Scanningsteknik för vibrerande elektroder

Skanningsvibrerande elektrodteknik ( SVET ), även känd som vibrerande sond inom biologin , är en avsökningssondsmikroskopi (SPM) teknik som visualiserar elektrokemiska processer vid ett prov . Den introducerades ursprungligen 1974 av Jaffe och Nuccitelli för att undersöka den elektriska strömtätheten nära levande celler. Från och med 1980-talet började Hugh Isaacs tillämpa SVET på ett antal olika korrosionsstudier . SVET mäter lokala strömtäthetsfördelningar i lösningen ovanför provet av intresse, för att kartlägga elektrokemiska processer in situ när de inträffar. Den använder en sond, som vibrerar vinkelrätt mot provet av intresse, för att förbättra den uppmätta signalen. Det är relaterat till skanningjonselektiv elektrodteknik (SIET), som kan användas med SVET i korrosionsstudier, och skanningsreferenselektrodteknik (SRET), som är en föregångare till SVET.

Historia

Tekniken med skanningsvibrerande elektroder introducerades ursprungligen för att känsligt mäta extracellulära strömmar av Jaffe och Nuccitelli 1974. Jaffe och Nuccitelli visade sedan teknikens förmåga genom mätning av de extracellulära strömmar som är involverade i amputerade och återskapande vattensalamanderlemmar, utvecklingsströmmar hos kycklingar embryon och de elektriska strömmar som är förknippade med amöboidrörelser .

Inom korrosion existerade scanning reference electrode-tekniken (SRET) som föregångaren till SVET, och introducerades först kommersiellt och varumärkesskyddat av Uniscan Instruments, nu en del av Bio-Logic Science Instruments. SRET är en in situ -teknik där en referenselektrod skannas nära en provyta för att kartlägga potentialfördelningen i elektrolyten ovanför provet. Med hjälp av SRET är det möjligt att bestämma de anodiska och katodiska platserna för ett korroderande prov utan att sonden ändrar korrosionsprocessen. SVET applicerades först på och utvecklades för den lokala undersökningen av korrosionsprocesser av Hugh Isaacs.

Funktionsprincip

I SVET vibrerar sonden i Z. Under vibration mäter den strömmen vid olika positioner från provytan. Detta gör att en karta över lokal strömtäthet kan produceras.

SVET mäter strömmarna associerade med ett prov i lösning med naturlig elektrokemisk aktivitet, eller som är förspänd för att tvinga fram elektrokemisk aktivitet. I båda fallen strålar strömmen in i lösningen från provets aktiva regioner. I ett typiskt SVET-instrument är sonden monterad på en piezoelektrisk vibrator på och x,y-steg. Sonden vibreras vinkelrätt mot provets plan vilket resulterar i mätning av en växelströmssignal . Den resulterande växelströmssignalen detekteras och demoduleras med användning av en ingångsfasvinkel av en låst förstärkare för att producera en likströmssignal. Ingångsfasvinkeln hittas vanligtvis genom att manuellt justera fasingången på den låsta förstärkaren tills det inte finns något svar, 90 grader läggs sedan till för att bestämma den optimala fasen. Referensfasen kan också hittas automatiskt av vissa kommersiella instrument. Den demodulerade likströmssignalen som resulterar kan sedan plottas för att återspegla den lokala aktivitetsfördelningen.

Blockschema över elektroniken i instrumenteringen för skanningsvibrerande elektrodteknik, inklusive piezo, inlåst förstärkare, skanningshuvud och sond.

I SVET resulterar sondens vibration i en känsligare mätning än dess icke-vibrerande föregångare, samt ger upphov till en förbättring av signal- brusförhållandet . Sondvibrationen påverkar inte processen som studeras under normala experimentella förhållanden.

SVET-signalen påverkas av ett antal faktorer, inklusive sondens till provavstånd, lösningens konduktivitet och SVET-sonden. Signalstyrkan i en SVET-mätning påverkas av avståndet från sonden till sampling. När alla andra variabler är lika kommer en mindre sond till provavstånd att resultera i mätningen av en signal med högre magnitud. Lösningens konduktivitet påverkar signalstyrkan i SVET-mätningar. Med ökande lösningskonduktivitet minskar signalstyrkan för SVET-mätningen.

Ansökningar

Korrosion är ett stort användningsområde för SVET. SVET används för att följa korrosionsprocessen och ge information som inte är möjlig från någon annan teknik. Inom korrosion har det använts för att undersöka en mängd olika processer inklusive, men inte begränsat till, lokal korrosion, självläkande beläggningar, självmonterade monolager (SAM). SVET har också använts för att undersöka effekten av olika lokala egenskaper på korrosionsegenskaperna i ett system. Till exempel, med hjälp av SVET, mättes påverkan av kornen och korngränserna för X70. En skillnad i strömtätheter fanns mellan kornen och korngränserna med SVET-data som tyder på att kornen var anodisk och gränsen relativt katodisk. Genom att använda SVET har det varit möjligt att undersöka effekten av att ändra aluminiumdistansens bredd på den galvaniska kopplingen mellan stål och magnesium , ett par som finns på bilar. Genom att öka distansens bredd minskade kopplingen mellan magnesium och stål. Mer allmänt lokaliserade korrosionsprocesser har följts med SVET. För en mängd olika system har det varit möjligt att använda SVET för att följa korrosionsfronten när den rör sig över provet under längre perioder, vilket ger insikt i korrosionsmekanismen. Ett antal grupper har använt SVET för att analysera effektiviteten hos självläkande beläggningar och kartlägga förändringar i ytaktivitet över tid. När SVET-mätningar av de kala metallerna jämförs med samma metall med den smarta beläggningen kan man se att strömtätheten är lägre för den belagda ytan. Dessutom, när en defekt görs i den smarta beläggningen kan strömmen över defekten ses minska när beläggningen återhämtar sig. Mekhalif et. al . har utfört ett antal studier på SAMs bildade på olika metaller för att undersöka deras korrosionsinhibering med SVET. SVET-studierna visade att de kala ytorna upplever korrosion, med inhomogen aktivitet mätt med SVET. SVET användes sedan för att undersöka effekten av modifieringstid och exponering för frätande lösning. När en defektfri SAM undersöktes visade SVET homogen aktivitet.

Inom biologin har vibrerande sondteknik använts för att undersöka en mängd olika processer. Vibrerande sondmätningar av lungcancertumörceller har visat att de elektriska fälten ovanför tumörcellen var statistiskt större än de som mättes över det intakta epitelet , med tumörcellen som anod. Vidare noterades att appliceringen av ett elektriskt fält resulterade i migration av tumörcellerna. Med hjälp av vibrerande sond har de elektriska strömmarna som är involverade i de biologiska processerna som sker vid löv mätts. Genom vibrerande sond har det varit möjligt att korrelera elektriska strömmar med stomatala öppningen, vilket tyder på att stomatal öppning var relaterad till protonutflöde. Baserat på detta arbete indikerade ytterligare mätningar av vibrerande sond också ett samband mellan en växts fotosyntetiska aktivitet och flödet av elektrisk ström på dess bladytor, med den uppmätta strömmen som ändrades när den exponerades för olika typer av ljus och mörker. Som ett sista exempel har vibrerande sondteknik använts vid undersökning av strömmar förknippade med sårskador hos växter och djur. En vibrerande sondmätning av majsrötter fann att stora inåtgående strömmar var förknippade med sårning av roten, med strömmen som minskade i magnitud bort från sårets mitt. När liknande experiment utfördes på råtthudssår mättes stora utåtgående strömmar vid såret, med den starkaste strömmen uppmätt vid sårkanten. Vibrerande sondens förmåga att undersöka sårskada har till och med lett till utvecklingen av en handhållen prototyp av vibrerande sondanordning för användning.

SVET har använts för att undersöka den fotokonduktiva naturen hos halvledarmaterial genom att följa förändringar i strömtäthet relaterade till fotoelektrokemiska reaktioner. Med SVET har gränssnittet litium/organisk elektrolyt, som i litiumbatterisystem, också undersökts.

Även om SVET nästan uteslutande har använts för mätning av prover i vattenhaltiga miljöer, har dess tillämpning i icke-vattenhaltiga miljöer nyligen demonstrerats av Bastos et al.