Elektrochemische Rastermikroskopie: Chemische Reaktivitäten abbilden

  • Abb. 1: Schematische Darstellung zur Bestimmung des lokalen Diffusionsverhaltens redoxaktiver Substanzen durch Zellmonoschichten [3].Abb. 1: Schematische Darstellung zur Bestimmung des lokalen Diffusionsverhaltens redoxaktiver Substanzen durch Zellmonoschichten [3].
  • Abb. 1: Schematische Darstellung zur Bestimmung des lokalen Diffusionsverhaltens redoxaktiver Substanzen durch Zellmonoschichten [3].
  • Abb. 2: Stromantwort einer UME in der flüssigen Bulk-Phase (Mitte) und die Abhängigkeit des Signals bei Annäherung an eine isolierende (links) und eine leitende Grenzfläche (rechts).
  • Abb. 3: SECM-Aufnahmen (A, C, E, Falschfarben; B, D, F, 3D-Darstellungen) einer Zellmonoschicht während einer lokalen pH-Wert Erhöhung. Die ursprüngliche Morphologie der Zellmonoschicht ist in A/B gezeigt, während C/D und E/F 10 bzw. 20 min nach dem elektrochemischen Stimulus auf eine Einzelzelle aufgenommen wurden [6].
  • Stefan Bergner, Universität Regensburg
  • Prof. Dr. Frank-Michael Matysik, Universität Regensburg

Die Verwendung der elektrochemischen Rastermikroskopie kann in der Bioanalytik und in den Materialwissenschaften als komplementäre Technik zur optischen Mikroskopie genutzt werden, jedoch besteht deren Alleinstellungsmerkmal in der ortsaufgelösten Abbildung chemischer Reaktivitäten.

In einer mit endlichen Ressourcen ausgestatteten Welt muss man mit begrenztem Material-, Zeit- und Personalaufwand möglichst effizient Analysen durchführen oder Forschung betreiben. Daher gibt es seit vielen Jahren in Industrie und Forschung den Trend zum effektiven Materialeinsatz durch Optimierung von Grenzflächen­eigenschaften. Hierbei ist die Beschreibung einer isolierten Oberfläche nicht ausreichend, das Wechselspiel mit einer zweiten Phase ist immer mit zu berücksichtigen. Deshalb haben Verfahren wie die optische Mikroskopie oder andere Rastersondenverfahren - beispielsweise die Rasterelektronen- oder Rasterkraftmikroskopie - welche allein die topographische Struktur abbilden, für den Chemiker gewisse Limitierungen, da sich die Chemie mit den Reaktivitäten von Stoffen befasst, für die obige Verfahren „blind" sind. Ein zweiter wichtiger Trend ist die Untersuchung von Substraten mit hoher Ortsauflösung. Praktisch alle Oberflächen verfügen über anisotrope Eigenschaften bezüglich deren Reaktivität. Ein bekanntes Beispiel ist die Korrosion von Metallteilen am Auto, wo es Verzugsstellen für den korrosiven Angriff je nach verwendeter Legierung oder der Vorgeschichte des Metalls, wie Beschädigungen des Lacks und der Wechselwirkung mit äußeren Einflüssen, gibt. Die elektrochemische Rastermikroskopie (Scanning Electrochemical Microscopy, SECM) bietet die Möglichkeit des nichtinvasiven Abbildens chemischer Eigenschaften von Sub­straten mit hoher Ortsauflösung. Hieraus ergeben sich eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen des Screenings von neuen Katalysatoren, dem Aufspüren von Initialstellen der Korrosion in der Materialprüfung und nicht zuletzt in vielen Bereichen der Bioanalytik zur Charakterisierung von Enzymen und Zellkulturen.

Funktionsprinzip eines elektrochemischen Rastermikroskops
Ein elektrochemisches Rastermikroskop besteht aus einer Mikropositioniereinheit, mit der die Messsonde (Ultramikroelektrode, UME) lateral und vertikal mit einer Auflösung besser als 1 µm über dem zu untersuchenden Substrat bewegt wird.

Ein Potentiostat kontrolliert das Messpotential und detektiert das elektrochemische Signal. Da die Größe und insbesondere die Qualität der Sonde die Qualität der Abbildung maßgeblich beeinflusst, stellt die Sondenpräparation den zentralen Arbeitsschritt im Umgang mit dem Gerät dar. Kommerzielle Pt-Scheiben UMEs mit Elektrodenradien von 1-12,5  µm können von verschiedenen Anbietern bezogen werden. Dabei bestimmt die verwendete Sondengröße die laterale Auflösung, sodass man mit den gängigen Sonden eine Ortsauflösung im unteren µm- bis in den oberen nm-Bereich erreicht.

Die SECM-Messung erfolgt typischerweise in Lösung, wobei hier sowohl in wässrigen, als auch in organischen Lösungsmitteln gearbeitet werden kann. Der gängigste Messmodus ist die amperometrische Messung, wo bei festem Potential gearbeitet wird. Dabei wird ein in der Lösung befindlicher Mediator elektrochemisch umgesetzt, d. h. an der Elektrode quantitativ oxidiert oder reduziert. Wichtige Mediatoren für das wässrige System sind beispielsweise [Ru(NH3)6]Cl3 oder Ferrocenmethanol. Für Untersuchungen in nichtwässrigen Medien wird häufig Ferrocen eingesetzt. Neben der Amperometrie kann für gewisse Problemstellungen auch die Potentiometrie oder die Impedimetrie genutzt werden.

Das erhaltene Messsignal ist dabei stark ortsabhängig: In der Bulk-Phase der Lösung erhält man abhängig von der Größe der Sonde und der Konzentration des umgesetzten Mediators einen konstanten Stromwert im diffusionslimitierten Bereich. Bei Annäherung der Sonde an einen Isolator, wird der Transport von Mediatorspezies zur UME teilweise blockiert und es kommt zu einer Verringerung des Stromwertes. Trägt man den normierten Stromwert gegen die Entfernung der Sonde zur Oberfläche auf, erhält man bei der Annäherung an einen Isolator eine stetig fallende Kurve, wobei mit geringer werdendem Abstand zur Oberfläche die Steilheit des Signalabfalls zunimmt. Bei Annäherungskurven mit Signalverringerung spricht man von negativem Feedback. Durch diese Art von „Kalibrierkurve" lassen sich die gemessenen Ströme an jedem Punkt in Abstände zur Oberfläche umrechnen. Man erhält eine dreidimensionale Darstellung der Topographie des untersuchten Substrates.

Nähert man sich umgekehrt einem Leiter an, wird ebenfalls die Diffusion des zur Elektrode transportierten Mediators begrenzt. Jedoch wird dieser Effekt durch eine Regeneration des bereits an der UME umgesetzten Mediators am leitenden Substrat überkompensiert. Da das Mediator-Recycling mit abnehmendem Abstand der UME zum Leiter immer effizienter geschieht, erhält man summarisch eine Zunahme des Stromes bei Annäherung an einen Leiter, also einen positiven Feedback. Auf dieser Grundlage lassen sich bei Substraten mit isotroper Topographie chemische Reaktivitäten der Oberfläche ortsaufgelöst abbilden. Zusätzlich können andere elektroaktive Substanzen, die an der Substrat  / Elektrolyt-Grenzfläche generiert bzw. verbraucht werden, das Messsignal beeinflussen (Abb. 2).

Durch die erwähnte Abhängigkeit des Signals von der Topographie des Substrates und dessen (elektro)chemischer Aktivität lassen sich ebene Substrate kartographieren, wobei es ein Problem darstellt, wenn zugleich die Topographie und die elektrochemische Aktivität des Substrates stark variieren. Hierzu wurden spezielle Sonden entwickelt, um die unterschiedlichen Signalanteile zu separieren.

Typische SECM-Anwendungen
In der Materialwissenschaft kann die SECM für das Katalysatorscreening verwendet werden. Dabei werden beispielsweise verschiedene Katalysatoren hinsichtlich ihrer Effizienz für die Oxidation von Wasser getestet [1]. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Suche nach geeigneten Elektrodenmaterialien für die Entwicklung von (Bio)-Brennstoffzellen. Im Bereich der Sensorik kann die Enzymaktivität charakterisiert werden [2].

Durch die Nichtinvasivität der Methode kommt der SECM große Bedeutung für die Untersuchung von Zellkulturen zu. Mittels geeigneter Auswahl von Mediatoren können neben der Topographie von Zellen und Zellverbänden auch lokale Eigenschaften wie das Diffusionsverhalten hydrophiler und lipophiler Stoffe orts- und zeitaufgelöst dargestellt werden. Dies liefert wichtige Erkenntnisse für die Transportmechanismen von Stoffen durch Zellmonoschichten und Gewebe [3].

Eine essentielle Substanz für lebende tierische und pflanzliche Organismen ist der Sauerstoff. Dieser kann an einer Pt-UME reduktiv umgesetzt werden. Damit lässt sich der Sauerstoffstatus einzelner Zellen bestimmen. Der Bedarf an Sauerstoff kann dabei je nach Phase des Zellzyklus auch innerhalb eines Zellverbundes stark schwanken [4]. Auch von Zellen zur Kommunikation verwendete Stoffe wie Neurotransmitter lassen sich orts- und zeitaufgelöst bestimmen [5] (Abb. 1).

Neben der Verwendung der UME als Sonde für reduzier- oder oxidierbare Stoffe kann diese auch als Werkzeug zur Strukturierung von Oberflächen verwendet werden. Neben der ortsaufgelösten, induzierten Korrosion von Le­gierungen, kann in wässrigen Lösungen durch die kathodische Halbzellenreaktion der Wasserzersetzung lokal der pH-Wert deutlich angehoben werden. Positioniert man beispielsweise die UME über einer Zelle eines Zellverbundes, kann diese selektiv zum Absterben gebracht werden, ohne die Nachbarzellen zu beeinflussen. Nachfolgend ermöglicht die Messung die Dokumentation der fortschreitenden Zellnekrose [6] (Abb. 3).

Literatur
[1] Ye H et al.: J. Phys. Chem. C 115, 12464 - 12470 (2011)
[2] Wittstock G. et al.: Angew. Chemie. 46, 1584 - 1617 (2007)
[3] Bergner S. et al.: Anal. Methods 4, 623 - 629 (2012)
[4] Kim J. et al.: Anal. Chem. 82, 1605 - 1607 (2010)
[5] Kurulugama R. T. et al.: Angew. Chemie. 77, 1111 - 1117 (2005)
[6] Bergner S. et al.: Anal. Chem. 83, 169 - 174 (2011)

 

Autor(en)

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Universität Regensburg- Institut für Analyt. Chemie, Chemo- und Biosensorik
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