Однокомпонентная электрохимия
Однокомпонентная электрохимия (SEE) относится к электроанализу отдельной интересующей единицы. Уникальной особенностью SEE является то, что она объединяет несколько различных разделов электрохимии. Однокомпонентная электрохимия расширяет границы этой области, поскольку она может измерять объекты в масштабе от 100 микрон до ангстремов. [ 1 ] Однокомпонентная электрохимия важна, потому что она дает возможность увидеть, как отдельная молекула, клетка или «вещь» влияет на объемный отклик и, следовательно, на химию, которая в противном случае могла бы остаться неизвестной. Возможность контролировать движение одного электрона или иона от одной единицы к другой ценна, поскольку этому процессу подвергаются многие жизненно важные реакции и механизмы. Электрохимия хорошо подходит для этого измерения благодаря своей невероятной чувствительности. [ 1 ] Однокомпонентная электрохимия может использоваться для исследования наночастиц, проволок, везикул, нанопузырьков, нанотрубок, клеток и вирусов, а также других небольших молекул и ионов. [ 2 ] Однокомпонентная электрохимия успешно использовалась для определения распределения частиц по размерам, а также количества частиц, присутствующих внутри пузырьков или других подобных структур. [ 3 ]
Ранняя история
[ редактировать ]Счетчик сошника
[ редактировать ]Счетчик Коултера был создан Уоллесом Х. Коултером в 1949 году. Счетчик Коултера состоит из двух резервуаров с электролитом, соединенных небольшим каналом, по которому течет ток ионов. Каждая частица, проходящая через канал, вызывает кратковременное изменение электрического сопротивления жидкости. Изменение электрического сопротивления вызывает возмущение электрического поля. Счетчик обнаруживает эти изменения электрического сопротивления; размер частиц в поле пропорционален величине возмущения электрического поля. [ 4 ]
Патч-кламп электрофизиология
[ редактировать ]Патч-кламп-электрофизиология была разработана Неером и Сакманном в 1976 году. Этот метод позволял измерять отдельные белки через ионные каналы. Стеклянную пипетку прикрепляли к клеточной мембране и измеряли токи ионов через ионные каналы. [ 1 ] Метод Patch-Clamp увеличил чувствительность обнаружения на три порядка по сравнению с предыдущими методами, а временное разрешение измерений снизилось почти до 10 микросекунд. [ 5 ] Успех этого метода стал результатом способности создать высокопрочное уплотнение между стеклянной микропипеткой и клеточной мембраной; химическая и электрическая изоляция системы.
Одноэлементная электрохимия
[ редактировать ]Хотя изучение объемных клеточных объектов полезно, существует основная необходимость изучения отдельной или отдельной клетки, поскольку это обеспечит лучшее понимание того, какой вклад она вносит в сущность в целом. Было обнаружено, что использование электрохимических методов позволяет анализировать клетки, не прерывая клеточную активность, а также обеспечивать спектр с высокой разрешающей способностью. [ 6 ] Этот метод анализа был впервые разработан Вайтманом в 1982 году. В этом методе анализа электрод из углеродного микроволокна помещается рядом с исследуемой клеткой; этот электрод может контролировать вызов методами вольтамперометрии или амперометрии . Прежде чем можно будет принять меры, клетку необходимо стимулировать с помощью эжекционной пипетки, чтобы вызвать клеточное высвобождение. Это клеточное высвобождение можно измерить вышеупомянутыми методами. Из этого метода стало ясно, что для проведения качественных измерений SEE необходимы инструментальные усовершенствования. [ 1 ]
Окислительно-восстановительный цикл одной молекулы
[ редактировать ]Одномолекулярная электрохимия — это электрохимический метод, используемый для изучения фарадеева реакции окислительно-восстановительных молекул в электрохимических средах. Возможность изучать отдельные молекулы открывает возможности для разработки сверхчувствительных сенсоров, необходимых для SEE. Судя по работам Барда и Фана, этот метод имел большие успехи благодаря использованию окислительно-восстановительного цикла. [ 7 ] Окислительно-восстановительный цикл усиливает перенос заряда за счет многократного восстановления и окисления молекулы по мере ее диффузии между электродами. [ 7 ] В частности, в этом методе изолированный наконечник наноэлектрода помещается рядом с электродом-подложкой, чтобы сформировать сверхмаленькую электрохимическую камеру. Молекулы окажутся в ловушке в этой камере, где произойдет окислительно-восстановительный цикл и усиление заряда, что позволит обнаружить отдельные молекулы. Благодаря этому методу необходимый инструмент усиления заряда окислительно-восстановительных реакций помог улучшить измерения SEE. Это помогло повысить пределы обнаружения, которые для SEE должны быть высокими. [ 1 ]
Приложения
[ редактировать ]Одноэлементная электрохимия
[ редактировать ]С развитием наноразмерных электродов разрешение SEE выросло от возможности обнаружения отдельных клеток до обнаружения отдельных молекул внутри клеток. [ 8 ] Наноразмерные электроды достаточно малы, их можно вставлять в синапсы между нейронами, что можно использовать для определения концентрации нейромедиаторов. [ 9 ] Если электрод достаточно тонкий, его можно вставить непосредственно в клетку и использовать для обнаружения концентраций внутриклеточных молекул, таких как метаболиты или даже ДНК. [ 10 ]
Оптоэлектрохимическая визуализация
[ редактировать ]Плазмонные наночастицы можно индивидуально анализировать с помощью оптоэлектрохимической визуализации (при которой электрохимические процессы измеряются оптическими средствами). Когда электрохимия выполняется на наночастице, показатель преломления ее окружения изменится, что приведет к сдвигу локализованного поверхностного плазмонного резонанса. Спектральную разницу можно измерить с помощью методов определения характеристик, таких как микроскопия темного поля для мониторинга электрохимических реакций на поверхности плазмонных наночастиц. [ 11 ]
Электрохимическая токовая микроскопия (PECM) на основе плазмоники измеряет контраст, возникающий в результате интерференции рассеянного света локализованных поверхностных плазмонов и отраженного света, который, как и выше, чувствителен к изменениям показателя преломления. Это можно использовать для количественной оценки электрокаталитических реакций, происходящих с наночастицами Pt. Поскольку наночастицы по своей природе гетерогенны (что влияет на каталитическую активность), методы SEE могут предоставить больше информации, чем традиционные методы, которые измеряют среднее значение ансамбля наночастиц. [ 12 ]
Одиночный фермент переноса электрона
[ редактировать ]В настоящее время электрохимия одного объекта недостаточно чувствительна, чтобы количественно оценить оборот одного фермента.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Бейкер, Лейн (2018). «Перспектива и проспект однокомпонентной электрохимии» . Журнал Американского химического общества . 140 (46). pubs.acs.org/: 15549–15559. дои : 10.1021/jacs.8b09747 . ПМЦ 8720287 . PMID 30388887 . S2CID 53259241 .
- ^ Бейкер, Лейн; Лонг, И-Тао; Анвин, Патрик (2018). «Однокомпонентная электрохимия: основы и приложения» . ХимЭлектроХим . 5 (20). Wiley.com: 2918–2919. дои : 10.1002/celc.201801169 . S2CID 139364653 .
- ^ Сабарагамуве, Шашика; Конти, Дилан; Пури, Сурендра; Андреу, Ирен; Ким, Джиён (2019). «Однокомпонентная электрохимия наноэмульсии: наноструктурное влияние на ее электрохимическое поведение». Аналитическая химия . 91 (15). pubs.acs.org/: 9599–9607. дои : 10.1021/acs.analchem.9b00920 . ПМИД 31260275 . S2CID 195770543 .
- ^ «Устройство и метод измерения размера разделяющихся частиц системы твердых частиц» . Проверено 12 декабря 2019 г.
- ^ Ауэрбах, Энтони; Сакс, Фредерик (1984). «Патч-кламп-исследования одиночных ионных каналов». Ежегодный обзор биофизики и биоинженерии . 13 . Энн. Преподобный Биофиз. Биоинж.: 269–302. дои : 10.1146/annurev.bb.13.060184.001413 . ПМИД 6331285 .
- ^ Чжан, Цзинцзин; Чжоу, Цзюнью; Пан, Ронгронг; Цзян, Дэчен; Берджесс, Джеймс Д.; Чен, Хун-Юань (10 января 2018 г.). «Новые рубежи и проблемы одноклеточного электрохимического анализа». Датчики СКУД . 3 (2): 242–250. doi : 10.1021/acsensors.7b00711 . ISSN 2379-3694 . ПМИД 29276834 .
- ^ Jump up to: а б Фань, Юньшань; Андерсон, Тодд Дж.; Чжан, Бо (01 января 2018 г.). «Одномолекулярная электрохимия: от окислительно-восстановительного цикла до отдельных окислительно-восстановительных событий». Современное мнение по электрохимии . 7 : 81–86. дои : 10.1016/j.coelec.2017.11.002 . ISSN 2451-9103 .
- ^ Чен, Р.; Ху, К.К.; Ю, Ю.; Миркин, М.В.; Амемия, С. Углеродные наноэлектроды, измельченные сфокусированным ионным лучом, для сканирующей электрохимической микроскопии. Дж. Электрохим. Соц. 2016, 163, H3032−H3037
- ^ Ли, Ю.Т.; Чжан, С.Х.; Ван, Л.; Сяо, РР; Лю, В.; Чжан, XW; Чжоу, З.; Аматоре, К.; Хуанг, В.Х. Наноэлектрод для амперометрического мониторинга индивидуального везикулярного экзоцитоза внутри одиночных синапсов. Энджью. хим., межд. Эд. 2014, 53, 12456−12460.
- ^ Инь, ЮЛ; Ху, YX; Гао, Р.; Ю, Р.Дж.; Гу, З.; Ли, LP ; Лонг, YT Асимметричная амплификация нанопоровых электродов для визуализации с переносом электронов в живых клетках. Дж. Ам. хим. Соц. 2018, 140, 5385−5392.
- ^ Цзин, Чао; Райхерт, Иоахим (1 декабря 2017 г.). «Наноразмерная электрохимия в «темном поле» ». Современное мнение по электрохимии . 6 (1): 10–16. doi : 10.1016/j.coelec.2017.06.008 . ISSN 2451-9103 .
- ^ Фан, Имин; Ван, Хуэй; Ю, Хуэй; Лю, Сяньвэй; Ван, Вэй; Чен, Хун-Юань; Тао, Нью-Джерси (23 сентября 2016 г.). «Плазмонная визуализация электрохимических реакций одиночных наночастиц». Отчеты о химических исследованиях . 49 (11): 2614–2624. doi : 10.1021/acs.accounts.6b00348 . ISSN 0001-4842 . ПМИД 27662069 .