La microscopía electroquímica de barrido ( SECM ) es una técnica dentro de la clase más amplia de microscopía de sonda de barrido (SPM) que se utiliza para medir el comportamiento electroquímico local de interfaces líquido/sólido, líquido/gas y líquido/líquido. [1] [2] [3] [4] [5] La caracterización inicial de la técnica se atribuyó al electroquímico de la Universidad de Texas, Allen J. Bard , en 1989. [6] Desde entonces, los fundamentos teóricos han madurado para permitir una amplia Uso de la técnica en química, biología y ciencia de materiales. Las señales electroquímicas resueltas espacialmente se pueden adquirir midiendo la corriente en la punta de un ultramicroelectrodo (UME) en función de la posición precisa de la punta sobre una región de interés del sustrato. La interpretación de la señal SECM se basa en el concepto de corriente limitada por difusión . [7] La información de escaneo ráster bidimensional se puede compilar para generar imágenes de la reactividad de la superficie y la cinética química .
La técnica es complementaria a otros métodos de caracterización de superficies, como la resonancia de plasmones superficiales (SPR), [8] la microscopía de efecto túnel de barrido electroquímico (ESTM), [9] y la microscopía de fuerza atómica (AFM) [10] en el interrogatorio de diversos fenómenos interfaciales. Además de proporcionar información topográfica , SECM se utiliza a menudo para probar la reactividad superficial de materiales en estado sólido, materiales electrocatalizadores , enzimas y otros sistemas biofísicos . [11] SECM y variaciones de la técnica también han encontrado uso en microfabricación , modelado de superficies y microestructuración. [12]
La aparición de ultramicroelectrodos (UME) alrededor de 1980 fue fundamental para el desarrollo de técnicas electroanalíticas sensibles como SECM. Las UME empleadas como sondas permitieron el estudio de reacciones electroquímicas rápidas o localizadas. Engstrom realizó el primer experimento similar a SECM en 1986 para producir observación directa de perfiles de reacción e intermedios de vida corta. [13] Experimentos simultáneos realizados por Allen J. Bard utilizando un microscopio de efecto túnel de barrido electroquímico ( ESTM ) demostraron que la corriente a grandes distancias entre la punta y la muestra era inconsistente con la tunelización de electrones . Este fenómeno se atribuyó a la corriente de Faradaica , lo que obligó a un análisis más exhaustivo de la microscopía electroquímica. [14] La base teórica fue presentada en 1989 por Bard, donde también acuñó el término Microscopía Electroquímica de Barrido. Además de los modos de recopilación simples utilizados en ese momento, Bard ilustró la utilidad generalizada de SECM mediante la implementación de varios modos de retroalimentación. [6] A medida que se desarrolló la base teórica, las publicaciones anuales relacionadas con el SECM aumentaron constantemente de 10 a alrededor de 80 en 1999, cuando el primer SECM comercial estuvo disponible. [15] SECM continúa ganando popularidad debido a los avances teóricos y tecnológicos que amplían los modos experimentales al tiempo que amplían el alcance del sustrato y mejoran la sensibilidad. [dieciséis]
El potencial eléctrico se manipula a través de la punta UME en una solución a granel que contiene un par activo redox (por ejemplo, Fe 2+ /Fe 3+ ). Cuando se aplica un potencial suficientemente negativo, (Fe 3+ ) se reduce a (Fe 2+ ) en la punta de la UME, generando una corriente de difusión limitada. [13] La corriente en estado estacionario se rige por el flujo de especies oxidadas en solución al disco UME y viene dada por:
donde i T,∞ es la corriente limitada por difusión, n es el número de electrones transferidos en la punta del electrodo (O + n e − → R), F es la constante de Faraday , C es la concentración de las especies oxidadas en solución, D es el coeficiente de difusión y a es el radio del disco UME. Para sondear una superficie de interés, la punta se acerca a la superficie y se miden los cambios en la corriente.
Hay dos modos de operación predominantes, que son el modo de retroalimentación y el modo de generación de recolección.
En una solución a granel, la especie oxidada se reduce en la punta, produciendo una corriente en estado estacionario que está limitada por la difusión hemisférica. A medida que la punta se acerca a un sustrato conductor en la solución, la especie reducida formada en la punta se oxida en la superficie conductora, produciendo un aumento en la corriente de la punta y creando un circuito de retroalimentación "positiva" regenerativa. [6] Se observa el efecto opuesto al sondear superficies aislantes, ya que las especies oxidadas no se pueden regenerar y la difusión al electrodo se inhibe como resultado de la obstrucción física a medida que la punta se acerca al sustrato, creando un circuito de retroalimentación "negativo" y disminuyendo la punta actual. Un parámetro adicional a considerar al sondear superficies aislantes es el diámetro de la vaina del electrodo, r g , ya que contribuye a la obstrucción física de la difusión.
El cambio en la corriente de la punta en función de la distancia d se puede trazar como una "curva de aproximación", como se muestra.
Debido a la naturaleza dependiente de la velocidad de las mediciones SECM, también se emplea para estudiar la cinética de transferencia de electrones. [17]
Otro modo de operación que se emplea es la generación de puntas/recolección de sustrato (TG/SC). En el modo TG/SC, la punta se mantiene a un potencial suficiente para que se produzca una reacción del electrodo y "genere" un producto, mientras que el sustrato se mantiene a un potencial suficiente para que el producto del electrodo reaccione con el sustrato o sea "recolectado" por él. . [6] El recíproco de este método es la generación de sustrato/recolección de puntas (SG/TC), donde el sustrato actúa para generar una especie que se mide en la punta. Tanto las variaciones TG/SC como SG/TC también se clasifican como modos "directos". [7]
Se generan dos corrientes: la corriente de punta, i T , y la corriente de sustrato , i S. Dado que el sustrato es generalmente mucho más grande que la punta, la eficiencia de recolección, i S / i T , es 1 si no se producen reacciones durante la transferencia de especies generadas en la punta al sustrato. A medida que la distancia entre la punta y el sustrato, d , disminuye, la eficiencia de recolección, i S / i T , se acerca a 1.
En ac-SECM se aplica una polarización sinusoidal a la polarización de CC de la sonda SECM, lo que permite medir la impedancia de una muestra, como es el caso en la espectroscopia de impedancia electroquímica . [18] A diferencia de las técnicas dc-SECM, ac-SECM no requiere el uso de un mediador redox. Esto es particularmente ventajoso para mediciones en las que el mediador redox podría afectar la química del sistema en estudio. [19] Los ejemplos incluyen estudios de corrosión en los que un mediador redox puede actuar para inhibir o mejorar la velocidad de corrosión, y estudios biológicos en los que un mediador redox puede ser tóxico para la célula viva bajo estudio.
En ac-SECM, la respuesta de retroalimentación medida depende tanto del tipo de muestra como de las condiciones experimentales. [20] Cuando una muestra está aislada, la impedancia medida siempre aumentará al disminuir la distancia entre la sonda y la muestra. Sin embargo, este no es el caso de una muestra conductora. Para una muestra conductiva medida en un electrolito de alta conductividad, o medida con una frecuencia de CA baja, disminuir la distancia entre la sonda y la muestra conducirá a un aumento en la impedancia. Sin embargo, si se mide una muestra conductora en un electrolito de baja conductividad o con una frecuencia de CA alta, disminuir la distancia entre la sonda y la muestra dará como resultado una impedancia medida más baja.
Los cambios en la corriente en función de la distancia entre la punta del electrodo y la superficie del sustrato permiten obtener imágenes de superficies aislantes y conductoras para obtener información de topología y reactividad moviendo la punta a través de las superficies y midiendo la corriente de la punta.
El modo de escaneo más común es el modo de altura constante, [7] donde la altura de la punta no cambia y se escanea a través de la superficie en el plano xy. Alternativamente, son posibles mediciones de distancia constante, que cambian la posición z para mantener la distancia de la sonda a la muestra a medida que la sonda se escanea a través de la superficie en el plano xy. La medición de distancia constante puede basarse en una señal eléctrica como es el caso en el modo de corriente constante, [7] donde el dispositivo intenta mantener una corriente constante cambiando el sustrato a la distancia de la punta, d , y registrando el cambio en d. . También se puede utilizar una señal mecánica para controlar la distancia entre la sonda y la muestra. Ejemplos de esto son las técnicas de contacto intermitente (ic)-SECM [21] y fuerza de corte [22] que utilizan cambios en la vibración de la sonda para mantener la distancia entre la sonda y la muestra.
La resolución espacial depende del radio de la punta, la distancia entre el sustrato y la punta, la precisión de la electrónica y otras consideraciones.
Los primeros SECM fueron construidos únicamente por grupos de laboratorio individuales a partir de un conjunto de componentes comunes que incluían potenciostato (o bipotenciostato) y programador de potencial, amplificador de corriente, posicionador y controlador piezoeléctrico , computadora y UME. [4] Muchos experimentos de SECM son de naturaleza muy específica y el ensamblaje interno de SECM sigue siendo común. El desarrollo de nuevas técnicas para la nanofabricación confiable de electrodos ha sido un foco principal en la literatura debido a varias ventajas distintas, incluidas altas tasas de transferencia de masa y bajos niveles de adsorción de reactivos en experimentos cinéticos. [23] [24] Además, la resolución espacial mejorada que ofrece el tamaño reducido de la punta amplía el alcance de los estudios SECM a fenómenos más pequeños y más rápidos. Los siguientes métodos abarcan un resumen abreviado de técnicas de fabricación en un campo en rápido desarrollo.
Las sondas SECM utilizan platino como material central activo; sin embargo, se han utilizado carbono, oro, mercurio y plata. [25] La preparación típica de un electrodo a microescala se realiza sellando térmicamente un microalambre o fibra de carbono en un capilar de vidrio al vacío . Esta punta se puede conectar a un electrodo de cobre más grande mediante el uso de epoxi plateado y luego pulirse para obtener una punta afilada. La nanofabricación de electrodos se puede realizar grabando un alambre metálico con cianuro de sodio e hidróxido de sodio. Los alambres metálicos grabados pueden luego recubrirse con cera, barniz, parafina o vidrio fundido, poli(a-metilestireno), poliimida , [26] fenol electropolimerizado y pintura electroforética . [27] Las nanopuntas producidas mediante estos métodos son cónicas; sin embargo, se pueden obtener puntas en forma de disco tirando con micropipeta de electrodos sellados de vidrio. Los electrodos a nanoescala permiten experimentos de alta resolución de características biológicas a escala submicrónica o análisis de una sola molécula. Los experimentos de "penetración", en los que la punta se inserta en una microestructura (como una fina película de polímero con centros redox fijos) para sondear parámetros cinéticos y de concentración, también requieren el uso de electrodos a nanoescala. [28] Sin embargo, los microelectrodos siguen siendo ideales para experimentos de modo de retroalimentación y cinética cuantitativa debido a su mayor área de superficie.
La modificación de los electrodos se ha desarrollado más allá del parámetro de tamaño. Las sondas SECM-AFM pueden actuar como sensor de fuerza y como electrodo mediante la utilización de un alambre metálico aplanado y grabado recubierto con pintura electroforética. En este sistema, el cable aplanado actúa como un voladizo flexible para medir la fuerza contra una muestra (AFM) mientras el electrodo de cable mide la corriente (SECM). [2] De manera similar, la funcionalidad SECM se puede impartir a sondas AFM estándar pulverizando la superficie con un metal conductor o fresando una punta aislada con un haz de iones enfocado (FIB). También se ha demostrado que la litografía por haz de electrones genera de forma reproducible sondas SECM-AFM utilizando obleas de silicio. [29] Los fabricantes de sondas AFM, como Scuba Probe Technologies, fabrican sondas SECM-AFM con contactos eléctricos confiables para operar en líquidos. [30]
También son deseables imágenes del entorno químico desacopladas de topografías localizadas para estudiar superficies más grandes o irregulares. Recientemente se desarrollaron "sondas de lápiz óptico blando" rellenando una pista microfabricada sobre una lámina de tereftalato de polietileno con tinta de carbono conductora. La laminación con una película de polímero produjo un lápiz en forma de V que se cortó para exponer la punta de carbono. La flexibilidad inherente al diseño de la sonda permite un contacto constante con el sustrato que dobla la sonda. Cuando se arrastra a través de una muestra, la flexión de la sonda se adapta a las diferencias topográficas en el sustrato y proporciona una distancia casi constante entre la punta y el sustrato, d . [31]
Las sondas Micro-ITIES representan otro tipo de sonda especializada que utiliza la interfaz entre dos soluciones de electrolitos inmiscibles ( ITIES ). Estas puntas cuentan con una pipeta cónica que contiene una solución que contiene un contraelectrodo metálico y se utilizan para medir eventos de transferencia de electrones e iones cuando se sumergen en una segunda fase líquida inmiscible que contiene un contraelectrodo de referencia. [1]
A menudo, el sondeo de interfaces líquido/líquido y aire/líquido mediante SECM requiere el uso de un electrodo submarino. [32] En esta configuración, el electrodo tiene forma de gancho donde el electrodo puede invertirse y sumergirse dentro de la capa líquida. La punta UME apunta hacia arriba y se puede colocar directamente debajo de la interfaz líquido/líquido o aire/líquido. La porción del electrodo que pasa a través de la región de la interfaz está aislada eléctricamente para evitar perturbaciones interfaciales indirectas.
El aumento de la complejidad de los electrodos junto con la disminución de su tamaño ha generado la necesidad de técnicas de caracterización de alta resolución. Las mediciones de microscopía electrónica de barrido (SEM), voltamperometría cíclica (CV) y curvas de aproximación SECM se aplican con frecuencia para identificar la dimensión y la geometría de las sondas fabricadas.
El potenciostato polariza y mide el voltaje utilizando el sistema estándar de tres electrodos de los experimentos de voltamperometría . La UME actúa como electrodo de trabajo para aplicar un potencial controlado al sustrato. El electrodo auxiliar (o contraelectrodo) actúa para equilibrar la corriente generada en el electrodo de trabajo, a menudo a través de una reacción redox con el disolvente o electrolito de soporte. Tensión medida con respecto al potencial de reducción bien definido del electrodo de referencia , aunque este electrodo en sí no deja pasar ninguna corriente.
SECM utiliza muchos de los mismos componentes de posicionamiento que están disponibles para otras técnicas de caracterización de materiales. El posicionamiento preciso entre la punta y la muestra es un factor importante que complementa el tamaño de la punta. La posición de la sonda con respecto a un punto determinado de la superficie del material en las direcciones x, y y z normalmente se controla mediante un motor para un posicionamiento aproximado acoplado con un motor piezoeléctrico para un control más preciso. Más específicamente, los sistemas pueden incluir un motor de tornillo sin fin que dirige el posicionamiento aproximado con un control z adicional gobernado por un empujador piezoeléctrico PZT. También se han utilizado motores paso a paso con posicionador de bloque piezoeléctrico XYZ o sistemas de controlador de circuito cerrado . [15]
SECM se ha empleado para investigar la topografía y la reactividad de la superficie de materiales en estado sólido, rastrear la cinética de disolución de cristales iónicos en ambientes acuosos, examinar perspectivas electrocatalíticas, dilucidar actividades enzimáticas e investigar el transporte dinámico a través de membranas sintéticas/naturales y otros sistemas biofísicos. Los primeros experimentos se centraron en estas interfaces sólido/líquido y en la caracterización de sistemas electroquímicos típicos basados en soluciones con mayor resolución espacial y sensibilidades que las que suelen ofrecer los experimentos electroquímicos en masa. Más recientemente, la técnica SECM se ha adaptado para explorar la dinámica de transferencia química en las interfaces líquido/líquido y líquido/gas.
SECM y variaciones de la técnica también han encontrado uso en microfabricación, modelado de superficies y microestructuración. [12] Se han explorado una multitud de reacciones superficiales dentro de este contexto, incluida la deposición de metales, el grabado y el modelado de superficies mediante enzimas. La litografía con sonda de escaneo (SPL) de superficies se puede realizar utilizando la configuración SECM. Debido a las limitaciones de tamaño en los procedimientos de microfabricación de las UME, la resolución espacial disminuye, lo que permite tamaños de características más grandes en comparación con otras técnicas de SPL. Un ejemplo temprano demostró el modelado de monocapas autoensambladas (SAM) de dodeciltiolato moviendo la UME en una matriz bidimensional muy cerca de la superficie mientras se aplica un potencial oxidativo o reductor, desorbiendo así localmente las especies químicas. [12] Las características del tamaño de una micra se incorporaron efectivamente al SAM. Un beneficio inherente de SECM sobre otras técnicas SPL para el modelado de superficies se puede atribuir a su capacidad para adquirir simultáneamente información electroquímica relacionada con la superficie mientras se realiza la litografía. Otros estudios han demostrado la utilidad de SECM para la deposición de islas de oro locales como plantillas para la unión de biomoléculas y tintes fluorescentes . [33] Tales estudios sugieren el potencial de la técnica para la fabricación de ensamblajes a nanoescala , lo que la hace particularmente adecuada para explorar sistemas previamente estudiados atados a pequeños grupos de oro.
Se han utilizado variedades de SECM que emplean la geometría de la punta de la micropipeta para generar microcristales de una solución sólida resueltos espacialmente . [34] Aquí, los microcapilares de vidrio con orificios de tamaño submicrónico reemplazan el UME estándar, lo que permite suspender gotas del tamaño de un femtolitro del capilar sobre una superficie conductora que actúa como electrodo de trabajo . Al entrar en contacto con la superficie polarizada positivamente, las gotas de soluciones salinas alcanzan la sobresaturación y cristalizan con geometrías de microescala bien definidas . Esta tecnología podría prestarse bien a sensores electroquímicos de estado sólido en microdispositivos.
La disolución de cristales iónicos en ambientes acuosos es de fundamental importancia para la caracterización de una serie de sistemas sintéticos y naturales. [35] La alta resolución espacial y la movilidad tridimensional proporcionadas por la UME permiten sondear la cinética de disolución en caras específicas de cristales iónicos individuales, mientras que las técnicas de caracterización anteriores se basaban en una medición promedio en masa o en conjunto . Debido a las altas tasas de transferencia de masa asociadas con las UME en la configuración SECM, es posible cuantificar sistemas definidos por cinéticas de reacción muy rápidas . Además, las UME permiten la monitorización en un amplio rango dinámico , posibilitando el estudio de sólidos iónicos con grandes diferencias de solubilidad .
Los primeros ejemplos que demostraron la utilidad de SECM para extraer datos de velocidad cuantitativa de tales sistemas se llevaron a cabo en cristales de CuSO 4 en una solución acuosa saturada con Cu 2+ y SO.2-4
iones. [36] Al colocar una UME en la configuración SECM aproximadamente a un radio de un electrodo de distancia de la cara (100) de un cristal de CuSO 4 , fue posible perturbar el equilibrio de disolución reduciendo localmente el Cu 2+ en la superficie de la UME. A medida que la cara del cristal se disolvía localmente en iones de cobre y sulfato, se formó un hoyo visible y la señal cronoamperométrica pudo monitorearse en función de la distancia entre la UME y el cristal. Suponiendo un comportamiento cinético de primer o segundo orden, la constante de velocidad de disolución podría extraerse de los datos. Se han realizado estudios similares en sistemas cristalinos adicionales sin electrolito de soporte. [37]
Abordar la búsqueda de nuevos materiales catalíticos para reemplazar los metales preciosos utilizados en las pilas de combustible exige un conocimiento amplio de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) que ocurre en la superficie del metal. A menudo, aún más apremiantes son las limitaciones físicas impuestas por la necesidad de estudiar y evaluar la viabilidad electrocatalítica de un gran número de candidatos catalíticos potenciales. Algunos grupos que estudian la electrocatálisis han demostrado el uso de SECM como una técnica de detección rápida que proporciona información electroquímica cuantitativa local sobre mezclas y materiales catalíticos. [38] [39]
Se han sugerido diversos enfoques para la evaluación de alto rendimiento de nuevos electrocatalizadores metálicos. Un enfoque funcional, no SECM, permitió evaluar ópticamente las actividades electrocatalíticas de una gran cantidad de catalizadores mediante el empleo de una técnica que detectó la producción de protones en matrices depositadas de tintes fluorescentes sensibles a los protones . [40] Aunque tiene cierta utilidad, la técnica adolece de la imposibilidad de extraer información electroquímica cuantitativa de cualquier sistema catalítico de interés, por lo que requiere que la información electroquímica cuantitativa se obtenga fuera de línea del experimento de matriz. Bard et al. han demostrado la evaluación de actividades electrocatalíticas a gran volumen utilizando la configuración SECM. [38] Con este enfoque, se puede adquirir información electroquímica cuantitativa directa de sistemas multicomponente en una plataforma de detección rápida. Este cribado de alto rendimiento ayuda significativamente a la búsqueda de materiales electrocatalíticos abundantes, eficientes y rentables como sustitutos del platino y otros metales preciosos .
La capacidad de sondear superficies no conductoras hace que SECM sea un método factible para analizar membranas, enzimas activas redox y otros sistemas biofísicos.
Los cambios en la actividad redox intracelular pueden estar relacionados con condiciones como el estrés oxidativo y el cáncer. Los procesos redox de células vivas individuales se pueden investigar mediante SECM, que sirve como método no invasivo para monitorear la transferencia de carga intracelular. En tales mediciones, la célula de interés se inmoviliza sobre una superficie sumergida en una solución con la forma oxidada del mediador redox y se emplea el modo de retroalimentación. Se aplica un potencial a la punta, que reduce las especies oxidadas, generando una corriente de estado estacionario, i T . Cuando el producto final ingresa a la celda, se reoxida mediante procesos dentro de la celda y se devuelve al exterior. Dependiendo de la velocidad a la que la celda regenere el producto de la punta, la corriente de la punta cambiará. Un estudio de Liu et al. [41] emplearon este método y demostraron que los estados redox dentro de tres líneas de células mamarias humanas (no móviles, móviles y metastásicas ) eran consistentemente diferentes. SECM no solo puede examinar células inmovilizadas, sino que también puede usarse para estudiar la cinética de enzimas activas redox inmovilizadas. [42]
El transporte de iones como K + y Na + a través de membranas u otras interfaces biológicas es vital para muchos procesos celulares; SECM se ha empleado para estudiar el transporte de especies activas redox a través de las membranas celulares. En el modo de retroalimentación, la transferencia de moléculas a través de una membrana se puede inducir recogiendo las especies transferidas en la punta y formando un gradiente de concentración. [4] Los cambios en la corriente se pueden medir en función de la tasa de transporte de moléculas.
La interfaz entre dos soluciones de electrolitos inmiscibles (ITIES) se puede estudiar utilizando SECM con una sonda micro-ITIES. La sonda se encuentra en una capa y se acerca a la unión mientras se aplica un potencial. La oxidación o reducción agota la concentración del sustrato, lo que resulta en difusión desde cualquiera de las capas. A distancias cercanas entre la punta y la interfaz, se observan velocidades de difusión entre la capa orgánica/acuosa para un sustrato o especie iónica. [43] Las tasas de transferencia de electrones también se han estudiado ampliamente en el ITIES. En tales experimentos, los pares redox se disuelven en fases separadas y se registra la corriente en el ITIES. [1] Este es también el principio fundamental en el estudio del transporte a través de membranas.
La transferencia de especies químicas a través de interfaces aire/líquido es parte integral de casi todos los sistemas físicos, fisiológicos, biológicos y ambientales en algún nivel. Hasta ahora, un importante avance en este campo ha sido la cuantificación de la dinámica de transferencia molecular a través de películas monocapa para comprender mejor las propiedades de transporte químico de los sistemas de membranas celulares y la difusión química en las interfaces ambientales. [44]
Aunque se ha trabajado mucho en el área de la evaporación a través de monocapas en las interfaces aire/agua, fue la introducción del SECM lo que proporcionó a los investigadores un método alternativo para explorar la permeabilidad de las monocapas a pequeñas moléculas de soluto a través de dichas interfaces. Al colocar con precisión un electrodo submarino debajo de una monocapa orgánica que separa una interfaz aire/agua, los investigadores pudieron perturbar el equilibrio de difusión de oxígeno mediante la reducción local de oxígeno en la capa acuosa , provocando así la difusión a través de la monocapa. [45] La dinámica de difusión del sistema se puede dilucidar midiendo la respuesta actual en la UME con alta resolución espacial y temporal . SECM es bastante susceptible a tales estudios cinéticos ya que la respuesta actual se puede monitorear con alta sensibilidad debido a las rápidas tasas de transferencia de masa asociadas con las UME en la configuración SECM. La movilidad tridimensional de la UME también permite el sondeo espacial de membranas para identificar puntos de alto flujo o permeabilidad. Se ha empleado un enfoque muy similar para estudios de difusión en interfaces líquido/líquido y sólido/líquido.
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