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MIKROSKOPIE SPECIAL Untersuchung dünner organischer Schichten

Autor / Redakteur: GUNTHER WITTSTOCK *, MALTE BURCHARDT **, CAROLINA NUNES KIRCHNER ** / Gerd Kielburger

Die elektronische Rastermikroskopie (Scanning Electrochemical Microscopy, SECM) hat sich zu einer wichtigen Technik zur Untersuchung lokaler Reaktivitäten von Oberflächen im Mikrometermaßstab entwickelt.

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Die elektrochemische Rastermikroskopie (scanning electrochemical microscopy, SECM) hat sich zu einer wichtigen Technik zur Untersuchung lokaler Reaktivitäten von Oberflächen im Mikrometermaßstab entwickelt. Dünne organische Funktionsschichten auf anorganischen Trägermateri-alien stellen interessante Systeme dar, für deren Charakterisierung und Modifizierung die SECM ein wertvolles Hilfsmittel ist.Die elektrochemische Rastermikroskopie zählt zu den rastersondenmikroskopischen Verfahren. Als Messsonde dient eine Ultramikroelektrode (UME), die in geringem Abstand über die Probe gerastert wird. Die SECM erfasst lokale Reaktionsgeschwindigkeiten an der Oberfläche der Probe und ist daher zur Untersuchungvon funktionalen und reaktiven dünnen Schichten hervorragend geeignet.

Aufbau des SECMDas SECM verwendet als Sonde eine amperometrische UME mit typischen Durchmessern von 10 - 25 µm. Intensiv wird zurzeit an dem routinemäßigen Einsatz kleinerer Elektroden gearbeitet. Die Elektrode wird durch ein dreiachsiges Positioniersystem über die Probe bewegt (Abb. 1). Der Bewegungsbereich sollte mindestens 50-mal größer sein als der Durchmesser der Sonden, die Auflösung sollte in horizontaler Richtung etwa 1/20 und in vertikaler Richtung 1/50 des Sondendurchmessers betragen. Das an die UME angelegte Potenzial wird durch einen Potenziostaten vorgegeben, der auch den Strom misst. Ein Computer steuert den Messablauf und rekonstruiert die Bilddaten. Es gibt verschiedene kommerzielle Geräte, für viele spezielle Messaufgaben sind aber auch Eigenbauten sehr verbreitet. Im Feedback-Modus verwendet man als Elektrolyten eine Lösung von einer Redoxform eines quasireversiblen Redoxpaares - dem so genannten Mediator (z. B. Ferrocenmethanol) - und einem Überschuss eines Leitelektrolyten (z. B. einem Phosphatpuffer). An die UME wird ein Potenzial deutlich positiv zum Formalpotenzial des Mediators angelegt: Zur Elektrode diffundierende Mediatormoleküle werden sofort oxidiert. Analoge Experimente lassen sich ausführen, wenn ein Mediator zum Einsatz kommt, der an der UME reduziert wird.Weit entfernt von der Probenoberfläche - mindestens jedoch 20 Elektrodenradien rT - fließt an der UME der Strom iT,`. Er kommt durch die hemisphärische Diffusion von Mediatormolekülen zur UME zustande. Nähert sich die UME einer Oberfläche, so wird das Diffusionsfeld der Elektrode gestört. Die Oberfläche behindert den Stofftransport des Mediators aus dem Lösungsinneren zur Mikroelektrode. Über einer inerten, isolierenden Oberfläche sinkt der an der UME fließende Strom iT(d) ab, je näher die UME über der Probe positioniert ist. Über einer aktiven Oberfläche kann der Mediator dagegen an der Oberfläche der Probe regeneriert und danach erneut an der UME umgesetzt werden. Dieser Kreislauf der Mediatormoleküle zwischen UME und Probe führt zu einer Zunahme des Stroms an der UME, die den eingeschränkten Stofftransport des Mediators aus dem Lösungsinneren überkompensiert. Der Strom iT(d) steigt bei abnehmenden d.Permeabilität von SAMsSelbstorganisierte Monolagen (Self Assembled Monolayers, SAM) ermöglichen die gezielte Steuerung von Oberflächeneigenschaften [1]. Insbesondere mikrostrukturierte SAMs mit unterschiedlichen Eigenschaften, die durch Mikrokontaktdrucken hergestellt werden können, bilden interessante Modellsysteme für viele Fragestellungen [2]. Die SECM erlaubt die Untersuchung von SAMs in Bezug auf ihre Durchlässigkeit für Ionen und Moleküle. Die untersuchte Probe wurde durch Mikrokontaktdrucken von 11-Mercaptoundecansäure (MUS) auf eine Goldoberfläche hergestellt. Beim Stempeln nicht funktionalisierte Bereiche wurden mit einem Hexaethylenglykol-terminierten Thiol (EG6) aufgefüllt (Abb. 2). Für die Untersuchung mit dem SECM wurde Ferrocenmethanol (Fc-CH2OH) als Mediator verwendet. Das Potenzial der UME wurde positiv vom Formalpotenzial gewählt, so dass Fc-CH2OH zu Fc+-CH2OH oxidiert wurde. Das Ergebnis der Messung ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Bereiche mit hohen Strömen zeigen eine größere Durchlässigkeit der Monolagen aus MUS für Fc-CH2OH/Fc+-CH2OH an. Da die Schicht zu einem gewissen Teil für Fc+-CH2OH permeabel ist, kann es an der Goldoberfläche zu Fc-CH2OH umgesetzt werden. Fc-CH2OH diffundiert wieder zur UME und wird dort erneut oxidiert. Man erhält bei der Annäherung der UME einen zunehmenden Strom. Die Monolage aus EG6 ist dagegen undurchlässig, wirkt wie eine inerte, isolierende Probe und verursacht verringerte Ströme. Für die Zuordnung der Signale in der Abbildung 2 sind weitere detailliertere Untersuchungen nötig. Durch die Aufnahme von Annäherungskurven an nicht gemusterte Oberflächen ist eine quantitative Analyse der Permeabilität möglich. Zunächst werden die Messdaten iT(d) auf iT,` normiert. Der Arbeitsabstand d wird auf den Radius der UME (rT) normiert. Ein Vergleich der Kurven mit Computersimulationen unter Annahme verschiedener Kenngrößen für die Probe liefert zunächst eine scheinbare Reaktionsgeschwindigkeitskonstante (s. Abb. 3). Je größer diese Geschwindigkeitskonstante ist, umso größer ist die Permeabilität der jeweiligen Monolage. Die Modellierung von SECM-Experimenten ist komplex und stellt eine wichtige Komponente der gegenwärtigen Forschung dar. Im vorliegenden Beispiel weist die SAM aus MUS eine hohe Permeabilität für Fc+-CH2OH und Fc-CH2OH auf. Die Regeneration des Mediators erfolgtfast so schnell wie an der unbehandelten Goldoberfläche. Im Gegensatz dazu können die Moleküle die EG6-Monolage kaum durchdringen. Die Oberfläche verhält sich annähernd wie ein perfekter Isolator.Detektion enzymatischer AktivitätDer Feedback-Modus des SECM kann auch zur Untersuchung der Aktivität von Enzymen in Biosensoren oder Biochips verwendet werden. In diesem Fall erfolgt die Regeneration des an der UME umgesetzten Mediators durch eine enzymatische Reaktion. Als Beispiel wurde das Enzym Glucosedehydrogenase (GDH) verwendet [3]. Es wandelt Glucose zu Gluconolacton unter gleichzeitiger Reduktion eines geeigneten Elektronenakzeptors um. Das Enzym wurde über Streptavidin-Biotin-Wechselwirkungen auf der Oberfläche magnetischer Mikropartikel angebunden. Anschließend wurden die Partikel unter Verwendung eines Permanentmagneten als Agglomerate auf einer hydrophoben Oberfläche abgeschieden, indem ein Tropfen einer Suspension der Mikropartikel mit ihr in Kontakt gebracht wurde [4]. Im SECM-Experiment wurde als Mediator Ferrocenmethanol Fc-CH2OH verwendet. An der UME wird daraus das Ferrociniumderivat Fc+-CH2OH gebildet. Fc+-CH2OH wirkt für GDH als Elektronenakzeptor. Befindet sich die UME über der Region mit gebundener GDH, kann durch das Enzym Glucose zu Gluconolacton oxidiert und gleichzeitig Fc+-CH2OH zu Fc-CH2OH reduziert werden. Damit schließt sich der Kreislauf des Mediators zwischen UME und Probe. Das Ergebnis einer zweidimensionalen Abbildung eines Agglomerats von GDH ist in Abbildung 4 gezeigt. Im Generator-Kollektor-Modus (genauer: Proben-Generator/Spitzen-Kollektor-Modus (Sample-Generation/Tip-Collection Mode, SG/TC)), generiert eine lokal begrenzte Stelle auf der Probenoberfläche ein redoxaktives Teilchen R. Dies kann sowohl durch eine heterogene Reaktion entstehen also auch über eine Pore in die Arbeitslösung abgegeben werden. Die gebildeten R verteilen sich durch Diffusion in die angrenzende Arbeitslösung. Durch Messung der lokalen Konzentration mit der UME kann auf den Substanzeintrag oder Umsatz geschlossen werden. Der GC-Modus ist empfindlicher als der Feedback-Modus, weil keine redoxaktiven Teilchen in der Volumenphase der Lösung vorliegen. Daher misst man anders als im Feedback-Modus abseits von aktiven Regionen der Probe keinen Strom. Dies erlaubt die empfindliche Detektion sehr kleiner Signale. Im Gegensatz dazu ist die laterale Auflösung des GC-Modus begrenzt, da nicht der Generator selbst, sondern das von ihm erzeugte Konzentrationsprofil ausschlaggebend für die Signalbreite ist. Wie schon beschrieben, können Enzyme an der Oberfläche von magnetischen Mikrokügelchen immobilisiert werden. In diesem Beispiel wur- de als Enzym Galactosidase untersucht [5]. Die Galactosidase-Aktivität wurde mit p-Aminophenyl-ß-D-galactopyranosid (PAPG) als Substrat ermittelt. Das Enzym spaltet das Molekül, wobei p-Aminophenol (PAP) entsteht. Das Potenzial der UME wird so gewählt, dass PAP, nicht aber PAPG, unter diffusionskontrollierten Bedingungen an der UME zu p-Chinonimin (PQI) oxidiert werden kann. Das Signal eines Scans über ein Agglomerat von modifizierten Mikrokügelchen kann durch ein Modell beschrieben werden, dass zur Beschreibung von Diffusion aus einer scheibenförmigen Pore entwickelt wurde. Die Quantifizierung des PAP, dass durch Galactosidase generiert wird, erfolgt durch die Extraktion eines Stromprofils aus der Abbildung. Durch Kurvenanpassung erhält man den Umsatz an der aktiven Region und die Größe der modifizierten Region (s. Abb.5).Literatur[1] A. Ulman, Chem. Rev. 1996, 96, 1533.[2] Y. Xia, G. M. Whitesides, Angew. Chem. 1998, 110, p.569.[3] C. Zhao, G. Wittstock, Anal. Chem. 2004, 76, p.3145.[4] C. A. Wijayawardhana, G. Wittstock, H. B. Halsall, W. R. Heineman, Anal. Chem. 2000, 72, p.333.[5] C. Zhao, J. K. Sinha, C. A. Wijayaward-hana, G. Wittstock, J. Electroanal. Chem. 2004, 561, p.83.HintergrundDie Messsonde: Ultramikroelektrode (UME)Oxidiert man eine in Lösung vorliegende reduzierte Form eines Redoxpaares an einer herkömmlichen Makroelektrode weit oberhalb des Formalpotentials (diffusions-kontrollierte Reaktion), so sinkt der an der Elektrode fließende Reaktionsstrom gemäß der Cottrell-Gleichung proportional zur Quadratwurzel der Zeit. Bedingt wird dies durch den sich abflachenden, senkrecht zur Elektrode verlaufenden Konzentrations-gradienten. Bei einer Ultramikroelektrode (Radius rT < 25 µm) hingegen bildet sich ein halbkugelförmiges Konzentrationsprofil aus, das schon nach kurzer Zeit (~rT²/D) stationär wird. Der Reaktionsstrom strebt nicht gegen 0, sondern nimmt einen endlichen Wert an. Die erhaltenen Stromdichten (Strom pro Fläche) sind deutlich größer als bei Makroelektroden. Entsprechend wenig anfällig sind diese UME gegenüber Konvektion. Die Bezeichnung Ultramikroelektrode entstand in Abgrenzung zu industriellen Elektroden (Makroelektroden) und konventionellen analytischen Elektroden (Abmessungen einige Millimeter, Mikroelektroden). Inzwischen sind Elektroden mit Abmessungen im Nanometerbereich verfügbar, die aber qualitativ die gleichen Eigenschaften zeigen wie Elektroden mit Abmessungen von einigen Mikrometern.* Carl von Ossietzky Universität Oldenburg – Fakultät V – Institut für Reine und Angewandte Chemie und Institut für Biologie und Chemie des Meeres, Oldenburg, Deutschland** Carl von Ossietzky Universität Oldenburg – Fakultät V – Institut für Reine und Angewandte Chemie, Oldenburg, Deutschland

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