<td>BioLogic</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEMPO</td>
			<td>Oakwood Chemical</td>
			<td>013714</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultra Low Current module</td>
			<td>BioLogic</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

precise electrochemical sizing of individual electro-inactive particles

ナノインパクト電気化学は、単一のナノ材料ユニットの時間分解 in situ 特性評価(サイズ、触媒活性など)を可能にし、アンサンブル研究でマスクされる不均一性を解明する手段を提供します。酸化還元不活性粒子でこの技術を実装するには、溶液相酸化還元反応を使用して、ディスク超微小電極上に定常状態のバックグラウンド電流を生成します。粒子が電極に吸着すると、露出した電極面積が段階的に減少し、吸着種のサイズに見合った電流が段階的に減少します。しかし、歴史的に、ナノインパクト電気化学は、超微小電極の円周に形成された半径方向の拡散層が、粒子のサイズだけでなく、電極上のどこに着地するかにも依存するステップサイズを与える「エッジ効果」に苦しんできました。しかし、電極触媒電流発生の導入により、エッジ効果による不均一性が緩和され、測定精度が向上します。「電気触媒遮断」と呼ばれるこのアプローチでは、拡散層で酸化還元プローブを再生する基質が導入される。これにより、電流発生の律速ステップが拡散から均質な反応速度定数にシフトし、フラックスの不均一性が減少し、粒子サイジングの精度が桁違いに向上します。ここで説明するプロトコルは、酸化還元活性材料のサイジングの精度を向上させるためにこの効果を実装するナノインパクト実験で採用されたセットアップとデータ収集について説明しています。

電気触媒遮断は、一次電流発生メカニズムを拡散制限(すなわち、電極への酸化還元プローブの輸送によって制限される)から速度論的に制限される(すなわち、迅速な溶液相反応によって制限される)20にシフトすることによってエッジ効果を軽減します。この方法はモジュール式であるため、電極材料、酸化還元プローブ、および基質を選択するためのミックスアンドマッチアプローチが可能になり、多くのナノおよびバイオ材料の検出に電気触媒遮断が容易になります6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,22 .この手法を半径5.5μmの炭素繊維電極に実装すると、酸化還元プローブとしてTEMPOと基質としてマルトースを含む溶液中でのモデルシステム(ポリスチレンビーズ)の電気化学的サイジングに関連する精度が10倍向上しました。
このプロトコルに従って、このメカニズムを検証するために必要なデータセットと、電気不活性ナノ粒子をサイジングする際に分析精度を回復する能力を得ることができます。まず、ポリスチレンビーズの非存在下で収集されたサイクリックボルタモグラムデータは、TEMPOのみを含む対照実験で可逆的な酸化還元イベントを示しました。ここから、マルトースの添加は酸化ピークの増加をもたらし、同時に酸化されたTEMPOがマルトースによって再生されるにつれて還元ピークの損失をもたらした。第二に、これらの条件下で収集されたクロノアンペログラムは、酸化電位での定常電流が高いことを示し、サイクリックボルタンメトリーの結果で観察された触媒増幅と一致しました。このステップはまた、バルク化学反応が電極反応によって維持されることを示唆しています。したがって、制御方法に対する改善は、測定期間にわたって持続します。ただし、これだけでは測定精度の向上を評価するには不十分です。そのためには、ポリスチレンビーズの存在下でクロノアンペロメトリーデータを収集する必要があります。
サイジング精度を評価するために、2 μmのカルボキシル化ポリスチレンビーズを使用してクロノアンペログラムデータを収集しました。それらを追加すると、個々の粒子が衝撃を受けて吸収されるにつれて、クロノアンペログラム電流の段階的な変化が観察されました(図2Aコントロール、図2B電気触媒遮断)。定常電流の大きさの各段階的変化を粒子半径に変換し、データをヒストグラムとして視覚化して、これらの電気化学的手法からの分布を走査型電子顕微鏡などのゴールドスタンダード手法の分布と比較しました(図3)。この比較により、各サイジングアプローチに関連する精度メトリックの特性評価が可能になりました。
これらの実験的観察をサポートするためにモデリングが利用されました。具体的には、電極反応と溶液相化学反応の両方を特徴付けるパラメータが得られる前からのサイクリックボルタモグラムをフィッティングします(図4)。対照溶液から得られたいくつかの試料パラメータは、T = 25°CでEfθ=0.49V、k0=0.02cm・s-1、およびν=10mV・s-1であった。テストソリューションから、電流生成を制限する速度論的パラメータを得ることができました。具体的には、Keqが無限大に近づくにつれて、kobs = 2,200 M-1·s-1である。数値シミュレーションでは、これらの値を酸化還元プローブの濃度プロファイルを生成するための初期条件として使用できます(図5)。マルトースが存在しない場合、結果として得られる拡散プロファイルは放射状であり、不均一な材料フラックスをもたらしました。具体的には、より多くの材料が縁部で電極に拡散する。マルトースの導入により拡散プロファイルが圧縮され、電極表面全体でより均一な電流が生成されました。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65116/65116fig01.jpg"> 図1:実験プロトコルの概略図。各実験の実行の前に電極を研磨します。電極触媒遮断を実施した場合と実施しない場合のビーズの非存在下での電気化学測定値(サイクリックボルタンメトリーおよびクロノアンペロメトリー)のベースラインセットを収集し、基板の添加による電流増強を観察します。ビーズ中のスパイク、および衝撃ナノ粒子のサイズ決定のための電気化学的測定値の第2セットを収集する。数値シミュレーションを用いて作用機序を検証します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65116/65116fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65116/65116fig02.jpg"> 図2:直径11μmの炭素繊維超微小電極を使用して収集されたクロノアンペログラムは、電極触媒遮断を使用して達成された測定精度の向上を示しています。 具体的には、(A)非存在下(コントロール)および(B)120 mMマルトース存在下(電極触媒遮断)で1 mM TEMPOの溶液中の電流対時間を測定すると、後者の場合に観察されたステップはより均一でした。Chungらの許可を得て転載20。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65116/65116fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65116/65116fig03.jpg"> 図3:従来の拡散制限電気化学的アプローチと比較した、電極触媒遮断を使用した場合の正確な電気化学的サイジングデータ。 このデータを表すために、走査型電子顕微鏡(ライトグレー)と電気化学(電極触媒遮断、ピンク、コントロール、ダークグレー)を使用して決定されたサイズ分布を比較するヒストグラムを準備します。メディエータの物質輸送によって電流が制限される従来のナノインパクト研究では、人為的に広い推定サイズ分布(濃い灰色)が生成されます。対照的に、電気触媒遮断を実装すると、より狭く、より正確なサイズ推定(ピンク)につながります。Chungらの許可を得て転載20。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65116/65116fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65116/65116fig04.jpg"> 図4:新しい反応スキームを特徴付けるための電極速度論のモデリング。 サイクリックボルタモグラムフィッティングソフトウェアを使用して、実験データから電極反応パラメータを抽出します。(A) テンポが1 mMのデータ。(B)1 mM TEMPOと120 mMマルトースを含むデータ。Chungらの許可を得て転載20。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65116/65116fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65116/65116fig05.jpg"> 図5:数値シミュレーションにより可視化した電極触媒遮断導入時の電極表面における材料フラックスの変化 。 (A)マルトースの添加は、濃度依存的に拡散層を圧縮する。(B)マルトースの添加は、電極端部の不均一フラックスを抑制する。Chungらの許可を得て転載20。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65116/65116fig05large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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Precise Electrochemical Sizing of Individual Electro-Inactive Particles

分析技術として、ナノメートルスケールの電気不活性粒子を計数および特性評価するためのますます重要なアプローチであるナノインパクト電気化学は、超微小電極の使用から生じる不均一な電流分布のために精度が低いという問題に悩まされています。ここでは、このような測定の精度を高める「電極触媒遮断」と呼ばれる一般化されたアプローチについて概説します。

個々の電気不活性粒子の正確な電気化学的サイジング

Nanoimpact electrochemistry enables the time-resolved in situ characterization (e.g., size, catalytic activity) of single nanomaterial units, providing a ...

当社のプロトコルは、一般的な分析化学技術を使用して、粒子サイジングに関連する測定精度を向上させます。これにより、電気化学を使用して、その場で一度に1つずつナノ材料の特性評価が向上します。この技術の主な利点は、ナノ電気化学の分野で長年の問題であるエッジ効果現象に対処するために、一般的なラボ試薬を利用することです。電気触媒遮断のモジュール性により、電極、酸化還元プローブ、および基板をすべて交換して、検出ニーズをより適切に満たすことができます。必要な溶液と電極を準備したら、作用電極としてマクロ電極を選択します。コントロールセルを調製するために、pH 12の炭酸塩緩衝液中に1ミリモルのTEMPOおよび5ミリモルの過塩素酸ナトリウムを含む5ミリリットルの溶液を調製する。試験セルを調製するには、炭酸塩緩衝液中に1ミリモルのTEMPO、5ミリモルの過塩素酸ナトリウム、および120ミリモルのマルトースを含む5ミリリットルの溶液を調製します。実験を実行する前に、アルミニウムスラリーを含む研磨パッドを使用して電極を研磨し、電極を8の字のパターンで動かして、均一な研磨を確保します。脱イオン水で自由にすすいでください。次に、電極の先端に触れずに実験室用ワイプを使用して電極を乾燥させます。電気化学測定には、サイクリックボルタモグラム用のマクロ電極またはクロノアンペログラム用の11ミクロン超微小電極、白金線対電極、および飽和カロメル参照電極またはSCEを使用して、3電極セットアップを使用します。 制御セルをファラデーケージにセットし、電極を適切なケーブルに接続します。0.2〜0.8ボルトの電位ウィンドウを使用して、スキャンレート10でサイクリックボルタンメトリーデータを収集し、その後に毎秒20、30、40、および50ミリボルトを収集します。クロノアンペロムテリーデータを収集するには、超微小電極を選択します。コントロールセルをポテンショスタットに取り付けた状態で、SCEに対して0.8ボルトを10分間印加し、10ヘルツのサンプルレートで記録を開始します。同じパラメータを使用して、テストセルのデータを取得します。次に、ポリスチレンビーズを含む溶液を最終濃度0.66ピコモルになるまで各電気化学セルにスパイクし、前述のように各セルのクロノアンペロムトリデータを収集します。約 200 個の個別の影響イベントのサンプル サイズを選択して、複数のサイジング方法の違いを検出します。ポリスチレンビーズの添加は、個々の粒子が衝撃を受けて吸収されるにつれて、電気化学セルのクロノアンペログラム電流に段階的な変化を示しました。ヒストグラムは、走査型電子顕微鏡、電極触媒遮断、および従来のナノ衝撃電気化学によって決定されたサイズ分布を実証しました。サイクリックボルタモグラムフィッティングソフトウェアは、電極および溶液相化学反応から得られたパラメータのモデルフィッティングを実証しました。マルトース濃度の増加は拡散層を圧縮し、電極端部の不均一フラックスを抑制した。十分に確立されたコントロールを持つことが重要です。マイクロスケールまたはナノスケールでデータを収集する場合、観測値が実際のものであり、ノイズや汚染物質の結果ではないことを確認する必要があります。この手法はサンプルに対して非破壊であり、動的光散乱などの他の特性評価方法に従うことができます。さらに、この手法は計算モデリングとシミュレーションに適しています。

Research

JoVE Journal

Chemistry

Origami Inspired Self-assembly of Patterned and Reconfigurable Particles

折り紙インスパイアパターン化され、再構成可能な粒子の自己組織化

There are numerous techniques such as photolithography, electron-beam lithography and soft-lithography that can be used to precisely pattern two ...

Activating Molecules, Ions, and Solid Particles with Acoustic Cavitation

分子、イオン、および音響キャビテーションと固体粒子を活性化

The chemical and physical effects of ultrasound arise not from a direct interaction of molecules with sound waves, but rather from the acoustic ...

Preparation and Characterization of Individual and Multi-drug Loaded Physically Entrapped Polymeric Micelles

調製とキャラクタリゼーション個々のとマルチ薬ロード物理的に捕捉さ高分子ミセル

Amphiphilic block copolymers like polyethyleneglycol-block-polylactic acid (PEG-b-PLA) can self-assemble into micelles above their critical micellar ...

Dynamic Electrochemical Measurement of Chloride Ions

塩化物イオンの動的電気化学測定

This protocol describes the dynamic measurement of chloride ions using the transition time of a silver silver chloride (Ag/AgCl) electrode. Silver silver ...

Facile Preparation of Internally Self-assembled Lipid Particles Stabilized by Carbon Nanotubes

カーボンナノチューブにより安定化内部自己組織化脂質粒子の簡便な調製

We present a facile method to prepare nanostructured lipid particles stabilized by carbon nanotubes (CNTs). Single-walled (pristine) and multi-walled ...

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

その場で液体の SEM を用いた水中のベーマイト粒子のキャラクタリゼーション

In situ imaging and elemental analysis of boehmite (AlOOH) particles in water is realized using the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface ...

Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

電気化学インピー ダンス分光電気化学定数推定法のためのツールとして

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). ...

Phthalic Acid Ester-Binding DNA Aptamer Selection, Characterization, and Application to an Electrochemical Aptasensor

フタル酸エステル結合 DNA アプタマーの選択、評価、および電気化学 Aptasensor への応用

Phthalic acid esters (PAEs) areone of the major groups of persistent organic pollutants. The group-specific detection of PAEs is highly desired due to the ...

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

合成と電気化学的 CO2削減のため単一原子の遷移金属触媒の性能評価

This protocol presents both the synthesis method of the Ni single atom catalyst, and the electrochemical testing of its catalytic activity and selectivity ...

Electrochemical Roughening of Thin-Film Platinum Macro and Microelectrodes

薄膜白金マクロ及びマイクロ電極の電気化学粗化

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries ...