Сканирующая электрохимическая микроскопия (SECM, Scanning Electrochemical Microscopy) представляет собой метод пространственного анализа электрохимических процессов на микроскопическом уровне. Основой метода является использование микроскопического электрохимического зонда, который перемещается вблизи исследуемой поверхности, регистрируя локальные токи окислительно-восстановительных реакций. Основная задача SECM — получение карт распределения реакционной активности и изучение кинетики поверхностных процессов с высокой пространственной разрешающей способностью.
Электрод-зонд обычно изготавливают из стеклянного капилляра с проводником (например, из платины или углерода) диаметром от 0,1 до 25 мкм. Взаимодействие зонда с исследуемой поверхностью определяется диффузией и электрическим полем, что позволяет получать информацию о локальной электродной активности, а также об ингибирующих или каталитических эффектах поверхностей.
1. Режим обратного тока (Feedback Mode). В этом режиме зонд генерирует окислительно-восстановительный процесс в растворе (например, окисление редокс-активного компонента). Если поверхность активна, ток зонда изменяется за счет обратного переноса электронов с поверхности к растворённым частицам, что позволяет различать проводящие и непроводящие участки.
2. Режим генератор-коллектор (Generation-Collection Mode). Зонд и исследуемая поверхность действуют как генератор и коллектор химических видов. Этот режим используется для изучения кинетики гетерогенных реакций и межфазных процессов, включая каталитические реакции на твердых катализаторах.
3. Режим горизонтального сканирования (Surface Imaging Mode). Позволяет строить двумерные карты реакционной активности поверхности. Ток зонда регистрируется при перемещении в плоскости, что обеспечивает визуализацию распределения активных центров и дефектов.
Пространственное разрешение SECM определяется диаметром зонда и расстоянием до поверхности. Для микрометровых электродов разрешение может достигать 0,5–1 мкм, а при использовании нанозондов — до десятков нанометров.
Диффузионные ограничения. Локальный ток зависит от массы переноса реагента к зонду. На малых расстояниях от поверхности диффузия ограничивает ток, что необходимо учитывать при интерпретации данных.
Электрохимическая чувствительность. Зонд должен обеспечивать стабильный сигнал при малых токах (от пико- до наноампер), что требует минимизации шума и контроля параметров окружающей среды.
Исследование каталитических процессов. SECM позволяет выявлять активные участки катализаторов, определять кинетические константы поверхностных реакций и изучать механизмы редокс-процессов.
Биологические системы. Используется для локального измерения окислительно-восстановительной активности клеток, секреции ферментов и медиаторов, а также мониторинга нейротрансмиттеров на клеточном уровне.
Материаловедение. Позволяет исследовать проводящие и непроводящие покрытия, коррозионную стойкость материалов, локальные дефекты и неоднородности электропроводности.
Нанотехнологии. С применением наноэлектродов возможно изучение электропроводности и каталитической активности наночастиц, нанопроводов и молекулярных структур с высоким разрешением.
Подвижность и стабилизация зонда. Для высокоточной работы используются пьезоэлектрические микропозиционеры, обеспечивающие перемещение с шагом в десятки нанометров.
Контроль расстояния. Расстояние между зондом и поверхностью критично для точности измерений; используется как обратная связь по току (feedback) или амплитуде колебаний зонда в комбинированных методах с атомно-силовой микроскопией (AFM-SECM).
Интерфейс с другими методами. Часто SECM комбинируют с оптической микроскопией, спектроскопией или AFM для комплексного анализа топографии и электрохимической активности.
SECM является мощным инструментом для пространственно разрешённого анализа электрохимических процессов. Возможность работы с микро- и нанозондами, широкий диапазон режимов измерений и высокая чувствительность делают этот метод незаменимым в каталитических исследованиях, биохимии, материаловедении и нанотехнологиях. Правильный выбор режима работы, размеров электрода и контроля диффузии позволяет получать количественные данные о локальных электрохимических процессах с высоким разрешением и точностью.