走査振動電極法

走査振動電極法（SVET ）は、生物学分野では振動プローブとも呼ばれ、試料における電気化学プロセスを可視化する走査プローブ顕微鏡（SPM）技術です。これはもともと、1974年にJaffeとNuccitelliによって生細胞付近の電流密度を調査するために導入されました。^{[ 1 ]} 1980年代から、Hugh IsaacsはSVETをさまざまな腐食研究に適用し始めました。^{[ 2 ]} SVETは、対象となる試料上の溶液中の局所的な電流密度分布を測定し、電気化学プロセスが発生するその場でのマッピングを行います。測定信号を強化するために、対象となる試料に対して垂直に振動するプローブを使用します。^{[ 1 ]}これは、腐食研究でSVETと併用できる走査イオン選択電極法（SIET） ^{[ 3 ] 、およびSVETの前身である走査参照電極法（SRET） [ 4 ]}に関連しています。

走査振動電極法は、もともと1974年にJaffeとNuccitelliによって細胞外電流を感度よく測定するために導入されました。 ^{[ 1 ]} JaffeとNuccitelliはその後、切断および再生中のイモリの四肢に関わる細胞外電流^{[ 5 ]} 、ニワトリ胚の発生電流^{[ 6 ]} 、およびアメーバ運動に関連する電流^{[ 7 ]の測定を通じて、この技術の有効性を実証しました。}

腐食においては、走査参照電極法（SRET）がSVETの前身として存在し、最初に商業的に導入され、商標登録されたのはUniscan Instruments社^{[ 8 ]}で、現在はBio-Logic Sc​​ience Instruments社の一部となっている^{[ 9 ]} 。SRETは、参照電極を試料表面近くで走査して試料上の電解質の電位分布をマッピングするin situ法である。SRETを使用すると、プローブが腐食プロセスを変えることなく、腐食中の試料の陽極および陰極サイトを特定することができる^{[ 10 ]。SVET}は、Hugh Isaacsによって腐食プロセスの局所的な調査に初めて適用され、開発された^{[ 2 ] 。}

SVET は、自然な電気化学的活性を持つ溶液中のサンプル、または電気化学的活性を強制するようにバイアスされたサンプルに関連する電流を測定します。どちらの場合も、電流はサンプルの活性領域から溶液中に放射されます。典型的な SVET 装置では、プローブはx、y ステージ上の圧電振動子に取り付けられています。プローブはサンプルの平面に垂直に振動し、交流信号を測定します。得られた交流信号は、ロックインアンプによって入力位相角を使用して検出および復調され、直流信号が生成されます。^{[ 1 ] [ 11 ] [ 12 ]}入力位相角は通常、応答がなくなるまでロックインアンプの位相入力を手動で調整し、90 度を加えて最適な位相を決定することによって見つけられます。^{[ 13 ]}基準位相は、市販の装置で自動的に見つけることもできます。^{[ 14 ]}結果として得られる復調された直流信号は、局所的な活性分布を反映するようにプロットできます。

SVETでは、プローブの振動により、振動しない従来方式よりも感度の高い測定が可能になり^{[ 1 ]} 、信号対雑音比も向上します^{[ 13 ]}。プローブの振動は、通常の実験条件下では研究対象のプロセスに影響を与えません^{[ 15 ] [ 16 ]。}

SVET信号は、プローブとサンプル間の距離、溶液の導電率、SVETプローブなど、多くの要因の影響を受けます。SVET測定における信号強度は、プローブとサンプル間の距離によって影響を受けます。他のすべての変数が同じ場合、プローブとサンプル間の距離が小さいほど、より大きな振幅の信号が測定されます。^{[ 17 ]}溶液の導電率は、SVET測定における信号強度に影響を与えます。溶液の導電率が増加すると、SVET測定の信号強度は減少します。^{[ 18 ]}

腐食はSVETの主要な応用分野です。SVETは腐食プロセスを追跡し、他のどの技術でも不可能な情報を提供するために使用されます。^{[ 19 ]}腐食では、局所腐食、自己修復コーティング、自己組織化単分子膜（SAM）など、さまざまなプロセスを調査するために使用されてきました。SVETは、システムの腐食特性に対するさまざまな局所的特徴の影響を調査するためにも使用されています。たとえば、SVETを使用して、X70の結晶粒と粒界の影響が測定されました。結晶粒と粒界の間には電流密度の差があり、SVETデータは結晶粒が陽極であり、粒界が比較的陰極であることを示唆しています。^{[ 20 ]} SVETを使用することで、自動車に見られる鋼とマグネシウムの組み合わせのガルバニック結合に対するアルミニウムスペーサー幅の変更の影響を調査することが可能になりました。スペーサー幅を増やすと、マグネシウムと鋼の間の結合が減少しました。^{[ 21 ]}より一般的には、SVET を使用して局所腐食プロセスが追跡されています。さまざまなシステムで、SVET を使用して、長期間にわたってサンプルを横切って移動する腐食前線を追跡することが可能になり、腐食メカニズムについての洞察が得られています。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}いくつかのグループが SVET を使用して自己修復コーティングの効率を分析し、時間の経過に伴う表面活性の変化をマッピングしています。裸の金属の SVET 測定値をスマート コーティングされた同じ金属と比較すると、コーティングされた表面の電流密度が低いことがわかります。さらに、スマート コーティングに欠陥が作られると、コーティングが回復するにつれて、欠陥上の電流が減少することがわかっています。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} Mekhalifらは、 SVET を使用してさまざまな金属上に形成された SAM の腐食抑制を調査するために、いくつかの研究を実施しました。SVET 研究により、裸の表面は腐食を受け、SVET によって不均一な活性が測定されることが明らかになりました。 SVETは、修飾時間^{[ 28 ]および腐食溶液への曝露[ 29 ]}の影響を調査するために使用されました。欠陥のないSAMを調査すると、SVETは均一な活性を示しました。^{[ 30 ] [ 31 ]}

生物学の分野では、振動プローブ技術がさまざまなプロセスを調査するために使用されてきました。肺がん腫瘍細胞の振動プローブ測定では、腫瘍細胞上の電場が、無傷の上皮上で測定された電場よりも統計的に大きいことが示され、腫瘍細胞が陽極として機能しました。さらに、電場の適用により腫瘍細胞の移動が起こったことが指摘されました。^{[ 32 ]}振動プローブを使用して、葉で発生する生物学的プロセスに関与する電流が測定されました。振動プローブを介して、電流と気孔の開口部を相関させることが可能になり、気孔の開口がプロトンの流出に関連していることが示唆されました。^{[ 33 ]}この研究に基づいて、さらに振動プローブ測定では、植物の光合成活動と葉の表面の電流の流れとの間に関係があることも示され、測定された電流は、さまざまな種類の光と暗闇にさらされたときに変化しました。^{[ 34 ] [ 35 ]}最後の例として、振動プローブ技術は、植物や動物の傷に関連する電流の調査に使用されてきました。トウモロコシの根の振動プローブ測定では、根の傷に関連して大きな内向きの電流が見られ、電流の大きさは傷の中心から離れるにつれて減少することがわかりました。^{[ 36 ]}ラットの皮膚の傷で同様の実験を行ったところ、傷で大きな外向きの電流が測定され、最も強い電流は傷の縁で測定されました。^{[ 37 ]}振動プローブが傷を調査できる能力は、使用するための手持ち式のプロトタイプ振動プローブ装置の開発にもつながりました。^{[ 38 ]}

SVETは、光電気化学反応に関連する電流密度の変化を追跡することにより、半導体材料の光伝導特性を調査するために使用されてきました。 ^{[ 39 ]} SVETを使用して、リチウム電池システムなどのリチウム/有機電解質界面も調査されています。^{[ 40 ]}

SVETはこれまでほぼ例外なく水環境中のサンプルの測定に適用されてきたが、最近、Bastosら^{[ 41 ]によって非水環境への応用が実証された。}