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Artículos Técnicos

Escaneo topográfico y electroquímico simultáneo, usando Scanning Ion ConductanceMicroscopy – Scanning Electrochemical Microscopy (SICM-SECM)

 

INTRODUCCIÓN

Desde la aparición del microscopio de efecto túnel (STM) [1], los científicos electroquímicos han buscado explotar las técnicas de microscopía de sonda de barrido (SPM), para así controlar la posición espacial de una sonda, esto, con el fin de facilitar el escaneo topográfico, conductimétrico y amperométrico/voltaico simultaneo de distintas superficies e interfaces [2]. En los últimos años, el scanning ion conductance microscopy (SICM) [3], ha surgido como una herramienta de escaneo versátilnon-contact, siendo utilizada en una amplia variedad de aplicaciones. El SICM ha sido usado para la investigación de topografías de superficies de membranas sintéticas y biológicas [4, 5], para el transporte iónico a través de materiales porosos, o para obtener las propiedades dinámicas de células [6, 7, 8] y membranas lipídicas artificiales [9]. La integración de técnicas complementarias al SICM, ha guiado a muchasaplicaciones nuevas, incluyendo el ScanningNear-FieldOpticalMicroscopy (SNOM) [10] y el patch-clamping [11, 12]. A pesar de sus ventajas, el SICM sigue siendo insensible a las propiedades electroquímicas, en otras palabras, el SICM es químicamente ciego y no posee la capacidad de análisis químico. Con el fin de ser capaz de obtener información electroquímica en el espacio, se desarrolló el ScanningElectrochemicalMicroscopy (SECM), también conocido como el microscopio químico. El SECM ha sido ampliamente aplicado para la examinación de propiedades electroquímicas localizadas y reactividad de distintos materiales/interfaces, tales como superficies e interfaces de electrodos [13, 14, 15], membranas [16, 17, 18], y sistemas biológicos [19, 20, 21, 22, 23]. A pesar de sus muchas aplicaciones, el SECM carece de unconfiable control de distancia entre la sonda y la muestra, usualmente manteniendo la sonda a una altura constante durante el escaneo convencional SECM. Como resultado, cualquier variación en la topografía superficial resulta en variaciones de distancia entre la sonda y la muestra, generando así, una convolución a la corriente faradaica medida, lo cual complicará la interpretación de los datos subsecuentes [18]. Con el fin de dar solución a los problemas del SICM y SECM previamente mencionados, se desarrolló la técnica híbrida SICM-SECM, en la cual el compartimiento del SICM provee un preciso control de distancia sonda-muestra, mientras que el compartimiento del SECM realiza la medición de corriente faradaica para la colección de información electroquímica. En este artículo, primeramente, se realizó una breve discusión de los principios de operación del SICM, SECM y SICM-SECM. Luego, se describió la sonda y la muestra usada para los experimentos de escaneo SICM-SECM. Finalmente, se demostró el escaneo topográfico y mapeo electroquímico SICM-SECM simultáneo, con SmartScan RTM10e utilizando un sistema Park NX10.

Principio de Operación

En la operación SICM, se usa una nano pipeta como sonda para escanear un substrato subyacente en un baño electrolítico (ej. buffer PBS). Se inserta un electrodo Ag/AgCl en la parte trasera de la pipeta, funcionando como electrodo de trabajo, mientras que otro electrodo Ag/AgCl es posicionado en la solución, usándolo como electrodo de referencia. Al aplicar un potencial entre los dos electrodos, se genera una corriente iónica. La amplitud de esta corriente faradaica a medida que la punta se acerca al sustrato, con el signo (+/-) de la variación, dependiendo de la conductividad de la superficie. Cuando la sonda se acerca a una superficie conductiva, el ciclo redox llevará a un incremento en la corriente faradaica medida, lo cual se conoce como retroalimentación positiva. Mientras que, si la sonda se mueve cerca de una superficie aislante, la difusión de las moléculas redox hacia la superficie será obstruida, y, por consiguiente, se detectará un decremento en la corriente faradaica, fenómeno conocido también como retroalimentación negativa. En el modo SG/TC, la muestra y la punta son energizadas a diferentes potenciales, en donde la muestra es energizada para generar (oxidar o reducir) especies redox en la solución, y la punta es energizada para recolectar (reducir o oxidar) las especies generadas en el sustrato. La desventaja del SECM se encuentra en el hecho de que el posicionamiento de la sonda controlada por retroalimentación, se complica por el comportamiento cambiante de la corriente faradaica en sustratos conductivos y aislantes. En mediciones SECM convencionales, se realiza un escaneo de altura constante, en la cual la punta es mantenida a una altura constante sobre la superficie, y la corriente faradaica es registrada. En el escaneo SECM a altura constante, cuando ocurren variaciones en la topografía y reactividad de forma simultánea, la interpretación de datos se vuelve problemática. Park Systems | Enabling Nanoscale Advances 2 SICM-SECM híbrido Para superar las limitaciones del escaneo SECM a altura constante, se desarrolló un enfoque alternativo, el SICM-SECM. Se diseñaron un número de sondas a base de pipetas, para el escaneo SICM-SECM. Bard y col., han desarrollado una micropipeta recubierta de oro, aislada con Figura 2. Ilustración esquemática SECM. La celda electroquímica consiste de un electrodo de trabajo (WE), un electrodo contador (CE) y un electrodo de referencia (RE). La solución contiene electrolitos de soporte y especies electroquímicamente activas. Durante la operación SECM, el WE es energizado a una potencia suficientemente alta, a la cual ocurre la reacción redox de las especies electroquímicamente activas. Escaneando la sonda a una altura constante sobre el sustrato mientras se registra la respuesta de la corriente faradaica, es posible obtener la actividad electroquímica de la superficie. Figura 1. Ilustración esquemática del SICM. La sonda de escaneo consiste de un electrodo de trabajo (WE, Ag/AgCl) insertado en la parte trasera de una nano pipeta. El electrodo de referencia (RE) es posicionado en la solución (ej. buffer PBS). La abertura de la nano pipeta es mostrada en la imagen de microscopio electrónico de barrido. Al aplicar un potencial entre el WE y RE, se genera una corriente iónica dependiente de la distancia, corriente usada por un piezoeléctrico posicionador que mantiene una distancia constante entre la sonda y el substrato durante el escaneo. Como resultado, se obtiene información topográfica de la muestra estudiada. iónica depende de la distancia entre la sonda y el sustrato (Dp-s). La corriente iónica decrece a medida que la sonda se aproxima a la superficie de la muestra. Esto es resultado de la obstrucción del flujo de corriente entre la punta de la sonda y la superficie adyacente. Esta relación entre la corriente y la distancia puede ser obtenida experimentalmente con una curva de aproximación, en la cual la corriente iónica es graficada en función a la de Dp-s. A cada Dp-s registrada, se mide una corriente iónica específica. La corriente iónica dependiente de la distancia, es usada como retroalimentaciónpara así controlar la posición de la sonda durante el escaneo. Como resultado, se genera un mapa topográfico del sustrato bajo estudio. Sin embargo, la mayor carencia en la capacidad del SICM, es su falta de especifidad química.

 180723 fig1 Ilustración esquemática del SICM

Figura 1. Ilustración esquemática del SICM. La sonda de escaneo consiste de un electrodo de trabajo (WE, Ag/AgCl) insertado en la parte trasera de una nano pipeta. El electrodo de referencia (RE) es posicionado en la solución (ej. buffer PBS). La abertura de la nano pipeta es mostrada en la imagen de microscopio electrónico de barrido. Al aplicar un potencial entre el WE y RE, se genera una corriente iónica dependiente de la distancia, corriente usada por un piezoeléctrico posicionador que mantiene una distancia constante entre la sonda y el substrato durante el escaneo. Como resultado, se obtiene información topográfica de la muestra estudiada.

Scanning Electrochemical Microscopy (SECM)

El SECM emplea un micro o nano electrodo, denominado punta, para escanear en un área del sustrato. La solución consiste de electrolitos de soporte y especies electroquímicamente activas. Durante un experimento SECM, la punta es energizada a un potencial suficientemente alto, tal que las especies electroquímicas activas se oxiden o reduzcan en la punta. Midiendo la corriente faradaica, se obtiene información electroquímica cuantitativa de la región interfacial. Se han desarrollado diversos esquemas de escaneo para la operación SECM, incluyendo el modo de retroalimentación negativo, modo de retroalimentación positivo, y el modo de generación de sustrato/colección de punta (SG/TC). El modo de retroalimentación aprovecha la variación en la corriente faradaica a medida que la punta se acerca al sustrato, con el signo (+/-) de la variación, dependiendo de la conductividad de la superficie. Cuando la sonda se acerca a una superficie conductiva, el ciclo redox llevará a un incremento en la corriente faradaica medida, lo cual se conoce como retroalimentación positiva. Mientras que, si la sonda se mueve cerca de una superficie aislante, la difusión de las moléculas redox hacia la superficie será obstruida, y, por consiguiente, se detectará un decremento en la corriente faradaica, fenómeno conocido también como retroalimentación negativa. En el modo SG/TC, la muestra y la punta son energizadas a diferentes potenciales, en donde la muestra es energizada para generar (oxidar o reducir) especies redox en la solución, y la punta es energizada para recolectar (reducir o oxidar) las especies generadas en el sustrato. La desventaja del SECM se encuentra en el hecho de que el posicionamiento de la sonda controlada por retroalimentación, se complica por el comportamiento cambiante de la corriente faradaica en sustratos conductivos y aislantes. En mediciones SECM convencionales, se realiza un escaneo de altura constante, en la cual la punta es mantenida a una altura constante sobre la superficie, y la corriente faradaica es registrada. En el escaneo SECM a altura constante, cuando ocurren variaciones en la topografía y reactividad de forma simultánea, la interpretación de datos se vuelve problemática.

180723 fig2 Ilustración esquemática SECM

Figura 2. Ilustración esquemática SECM. La celda electroquímica consiste de un electrodo de trabajo (WE), un electrodo contador (CE) y un electrodo de referencia (RE). La solución contiene electrolitos de soporte y especies electroquímicamente activas. Durante la operación SECM, el WE es energizado a una potencia suficientemente alta, a la cual ocurre la reacción redox de las especies electroquímicamente activas. Escaneando la sonda a una altura constante sobre el sustrato mientras se registra la respuesta de la corriente faradaica, es posible obtener la actividad electroquímica de la superficie.

EXPERIMENTO

SICM-SECM híbrido

Para superar las limitaciones del escaneo SECM a altura constante, se desarrolló un enfoque alternativo, el SICM-SECM. Se diseñaron un número de sondas a base de pipetas, para el escaneo SICM-SECM. Bard y col., han desarrollado una micropipeta recubierta de oro, aislada con pintura electroforética[24]. Un enfoque similar fue dado por Hersam y col., enel cual la pipeta recubierta de oro fue aislada completamente mediante deposición atómica superficial de Al2O3, seguido de un desbaste mediante haz de iones focalizado (FIB), con el fin de exponer el nano poro y el electrodo de oro[26]. En un enfoque alternativo, una pipeta Theta es usada con un depósito lleno de electrolito para el SICM y otro depósito lleno con carbón pirolítico para el SECM [26]. En la operación SICM-SECM, la distancia entre la sonda y la muestra puede ser controlada por medio del compartimiento SICM, mientras que la actividad electroquímica puede ser medida mediante el compartimiento SECM, permitiendo de esta manera un escaneo topográfico y electroquímico independiente.

Experimento

Muestra

Como se muestra en la Figura 3, la muestra estándar usada para el experimento SICM-SECM descrito, consiste de barras de Au, con un ancho de 10 μm y un alto de 300 nm, puesto sobre un sustrato de Pyrex. La distancia de separación entre líneas es de 20 μm de ancho.

180723 fig3 Muestra

Figura 3. Muestra estándar SICM-SECM. La muestra consiste de barras de Au con un ancho de 10 μm y 300 nm de alto, sobre un sustrato de Pyrex. El campo de separación es de 20 μm de ancho.

Sonda

La sonda usada en este experimento, fue adoptada de un método descrito por Shi y col. [18]. Las nano pipetas obtenidas, fueron recubiertas con una capa de adhesión de 10 nm de Cr primeramente, para luego ser recubiertas por una capa de Au mediante evaporación térmica. Posteriormente, se realizó una deposición química de parylene C mediante vapor, resultando así en una cobertura total de las nano pipetas con parylene C. Finalmente, se hizo uso de la técnica de haz de iones focalizado (FIB – focused ion beam) para exponer los nano poros y la estructura de Au. En la Figura 4 se muestra una micrografía electrónica de barrido representativade la sonda del SICM-SECM. El diámetro del poro central oscila entre los 200 – 250 nm. El grosor del recubrimiento del Au es de ~200 nm.

180723 fig4 Micrografía electrónica

Figura 4. Micrografía electrónica de barrido representativa de la sonda del SICM-SECM. Abertura del poro ~250nm. Recubrimiento de Au ~200nm.

Voltamperometría cíclica

Previo al escaneo SICM-SECM, se realizó una voltamperometría cíclica (CV) en una concentración de 100mM KCL y 10mM Ru(NH3)63+. El propósito de las mediciones CV es para 1) caracterizar el rendimiento del electrodo en media luna de Au y 2) para ajustar el potencial al cual el electrodo en media luna de Au será energizado durante los experimentos de escaneo SICM-SECM. Para llevar a cabo la medición CV, se hizo uso de un potenciostato (Modelo 760E, CH instrument, Austin, TX) con una celda electroquímica de tres electrodos. Tal y como se indica en la ilustración de la Figura 5a, el electrodo de Au fue usado como el electrodo de trabajo (WE) con respecto a un electrodo de referencia (RE) de Ag/AgCl, y un contra electrodo (CE) de Pt. En la Figura 5b se muestra la configuración de la medición CV, realizada con una sonda montada en el cabezal SICM de un sistema Park NX10. El rango del potencial usado en este caso es de 0 a -0.5 V, con un tamaño de paso de 0.1 V/s.

180723 fig5 Ilustración de medición

Figura 5. a) Ilustración de medición CV; b) configuración de la medición CV, realizada con una sonda montada en el cabezal SICM de un sistema Park NX10.

Toma de imágenes SICM-SECM

Para realizar la toma de imágenes SICM-SECM, se usó un sistema Park NX10 junto a un amperímetro (Chem Clamp, Dagan Corporation, Minneapolis, MN). En la Figura 6a se muestra un diagrama de la configuración SICM-SECM. A manera de retroalimentación, se aplica una corriente iónica entre los electrodos de Ag/AgCl encontrados dentro de la pipeta (PE: electrodo de pipeta), y otro electrodo Ag/AgCl dentro de la solución (RE: electrodo de referencia), con el fin de controlar la distancia entre la sonda y el sustrato. El electrodo de Au (AuE), es usado para adquirir señal electroquímica. El potencial aplicado entre el PE y RE fue de 0.1 V, y el potencial del AuE fue mantenido a los -0.5V. El amperímetro fue usado para la aplicación de potencial al AuE, y para la medición de la corriente faradaica al AuE. Luego, la corriente faradaica medida es alimentada a uno de los canales de registro auxiliares (AUX IN 2) del controlador NX10, y registrado en tiempo real mediante el software SmartScan. Como resultado, se logra una toma simultánea de imágenes topográficas (del SICM) y mapeo de actividad electroquímica (del SECM).

180723 fig6 Ilustración de medición

Figura 6. a) Ilustración de medición CV; b) configuración de la medición CV, realizada con una sonda montada en el cabezal SICM de un sistema Park NX10.

Resultados y Discusión

Como se muestra en la Figura 7, se tomaron cinco CVs consecutivas con el electrodo en media luna de Au en una solución de 100 mM KCL + 10 mM Ru(NH3)63+. Para el Ru(NH3)63+, la reacción de reducción del Ru(NH3)63+ al Ru(NH3)62+ toma lugar desde los ~0.25 V, y mientras que el potencial es incrementado, a los ~-0.5 V, la reacción electroquímica es controlada, y se alcanza una corriente en estado de equilibrio. La reacción electroquímica es la siguiente:

Ru(NH3)3++ e↔ Ru(NH3)2+3

De los datos del CV obtuvimos que se alcanzó un estado de equilibrio de corriente a los -0.5 V, y por ello, en el siguiente experimento de escaneo SICM-SECM, el voltaje aplicado al electrodo de Au se mantuvo en -0.5 V.

180723 fig7 Diagramas

Figura 7. Diagramas de voltamperometría cíclica (CVs) tomadas con el electrodo de Au, en una solución de 100 mM KCL y 5 mM de Ru(NH3)3+6

En la Figura 8 se muestran imágenes SICM-SECM representativas. En la Figura 8a se muestra la imagen topográfica de la muestra de Au/Pyrex. La Figura 8c (superior), muestra el perfil de línea de la imagen topográfica. El ancho de separación medido es de 20.06 μ m, el cual coincide con el ancho de separación real (20 μm). La altura medida de la barra de Au es de 302.03 nm, la cual, nuevamente, coincide con la altura real de 300 nm. En la Figura 8b se muestra un mapa de actividades electroquímicas de la misma región observada en la Figura 8a. El valor absoluto de la corriente faradaica sobre el Au es de ~4.5 nA, mientras que, en el Pyrex, el valor absoluto de la corriente faradaica es de ~3.6 nA. Se puede observar un diferencial de corriente faradaica promedio de ~981 pA. La correlación de las imágenes topográficas y de corriente faradaica, revelan el contraste esperado, con una corriente faradaica mayor sobre las regiones conductivas de Au, con realimentación positiva debido al ciclo de redox, y una menor corriente faradaica sobre los conductos aislantes de Pyrex, con retroalimentación negativa debido a difusiones de obstaculización.

180723 fig8 Imágenes SICM

Figura 8.Imágenes SICM-SECM representativas. A) Imagen topográfica SICM; b) imagen de corriente faradaica SECM; c) Perfil de línea junto a la línea vista en a) y b). Tamaño de imagen: 50 μm × 25 μm.

CONCLUSIONES

AC160TS

En este artículo técnico de aplicación, demostramos el uso de un Park NX10 AFM en combinación con un amperímetro, para la toma simultánea de imagen topográfica y mapeo electroquímico. La sonda SICM-SECM utilizada consistió de un electrodo de Au (AuE)en la periferia de una nano pipeta. Se obtuvo un control de distancia de alta resolución entre la sonda y el sustrato por medio de la corriente iónica de retroalimentación del SICM, mientras que,de forma simultánea, se realizaba la recolección de señal electroquímica mediante el AuE del SECM. Como experimento de prueba, se escaneó una muestra estándar de Au/Pyrex mediante la técnica SICM-SECM. La barra de Au y el sustrato de Pyrex fueron observados de forma clara mediante la imagen topográfica SICM, con valores de la altura de barra y ancho de separación muy cercanos a los valores reales. En términos de mapeo de propiedades electroquímicas, se observó una mayor corriente faradaica cuando la sonda escaneaba sobre la barra de Au, esto por un resultado de ciclo de redox; mientras que se observó una menor corriente faradaica cuando la sonda se encontraba sobre el sustrato de Pyrex, esto debido a la difusión de obstaculización. La capacidad de la técnica SICM-SECM descrita, promete muchas aplicaciones sorprendentes en el campo de la electroquímica, ciencia de materiales e investigación con baterías.

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