Técnica de electrodo vibratorio de barrido

La técnica de electrodo vibratorio de barrido ( SVET ), también conocida como sonda vibratoria en el campo de la biología , es una técnica de microscopía de sonda de barrido (SPM) que visualiza 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 diversos estudios de corrosión . ^{[ 2 ]} SVET mide las distribuciones locales de densidad de corriente 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 puede utilizarse con SVET en estudios de corrosión, ^{[ 3 ]} y la técnica de electrodo de referencia de barrido (SRET), que es precursora de SVET. ^{[ 4 ]}

La técnica de electrodo vibratorio de barrido fue introducida originalmente por Jaffe y Nuccitelli en 1974 para medir con precisión las corrientes extracelulares . ^{[ 1 ]} Posteriormente, Jaffe y Nuccitelli demostraron la capacidad de la técnica mediante la medición de las corrientes extracelulares asociadas a las extremidades amputadas y regeneradas de tritones, ^{[ 5 ]} las corrientes de desarrollo de embriones de pollo, ^{[ 6 ]} y las corrientes eléctricas asociadas al movimiento ameboide . ^{[ 7 ]}

En corrosión, la técnica de electrodo de referencia de barrido (SRET) existió como precursora de SVET, y fue introducida comercialmente y registrada por primera vez por Uniscan Instruments, ^{[ 8 ]} ahora parte de Bio-Logic Science Instruments. ^{[ 9 ]} 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 SRET es posible determinar los sitios anódicos y catódicos de una muestra corroída sin que la sonda altere el proceso de corrosión. ^{[ 10 ]} SVET fue aplicada y desarrollada por primera vez para la investigación local de procesos de corrosión por Hugh Isaacs. ^{[ 2 ]}

SVET mide las corrientes asociadas a una muestra en solución con actividad electroquímica natural o que se polariza 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 sobre una platina x,y. La sonda vibra 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 lock-in para producir una señal de CC. ^{[ 1 ] [ 11 ] [ 12 ]} El ángulo de fase de entrada se encuentra típicamente ajustando manualmente la entrada de fase del amplificador lock-in hasta que no haya respuesta; luego se agregan 90 grados para determinar la fase óptima. ^{[ 13 ]} La fase de referencia también puede ser encontrada automáticamente por algunos instrumentos comerciales. ^{[ 14 ]} La señal de CC demodulada resultante puede luego graficarse para reflejar la distribución de actividad local.

En SVET, la vibración de la sonda da como resultado una medición más sensible que sus predecesores sin vibración, ^{[ 1 ]} además de generar una mejora en la relación señal-ruido . ^{[ 13 ]} La vibración de la sonda no afecta el proceso en estudio bajo condiciones experimentales normales. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

La señal SVET se ve afectada por varios factores, incluyendo la distancia entre la sonda y la muestra, la conductividad de la solución y la sonda SVET. La intensidad de la señal en una medición SVET está influenciada por la distancia entre la sonda y la muestra. Cuando todas las demás variables son iguales, una menor distancia entre la sonda y 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. A medida que aumenta la conductividad de la solución, la intensidad de la señal de la medición SVET disminuye. ^{[ 18 ]}

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 corrosión se ha utilizado para investigar una variedad de procesos que incluyen, pero no limitados, corrosión local, recubrimientos autorreparables, monocapas autoensambladas (SAMs). 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. Existía una diferencia en las densidades de corriente entre los granos y los límites de grano, y los datos de SVET sugirieron que el grano era anódico y el límite relativamente catódico. ^{[ 20 ]} Mediante el 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 par que se puede encontrar en automóviles. Aumentar el ancho del espaciador redujo el acoplamiento entre magnesio y acero. ^{[ 21 ]} De manera más general, se han seguido procesos de corrosión localizada 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 autorreparables, mapeando los cambios en la actividad superficial 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 hace 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 varios 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. Posteriormente, se utilizó SVET para investigar el efecto del tiempo de modificación ^{[ 28 ]} y la exposición a la solución corrosiva ^{[ 29 ]} . Cuando se investigó una SAM sin defectos, SVET mostró una actividad homogénea ^{[ 30 ] [ 31 ] .}

En el campo de la biología, la técnica de sonda vibratoria se ha utilizado para investigar diversos procesos. Las mediciones con sonda vibratoria de células tumorales de cáncer de pulmón han demostrado que los campos eléctricos sobre la célula tumoral eran estadísticamente mayores que los medidos sobre el epitelio intacto , con la célula tumoral comportándose como ánodo. Además, se observó que la aplicación de un campo eléctrico provocaba la migración de las células tumorales. ^{[ 32 ]} Mediante sonda vibratoria, se han medido las corrientes eléctricas involucradas 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 flujo de protones. ^{[ 33 ]} Con base en este trabajo, otras mediciones con sonda vibratoria también indicaron una relación entre la actividad fotosintética de una planta y el flujo de corriente eléctrica en la superficie 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 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 encontró que grandes corrientes hacia adentro estaban asociadas con heridas en la raíz, y la magnitud de la corriente disminuía a medida que se alejaba del centro de la herida. ^{[ 36 ]} Cuando se realizaron experimentos similares en heridas de piel de rata, se midieron grandes corrientes hacia afuera en la herida, con la corriente más fuerte medida 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 técnica SVET se ha utilizado para investigar la naturaleza fotoconductora de los materiales semiconductores , mediante el seguimiento de los cambios en la densidad de corriente relacionados con las reacciones fotoelectroquímicas . ^{[ 39 ]} Utilizando SVET también se ha investigado la interfaz litio/electrolito orgánico, como en los sistemas de baterías de litio . ^{[ 40 ]}

Aunque 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 ].}