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Técnica de electrodos vibratorios de barrido

La técnica de electrodo vibratorio de barrido ( SVET ), también conocida como sonda vibratoria dentro del campo de la biología , es una técnica de microscopía de sonda de barrido (SPM) que visualiza los procesos electroquímicos en una muestra. Fue introducida originalmente en 1974 por Jaffe y Nuccitelli para investigar las densidades de corriente eléctrica cerca de células vivas. [1] A partir de la década de 1980, Hugh Isaacs comenzó a aplicar SVET a una serie de diferentes estudios de corrosión . [2] SVET mide distribuciones de densidad de corriente local en la solución sobre la muestra de interés, para mapear los procesos electroquímicos in situ a medida que ocurren. Utiliza una sonda, que vibra perpendicularmente a la muestra de interés, para mejorar la señal medida. [1] Está relacionada con la técnica de electrodo selectivo de iones de barrido (SIET), que se puede utilizar con SVET en estudios de corrosión, [3] y la técnica de electrodo de referencia de barrido (SRET), que es un precursor de SVET. [4]

Historia

La técnica del electrodo vibratorio de barrido fue introducida originalmente para medir con sensibilidad las corrientes extracelulares por Jaffe y Nuccitelli en 1974. [1] Luego, Jaffe y Nuccitelli demostraron la capacidad de la técnica a través de la medición de las corrientes extracelulares involucradas en las extremidades amputadas y en regeneración de tritones, [5] las corrientes de desarrollo de embriones de pollo, [6] y las corrientes eléctricas asociadas con el movimiento ameboide . [7]

En el campo de la corrosión, la técnica del electrodo de referencia de barrido (SRET) existió como precursora de la SVET, y fue introducida comercialmente por primera vez y registrada por Uniscan Instruments, [8] ahora parte de Bio-Logic Science Instruments. [9] La SRET es una técnica in situ en la que se escanea un electrodo de referencia cerca de la superficie de una muestra para mapear la distribución de potencial en el electrolito sobre la muestra. Usando la SRET es posible determinar los sitios anódicos y catódicos de una muestra corroída sin que la sonda altere el proceso de corrosión. [10] La SVET fue aplicada y desarrollada por primera vez para la investigación local de los procesos de corrosión por Hugh Isaacs. [2]

Principio de funcionamiento

Diagrama del principio de funcionamiento de un medidor SVET.
En SVET, la sonda vibra en Z. Durante la vibración, mide la corriente en diferentes posiciones respecto de la superficie de la muestra. Esto permite generar un mapa de la densidad de corriente local.

La SVET mide las corrientes asociadas con una muestra en solución con actividad electroquímica natural, o que está sesgada para forzar la actividad electroquímica. En ambos casos, la corriente irradia hacia la solución desde las regiones activas de la muestra. En un instrumento SVET típico, la sonda está montada en un vibrador piezoeléctrico en una plataforma x,y. La sonda se hace vibrar perpendicularmente al plano de la muestra, lo que da como resultado la medición de una señal de CA. La señal de CA resultante se detecta y demodula utilizando un ángulo de fase de entrada mediante un amplificador de bloqueo para producir una señal de CC. [1] [11] [12] El ángulo de fase de entrada generalmente se encuentra ajustando manualmente la entrada de fase del amplificador de bloqueo hasta que no haya respuesta, luego se agregan 90 grados para determinar la fase óptima. [13] La fase de referencia también se puede encontrar automáticamente mediante algunos instrumentos comerciales. [14] La señal de CC demodulada que resulta luego se puede trazar para reflejar la distribución de actividad local.

Diagrama de bloques de la técnica de electrodos vibratorios de barrido
Diagrama de bloques de la electrónica de la instrumentación de la técnica de electrodos vibratorios de barrido, que incluye piezo, amplificador de bloqueo, cabezal de escaneo y sonda.

En SVET, la vibración de la sonda da como resultado una medición más sensible que sus predecesores no vibratorios, [1] además de dar lugar a una mejora de la relación señal-ruido . [13] La vibración de la sonda no afecta al proceso en estudio en condiciones experimentales normales. [15] [16]

La señal SVET se ve afectada por una serie de factores, entre ellos la distancia de la sonda a la muestra, la conductividad de la solución y la sonda SVET. La intensidad de la señal en una medición SVET se ve influenciada por la distancia de la sonda a la muestra. Cuando todas las demás variables son iguales, una distancia menor de la sonda a la muestra dará como resultado la medición de una señal de mayor magnitud. [17] La ​​conductividad de la solución afecta la intensidad de la señal en las mediciones SVET. Al aumentar la conductividad de la solución, la intensidad de la señal de la medición SVET disminuye. [18]

Aplicaciones

La corrosión es un área de aplicación importante para SVET. SVET se utiliza para seguir el proceso de corrosión y proporcionar información que no es posible con ninguna otra técnica. [19] En la corrosión se ha utilizado para investigar una variedad de procesos que incluyen, pero no se limitan a, corrosión local, recubrimientos autocurativos, monocapas autoensambladas (SAM). SVET también se ha utilizado para investigar el efecto de diferentes características locales en las propiedades de corrosión de un sistema. Por ejemplo, utilizando SVET, se midió la influencia de los granos y los límites de grano de X70. Existió una diferencia en las densidades de corriente entre los granos y los límites de grano con los datos de SVET sugiriendo que el grano era anódico y el límite relativamente catódico. [20] A través del uso de SVET ha sido posible investigar el efecto de cambiar el ancho del espaciador de aluminio en el acoplamiento galvánico entre acero y magnesio , un emparejamiento que se puede encontrar en automóviles. Aumentar el ancho del espaciador redujo el acoplamiento entre magnesio y acero. [21] Se han seguido procesos de corrosión localizados de forma más general utilizando SVET. Para una variedad de sistemas ha sido posible utilizar SVET para seguir el frente de corrosión a medida que se mueve a través de la muestra durante períodos prolongados, proporcionando información sobre el mecanismo de corrosión. [22] [23] [24] Varios grupos han utilizado SVET para analizar la eficiencia de los recubrimientos autorreparadores, mapeando los cambios en la actividad de la superficie a lo largo del tiempo. Cuando las mediciones SVET de los metales desnudos se comparan con el mismo metal con el recubrimiento inteligente, se puede ver que la densidad de corriente es menor para la superficie recubierta. Además, cuando se produce un defecto en el recubrimiento inteligente, se puede ver que la corriente sobre el defecto disminuye a medida que el recubrimiento se recupera. [25] [26] [27] Mekhalif et. al . han realizado una serie de estudios sobre SAM formados en diferentes metales para investigar su inhibición de la corrosión utilizando SVET. Los estudios SVET revelaron que las superficies desnudas experimentan corrosión, con una actividad no homogénea medida por SVET. Luego se utilizó SVET para investigar el efecto del tiempo de modificación, [28] y la exposición a una solución corrosiva. [29] Cuando se investigó un SAM libre de defectos, SVET mostró una actividad homogénea. [30] [31]

En el campo de la biología, la técnica de la sonda vibratoria se ha utilizado para investigar una variedad de procesos. Las mediciones de la sonda vibratoria de las células tumorales del cáncer de pulmón han demostrado que los campos eléctricos por encima de la célula tumoral eran estadísticamente mayores que los medidos sobre el epitelio intacto , con la célula tumoral comportándose como el ánodo. Además, se observó que la aplicación de un campo eléctrico dio como resultado la migración de las células tumorales. [32] Utilizando la sonda vibratoria, se han medido las corrientes eléctricas implicadas en los procesos biológicos que ocurren en las hojas. A través de la sonda vibratoria ha sido posible correlacionar las corrientes eléctricas con la apertura estomática , lo que sugiere que la apertura estomática estaba relacionada con el eflujo de protones. [33] Con base en este trabajo, otras mediciones de la sonda vibratoria también indicaron una relación entre la actividad fotosintética de una planta y el flujo de corriente eléctrica en las superficies de sus hojas, con la corriente medida cambiando cuando se exponía a diferentes tipos de luz y oscuridad. [34] [35] Como ejemplo final, la técnica de la sonda vibratoria se ha utilizado en la investigación de corrientes asociadas con heridas en plantas y animales. Una medición con sonda vibratoria de raíces de maíz reveló que las grandes corrientes entrantes estaban asociadas con heridas en la raíz, y que la corriente disminuía en magnitud a medida que se alejaba del centro de la herida. [36] Cuando se realizaron experimentos similares en heridas en la piel de ratas, se midieron grandes corrientes salientes en la herida, y la corriente más fuerte se midió en el borde de la herida. [37] La ​​capacidad de la sonda vibratoria para investigar heridas incluso ha llevado al desarrollo de un prototipo de dispositivo de sonda vibratoria portátil para su uso. [38]

La SVET se ha utilizado para investigar la naturaleza fotoconductora de los materiales semiconductores , siguiendo los cambios en la densidad de corriente relacionados con las reacciones fotoelectroquímicas . [39] Mediante la SVET también se ha investigado la interfaz litio/electrolito orgánico, como en los sistemas de baterías de litio . [40]

Aunque la SVET se ha aplicado casi exclusivamente para la medición de muestras en entornos acuosos, su aplicación en entornos no acuosos ha sido demostrada recientemente por Bastos et al. [41].

Referencias

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