| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand (19MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-434323
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.43432
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 1 Juli 2020 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Frank-Michael Matysik |
| Tag der Prüfung: | 26 Juni 2020 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Instrumentelle Analytik (Prof. Frank-Michael Matysik) |
| Stichwörter / Keywords: | Scanning electrochemical microscopy, Elektroanalytische Chemie, Hydrodynamische Elektrochemie |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 43432 |
Zusammenfassung (Englisch)
Within this thesis, the new research field of scanning electrochemical microscopy in combination with forced convection, that was started by the Matysik group in 2017, was extended to various directions. Within the first main project, compared to an electrical high precision stirrer, that was originally used to generate forced convection, two electrochemical flow cells were developed to diversify ...
Zusammenfassung (Englisch)
Within this thesis, the new research field of scanning electrochemical microscopy in combination with forced convection, that was started by the Matysik group in 2017, was extended to various directions. Within the first main project, compared to an electrical high precision stirrer, that was originally used to generate forced convection, two electrochemical flow cells were developed to diversify the methodical approaches for the generation of forced convection. The effects of forced convection originating from a flowing mediator solution on SECM experiments were investigated utilizing chronoamperometric measurements and SECM imaging in hydrodynamic SG/TC mode. Moreover, the velocity profile within the semi-closed cell design was characterized calculating Comsol simulations. Constant convection was successfully established within both flow cells resulting in stable diffusion layers around macroscopic substrate electrodes. Hence, next to the electrical high precision stirrer setup, a second methodical approach was established enabling time-independent and reproducible measurements in the context of the amperometric SG/TC mode.
In the majority of cases, complementary to the SG/TC mode, the conventional feedback mode is applied to gain additional information about the surface of interest. For better comparison, these two modes have to be applied with experimental parameters as similar as possible meaning that if the newly established hydrodynamic SG/TC mode is applied, ideally also feedback mode images have to be recorded with forced convection applied to the system. Thus, the effects of forced convection originating from the electrical high precision stirrer on the amperometric feedback mode were examined within the second main project. Within this broadly arranged fundamental study, the crucial SECM parameters being UME dimensions, substrate-to-tip distance and probe scan rate were characterized regarding their interdependence with forced convection. Most importantly, it was found that forced convection has no negative impacts on imaging in feedback mode meaning that the hydrodynamic feedback mode can be applied for complementary imaging. Interestingly, the performance of the SECM measurements was even enhanced with forced convection for a certain combination of experimental parameters.
Within the third main project, the applicability of forced convection on biological systems was investigated. Different-sized enzyme spots and a structured enzyme surface were investigated utilizing PSCs and SECM imaging. Analogous to the amperometric SG/TC, stable diffusion layers of H₂O₂ produced during the enzyme reaction of glucose oxidase were established. An enzyme structure not visible without forced convection due to time-dependent changing diffusion layers was successfully resolved with forced convection applied to the system. Consequently, in contrast to rather complex techniques from literature, here, with forced convection, a feasible approach was presented preventing a loss of resolution due to diffusive broadening and enabling time-independent SECM measurements of enzyme activity in the context of the G/C mode.
Within a side project, forced convection was applied to generate constant diffusion layers around a macroscopic BDD electrode. Hence, whereas other techniques only deliver information about the whole electrode surface, utilizing hydrodynamic SECM the electrode was characterized locally concerning reactive oxygen species formed during the electrochemical oxygen evolution. Imaging in hydrodynamic SG/TC mode revealed that different reactive oxygen species were generated at different areas of the BDD electrode. Within another side project, resolving contrast between two conducting materials, which is not possible in conventional feedback mode, was established utilizing the hydrogen evolution reaction to generate the mediator species. In a third side project, a new electrochemical flow cell configuration was established to improve measurements in the presence of air bubbles.
In summary, the field of forced convection in SECM was successfully expanded concerning new methodical developments, fundamental research and applications of the concept.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das im Jahr 2017 von der Matysik-Forschungsgruppe gestartete neue Feld der elektrochemischen Rastermikroskopie in Kombination mit forcierter Konvektion um verschiedene Bereiche erweitert. Im Vergleich zu einem elektrischen Hochpräzisionsrührer, der ursprünglich zur Erzeugung von forcierter Konvektion eingesetzt worden war, wurden innerhalb des ersten Hauptprojekts ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das im Jahr 2017 von der Matysik-Forschungsgruppe gestartete neue Feld der elektrochemischen Rastermikroskopie in Kombination mit forcierter Konvektion um verschiedene Bereiche erweitert.
Im Vergleich zu einem elektrischen Hochpräzisionsrührer, der ursprünglich zur Erzeugung von forcierter Konvektion eingesetzt worden war, wurden innerhalb des ersten Hauptprojekts zwei elektrochemische Fließzellen entwickelt, um die methodischen Ansätze zur Erzeugung von forcierter Konvektion zu diversifizieren. Die Auswirkungen der aus einer fließenden Mediatorlösung resultierenden Konvektion auf SECM-Experimente wurden mit Hilfe von chronoamperometrischen Messungen und SECM-Bildaufnahmen im hydrodynamischen SG/TC-Modus untersucht. Weiterhin wurde das Geschwindigkeitsprofil innerhalb der halbgeschlossenen Zelle mit Hilfe von Comsol-Simulationen charakterisiert. Mit beiden Zelldesigns konnte erfolgreich konstante Konvektion erzeugt werden, die in stabile Diffusionsschichten an makroskopischen Substratelektroden resultierte. Somit wurde neben dem elektrischen Hochpräzisionsrührer ein zweiter methodischer Ansatz etabliert, welcher zeitunabhängige und reproduzierbare Messungen im Rahmen des amperometrischen SG/TC-Modus ermöglichte.
In den meisten Fällen wird ergänzend zum SG/TC-Modus der konventionelle Feedback Modus eingesetzt, um Komplementärinformationen über die zu untersuchende Oberfläche zu generieren. Für eine bessere Vergleichbarkeit müssen beide Modi mit möglichst identischen experimentellen Parametern angewendet werden. Werden somit SECM-Aufnahmen im neu eingeführten hydrodynamischen SG/TC-Modus aufgezeichnet, so müssen idealerweise auch die Aufnahmen im Feedback Modus unter Bedingungen der forcierten Konvektion durchgeführt werden. Um die Anwendbarkeit des hydrodynamischen Feedback Modus zu überprüfen, wurden innerhalb des zweiten Hauptprojekts die Auswirkungen der durch den elektrischen Hochpräzisionsrührer erzeugten forcierten Konvektion auf den amperometrischen Feedback Modus untersucht. Im Rahmen dieser Grundlagenstudie wurden mit den Dimensionen der UME, dem Substrat zu Spitze Abstand und der Scan Geschwindigkeit die wichtigsten SECM Parameter hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit forcierter Konvektion charakterisiert. Da keine negativen Auswirkungen der Konvektion auf die Bildgebung im Feedback Modus beobachtet wurden, kann der hydrodynamische Feedback Modus in Zukunft für komplementäre Bildgebung eingesetzt werden. Interessanterweise wurde zusätzlich die Performance der SECM-Messungen durch forcierte Konvektion für eine bestimmte Kombination experimenteller Parameter verbessert.
Im dritten Hauptprojekt wurde die Anwendbarkeit von forcierter Konvektion auf biologische Systeme untersucht. Unter Verwendung von PSCs und SECM-Bildaufnahmen wurden unterschiedlich große Enzym-Spots und eine strukturierte Enzymoberfläche charakterisiert. Analog zum amperometrischen SG/TC Modus wurden stabile Diffusionsschichten von Wasserstoffperoxid erzeugt, welches während der Enzymreaktion von Glucoseoxidase entstand. Eine Enzymstruktur, die ohne forcierte Konvektion auf Grund zeitabhängig wachsender Diffusionsschichten nicht sichtbar war, wurde unter Bedingungen der forcierten Konvektion erfolgreich abgebildet. Im Gegensatz zu eher komplexen Techniken aus der Literatur wurde somit durch das Einbringen von forcierter Konvektion ein praktikabler Ansatz präsentiert, um einen Auflösungsverlust auf Grund diffusiver Verbreiterung zu verhindern und zeitunabhängige SECM-Messungen der Enzymaktivität im Kontext des G/C-Modus zu ermöglichen.
In einem Nebenprojekt wurden konstante Diffusionsschichten an einer makroskopischen BDD-Elektrode mit Hilfe von forcierter Konvektion erzeugt. Während herkömmliche Techniken lediglich Informationen über die gesamte Elektrodenoberfläche liefern, wurde diese unter Verwendung des hydrodynamischen SECM lokal in Bezug auf während der elektrochemischen Sauerstoffentwicklung entstehende reaktive Sauerstoffspezies charakterisiert. Bildaufnahmen im hydrodynamischen SG/TC Modus zeigten die Entwicklung unterschiedlicher reaktiver Sauerstoffspezies an verschiedenen Stellen der BDD-Elektrode. In einem weiteren Nebenprojekt wurde ein im konventionellen Feedback Modus nicht auflösbarer Materialkontrast zwischen zwei leitenden Materialien unter Verwendung von in situ erzeugtem Wasserstoff als Mediatorspezies generiert. In einem dritten Nebenprojekt wurde eine elektrochemische Fließzelle neu konfiguriert, um die amperometrische Detektion in Gegenwart von Luftblasen zu verbessern.
Zusammenfassend wurde das noch junge Feld der forcierten Konvektion innerhalb der elektrochemischen Rastermikroskopie hinsichtlich neuer methodischer Entwicklungen, Grundlagenforschung und Anwendung des Konzepts erfolgreich erweitert und somit entscheidend vorangebracht.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 15:51
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