Exakt elektrokemisk dimensionering av enskilda elektroinaktiva partiklar

Nanoimpact elektrokemi är en elektrokemisk teknik som möjliggör tidsupplöst detektion av enskilda partiklar in situ i ett prov 1,2,3,4,5,6,7. De enskilda partiklarna som kan karakteriseras av detta tillvägagångssätt spänner över ett brett spektrum av material 6,8,9,10,11,12,13 och omfattar dimensioner från enskilda atomer till hela celler 7,8,14,15,16 . För att tillgodose detektering och karakterisering av sådana små material använder tekniken mikron- och submikronskala ultramikroelektroder. Effekten av en elektroaktiv nanopartikel på en sådan elektrod ger en lätt kvantifierbar strömförändring när nanopartikeln genomgår en redoxreaktion. För att utvidga detta till detektering av elektroaktivamaterial används en elektrokemisk bakgrundsreaktion för att producera en steady-state-ström som reduceras stegvis när adsorptionen av nanopartiklarna ändrar ytan på elektroden¹⁷. I detta schema används ultramikroelektroder för att öka den relativa förändringen som produceras av varje nanopåverkan. Det radiella diffusionsskiktet som sådana mikroelektroder producerar minskar dock mätprecisionen på grund av "kanteffekter"¹⁸. Dessa uppstår eftersom flödet av redoxarter till elektroden är större vid elektrodens kanter än vid dess centrum¹⁹. Således, när en enda nanopartikel landar vid kanten av elektrodytan, är den resulterande strömhändelsen större än den som ses för en identisk partikellandning i mitten av elektroden¹⁹, och denna effekt är mer signifikant för ultramikroelektroder på grund av deras lilla område-till-omkretsförhållande. Dessa kanteffekter försämrar avsevärt precisionen hos nanoslagelektrokemi; På grund av deras närvaro är de uppskattade partikelstorleksfördelningarna som produceras genom nanoimpact-storlek 20 gånger bredare än de som erhålls med hjälp av "guldstandard" mikroskopitekniker²⁰. Denna minskade precision försämrar användningen av nanoimpact-elektrokemi som en analytisk teknik för att utvärdera heterogeniteten hos redoxinaktiva material på nanoskala 4,17,19,21,22,23,24,25,26.

Vi har nyligen introducerat en metod (figur 1) som mildrar kanteffekter i nanoimpact-metoder²⁰. I denna metod regenererar införandet av ett substrat redoxarterna nära ultramikroelektrodytan. Detta förskjuter det hastighetsbegränsande steget i nuvarande generation från diffusion till hastigheten för den homogena kemiska reaktionen hos redoxarterna i lösning^27,28, vilket minskar i vilken utsträckning det radiella diffusionsfältet bidrar till heterogena strömmar. Specifikt ger oxidationen av 2,2,6,6-tetrametylpiperidin 1-oxyl (TEMPO) bakgrundsredoxreaktionen vid ultramikroelektroden²⁹. Tillsatsen av maltos till detta regenererar den reducerade formen av TEMPO^30,31. Denna regenerering är snabb³², och den komprimerar diffusionsskiktet och minskar den nuvarande heterogeniteten i samband med rumslig landning²⁰. Som ett resultat förbättrar metoden "elektrokatalytiskt avbrott" precisionen för nanoimpactpartikelstorlek med en storleksordning.

1. Inrättande av ett system med låg bullernivå

OBS: De relevanta experimenten kräver en potentiostat som kan uppnå den mycket tidsupplösta mätningen av låga strömmar. För att uppnå detta, använd en kommersiell potentiostat av forskningskvalitet som kan ha en tidsupplösning på 1 μs som kan kvantifiera strömmar på femtoampere-nivå. För att ytterligare minska elektroniska störningar från miljön, utför experiment inom två häckande Faraday-burar. Se till att installationen klarar en rot-medel-kvadratavvikelse på mindre än 100 fA för ett kronoamperometriexperiment som provtagits vid 10 Hz i 0,1 M kaliumklorid.

1. Skaffa och installera utrustningen, inklusive potentiostat och Faraday burar.
   OBS: Faraday-burar kan erhållas kommersiellt eller specialtillverkas med ledande metaller (t.ex. koppar eller aluminium). Specialtillverkade aluminium Faraday-burar användes för studien som beskrivs här (se materialtabell).

2. Experimentell förberedelse

1. Använd kommersiellt tillgängliga karboxylatmodifierade polystyrenpärlor med en diameter på 2 μm (se materialförteckning).
   OBS: Även om detta system kan generaliseras till andra elektroinaktiva arter^23,33, är det viktigt att komma ihåg att effekterna är beroende av elektroforetisk migration utöver Brownsk rörelse. Applicera således en potential som är attraktiv för arten av intresse och behåll låga saltkoncentrationer¹⁷.
2. Förbered följande lösningar, som kan förvaras vid rumstemperatur i minst 1 månad.
   1. Bered en 50 mM karbonatlösning och titrera till pH 12,0 med 1 M NaOH. Övervaka pH varje vecka.
   2. Förbered en 1 M natriumperkloratlösning.
3. Förbered följande lösningar färska varje dag och kassera dem i slutet av dagen.
   1. Bered en 10 mM TEMPO i 50 mM karbonatlösning, pH 12,0.
   2. Bered en 500 mM maltosstam i 50 mM karbonatlösning, pH 12,0.
4. Välj arbetselektroden. För konsekventa resultat, välj en ultramikroelektrod (se materialtabell) så att radien för arten som ska karakteriseras är inte mindre än 10% -15% av elektrodradien 17,21,23,33,34.
   OBS: Detta förhållande kan minimeras efter att ha bestämt storleken på de slagassocierade strömstegen för optimal detektering av en viss art av intresse. Det valda elektrodmaterialet måste katalysera bakgrundsredoxreaktionen.
5. Förbered två elektrokemiska celler på 5 ml vardera.
   1. Bered en kontrollcell innehållande 1 mM TEMPO och 5 mM natriumperklorat (se materialtabell) i karbonatbuffert med pH 12,0.
   2. Bered en testcell som innehåller en lösning av 1 mM TEMPO, 5 mM natriumperklorat och 120 mM maltos i karbonatbuffert med pH 12,0.
      OBS: Förhållandet mellan redoxmediatorn och substratet (här TEMPO till maltos) kan varieras för att utforska effekterna av reaktionshastigheten²⁰. Detta värde ger insikt i den homogena kemiska reaktionen.
   3. Efter att ha förberett dessa celler, lägg dem åt sidan för senare elektrokemiska mätningar.

3. Polering av elektroder

1. Före varje försökskörning, polera elektroden sekventiellt i 2 minuter vardera med en 1 μm, 0,3 μm och 0,5 μm aluminiumoxiduppslamning (se materialtabell) på polerdynor.
2. Flytta elektroden i ett "figur 8" -mönster för att säkerställa en jämn polering^35,36. Skölj liberalt med avjoniserat vatten och torka med en laboratorieduk.
   OBS: Inte sonicate ultramikroelektroderna, eftersom detta kan skada dem.

4. Elektrokemiska mätningar

OBS: Se figur 2 för resultaten.

1. Använd en treelektrodinställning för de elektrokemiska mätningarna. För de experiment som beskrivs här, använd en 11 μm kolfiber ultramikroelektrod, en platinatrådräknarelektrod och en mättad kalomelreferenselektrod (SCE) (se materialtabell).
   OBS: Elektrokemiska potentialfönster för experimenten noteras nedan; Som referens har TEMPO en formell potential på 0,49 V jämfört med SCE, och maltos är inte elektroaktivt i det potentiella fönstret som används i dessa experiment. Varje läckage från referenselektroden kan påverka den totala saltkoncentrationen³⁷, vilket minskar partiklarnas elektroforetiska drivning till ultramikroelektroden och minskar räkningseffektiviteten¹⁷. Om experimenten ger en låg slagfrekvens, överväg att byta till en läckagefri referenselektrod^38,39.
2. Ställ in kontrollcellen i Faraday-burarna och anslut elektroderna till lämpliga kablar. Samla den första uppsättningen elektrokemiska mätningar för varje cell. Detta kommer att bestå av ett cykliskt voltametriexperiment och ett kronoamperometriexperiment, som beskrivs nedan.
   1. Samla in cykliska voltametridata med hjälp av ett potentialfönster från 0,2 V till 0,8 V jämfört med SCE vid skanningshastigheter på 10 mV · s − 1, 20 mV · s − 1, 30 mV · s − 1, 40 mV · s − 1 och 50 mV · s ^{− 1}.
   2. Samla in kronoamperometridata genom att tillämpa 0,8 V mot SCE i 10 minuter och registrera med en samplingsfrekvens på 10 Hz.
      OBS: En provtagningsperiod på 10 minuter rekommenderas för kronoamperometriexperiment för att få 10-15 individuella effekter vid senare steg. Inga effekter förväntas vid denna tidpunkt.
3. Spika sedan en utspädd lösning av polystyrenpärlor till en slutlig koncentration av 0,66 pM¹⁷ i var och en av de elektrokemiska cellerna. Efter tillsatsen av polystyrenpärlorna, samla in den andra uppsättningen elektrokemiska mätningar för varje cell.
   OBS: Slagfrekvensen kommer att vara en funktion av denna koncentration och kräver optimering för att samla in tillräckliga data för statistisk analys utan att mätta kronoamperogrammet med överlappande effekter^40,41,42,43.
   1. Samla in kronoamperometridata genom att tillämpa 0,8 V mot SCE i 10 minuter och registrera med en samplingsfrekvens på 10 Hz.
   2. Upprepa de kronoamperometriska mätningarna tills tillräckliga datapunkter har samlats in för statistisk analys. Om du vill identifiera skillnader mellan flera storleksmetoder med en konfidensnivå på 95 % och en effekt på 80 % väljer du en urvalsstorlek på cirka 200 enskilda påverkanshändelser.

5. Svepelektronmikroskopi (SEM)

OBS: Använd svepelektronmikroskopi som en "guldstandard" -teknik för att bekräfta nanopartikelstorlekarna och provets heterogenitet ^19,44.

1. Provberedning
   1. För att förbereda ett prov för avbildning, späd en karboxyllatexpärlsuspension (se materialtabell) 1:20 i vatten. Droppgjut 10 μl på en glasskiva, torka under en kväveström och täck provet med ett ledande lager av guld-palladium under argon.
2. Imaging
   1. Använd en accelererande strålspänning på 5 kV och en ström på 0,4 nA, samla in bilder som är lämpliga för statistisk analys. Använd ImageJ^45,46 eller motsvarande bildanalysprogram för att bestämma partikelstorlekarna.

6. Elektrokemisk dataanalys

1. Spela in elektrokemiska data med potentiostatens programvara och analysera dessa resultat med hjälp av ett skriftligt skript 20 som kan extrahera de aktuella magnituderna från de detekterade förändringarna i steady-state-strömmen (nuvarande steg) till följd av nanoimpact-händelser²⁰.
   OBS: Detta skript ingår som en del av den kompletterande informationen i vår tidigare publicerade rapport²⁰.
2. Konvertera amplituderna för de aktuella stegen till pärlradier med följande ekvation:
   
   OBS: Här är r_b pärlradien, r_elär elektrodradien, Δ I_ss/I_ss är förhållandet mellan förändringen i strömmen som produceras av en partikels adsorption och den initiala stationära strömmen som observerats före adsorptionen av den partikeln, och f _{(MT, Geom)} = 0,067 är en empirisk skalningsfaktor som beror på både geometriska och masstransportöverväganden^{20, 25}.
3. Plotta frekvensen för detektering av en given strängradie kontra radien (figur 3) för att kvantifiera fördelningsmåtten.

7. Modellering

Om så önskas kan mekanismen genom vilken elektrokatalytisk avbrott fungerar valideras genom att bekräfta övergången från diffusionsbegränsad strömgenerering till reaktionshastighetsbegränsad strömgenerering. För att beskriva och visualisera, använda två olika numeriska simuleringsprogram: en voltammogramanpassningsprogramvara, såsom DigiSim, för att bestämma den homogena hastighetskonstanten, och en multifysikmodelleringsplattform, såsom COMSOL Multiphysics, för att visualisera de lokala förändringarna i diffusionsprofilen vid ultramikroelektrodytan (se Materialtabell).

1. Voltammogram montering
   OBS: Använd voltammogramanpassningsprogramvaran för att bestämma den homogena hastighetskonstanten (figur 4).
   1. Samla upp cykliska voltammogram i en lösning som innehåller 1 mM TEMPO (endast) och 1 mM TEMPO plus 120 mM maltos. För varje villkor samlar du in data med olika skanningshastigheter och använder dessa data för numeriska anpassningar av dessa experimentella datamängder.
      1. Anpassa voltammogrammen som samlats in från TEMPO-experimentet med hjälp av en E-mekanism, som beskriver en reaktionsprocess som drivs enbart av elektroden^47,48. Detta kommer att ge elektrodparametrarna.
      2. Använd elektrodparametrarna från steg 7.1.1.1, anpassa de resulterande voltammogrammen från 1 mM TEMPO plus 120 maltoslösning till en EC′-mekanism^47,48, som beskriver en elektrodprocess som följs av en homogen kemisk reaktion som regenererar redoxmediatorn. Detta ger den homogena hastighetskonstanten.
2. Multifysik modellering
   1. Använda en multifysikmodelleringsplattform för att visualisera förändringarna i diffusionsprofilerna vid ultramikroelektrodytan för både kontroll- och elektrokatalytiska avbrottssystem 20,49,50,51,52 (figur 5). Använd elektrodparametrarna och homogen hastighetskonstant erhållen från voltammogrampassningen som initiala förhållanden. En bred översikt över arbetsflödet, som kan anpassas till olika programvaror, ges nedan.
   2. Ange de globala parametrarna. Dessa består av fasta värden såsom (men inte begränsat till) koncentrationsvärden, diffusionskoefficienter, elektrodradie och temperatur.
   3. Bygg simuleringsutrymmet. Detta är en uppsättning geometrier som inkluderar elektroden, den isolerande manteln, det omgivande lösningsutrymmet som representerar området av intresse och en oändlig elementdomän som representerar bulkomgivningen.
   4. Introducera fysikpaket för att definiera simuleringen.
      1. Associera elektrodutrymmet med en elektroanalysstudie. Definiera initialvärdena och elektrodreaktionen av intresse här.
      2. Associera det omgivande lösningsutrymmet med en kemistudie. Definiera den homogena kemiska reaktionen som följer elektrodreaktionen här.
      3. Introducera ett nät över hela simuleringsutrymmet. Detta definierar hur geometrin delas upp för att lösa modellen. För att uppnå högkvalitativa resultat, använd ett finare nät nära elektroden.
   5. För att observera förändringar som ett resultat av den homogena hastighetskonstanten, variera värdet på denna parameter med hjälp av en parametrisk studie för att lösa modellen.
   6. För att observera förändringar som en funktion av tiden, variera värdet på denna parameter med hjälp av en tidsberoende studie för att lösa modellen.

Elektrokatalytiskt avbrott mildrar kanteffekter genom att flytta primärströmgenereringsmekanismen från diffusionsbegränsad (dvs. begränsad av transporten av en redoxsond till elektroden) till kinetiskt begränsad (dvs. begränsad av en snabb lösningsfasreaktion)²⁰. Denna metod är modulär, vilket innebär att den möjliggör en mix-and-match-metod för att välja elektrodmaterial, redoxsond och substrat, och detta gör elektrokatalytiska avbrott mottagliga för detektion av många nano- och biomaterial 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,22 . Implementering av denna teknik på en kolfiberelektrod med 5,5 μm radie gav en 10-faldig förbättring av precisionen associerad med den elektrokemiska dimensioneringen av ett modellsystem (polystyrenpärlor) i en lösning innehållande TEMPO som en redoxsond och maltos som substrat.

Enligt detta protokoll kan de datauppsättningar som krävs för att validera denna mekanism och dess förmåga att återställa analytisk precision vid limning av elektroinaktiva nanopartiklar erhållas. För det första visade de cykliska voltammogramdata som samlats in i frånvaro av polystyrenpärlor en reversibel redoxhändelse i kontrollexperiment som involverade TEMPO ensam. Härifrån resulterade tillsatsen av maltos i en ökning av den oxidativa toppen och en samtidig förlust i den reduktiva toppen när det oxiderade TEMPO regenererades av maltos. För det andra visade kronoamperogrammen som samlats in under dessa förhållanden att steady-state-strömmarna vid en oxidativ potential var högre, i överensstämmelse med den katalytiska förstärkningen som observerades i de cykliska voltametriresultaten. Detta steg föreslår också att den kemiska bulkreaktionen upprätthålls av elektrodreaktionen; Således kommer eventuella förbättringar jämfört med kontrollmetoden att pågå under mättiden. Detta är dock i sig otillräckligt för att bedöma eventuella förbättringar av mätprecisionen. För att göra detta måste kronoamperometridata samlas in i närvaro av polystyrenpärlor.

För att bedöma storleksprecisionen samlades kronoamperogramdata in med hjälp av 2 μm karboxylerade polystyrenpärlor. Vid deras tillägg observerades stegvisa förändringar i kronoamperogramströmmen när enskilda partiklar påverkades och absorberades (figur 2A-kontroll, figur 2B elektrokatalytiskt avbrott). Varje stegvis förändring i steady-state-strömstorleken omvandlades till partikelradier, och data visualiserades som histogram för att jämföra fördelningen från dessa elektrokemiska tekniker med en guldstandardteknik, såsom svepelektronmikroskopi (figur 3). Denna jämförelse möjliggjorde sedan karakterisering av precisionsmått som är associerade med varje storleksmetod.

Modellering användes för att stödja dessa experimentella observationer. Specifikt gav anpassning av cykliska voltammogram från tidigare parametrar som karakteriserade både elektrodreaktionen och lösningsfasens kemiska reaktion (figur 4). Från kontrolllösningen erhölls några provparametrar E_f^θ = 0,49 V, k 0 = 0,02 cm · s-1 och ν = 10 mV · ^s-1 vid T = 25 ° C. Från testlösningen kunde de kinetiska parametrarna som begränsad strömgenerering erhållas; specifikt, när K_eq närmar sig oändligheten, k_obs = 2,200 M-1 · ^s-1. De numeriska simuleringarna kan sedan använda dessa värden som initiala villkor för att generera en koncentrationsprofil för redoxsonden (figur 5). I frånvaro av maltos var den resulterande diffusionsprofilen radiell, vilket ledde till heterogent materialflöde; Specifikt diffunderas mer material till elektroden vid kanterna. Införandet av maltos komprimerade diffusionsprofilen och producerade i sin tur mer homogena strömmar över elektrodytan.

Figur 1: Schematisk bild av försöksprotokollet. Polera elektroderna före varje experimentell körning. Samla en baslinje uppsättning elektrokemiska mätningar (cyklisk voltametri och kronoamperometri) i frånvaro av pärlor med och utan att genomföra elektrokatalytisk avbrott för att observera strömförbättringen med tillsats av substratet. Spik i pärlorna och samla en andra uppsättning elektrokemiska mätningar för storleksbestämning av de påverkande nanopartiklarna. Validera verkningsmekanismen med hjälp av numeriska simuleringar. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 2: Kronoamperogram insamlade med en 11 μm diameter kolfiber ultramikroelektrod som visar förbättringen av mätprecisionen som uppnåtts med hjälp av elektrokatalytisk avbrott. Specifikt, vid mätning av strömmen mot tiden i en lösning av 1 mM TEMPO i (A) frånvaro (kontroll) och (B) närvaro av 120 mM maltos (elektrokatalytiskt avbrott), var stegen som observerades i det senare fallet mer homogena. Omtryckt med tillstånd från Chung et ^al.20. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 3: Exakta elektrokemiska storleksdata vid användning av elektrokatalytiska avbrott jämfört med den konventionella, diffusionsbegränsade elektrokemiska metoden. För att representera dessa data, förbereda histogram som jämför storleksfördelningarna bestämda med svepelektronmikroskopi (ljusgrå) och elektrokemi (elektrokatalytisk avbrott, rosa; kontroll, mörkgrå). Konventionella nanokonsekvensstudier, där strömmen begränsas av mediatorns masstransport, ger artificiellt breda uppskattade storleksfördelningar (mörkgrå). Däremot leder implementering av elektrokatalytiska avbrott till smalare, mer exakta storleksuppskattningar (rosa). Omtryckt med tillstånd från Chung et ^al.20. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 4: Modellering av elektrodkinetiken för att karakterisera det nya reaktionsschemat. Använd programvara för montering av cykliskt voltammogram och extrahera elektrodreaktionsparametrarna från experimentella data. (A) Data med 1 mM TEMPO. b) Data med 1 mM TEMPO plus 120 mM maltos. Omtryckt med tillstånd från Chung et ^al.20. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 5: Förändringar i materialflöde vid elektrodytan vid införande av elektrokatalytiska avbrott visualiserade genom numeriska simuleringar . (A) Tillsatsen av maltos komprimerar diffusionsskiktet på ett koncentrationsberoende sätt. (B) Tillsatsen av maltos sänker det heterogena flödet vid elektrodkanterna. Omtryckt med tillstånd från Chung et ^al.20. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Elektrokatalytisk avbrott är lätt att implementera och minskar inexaktheten i samband med nanoimpact elektrokemi med en storleksordning. Denna förbättrade precision gör det möjligt för forskare att skilja mellan partiklar av olika storlek i en blandad lösning²⁰. Det förbättrar också förmågan att på ett tillförlitligt sätt detektera redoxinaktiva partiklar som är mindre än den historiskt rapporterade gränsen på 15% -20% av elektrodens radie 17,21,23,34.

Medan elektrokemiska avbrott kan rymma olika redoxsystem för detektion av nanopartiklar av olika elektroinaktiva material, har identifieringen av sådana redoxsystem förblivit en stor utmaning. Det största hindret för att genomföra elektrokemiska avbrott är att identifiera en kemisk reaktion som är tillräckligt snabb för att avsevärt minska de förvirrande bidragen från kanteffekter. Specifikt, medan vissa exempel på EC′-reaktioner, där en elektrodreaktion följs av en kemisk reaktion som regenererar elektrodreaktanten, karakteriseras väl i litteraturen 29,32,53,54,55^, är få tillräckligt snabba för att förbättra mätprecisionen. I denna studie valdes ett TEMPO-maltossystem från de reaktioner som är tillräckligt snabba, vilket gav en observerad hastighetskonstant på 2 200 M-1·^s-1. Detta, i kombination med multifysiksimuleringar som visar att snabbare reaktionshastigheter leder till mer homogent flöde vid elektrodkanten, stöder slutsatsen att endast snabba kemiska reaktioner ger flerfaldiga strömförbättringar vid ultramikroelektroder.

Katalytisk avbrott kräver inte datamanipulation eller modifieringar av kommersiellt tillgängliga ultramikroelektroder. För att förklara de heterogena strömmagnituder som är karakteristiska för nanoeffektdata introducerade Bonezzi och Boika en teoretisk modell som relaterar den aktuella stegstorleken till partikelstorlek²⁵. Denna analys är dock starkt beroende av medelvärdet av de aktuella magnituderna som en funktion av kollisionsfrekvensen. Detta utesluter inte bara insikt i egenskaperna hos enskilda partiklar, utan denna teknik förblir också beroende av flödet från redoxreportern till elektroden och tar inte bort problemet med kanteffekter, vilket resulterar i minskad precision. Deng et al. introducerade det första experimentella tillvägagångssättet för att ta itu med kanteffekter, med hjälp av en halvsfärisk ultramikroelektrod tillverkad av kvicksilver⁵¹. Kvicksilverdroppelektroder är dock giftiga, mekaniskt instabila och stabila över endast ett begränsat potentialfönster⁵⁶. Dessutom är tillverkning (och underhåll) perfekt halvsfäriska mikroelektroder med andra material fortfarande utmanande^51,52. På senare tid föreslog Moazzenzade et al. ring ultramikroelektroder för nanopåverkan karakterisering⁵². Denna geometri är lovande men kräver nanofabrikationskapacitet. Däremot möjliggör katalytiska avbrott nanopåverkansexperiment med material som universellt finns i ett elektrokemilaboratorium.