走査型電気化学顕微鏡

走査型電気化学顕微鏡（SECM ）は、走査型プローブ顕微鏡（ SPM ）のより広いクラスに含まれる技術であり、液体/固体、液体/気体、液体/液体界面の局所的な電気化学的挙動を測定するために使用されます。 ^{[1] [2] [3] [4] [5]}この技術の最初の特性評価は、1989年にテキサス大学の電気化学者であるアレン・J・バードによって行われました。 ^[6] それ以来、理論的根拠が成熟し、化学、生物学、材料科学でこの技術が広く使用されるようになりました。 空間的に分解された電気化学信号は、超微小電極（ UME ）チップの電流を、関心のある基板領域上の正確なチップ位置の関数として測定することによって取得できます。 SECM信号の解釈は、拡散制限電流の概念に基づいています。^[7] 2次元ラスタースキャン情報をコンパイルして、表面の反応性や化学反応速度論の画像を生成できます。

この技術は、さまざまな界面現象の調査において、表面プラズモン共鳴（SPR）^{[8] 、} 電気化学走査トンネル顕微鏡（ESTM）^[9]、原子間力顕微鏡（AFM）^{[10]などの他の表面特性評価方法と補完的です。}地形情報 を提供することに加えて、SECMは固体材料、電気触媒材料、酵素、その他の生物物理学的システムの表面反応性を調べるためによく使用されます。^[11] SECMと技術のバリエーションは、微細加工、表面パターン形成、および微細構造化にも使用されています。^[12]

1980年頃の超微小電極（UME）の出現は、SECMのような高感度電気分析技術の開発に極めて重要でした。プローブとして使用されるUMEにより、急速または局所的な電気化学反応の研究が可能になりました。最初のSECMのような実験は、1986年にEngstromによって実行され、反応プロファイルと短寿命の中間体を直接観察しました。^{[13] Allen J. Bardによる電気化学走査トンネル顕微鏡（} ESTM ） を使用した同時実験では、電子トンネル効果と一致しない、チップからサンプルまでの距離が長い場合の電流が実証されました。この現象はファラデー電流に起因するものであり、電気化学顕微鏡のより徹底した分析が必要になりました。^[14] 理論的根拠は1989年にBardによって提示され、走査型電気化学顕微鏡という用語も生まれました。当時使用されていた単純な収集モードに加えて、Bardはさまざまなフィードバックモードの実装を通じてSECMの広範な有用性を示しました。^[6] 理論的基礎が発展するにつれて、SECM関連の年間出版物は、最初の商用SECMが利用可能になった1999年に10件から約80件に着実に増加しました。^[15] SECMは、実験モードを拡張し、基質の範囲を広げ、感度を向上させる理論的および技術的進歩により、人気が高まり続けています。^[16]

電位は、酸化還元活性カップル（例えば、Fe ²⁺ /Fe ³⁺）を含むバルク溶液中でUMEチップを通して操作されます。十分に負の電位が印加されると、UMEチップで（Fe ^{3+ ）が（Fe 2+} ）に還元され、拡散制限電流が発生します。^[13]定常電流は、溶液中の酸化種のUMEディスクへのフラックスによって制御され、次のように表されます。

${\displaystyle i_{T,\infty }=4nFCDa}$

ここで、i _T,∞は拡散限界電流、nは電極先端で移動する電子の数 (O + n e ⁻ → R)、Fはファラデー定数、C は溶液中の酸化種の濃度、Dは拡散係数、a はUME ディスクの半径です。対象の表面を調べるために、先端を表面に近づけ、電流の変化を測定します。

主な動作モードは、フィードバック モードと収集生成モードの 2 つです。

バルク溶液では、酸化種は先端で還元され、半球拡散によって制限される定常電流を生成します。先端が溶液中の導電性基板に近づくと、先端で形成された還元種が導電性表面で酸化され、先端電流が増加し、再生の「正」フィードバック ループが形成されます。^[6]絶縁表面をプローブすると逆の効果が観察されます。先端が基板に近づくと、物理的な妨害により酸化種が再生できず、電極への拡散が抑制され、「負」フィードバック ループが形成され、先端電流が減少します。絶縁表面をプローブするときに考慮すべき追加のパラメータは、拡散の物理的な妨害に寄与する 電極シース直径r _gです。

距離dの関数としての先端電流の変化は、図に示すように「アプローチ曲線」としてプロットできます。

SECM測定は速度依存性があるため、電子移動速度論の研究にも利用されている。^[17]

使用される別の動作モードは、先端生成/基質収集 (TG/SC) です。TG/SC モードでは、先端は電極反応が発生して生成物を「生成」するのに十分な電位に保持され、一方、基質は電極生成物が基質と反応するか、基質によって「収集」されるのに十分な電位に保持されます。^[6]この方法の逆は基質生成/先端収集 (SG/TC) であり、基質は先端で測定される種を生成するように機能します。TG/SC と SG/TC の両方のバリエーションは、「直接」モードとしても分類されます。^[7]

2 つの電流が生成されます。先端電流i _Tと基板電流i _Sです。基板は一般に先端よりもはるかに大きいため、先端で生成された種が基板に転送される間に反応が発生しない場合は、収集効率i _S / i _Tは 1 になります。先端と基板の距離dが減少するにつれて、収集効率i _S / i _{T は}1 に近づきます。

ac-SECMでは、SECMプローブのdcバイアスに正弦波バイアスが適用され、電気化学インピーダンス分光法の場合と同様に、サンプルのインピーダンスを測定できます。^[18] dc-SECM技術とは異なり、ac-SECMでは酸化還元メディエーターの使用が必要ありません。これは、酸化還元メディエーターが研究対象のシステムの化学に影響を与える可能性がある測定に特に有利です。^[19]例としては、酸化還元メディエーターが腐食速度を抑制または促進する可能性がある腐食研究や、酸化還元メディエーターが研究対象の生体細胞に有毒である可能性がある生物学的研究などがあります。

ac-SECMでは、測定されるフィードバック応答はサンプルの種類と実験条件の両方に依存します。^[20]サンプルが絶縁体の場合、測定されるインピーダンスはプローブとサンプルの距離が短くなるにつれて常に増加します。ただし、導電性サンプルの場合はそうではありません。導電性サンプルを高導電性電解質で測定したり、低いac周波数で測定したりする場合、プローブとサンプルの距離を短くするとインピーダンスが増加します。ただし、導電性サンプルを低導電性電解質で測定したり、高いac周波数で測定したりする場合、プローブとサンプルの距離を短くすると、測定されるインピーダンスは低くなります。

電極の先端と基板表面間の距離の関数としての電流の変化により、表面上で先端を動かし、先端電流を測定することで、絶縁表面と導電表面のトポロジーと反応性情報を画像化できます。

最も一般的なスキャンモードは定高モード^[7]で、先端の高さは変化せず、 xy 平面で表面全体をスキャンします。あるいは、定距離測定も可能です。定距離測定では、プローブが xy 平面で表面全体をスキャンするときに、プローブとサンプルの距離を維持するために z 位置を変更します。定距離測定は、定電流モード^[7]の場合のように電気信号に基づくことができます。定電流モードでは、デバイスは基板と先端の距離dを変更し、 dの変化を記録することで一定の電流を維持しようとします。プローブとサンプルの距離を制御するために、機械信号を使用することもできます。この例としては、断続接触 (ic)-SECM ^[21]やせん断力^[22]技術があり、これらはプローブの振動の変化を使用してプローブとサンプルの距離を維持します。

空間分解能は、先端の半径、基板から先端までの距離、電子機器の精度、その他の考慮事項によって異なります。

初期の SECM は、ポテンショスタット(またはバイポテンショスタット) と電位プログラマー、電流増幅器、圧電ポジショナーとコントローラー、コンピューター、UMEなどの共通コンポーネントのセットから、個々の研究室グループによってのみ構築されました 。 ^[4] SECM 実験の多くは非常に特殊な性質を持ち、SECM の社内組み立ては今でも一般的です。信頼性の高い電極のナノ加工に向けた新しい技術の開発は、運動実験での高い物質移動速度と低いレベルの反応物吸着など、いくつかの明確な利点があるため、文献では主な焦点となっています。^{[23] [24]} さらに、チップサイズの縮小によって得られる空間分解能の向上により、SECM 研究の範囲がより小さく高速な現象にまで広がります。以下の方法は、急速に発展している分野における製造技術の簡潔な概要です。

SECMプローブは活性コア材料としてプラチナを使用するが、炭素、金、水銀、銀も使用されている。^[25]マイクロスケール電極の典型的な準備は、真空下でガラス毛細管にマイクロワイヤまたは炭素繊維を熱シールすることによって行われる。この先端は、銀エポキシを使用してより大きな銅電極に接続し、研磨して鋭利な先端を得ることができる。電極のナノファブリケーションは、シアン化ナトリウムと水酸化ナトリウムで金属ワイヤをエッチングすることによって実行できます。エッチングされた金属ワイヤは、ワックス、ワニス、溶融パラフィンまたはガラス、ポリ（α-メチルスチレン）、ポリイミド、^[26] 電解重合フェノール、および電気泳動塗料でコーティングすることができます。^{[27]これらの方法で生成されたナノチップは円錐形ですが、ガラスで密封された電極を}マイクロピペット で引っ張るとディスク形のチップが得られます。ナノスケール電極により、サブミクロンスケールの生物学的特徴の高解像度実験や単一分子分析が可能になります。先端を微細構造（固定された酸化還元中心を持つ薄いポリマーフィルムなど）に挿入して運動および濃度パラメータを調べる「浸透」実験でも、ナノスケールの電極を使用する必要があります。^[28]しかし、マイクロ電極は表面積が大きいため、定量的な運動およびフィードバックモードの実験には理想的です。

電極の改良は、サイズパラメータを超えて発展してきました。SECM-AFMプローブは、電気泳動塗料でコーティングされた平らなエッチングされた金属ワイヤを使用することで、力センサと電極の両方として機能します。このシステムでは、平らなワイヤが柔軟なカンチレバーとして機能し、サンプルに対する力（AFM）を測定し、ワイヤ電極が電流（SECM）を測定します。^[2] 同様に、導電性金属で表面をスパッタリングするか、絶縁チップを集束イオンビーム（FIB）でミリングすることで、標準のAFMプローブにSECM機能を付与できます。電子ビームリソグラフィーも、シリコンウェーハを使用してSECM-AFMプローブを再現性よく生成できることが実証されています。^[29] Scuba Probe TechnologiesなどのAFMプローブメーカーは、液体中での動作用に信頼性の高い電気接点を備えたSECM-AFMプローブを製造しています。^[30]

局所的な地形から切り離された化学環境の画像は、より大きな表面や凹凸のある表面を研究するのにも望ましい。「ソフトスタイラスプローブ」は、最近、ポリエチレンテレフタレートシート上の微細加工されたトラックに導電性カーボンインクを充填することによって開発された。ポリマーフィルムでラミネートすることで、カーボンチップが露出するようにカットされたV字型のスタイラスが作られた。プローブ設計に固有の柔軟性により、プローブを曲げる基板との継続的な接触が可能になる。サンプル上を引っ張ると、プローブが曲がることで基板の地形の違いが調整され、チップと基板の距離dがほぼ一定になる。^[31]

マイクロITIESプローブは、2つの非混和性電解質溶液間のインターフェース（ITIES）を利用する別のタイプの特殊プローブです。これらのチップは、金属対電極を含む溶液が入った先細りのピペットを備えており、対参照電極を含む2番目の非混和性液相に浸漬されたときに電子とイオンの移動イベントを測定するために使用されます。^[1]

SECM による液体/液体および空気/液体界面の探査には、多くの場合、海底電極の使用が必要です。^[32]この構成では、電極はフック形状に作られ、電極を反転させて液体層内に沈めることができます。UME の先端は上を向いており、液体/液体または空気/液体界面の真下に配置できます。界面領域を通過する電極の部分は、間接的な界面の乱れを防ぐために電気的に絶縁されています。

電極の複雑さが増し、サイズが小さくなったため、高解像度の特性評価技術の必要性が高まっています。 走査型電子顕微鏡(SEM)、サイクリックボルタンメトリー(CV)、SECM アプローチ曲線測定は、製造されたプローブの寸法と形状を識別するために頻繁に適用されます。

ポテンショスタットは、ボルタンメトリー実験の標準的な 3 電極システムを使用して、電圧をバイアスし、測定します。UME は、制御された電位を基板に適用する作業電極として機能します。補助電極(または対電極) は、多くの場合、溶媒または支持電解質との酸化還元反応を通じて、作業電極で生成された電流のバランスをとる役割を果たします。この電極自体は電流を流しませんが、 電圧は参照電極の明確に定義された還元電位に関して測定されます。

SECM は、他の材料特性評価技術で利用可能な多くの同じ位置決めコンポーネントを使用します。チップとサンプル間の正確な位置決めは、チップのサイズを補完する重要な要素です。材料表面上の特定の点に対するプローブの位置は、通常、x、y、z 方向でモーターによって制御され、粗い位置決めと、より細かい制御のための圧電モーターを組み合わせて行われます。より具体的には、システムは、粗い位置決めを指示するインチワーム モーターと、PZT ピエゾ プッシャーによって制御される追加の z 制御を備えている場合があります。XYZ ピエゾ ブロック ポジショナーまたは閉ループ コントローラーシステムを備えたステッピング モーターも使用されています。^[15]

SECM は、固体材料のトポグラフィーと表面反応性の調査、水性環境におけるイオン結晶の溶解速度の追跡、電気触媒の可能性のスクリーニング、酵素活性の解明、合成/天然膜やその他の生物物理学的システム間の動的輸送の調査に使用されています。初期の実験では、これらの固体/液体界面と、バルク電気化学実験で通常得られるよりも高い空間分解能と感度での典型的な溶液ベースの電気化学システムの特性評価に重点が置かれていました。最近では、SECM 技術が液体/液体および液体/気体界面での化学移動ダイナミクスの調査に採用されています。

SECM とそのバリエーションは、微細加工、表面パターン形成、微細構造形成にも使用されています。^[12]このコンテキストでは、金属の堆積、酵素による表面のエッチングおよびパターン形成など、さまざまな表面反応が研究されています。表面の走査プローブリソグラフィー(SPL) は、SECM 構成を使用して実行できます。UME の微細加工手順にはサイズ制限があるため、空間分解能が低下し、他の SPL 技術と比較して大きなフィーチャ サイズが可能になります。初期の例では、酸化電位または還元電位を適用しながら UME を表面の近くで 2 次元配列で移動させ、化学種を局所的に脱着させることで、ドデシルチオレート自己組織化単分子膜(SAM) のパターン形成が実証されました。 ^[12]ミクロン サイズの特徴が SAM に効果的にパターン形成されました。表面パターン形成における他の SPL 技術に対する SECM の固有の利点は、リソグラフィーを実行しながら表面関連の電気化学情報を同時に取得できることにあります。他の研究では、SECMが生体分子や蛍光色素を付着させるためのテンプレートとして局所的な金の島を堆積させるのに有用であることが実証されている。^{[33]このような研究は、この技術が}ナノスケールのアセンブリを製造する可能性を示唆しており、特に小さな金のクラスターに結び付けられた以前に研究されたシステムの調査に適している。

マイクロピペットの先端形状を採用したSECMのさまざまな種類が、空間的に分解された固溶体の微結晶を生成するために使用されてきました。^[34]ここでは、サブミクロンサイズのオリフィスを備えたガラス製マイクロキャピラリーが標準的なUMEに取って代わり、フェムトリットルサイズの液滴がキャピラリーから作業電極として機能する導電性表面上に浮遊することを可能にしました。正にバイアスされた表面と接触すると、塩溶液の液滴は過飽和状態になり、明確に定義されたマイクロスケールの形状で結晶化します。このような技術は、マイクロデバイス上の固体電気化学センサーに適しています。

水性環境におけるイオン結晶の溶解は、多くの天然および合成システムの特性評価にとって根本的に重要です。^[35] UMEが提供する高い空間分解能と3次元移動性により、単一のイオン結晶の特定の面における溶解速度を調べることができますが、以前の特性評価技術はバルクまたはアンサンブル平均測定に依存していました。SECM構成のUMEに関連する高い物質移動速度により、非常に速い反応速度論によって定義されるシステムを定量化することができます。さらに、UMEは広いダイナミックレンジでのモニタリングを可能にするため、溶解度に大きな差があるイオン性固体の研究が可能になります。

^{SECMがこのようなシステムから定量的な速度データを抽出する有用性を示した初期の例は、Cu 2+}とSOで飽和した水溶液中のCuSO ₄結晶で行われた。²⁻⁴
_...イオン。^[36] SECM構成でUMEをCuSO ₄結晶の（100）面から約1電極半径離れた位置に配置すると、 UME表面でCu ^2+を局所的に還元して溶解平衡を乱すことができました。結晶面が銅イオンと硫酸イオンに溶解すると、目に見えるピットが形成され、クロノアンペロメトリー信号はUMEと結晶間の距離の関数として監視できました。一次または二次の速度論的挙動を仮定すると、データから溶解速度定数を抽出できます。同様の研究が、支持電解質のない追加の結晶系で実施されています。^[37]

燃料電池に使用される貴金属に代わる新しい触媒材料の探索には、金属表面で起こる酸素還元反応(ORR)に関する広範な知識が必要です。さらに差し迫った問題となるのは、多数の潜在的な触媒候補の電気触媒としての実現可能性を調査し評価する必要があることから生じる物理的な制限です。電気触媒を研究しているいくつかのグループは、触媒混合物および材料に関する局所的な定量的な電気化学情報を提供する迅速なスクリーニング技術として SECM の使用を実証しました。^{[38] [39]}

新しい金属電極触媒のハイスループット評価には、さまざまなアプローチが提案されている。機能的な非SECMアプローチの1つは、プロトン感受性蛍光色素の堆積アレイ上でのプロトン生成を検出する技術を採用することで、多数の触媒の電極触媒活性を光学的に評価することを可能にした。^[40]この技術は一定の有用性があるが、対象の触媒システムから定量的な電気化学情報を抽出できないという欠点があり、そのため、定量的な電気化学情報はアレイ実験からオフラインで取得する必要がある。Bardらは、SECM構成を使用して大量の電極触媒活性を評価することを実証した。^{[38]このアプローチでは、多成分システムからの直接的な定量的電気化学情報を、迅速なスクリーニングプラットフォームで取得できる。このようなハイスループットスクリーニングは、}白金やその他の貴金属の代替品として、豊富で効率的で費用対効果の高い電極触媒材料の探索に大きく役立つ。

非導電性表面をプローブできるため、SECM は膜、酸化還元活性酵素、その他の生物物理学的システムを分析するための実行可能な方法となります。

細胞内酸化還元活性の変化は、酸化ストレスや癌などの状態に関係している可能性があります。個々の生細胞の酸化還元プロセスは、細胞内電荷移動をモニタリングするための非侵襲的な方法として機能する SECM で調べることができます。このような測定では、対象の細胞を酸化還元メディエーターの酸化形態を含む溶液に浸した表面に固定し、フィードバック モードを使用します。電位が先端に適用され、酸化種が還元されて定常電流i _{T が}生成されます。先端生成物が細胞内に入ると、細胞内のプロセスによって再酸化されて送り出されます。先端生成物が細胞によって再生される速度に応じて、先端電流が変わります。Liu らによる研究^{[41]ではこの方法を採用し、3 つのヒト乳房細胞株 (非運動性、}運動性、転移性) 内の酸化還元状態が一貫して異なることを示しました。 SECMは固定化された細胞を調べるだけでなく、固定化された酸化還元活性酵素の動態を研究するためにも使用できます。^[42]

^{膜やその他の生物学的界面を介したK +}やNa ⁺などのイオンの輸送は、多くの細胞プロセスにとって重要です。SECMは、細胞膜を介した酸化還元活性種の輸送の研究に使用されています。フィードバックモードでは、膜を介した分子の移動は、移動した種を先端で収集し、濃度勾配を形成することによって誘発されます。^[4]電流の変化は、分子輸送速度の関数として測定できます。

2つの混和しない電解質溶液（ITIES）間の界面は、マイクロITIESプローブを備えたSECMを使用して研究できます。プローブは1つの層にあり、電位を印加しながら接合部に近づけます。酸化または還元により基質濃度が枯渇し、いずれかの層からの拡散が起こります。チップと界面の距離が近い場合、基質またはイオン種の有機層/水層間の拡散速度が観察されます。^[43] 電子移動速度もITIESで広範囲に研究されてきました。このような実験では、酸化還元対を別々の相に溶解し、ITIESでの電流を記録します。^[1] これは、膜を越えた輸送を研究する際の基本原理でもあります。

空気/液体界面を介した化学種の移動は、ほぼすべての物理的、生理学的、生物学的、環境的システムにおいて、ある程度不可欠なものです。これまで、この分野の主な推進力は、細胞膜システムの化学輸送特性と環境界面での化学拡散に関する知見を得るために、単層フィルムを介した分子移動ダイナミクスの定量化でした。^[44]

空気/水界面における単分子膜を通じた蒸発の分野では多くの研究が行われてきましたが、SECMの導入により、研究者はそのような界面を越えた小さな溶質分子に対する単分子膜の透過性を調べるための代替方法を手に入れました。空気/水界面を隔てる有機単分子膜の下に海底電極を正確に配置することで、研究者は水層中の酸素を局所的に還元して酸素拡散平衡を乱し、単分子膜を越えた拡散を引き起こすことができました。^[45]システムの拡散ダイナミクスは、UMEでの電流応答を高い空間的および時間的分解能で測定することで解明できます。SECM構成のUMEに関連する急速な物質移動速度により、電流応答を高感度で監視できるため、SECMはそのような速度論研究に非常に適しています。UMEの3次元移動性により、膜の空間プローブが可能になり、高流量または透過性のポイントを特定することもできます。液体/液体および固体/液体界面での拡散研究にも非常によく似たアプローチが採用されています。