Ок 46 тип электродов: Сварочные электроды ОК 46.00: характеристики, назначение, применение, аналоги

Все измерения были выполнены на трехэлектродной установке с использованием потенциостата Ivium CompactStat.В качестве рабочих электродов использовались изолированные 76 µ м (id) / 140 µ m (od) PtIr (90/10) проводов (PT-3T, Science Products, Германия), скрученные в тетрод и впаянные в нестандартную форму. -сделанный разъем. Кончики проволок обрезали и шлифовали полировальным диском для получения круглых электродов. В качестве электрода сравнения использовалась проволока серебро / хлорид серебра 200 мкм м (540800, Science Products, Германия). Приложенные потенциалы были соответствующим образом скорректированы путем вычитания 70 мВ для учета использованного псевдоэлектрода сравнения in vivo .В качестве противоэлектрода использовалась Pt-проволока 125 µ м (PT-5W, Science Products, Германия) без изоляции.

2.3. Протокол датчика

Цель заключалась в разработке протокола датчика для измерения как окисляемых, так и восстанавливаемых частиц с различными состояниями поверхности немодифицированного Pt электрода. Основная проблема заключается в том, чтобы отличить процессы на поверхности платины, которые всегда происходят при применении потенциальных ступеней, от окислительно-восстановительных процессов растворенных аналитов, которые происходят при этих потенциалах. Границы потенциалов определяются водяным окном, за пределами которого происходит выделение кислорода и водорода на анодной и катодной сторонах соответственно.

2.3.1. Хронокулонометрия

Чтобы связать хроноамперометрические измерения с поверхностными процессами, можно вычислить интеграл плотности тока. Однако при получении цифрового сигнала сегодняшними потенциостатами, просто суммируя измеренные значения тока, упускается значительный заряд, учитывая, что полоса пропускания схемы потенциостатического управления на несколько порядков превышает скорость сбора данных.На практике полученные результаты отклоняются от истинных измерений заряда не только количественно, но и качественно из-за различных процессов с разной кинетикой в ​​зависимости от рассматриваемого потенциального шага. Поэтому измерения заряда для получения потенциалов в хроноамперометрическом протоколе были выполнены с использованием Autolab PGSTAT128N с модулем FI20, который содержит аналоговый интегратор. Этот подход согласуется с выводами McMath и др. [35].Для получения значимых результатов необходим тщательный выбор диапазона тока и постоянной времени интегратора. Для хронокулонометрических измерений заряда с учетом различных поверхностных процессов мы разработали следующую процедуру:

• Диапазон тока должен быть достаточно высоким, чтобы избежать насыщения тока на каждой ступени потенциала. Как правило, мы использовали диапазон токов, который в десять раз превышает максимум видимого тока, принимая во внимание значительно более высокие токи до получения первой точки данных.Наблюдение за аналоговым сигналом тока на выходе потенциостата с помощью осциллографа помогает определить оптимальный диапазон тока.
• Коррекция дрейфа интегратора от модуля FI20 очень важна, так как необходимо выбрать относительно большой диапазон тока. Используемая версия программного обеспечения (Nova 2.1.4) требует ручного сброса дрейфа перед каждым измерением, что не представляется возможным в сочетании с автоматическими измерениями (расписаниями). Мы рекомендуем включать фазу разомкнутой цепи в любую процедуру измерения, чтобы убедиться в успешной коррекции дрейфа.
• Значительный дрейф, который необходимо скорректировать из-за большого диапазона тока, в сочетании с длительными измерениями для изучения различных параметров, требует достаточно высокого заряда насыщения. Во время длительных измерений (несколько десятков минут) фактический заряд может быть вдвое больше, чем скорректированный заряд, что необходимо учитывать при выборе постоянной времени интегратора и, следовательно, заряда насыщения.
• Предварительная обработка: Состояние поверхности и, следовательно, потенциал холостого хода (OCP) платины сильно зависят от концентрации растворенного кислорода, последнего приложенного фиксированного потенциала и времени.Поэтому для потенциальных ступенчатых экспериментов крайне важно обеспечить воспроизводимое исходное состояние электрода. Для всех хронокулонометрических экспериментов мы использовали протокол предварительной подготовки: переключение между -0,4 В и 0,9 В пять раз по 20 с каждый, чтобы привести рабочий электрод в определенное состояние, с последующим поддержанием катодного потенциала на уровне -0,2 В в течение 120 с, чтобы обеспечить поверхность без оксидов.

2.3.2. Хроноамперометрия

Первая часть протокола датчика состоит из многоступенчатого хроноамперометрического измерения.Pt-электрод многократно поляризуется под разными анодными и катодными потенциалами в течение определенного времени. В дополнение к самоограничивающимся поверхностным процессам можно измерить результирующий ток от окисления или восстановления растворенных аналитов. Этот измеренный ток пропорционален концентрации аналита, если процесс ограничен диффузией. В анодной фазе образуются разные оксиды Pt с различной кинетикой роста в зависимости от приложенного потенциала и продолжительности [36]. Для некоторых веществ, например.грамм. H ₂ O ₂ , потенциальный диапазон окисления находится в области PtO, и механизм реакции моделируется соответствующим образом [37]. В катодной фазе сначала восстанавливается оксид, и растворенный молекулярный кислород может быть восстановлен на неизолированном платиновом электроде. Кроме того, повторяющееся образование и удаление оксидных слоев обновляет и очищает поверхность и сводит к минимуму деградацию электрода, например, за счет изменения каталитических свойств адсорбатами и снижения массопереноса к электроду. В предыдущих работах мы показали долгосрочное применение таких протоколов для измерения кислорода в сложных средах с ограничивающими диффузию мембранами на платиновых электродах и без них [24, 25].

В этой работе анодная фаза используется для измерения комбинированного сигнала от окисляемых частиц, таких как химически активные соединения азота / кислорода или перекись водорода. В принципе, разные виды можно различить по их окислительному потенциалу. Однако для этого требуются более сложные электрохимические методы, еще не адаптированные для приложений in vivo . Катодная фаза направлена ​​на измерение растворенного кислорода, поскольку в нейронной среде нет других основных восстанавливаемых веществ.Токи от поверхностных процессов Pt перекрывают токи, вызванные аналитами, но, конечно, ограничены по величине требуемого заряда. Поэтому очень важно идентифицировать и контролировать токи от поверхностных процессов, чтобы получить обобщенный протокол измерения. Кроме того, обработка поверхности дает информацию о состоянии самого электрода, например о его шероховатости.

2.3.3. Активная потенциометрия

После амперометрической фазы мы включаем потенциометрическую фазу, в которой измеряется ОСР платинового электрода.В предыдущих работах мы показали, что динамика ОСР после многократного применения различных потенциалов предварительного кондиционирования может быть использована для измерения концентрации растворенных аналитов [34]. Мы называем этот принцип «активной потенциометрией» и продемонстрировали измерения кислорода в широком диапазоне концентраций. Передаточная функция потенциометрии является логарифмической, что обеспечивает широкий динамический диапазон даже при низких концентрациях. На этом этапе протокола после кондиционирования платиновый электрод предварительно поляризуется до катодных потенциалов, и, таким образом, достигается контролируемое состояние голой поверхности Pt. При переключении в потенциометрический режим измерения образование естественного оксида можно наблюдать по быстро возрастающему потенциалу. Этот потенциал временно зависит от концентрации растворенного кислорода, которая снижается в противодействии образованию оксида Pt. Циклический характер активного протокола многократно генерирует определенную поверхность Pt и обеспечивает стабильные измерения в течение нескольких дней. В данной работе хроноамперометрические фазы служат в качестве предварительного кондиционирования. Следующий ОСР зависит от присутствия и концентрации всех объединенных окислительно-восстановительных активных частиц, при этом растворенный кислород играет главную роль.

2.3.4.

Все эксперименты проводились в соответствии с протоколами, утвержденными ответственным комитетом по уходу за животными Regierungspräsidium Freiburg (Permit G13 / 51), и были предприняты все усилия, чтобы минимизировать количество используемых животных. с учетом статистических ограничений. В этом исследовании использовались самки крыс линии Wistar (около 300 г) (Charles River, Германия), содержащиеся группами по два человека при стандартном освещении (12-часовой цикл свет-темнота), 22 ° C и влажности 40%, и им разрешалось доступ к пище и воде ad libitum.Все эксперименты проводились в соответствии с руководством NIH по уходу и использованию лабораторных животных [38].

Во всех описанных хирургических процедурах использовались методы асептической подготовки. Крысам давали небольшую дозу ингаляционного анестетика для обеспечения легкости размещения в стереотаксической рамке, после чего проверяли рефлексы и подтверждали, что они не были вызваны щипковым тестом. Затем животных анестезировали изофлураном (1% –1,5% и 1,5 л мин. ^–1 O ₂ ) во время процедуры имплантации с помощью плотно прилегающего носового конуса.После того, как крысы были помещены в стереотаксическую рамку (модель 900, Kopf Instruments, США), черепа дезинфицировали и сбривали шерсть для облегчения доступа к месту трепанации и во избежание осложнений заживления, связанных с волосами и перхотью. Глаза покрывали увлажняющим кремом (Bepanthen, Bayer, Германия) для предотвращения повреждений, связанных с высыханием во время хирургической процедуры.

После того, как животное было помещено в рамку и рефлексы были повторно проверены, с помощью стерильного скальпеля был сделан разрез по средней линии.Подкожную клетчатку удаляли с помощью тупого наконечника, а область, где должна была проводиться трепанация, очищали от любого остаточного кровотечения. Затем были обнаружены точки Брегмы и Лямбда и приняты меры по поддержанию максимально возможного уровня черепа. После определения целевых точек с использованием атласа головного мозга крысы Paxinos – Watson [39], трепанацию проводили с помощью ручного стоматологического микродрели со сверлом 0,9 мм. Сверление проводилось короткими сериями, и за ходом активно наблюдали, чтобы предотвратить повреждение твердой мозговой оболочки с помощью сверла.Чтобы предотвратить перегрев черепа или хрупкой нервной ткани, поверхность черепа заливали 0,9% раствором NaCl (Braun, Германия), который периодически обновляли для поддержания температуры. При успешном сверлении мозговые оболочки остаются неповрежденными. Затем пилотное отверстие было расширено, чтобы облегчить установку зонда. После завершения трепанации мозговые оболочки были осторожно удалены с помощью канюли 23G (Braun, Германия) с надрезанным кончиком. Были приняты меры для предотвращения повреждения кортикальных слоев этим наконечником.Все кровотечения останавливали и очищали перед имплантацией зондов в интересующие участки. Координаты для размещения электродов были рассчитаны относительно брегмы и приведены в таблице 1. После того, как все электроды были имплантированы и закреплены на месте с помощью стоматологического цемента, соединитель был помещен и закреплен, а кожа была закрыта с помощью пластыря для кожи хирургического класса. Животным вводили карпрофен (Carprieve, Bayer, Германия) в течение семи дней после имплантации для облегчения боли.Все измерения проводились на анестезированных животных в стереотаксической установке, как описано выше.

Таблица 1. Стереотаксические координаты относительно брегмы для in vivo размещения электродов в головном мозге крысы.

3.

Вывод протоколов зондирования определялся целью измерения различных параметров (окисляемые и восстанавливаемые частицы) с одним и тем же электродом, а также получения информации о состоянии электрода и, необязательно, его восстановлении.В частности, протокол был предназначен для обеспечения предварительной подготовки поверхности электрода для измерения различных видов с целью отделения реакции поверхностных процессов от восприятия аналитов. Поскольку in vivo измерения должны были выполняться на анестезированных животных, повторяющиеся измерения на каждой фазе протокола требовали короткой продолжительности протокола в диапазоне минут.

3.1.1. Циклическая вольтамперометрия

Наши протоколы измерений основаны непосредственно на поверхностной электрохимии платины.Циклическая вольтамперометрия была проведена для исследования состояния поверхности и определения соответствующих потенциальных областей для кондиционирования и измерения электрода. На рисунке 1 (A) показана установившаяся циклическая вольтамперограмма (CV) платины в PBS с растворенным кислородом и без него. В левой части CV (потенциалы ниже примерно 0,2 В) отчетливо виден сдвиг вниз, вызванный восстановлением растворенного кислорода. В направлении положительных потенциалов восстановление кислорода тормозится наличием поверхностного оксидного слоя на платине.На образование оксида и начало его удаления в правой части CV не влияет растворенный кислород. На кривые CV наложены различные области для поверхностных процессов, а также потенциалы E , используемые для измерения (цветные полосы). В нашем протоколе измерения используются два основных состояния платинового электрода: без оксида (-0,3 В) и с оксидным покрытием (0,4–0,7 В). В указанных пределах предполагается, что полученный оксид представляет собой только PtO. Диапазон потенциалов, в котором поверхность электрода окисляется до PtO, обычно также является областью, в которой мы ожидаем окисления соответствующих реактивных частиц. Мы называем этот диапазон потенциалов анодной чувствительной областью , потому что мы фокусируемся на окисляемых веществах. Для некоторых видов, таких как H ₂ O ₂ , присутствие PtO является даже предпосылкой для протекания процесса окисления [37]. В диапазоне потенциалов, свободных от оксидов, основными реакциями являются процессы восстановления, например, из растворенного кислорода. Мы называем этот диапазон катодной чувствительной областью .

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 1. (A) CV платиновых дисковых электродов при скорости сканирования 50 мВ с ^-1 в 0,1 М PBS с растворенным кислородом и без него. Можно наблюдать характерные поверхностные процессы, такие как образование PtO, восстановление оксида и образование / десорбция Pt-H. Разница между двумя кривыми слева – это ток восстановления растворенного кислорода. Показаны потенциалы, используемые в производном хроноамперометрическом протоколе для образования оксида платины, анодного и катодного зондирования. (B) CV для количественной оценки электрохимической шероховатости поверхности путем интегрирования тока для определения заряда во время образования Pt-H.Здесь был измерен заряд образования Pt-H, q _H , 230 µ C см ^-2 , что соответствует коэффициенту шероховатости Rf , равному 1,10.

Загрузить рисунок:

Проблема при получении протоколов зондирования заключается в идентификации заряда, необходимого для поверхностных процессов при заданных потенциалах, который нельзя просто определить из CV. В частности, в области анодного зондирования образование PtO не является самоограничивающимся, что приводит к непрерывному затухающему фоновому току, который нарушает измерение тока, вызванного аналитами.Следовательно, желаемое количество PtO образуется при немного более высоком потенциале, а затем потенциал понижается для анодного зондирования. Оптимизированные потенциалы и время для минимизации фонового тока были выбраны на основе результатов, полученных с помощью хронокулометрии (см. Раздел 3.1.2).

Для сравнения плотностей зарядов методом хронокулометрии необходимо заранее достоверно определить электрохимическую шероховатость электрода. На рисунке 1 (B) показано определение этой шероховатости путем интегрирования CV в области адсорбции Pt-H [40].Измеренная плотность заряда q _H была разделена на общепринятую 210 µ C см ⁻² [40] для поликристаллической платины, чтобы определить коэффициент шероховатости Rf . Здесь Rf было 1,10, что мы считаем очень гладким электродом. Обычно для этой цели CV записываются в H ₂ SO ₄ . Однако наши измерения показали, что разница при выполнении в PBS незначительна (данные не показаны). В зависимости от полировки конкретного электрода мы достигли коэффициента шероховатости от 1.1 и 1.3. Во всех следующих экспериментах шероховатость каждого отдельного электрода учитывалась путем введения правой оси на всех хронокулометрических графиках с нормализованным зарядом, принимая во внимание q _H и, таким образом, обеспечивая масштаб, независимый от фактического Rf .

3.1.2. Хронокулонометрия: образование оксида Pt

Контролируемое и воспроизводимое образование оксида на поверхности Pt достигалось путем приложения потенциалов в оксидной области Pt-электрода (> 0.2 В). Мы исследовали приложенный потенциал E _PtO и время t _PtO и коррелировали их с полученной плотностью заряда. На рис. 2 (A) показана плотность заряда во времени для различных потенциалов E _PtO между 0,3 В и 0,9 В, рассчитанная по выходному сигналу интегратора. Плотность заряда также выражается в нормализованной форме (правая ось), где мы делим плотность заряда q на удвоенный заряд для ранее определенного образования Pt-H q _H , чтобы учесть шероховатость отдельного электрода.В этом контексте заряд емкости двойного слоя можно считать пренебрежимо малой. Переходное поведение заряда не наблюдается при хронокулонометрических измерениях (постоянная времени менее мс). Однако емкость двойного слоя может вызвать смещение представленных результатов. Принимая во внимание двойной слой как идеальный, независимый от напряжения конденсатор и типичное значение плотности емкости на платине 20 мк Ф · см ⁻² [41], вклад заряда двойного слоя составляет 5% или меньше от общая плотность заряда за 5 с в потенциальном ступенчатом эксперименте, таком как показано на рисунке 2 (A).Предполагается, что других реакций не произойдет. Пренебрегая влиянием емкости двойного слоя, значение q / (2 q _H ) приблизительно соответствует количеству монослоев PtO. Для нашего предполагаемого протокола конечные значения E _PtO и t _PtO должны быть достаточно большими, чтобы сформировать хотя бы один монослой PtO на поверхности ( E _PtO OCP) и должен быть достаточно низким, чтобы избежать образования O ₂ на электроде.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 2. Хронокулометрические измерения различных потенциальных ступенчатых экспериментов для характеристики процесса на поверхности Pt в дезоксигенированном нейтральном электролите для получения протокола датчика. Отношение плотности заряда, q , к удвоенному заряду для адсорбции водорода, q _H , дает оценку количества монослоев PtO с учетом шероховатости электрода.Пунктирные линии указывают время, выбранное позднее для протокола. (A) Образование оксида платины при различных анодных потенциалах E _PtO . Увеличивающееся количество монослоев PtO образуется с увеличением потенциала со стабилизацией во времени. (B) Анодное зондирование, при котором за образованием PtO при 0,7 В следует более низкий анодный потенциал E _анод для измерения окисляемых частиц. Существует только одна комбинация потенциалов (здесь 0,7 В и 0,4 В), в которой ток на втором этапе равен нулю.(C) Катодное зондирование, где за предыдущими этапами следует удаление оксида при катодном потенциале. Возможный выбор – это компромисс между удалением оксида и восстановлением растворенного кислорода. (D) Хронокулометрический сигнал полного протокола. В отсутствие растворенного кислорода каждый цикл хроноамперометрии приводит к слегка анодному чистому заряду. В присутствии кислорода наложенное восстановление растворенного кислорода приводит к сильному катодному дисбалансу заряда. Как и ожидалось, потенциометрия не предполагает изменения заряда.

Загрузить рисунок:

Измерения показали увеличение плотности заряда с течением времени в сторону насыщения для каждого соответствующего потенциала. Более высокие потенциалы накапливают заряд быстрее и имеют более высокое насыщение. Этот результат подтверждает предположение, что определенные состояния оксида Pt не могут быть достигнуты, если не превышен определенный приложенный потенциал, но показывает, что этот процесс также зависит от времени. На практике это означает, что в потенциальных ступенчатых экспериментах для определения инжекции или переноса заряда электродов, например, для электростимуляции, необходимо учитывать приложенные потенциалы и время, а эксперименты с разверткой потенциала дадут только ограниченную информацию.

В течение 30 с менее половины монослоя сформировалось при 0,3 В и 1,5 монослоя при 0,8 В. При 0,9 В плотность заряда стала непропорционально выше, что вызвано началом выделения молекулярного кислорода. Для потенциалов ниже начала выделения кислорода плотность заряда увеличивается примерно линейно с приложенным потенциалом, как и ожидалось из CV.

На основании этих результатов мы выбрали для протокола E _PtO = 0,7 В как потенциал для образования PtO контролируемым воспроизводимым способом.За 5 с образуется более одного монослоя, что достаточно быстро для практических приложений. Этот потенциал также достаточно отделен как от ОСР, так и от выделения кислорода и, следовательно, устойчив к небольшим сдвигам потенциала электрода сравнения.

Основная цель первого шага в отношении измерения – контролируемое образование PtO для приведения электрода в определенное состояние и достижения каталитических свойств для окисляемых частиц. Кроме того, ток / заряд можно использовать как индикатор состояния электрода. При соответствующем циклическом протоколе, как показано здесь, ток / заряд будет зависеть от поверхности электрода при заданной комбинации потенциала / времени. Это делает образование PtO мерой шероховатости электрода, например в исследованиях коррозии или разрушения электродов.

3.1.3. Хронокулометрия: анодная чувствительная область

Следующим строительным блоком нашего протокола является чувствительная область, где окисляемые частицы должны окисляться, с идеальным поддержанием нулевого фонового тока: анодная чувствительная область.Его потенциал E _анод должен быть ниже E _PtO , чтобы избежать образования дополнительных оксидов на поверхности. Тем не менее, E _анод должен быть достаточно высоким, чтобы поддерживать полный монослой PtO на поверхности электрода. В идеале в этой области не должно быть тока в отсутствие аналитов. Мы определили E _анод , применив полученное значение E _PtO = 0,7 В в течение 5 с, а затем различные потенциалы для E _PtO между 0. 2 В и 0,5 В, также на 30 с. Рисунок 2 (B) показывает результирующую плотность заряда с течением времени. Как было определено ранее, нанесение E _PtO в течение 5 с приводит к очень воспроизводимому образованию около 1,25 монослоя. Примечательно, что для одного данного E _PtO существует только один анод E , который приближается к нулевому изменению заряда (здесь в диапазоне 0,35-0,4 В). Однако в течение первых нескольких секунд некоторое количество PtO предположительно уменьшается из-за потенциального скачка.Для E _anod менее 0,35 В наблюдалось даже продолжающееся снижение плотности заряда, хотя CV предсказывает, что не происходит восстановления PtO до тех пор, пока не будет достигнуто перенапряжение при гораздо более низких потенциалах. Для более высокого E _анод заряд дополнительно увеличивается, например 0,55 В, достигая примерно такой же плотности заряда через 30 с, что и начальная 0,7 В. Такое поведение подтверждает нашу точку зрения на образование PtO: и потенциал, и время определяют перенос заряда.Для соответствующих потенциалов нулевой ток достигается в течение нескольких секунд, что приводит к небольшой продолжительности этой фазы. Поэтому для уже установленного E _PtO = 0,7 В (см. Раздел 3.1.2) мы выбрали E _anod = 0,4 В в течение 5 с в качестве потенциала анодного зондирования. Что касается обнаружения окисляемых частиц, наши результаты предполагают, что для других потенциалов анодного восприятия E _анод должен быть выбран другой E _PtO , что может быть трудно достичь для более высоких потенциалов, и еще больше подчеркивает проблему обнаружения окисляемых частиц с немодифицированными электродами.

3.1.4. Хронокулонометрия: область катодного зондирования

Третий строительный блок нашего протокола и заключительный этап амперометрии – это катодная зона зондирования, в которой растворенный кислород может быть уменьшен. Его потенциал E _cath должен лежать значительно ниже OCP в области, свободной от оксидов, и все же достаточно высок, чтобы на него не влияло образование Pt-H. Мы определили E _cath , применив найденный E _PtO = 0.7 В и E _анод = 0,4 В в течение 5 с каждый, а затем разные потенциалы для катушки E от 0,1 В до -0,5 В, снова в течение 30 с. Рисунок 2 (C) показывает результирующий заряд с течением времени. Как было показано ранее, первые две стадии воспроизводимо дают более одного монослоя оксида Pt. Последующая катодная стадия почти полностью восстанавливает оксид, о чем свидетельствует возврат плотности заряда к нулю. Однако поведение различных катодных потенциалов отличается от ожиданий, основанных на CV.Для диапазона между E _cath = +0,1 В и -0,3 В отрицательные заряды достигаются быстрее с более положительным потенциалом. E _cath = +0,1 В полностью удаляет один монослой, тогда как −0,3 В оставляет около 0,25 монослоя. Такое поведение противоречит здравому смыслу, поскольку можно было бы предположить, что уменьшение PtO происходит тем быстрее, чем более отрицательным является перенапряжение. Кроме того, даже несмотря на то, что в этом измерении не присутствовал кислород, для потенциалов около 0 В плотности заряда далее увеличивались до отрицательных значений, хотя нельзя предполагать образование Pt-H.Два самых отрицательных потенциала отклоняются от этого поведения. E ₃ = -0,5 В дает отрицательные заряды быстрее, чем E ₃ = -0,4 В, что можно легко объяснить отрицательным вкладом тока в начало образования Pt-H. Дополнительное исследование сложного поведения катодной ступеньки выходит за рамки данной работы. Мы предлагаем, например, комбинация хронокулометрии в потенциальных ступенчатых экспериментах с измерениями электрохимических микровесов кристаллов кварца (EQCM).

Получение E _cath непосредственно из поверхностных процессов не так просто, как для двух предыдущих строительных блоков, потому что его цель – не только уменьшить оксид, но и измерить растворенный кислород. CV прогнозирует снижение уровня кислорода примерно от +0,2 В и ниже (см. Рисунок 1 (A)). Из предыдущей работы мы знаем, что более низкий потенциал (около -0,3 В) приведет к лучшему датчику кислорода в отношении линейности и чувствительности [24, 25]. Исходя из этих соображений, мы выбрали E _cath = −0.3 В как потенциал для катодного зондирования. Удаление оксида, по-видимому, достаточно для того, чтобы произошло восстановление кислорода, и более низкий потенциал благоприятен для последнего. Даже более низкие потенциалы могут привести к нежелательным вкладам от образования Pt-H. Для сигнала датчика также выгодно работать в режиме ограничения диффузии. Следовательно, мы увеличили продолжительность катушки E _cath до 20 с, так что потребление кислорода на электроде будет создавать большую зону диффузии.В принципе, удаление PtO и катодное зондирование можно разделить на два отдельных этапа [24, 25], аналогично образованию PtO и анодному зондированию. Однако в катодной области невозможно четко разделить вклад в состояние поверхности и чувствительность. Поэтому был применен один хроноамперометрический шаг с увеличенным временным интервалом.

3.1.5. Комбинированный протокол измерения

На рис. 3 показан полный комбинированный хроноамперометрический и потенциометрический протокол измерения.Он состоит из трех повторений трех хроноамперометрических циклов, образования PtO, анодного зондирования и катодного зондирования, путем приложения определенных потенциалов E _PtO , E _анод и E _катод , за которым следует Фаза OCP. На верхнем графике показаны три выбранных потенциала для хроноамперометрии и результат потенциометрического измерения. На нижнем графике показаны текущие характеристики хроноамперометрии и нулевой ток во время потенциометрии.Оба графика построены с растворенным кислородом и без него. В потенциометрической фазе, как и ожидалось при недостатке растворенного кислорода, потенциал остается отрицательным около E _cath . В присутствии растворенного кислорода на платине образуется PtO, на что указывает резкое увеличение ОСР от -0,3 В до +0,25 В. На амперометрической кривой можно наблюдать, что растворенный кислород не влияет на образование PtO или анодное зондирование. Однако при катодном зондировании может наблюдаться сдвиг вниз из-за восстановления кислорода.Как и ожидалось, ток остается нулевым во время потенциометрии. Поскольку очевидно, что конечный потенциал в конце фазы ОСР влияет на состояние Pt до следующего хроноамперометрического цикла, мы повторили хроноамперометрическую процедуру три раза, чтобы гарантировать воспроизводимое поведение Pt.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. Одно сканирование разработанного многоступенчатого протокола хроноамперометрических и потенциометрических датчиков.В трех хроноамперометрических циклах задаются три различных потенциала: E _PtO = 0,7 В для образования PtO, E _анод = 0,4 В для анодного зондирования и E _катод = -0,3 В для катодного зондирования (верхний график). Соответствующие текущие характеристики с растворенным кислородом и без него показаны на нижнем графике. Ток восстановления растворенного кислорода измеряется катодным зондированием. Четвертый цикл – это потенциометрическое измерение, при котором измеряется ОСР (вверху), а ток равен нулю (нижний график).OCP быстро смещается вверх, если присутствует растворенный кислород. Точки извлечения данных обозначены кружками и описаны в таблице 2.

Загрузить рисунок:

Сила тока оценивалась дважды во время каждой части трех циклов хроноамперометрии и дважды во время потенциометрии (рис. 3, кружки), что в сумме составляет 20 баллов. Чтобы различать переходные и стационарные условия, первая оценка проводилась через одну секунду после начала каждого шага (получившая название переходный процесс ), последующая – за целую секунду до конца (получившая название стабильная ).Обозначения каждой точки приведены в таблице 2, а примеры показаны на рисунке 3.

Таблица 2. Номенклатура точек оценки данных в комбинированном хроноамперометрическом и потенциометрическом протоколе (см. Рисунки 3, 6, 8).

Примеры: « I _a , 1s»; ‘ E _o , 4t’

На рис. 2 (D) показаны хронокулонометрические измерения для полного протокола выполнения с растворенным кислородом и без него.При нехватке кислорода три потенциальных ступени в хроноамперометрическом цикле приводят к слегка положительному результирующему заряду, как предсказывают результаты, показанные на рисунке 2 (C). При наличии растворенного кислорода плотность заряда сильно смещена в сторону катода из-за заряда, возникающего в результате восстановления растворенного кислорода. В каждом цикле катодный заряд, эквивалентный почти двум монослоям PtO, добавляется поверх процессов на поверхности Pt. Во время потенциометрической фазы изменения заряда не наблюдается, что подтверждает успешную компенсацию дрейфа интегратора.Однако влияние переноса заряда в потенциометрической фазе (образование PtO путем восстановления растворенного O ₂ ), тем не менее, заметно, потому что кривая в присутствии кислорода в среде измерения имеет значительно меньший анодный заряд на первых двух этапах. , так как некоторое количество PtO уже образовалось во время потенциометрии.

Для нейронных интерфейсов эти результаты имеют ряд важных последствий: во-первых, будет ли серия потенциальных шагов, например во время стимулирующих последовательностей импульсов in vivo или для характеристики инжекции заряда электродных материалов дрейф в сторону анодного или катодного заряда полностью зависит от приложенных потенциалов и их продолжительности.Любое направление может быть оправдано полностью без учета необратимых процессов с платиной. Следовательно, исследования необратимых процессов, таких как коррозия или растворение, должны учитывать эти результаты. Кроме того, на результаты измерений также сильно влияют выбранный прибор и метод. Результаты без использования аналогового интегратора следует интерпретировать с осторожностью. Во-вторых, если присутствует растворенный кислород, как почти в любой ситуации in vivo , вклад его восстановительного тока в перенос фарадеевского заряда платинового электрода не является незначительным и может быть больше, чем поверхностные процессы в хорошо насыщенной кислородом среде. например, мозг.Это также означает, что локальная концентрация кислорода будет влиять на механизмы введения заряда в ткань. В-третьих, протоколы так называемой «сбалансированной по заряду» стимуляции могут изменить свой баланс или механизм с изменением концентрации кислорода. В экспериментах с контролируемым током механизм переноса заряда может изменяться в зависимости от концентрации кислорода. В экспериментах с контролируемым потенциалом очень трудно вообще достичь баланса заряда, даже если нет кислорода.

3.1.6. Активная потенциометрия: OCP

Для потенциометрических измерений OCP можно изменять только потенциал предварительной обработки и продолжительность измерения.Здесь электрод уже доведен до состояния поверхности, свободного от оксидов, как определено с помощью E _cath , последнего этапа хроноамперометрических измерений в катодной области (см. Рисунок 2 (C)). Следовательно, не требуется дополнительных предварительных условий между хроноамперометрией и потенциометрией. На рисунке 3 (вверху) показана разница в выходном сигнале с кислородом и без кислорода, как уже обсуждалось выше. Из предыдущих работ мы знаем, что ход этого псевдоравновесия зависит от концентрации кислорода и что фазы ОСР должны быть длинными (10 мин) для достижения более стабильного наклона в диапазоне концентраций в несколько десятилетий [34].В этой работе ожидается, что будет достаточно полуколичественного поведения. Поэтому мы решили использовать длительность OCP 30 с, потому что она обеспечивает достаточно высокое временное разрешение, при этом демонстрируя сильную кислородную зависимость и изменение выходного сигнала более 0,5 В.

3.2. Описание протокола сенсора

Разработанный протокол сенсора для окисляемых и восстанавливаемых веществ характеризовался хроноамперометрическим зондированием исследуемых веществ. Мы выбрали перекись водорода в качестве стабильного окисляемого химически активного вещества, аскорбиновую кислоту в качестве стабильного биогенного окисляемого вещества и растворенный кислород в качестве восстанавливаемого вещества. Мы использовали стабильное значение последнего цикла, I _a , 3 с или I _c , 3 с, для извлечения хроноамперометрических калибровочных кривых, поскольку они имеют наиболее определенные и воспроизводимые условия. Оценка в других точках также дает аналогичные результаты калибровки. Однако подробное исследование влияния на работу датчика выходило за рамки данной работы.

3.2.1. Калибровка с использованием перекиси водорода

Перекись водорода использовалась в качестве тестируемого вещества для любых окисляемых веществ.На рисунке 4 (a) показана калибровка, измеренная с помощью i _a , 3 с, которая демонстрирует превосходную линейность во всем диапазоне и определенную нулевую точку практически без смещения. Предел обнаружения (рассчитанный с использованием 3 σ ) составил 6 µ М. Эти результаты показывают, что разработанный протокол не вносит каких-либо дополнительных вкладов тока поверхностными процессами во время измерения окислительно-восстановительных активных аналитов. Кроме того, сигнал ограничивался не каталитическими свойствами платины, а массопереносом к электроду.Чувствительность 0,91 µ A · см ^–2 µ M ^–1 и линейный диапазон до 500 µ M находятся в том же диапазоне, что и другие датчики, описанные в литературе, использующие немодифицированные Pt электроды с амперометрическим датчиком [21 ] или хроноамперометрических принципов [42]. Очевидно, более низкая точность при более высоких концентрациях, скорее всего, происходит из-за шумоподобных флуктуаций массопереноса, вызванных перемешиванием, а не из-за принципа измерения. Здоровая ткань обеспечивает естественное ограничение диффузии, которое выше, чем у исследуемого раствора, поэтому этот эффект не имеет большого значения для приложений in vivo .Кроме того, следует отметить, что перекись водорода, в отличие от большинства других реакционноспособных частиц, также может быть восстановлена ​​на Pt-электроде в катодной чувствительной области. Как и ожидалось, был обнаружен отрицательный отклик по току со сравнимой чувствительностью и линейностью, как при анодном измерении.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. Калибровки для различных тестируемых веществ в PBS с использованием разработанного протокола амперометрического датчика, которые демонстрируют воспроизводимое, стабильное, высоколинейное поведение в широком диапазоне концентраций с определенной нулевой точкой и без смещения.(A) Анодное обнаружение перекиси водорода, при котором добавление 1% альбумина снижает чувствительность на 23%. (B) Аскорбиновая кислота, где добавление 1% альбумина снижает чувствительность на 51% (C) растворенного кислорода до насыщения воздухом.

Загрузить рисунок:

3.2.2. Калибровка с использованием аскорбиновой кислоты

Аскорбиновая кислота была еще одним окисляющимся веществом, используемым в качестве биогенного тестируемого вещества. На рисунке 4 (b) показана калибровочная кривая, измеренная с помощью i _a , 3 с, которая снова демонстрирует превосходную линейность до 1 мМ и определенную нулевую точку с незначительным смещением.Предел обнаружения (рассчитанный с использованием 3 σ ) составил 3 µ М. Более низкая точность при более высоких концентрациях снова была вызвана эффектами массопереноса, как описано для перекиси водорода. Чувствительность 0,52 µ A см ^–2 µ M ^–1 была примерно вдвое меньше, чем у перекиси водорода. И перекись водорода, и аскорбиновая кислота окисляются в двухэлектронном процессе. Измеренная разница в чувствительности указывает на то, что массоперенос аскорбиновой кислоты ниже из-за большего размера молекулы.

3.2.3. Калибровка растворенного кислорода

Кислород является ключевым параметром in vivo и основным восстанавливаемым веществом. На рисунке 4 (C) показана хроноамперометрическая калибровка с результирующим током уменьшения от i _c , 3 с. Калибровка распространяется до концентрации 228 мкМ M, что соответствует содержанию растворенного кислорода в PBS, насыщенном до содержания кислорода в атмосфере при нормальном давлении. Во всем диапазоне наблюдалось строго линейное поведение.Была достигнута стабильная и определенная нулевая точка со смещением около 4 µ M (менее 2% диапазона измерения). Чувствительность −0,29 µ A · см ⁻² µ M ⁻¹ была сопоставима со значениями, указанными в литературе для немодифицированных Pt электродов [25, 42]. Точность отдельных точек измерения определялась методом регулировки уровня кислорода, а не принципом измерения.

Мы также оценили потенциометрическое измерение кислорода, как показано на рисунке 5, по потенциалам E _o , 4t и E _o , 4s.Как и ожидалось, для такой относительно короткой продолжительности ответ не следует идеально логарифмическому поведению. Для более ранней временной точки E _o , 4t, это приводит к слегка сигмоидальной форме кривой, тогда как для более поздней временной точки E _o , 4s, это приводит к насыщающей форме. Тем не менее, очевидное преимущество логарифмической передаточной функции – повышенная чувствительность при более низких концентрациях – можно наблюдать. Кроме того, потенциометрический принцип не расходует аналит и, следовательно, не зависит от массопереноса.Оба эти аспекта делают активную потенциометрию многообещающим методом в дополнение к измерениям в гипоксической среде.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 5. Калибровка активного потенциометрического датчика кислорода. Относительно короткое время для развития псевдоравновесия приводит к небольшому отклонению от ожидаемого логарифмического поведения. Здесь оценка в более ранний момент времени E _o , 4t приводит к сигмоидальной кривой, тогда как более поздний момент времени E _o , 4s приводит к кривой насыщения.Тем не менее, обе кривые ясно демонстрируют преимущество потенциометрического принципа, который увеличивает чувствительность при более низких концентрациях.

Загрузить рисунок:

3.2.4. Влияние адсорбции белка

Белки, адсорбирующиеся на имплантатах и ​​электродах, присутствуют в большинстве биологических сред. Поэтому мы исследовали влияние белков на работу сенсора. 1% BSA (Sigma-Aldrich, Германия) растворяли в электролите и проводили калибровку.Калибровка кислорода включает барботаж электролита газом, что может вызвать сильное пенообразование. По этой причине калибровка кислорода с белками была невозможна. Как для аскорбиновой кислоты, так и для перекиси водорода калибровки показывают стабильное, линейное и воспроизводимое поведение, однако с пониженной чувствительностью (рисунки 4 (A) и (B)). Все свойства остаются неизменными, за исключением чувствительности, что указывает на простое ограничение диффузии за счет физического присутствия белков на электроде, в то время как циклический характер протокола поддерживает каталитические свойства Pt. Эффектов, зависящих от времени, не наблюдалось. Чувствительность к перекиси водорода снизилась всего на 23%, а к аскорбиновой кислоте – на 53%. Это можно объяснить тем, что аскорбиновая кислота является значительно более крупной молекулой, которая медленнее диффундирует через адсорбированный белковый слой, что дополнительно подтверждает предположение о том, что белок действует как простое ограничение диффузии. Адсорбция белка на электроде была полностью обратимой при очистке ацетоном, изопропанолом и деионизированной водой.Последующее электрохимическое кондиционирование и исследование с помощью циклической вольтамперометрии подтвердили восстановление всех свойств Pt.

3.2.5. Стабильность протокола и электрода

При исследовании стабильности предлагаемых нами протоколов важно определить, влияет ли сам протокол на характеристики платины. В литературе CV обычно получают в дезоксигенированном 1 N H ₂ SO ₄ для проверки характерных свойств платинового электрода, поскольку они потенциально замаскированы нейтральными электролитами [36, 43–45]. Тем не менее, мы обнаружили, что основные характеристики воспроизводимы в PBS, как показано на рисунке 1.

Долгосрочные измерения с перекисью водорода или аскорбиновой кислотой в низких концентрациях затруднены из-за разложения аналитов, которому также способствует присутствие платина в качестве катализатора. Поэтому мы обратились к долговременной стабильности с точки зрения активной поверхности электрода. Мы постоянно проверяли свойства электродов до и после каждого эксперимента. Полная доставка заряда по CV может быть легко доступной мерой для определения состояния электрода, хотя мы не рекомендуем этого делать: метод слишком сильно зависит от границ потенциала и, следовательно, от текущего вклада образования кислорода и водорода.Мы рассматриваем определение адсорбции протонов в деоксигенированном H ₂ SO ₄ [40] или PBS (рисунок 1 (B)) как электрохимический метод золотого стандарта для количественной оценки шероховатости поверхности Pt. В течение нескольких месяцев непрерывного использования отдельных электродов в PBS без какой-либо полировки мы не наблюдали каких-либо значительных изменений плотности тока, шероховатости поверхности или каталитических свойств. За это время мы применили большое количество хроноамперометрических циклов (несколько 10 000) в нейтральном pH, хлоридном и фосфатсодержащем электролите без значительных изменений формы сигнала, общего заряда и уровней фарадеевских токов в заданные моменты времени.Отклонения, часто описываемые в литературе, вероятно, являются результатом внутренних или внешних загрязнений платинового электрода или электролита и результирующих вкладов тока в результате процессов, не связанных с процессами на поверхности Pt [46]. Кроме того, наш протокол находится в пределах водного окна, а плотности тока низки по сравнению с типичными протоколами электростимуляции. Таким образом, мы можем сделать вывод, что наш протокол не влияет необратимо на поверхность платины, ни с точки зрения площади, ни с точки зрения каталитической активности.Этот результат также согласуется с нашими предыдущими данными амперометрических и потенциометрических долгосрочных измерений как с макроскопическими, так и с тонкопленочными Pt-электродами [21, 24, 25, 34].

3.3.

3.3.1.

Мы протестировали разработанный метод измерения на микроэлектродах в головном мозге крысы на срок до четырех недель после имплантации. Непосредственно после процедуры имплантации электроды были кратко проверены на предмет подключения, но длительные измерения не проводились, поскольку ожидается, что на результаты сильно повлияет острая травма введения, кровотечение и нарушение гематоэнцефалического барьера [9, 47].Через две недели, когда мы ожидаем, что вышеупомянутые эффекты будут в значительной степени смягчены, животных анестезировали, электроды были подключены к измерительной установке, и каждый электрод измерялся индивидуально в течение 30 минут. Эту процедуру повторили еще через две недели. Данные с шести электродов у двух животных были оценены и обсуждаются ниже.

Текущий / потенциальный отклик комбинированного протокола хроноамперометрических / активных потенциометрических измерений может быть успешно воспроизведен in vivo (рис. 6).В отличие от большинства других отчетов, измерения проводились в трехэлектродной установке, что позволяет использовать более продвинутые электрохимические протоколы и является необходимым условием для потенциометрических измерений. Характеристики на кривых включали ток от образования PtO, очень низкий ток в анодной чувствительной области и отчетливый ток от восстановления кислорода. OCP быстро возвращается в положительные области, подтверждая присутствие кислорода. Низкий ток в анодной области либо означает, что окисляемые частицы отсутствуют, либо во время образования PtO происходит локальное истощение до незначительной концентрации.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 6. In vivo необработанный сигнал одного комбинированного хроноамперометрического / активного потенциометрического сканирования в головном мозге крысы. Протокол включает три трехступенчатых амперометрических цикла и одну фазу потенциометрии. Кружки обозначают ранние и поздние моменты времени в пределах циклов, в которых оценивались токи / потенциалы. Хорошо видны положительные токи от образования PtO, отрицательные токи от восстановления кислорода и быстрое изменение потенциала в сторону положительных значений из-за присутствия кислорода.

Загрузить рисунок:

Наиболее важным наблюдением было то, что измерения временных переходных процессов через две и четыре недели показали отчетливое восстановление с увеличением величины тока на 50–80% с течением времени, в первую очередь в течение первых десяти циклов (20 мин), и стабильное поведение впоследствии. (рисунок 7). Эффект был сильным, и он показывает, что циклический протокол способен как регенерировать основные электрохимические свойства платины in vivo , так и одновременно определять их количественно.Этот эффект восстановления был количественно выражен как увеличение между первым циклом (0–2 мин) каждого измерения и средним значением для циклов 10–15 (20–30 мин), поскольку восстановление кажется завершенным.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 7. Примерные оцененные текущие значения образования PtO ( I _p , 3 с) и катодного зондирования ( I _c , 3 с) с (нормированные на окончательное значение образования PtO) чтобы проиллюстрировать эффект восстановления для положительных и отрицательных токов в течение первых 30 минут измерения in vivo .Катодный ток из-за восстановления кислорода примерно в 5 раз выше, чем при поверхностном процессе.

Загрузить рисунок:

3.3.2. Хроноамперометрия

Наблюдаемое восстановление во времени тока образования PtO (определяемое как увеличение по отношению к стабилизированному значению) составляло 84% ± 6% ( n = 12) для самого раннего момента времени, I _p , 1t, в протоколе и 49% ± 16% ( n = 12) для последней временной точки в протоколе, I _p , 3 с, (рисунок 8 (A)).Примечательно, что для катодного зондирования восстановление составило 82% ± 4% ( n = 12) для начальной временной точки в протоколе, I _c , 1t и 57% ± 12% ( n = 12) для поздней временной точки в протоколе, I _c , 1t, (рисунок 8 (A)). На рисунке 8 показаны стандартные прямоугольные диаграммы со всеми измеренными значениями, прямоугольники для квартилей и усы для интерквартильного диапазона 1,5 (IQR). Не было существенной разницы между измерениями через две и четыре недели, что было подтверждено тестом Уилкоксона со знаком рангов со всеми значениями p больше 0.1. Более сильное увеличение и меньший разброс для обоих типов тока в ранние моменты времени указывает на то, что большая часть восстановления происходит в начале протокола, и что повторение этапов анодной и катодной хроноамперометрии явно способствует общей стабильности. Это также подчеркивает, что ранние временные точки, скорее всего, более подходят для обнаружения изменений поверхности электрода, тогда как более поздние временные точки больше зависят от концентраций аналита и их возможных колебаний. Выброс в восстановлении в стабильный момент времени (рисунок 8 (A)) означает, что электрод не восстановился, потому что в этом случае он, по-видимому, уже сделал это в переходной точке.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 8. Восстановление параметров in vivo в виде стандартных прямоугольных диаграмм, включая все значения, квадраты для квартилей и усы при 1,5 IQR. (A) Восстановление тока в течение первых 30 минут измерения in vivo для образования PtO и катодного зондирования. Степень восстановления примерно одинакова, даже если один является поверхностным процессом, а другой – окислительно-восстановительным процессом аналита.Это указывает на восстановление каталитической активности электрода, а не на удаление слоя, ограничивающего диффузию. Переходные временные точки показали более высокое восстановление, чем стабильные точки, что указывает на то, что основная часть процесса восстановления происходит на ранних этапах протокола. Не было значительной разницы между измерениями через две и четыре недели, что подтверждено тестом Вилкоксона со знаком рангов. (B) Восстановление OCP, что подчеркивает, что потенциометрические измерения также выигрывают от предварительной подготовки протокола. (C) Абсолютный OCP, указывающий на хорошо насыщенную кислородом среду.

Загрузить рисунок:

Важно отметить, что сила эффекта восстановления была почти одинаковой для образования PtO и катодного зондирования, даже несмотря на то, что первый является поверхностным процессом, а второй – окислительно-восстановительным процессом аналита. Таким образом, мы можем заключить, что восстановление – это в первую очередь восстановление активной поверхности / каталитической активности платины. Удаление слоя, ограничивающего диффузию, не наблюдалось бы при образовании PtO.Поскольку величина тока возрастает, мы также можем исключить непрерывное истощение окисляемых или восстанавливаемых частиц на электроде, вызванное измерением.

Поскольку эффект восстановления серьезный и происходит только из-за циклического характера протокола, использование амперометрии постоянного потенциала с немодифицированными электродами вызывает сомнения in vivo . Кроме того, это показывает, что каталитическая активность Pt-электродов теряется, если они не кондиционируются повторно, что имеет серьезные последствия для электрических записывающих и стимулирующих электродов, а также для измерений импеданса, поскольку сильно влияет на процесс переноса заряда.

Обнаружение того, что образование PtO также подвергается сильному извлечению, делает определение переходных окисляемых частиц с помощью этого протокола (или любого другого амперометрического метода) очень сложным. Вклады токов образования PtO перекрываются с токами окисления окисляемых частиц и изменяют их величину.

Эксперименты in vitro показали, что добавление модельного белка не приводит к уменьшению тока образования PtO, только токи растворенных аналитов, как показано на рисунке 4.Таким образом, сильное уменьшение и последующее восстановление, обнаруженное in vivo , не может быть приписано только наличию белков, но предположительно вызвано конкретной ситуацией in vivo , включая иммунный ответ, например привлечение клеток микроглии и изменения в биохимическом микроокружении [7, 9].

3.3.3. Активная потенциометрия

OCP также показал эффект восстановления. Относительное увеличение OCP составило 46 мВ ± 23 мВ ( n = 12) (рисунок 8 (B)).На рисунке 8 показаны стандартные прямоугольные диаграммы со всеми измеренными значениями, квадраты для квартилей и усы для 1,5 IQR. Это открытие еще раз подтверждает, что платина теряет каталитическую активность в течение нескольких недель имплантации, которая восстанавливается после нескольких циклов протокола. В принципе, накопление окислительно-восстановительных активных веществ также может повлиять на ОСР, но амперометрическая часть протокола в значительной степени потребляет большинство потенциальных кандидатов, и никаких устойчивых текущих вкладов не наблюдалось. OCP после восстановления является мерой концентрации кислорода.Абсолютное значение ОСР составило 209 мВ ± 33 мВ ( n = 12) (рисунок 8 (C)), что указывает на хорошо насыщенную кислородом среду. Опять же, не было значительной разницы между измерениями через две и четыре недели как относительного, так и абсолютного изменения ОКР, что было подтверждено критерием знакового ранга Вилкоксона со всеми значениями p больше 0,1.

Хотя очевидно, что потенциал электродов из благородных металлов сильно зависит от присутствия электроактивных частиц, этот аспект часто не учитывается.Наши результаты показывают, что абсолютные потенциометрические измерения (например, потенциал постоянного тока, окислительно-восстановительный потенциал) без определенной предварительной обработки или применения метода активной потенциометрии могут привести к сомнительным результатам и объяснить большие вариации, часто встречающиеся в литературе. Кроме того, в дифференциальных методах, таких как электрическая запись или стимуляция, где абсолютным потенциалом часто пренебрегают и учитываются только сигналы переменного тока, абсолютный потенциал может играть роль, и предварительное кондиционирование потенциально может привести к надежным и воспроизводимым результатам.

Мы разработали универсальный протокол электрохимического датчика для платиновых электродов как in situ химических сенсоров на нейронных интерфейсах. Разработанная процедура может быть применена к любому ранее имплантированному платиновому электроду на нейронных интерфейсах для получения информации как о химическом микроокружении, так и о состоянии электрода. Мы тщательно исследовали процессы на поверхности Pt с помощью хронокулометрии во время потенциальных ступенчатых экспериментов в качестве основы для получения многоступенчатого хроноамперометрического протокола, который мы уникальным образом объединили с активной потенциометрией.Этот подход вводит не только различные передаточные функции для присутствия окислительно-восстановительных активных частиц в микросреде; в ней также рассматриваются два принципиально разных типа электродов, используемых в нейробиологии: электроды с током (стимуляция) и электроды в (псевдо) равновесии (запись). Наше хронокулометрическое исследование платины дает фундаментальную информацию о процессе переноса заряда в нейтральной среде и, таким образом, выходит за рамки нашего непосредственного применения. Последствия для безопасной и эффективной стимуляции требуют дальнейшего рассмотрения.С помощью разработанного протокола мы смогли успешно отделить поверхностный процесс Pt от окислительно-восстановительных процессов аналита. Получение тока извлечения в хроноамперометрии на основе детального знания заряда поверхности дает представление о состоянии электрода помимо импедансной спектроскопии или циклической вольтамперометрии, открывая новые возможности для нейронных интерфейсов. Способность протокола измерять окисляемые и восстанавливаемые частицы была успешно продемонстрирована калибровкой с тестируемыми веществами.Благодаря циклической природе протокол обеспечивает стабильные линейные сигналы даже в присутствии значительного количества белков, эффективно предотвращая загрязнение электродов. Процедура была успешно перенесена в мозг крысы. Непрерывные измерения после двух и четырех недель имплантации показали сильный эффект восстановления обнаруженных токов. Важно отметить, что это восстановление было обнаружено для токов как от процессов на поверхности электрода, так и от аналитов в микросреде, а также для OCP. Эти результаты демонстрируют, что наш метод может как восстановить, так и количественно оценить каталитическую активность электродов нервных имплантатов in situ . Поскольку каталитическая активность, очевидно, теряется in vivo , наши результаты показывают, что активные (стимуляция) и пассивные электроды (запись) в нейронных интерфейсах, а также (био) химические датчики и измерения импеданса могут сильно выиграть от активных методов предварительного кондиционирования в чтобы исследовать и компенсировать долговременную деградацию или отказ.Наш подход очень актуален, потому что он может быть применен к любому существующему электроду в качестве метода контроля качества in situ . Он предоставляет информацию о биохимической микросреде вокруг имплантата, дает новое представление о процессах переноса заряда, имеющих отношение к функции электрода, и предоставляет информацию о состоянии самого электрода, обращаясь к долгосрочной деградации электрода до in situ измерения глиоза и коррозия.

Финансирование со стороны Немецкого исследовательского фонда (DFG) в рамках кластера передового опыта BrainLinks-BrainTools (EXC 1086), проект AGliSSe, признано с благодарностью.

Нормальный и инвертированный режимы переноса заряда, контролируемые плотностью состояний на полимерных электродах

Первоначальная оценка электрохимической кинетики

Тонкие пленки P3HT были электроосаждены на стекло с покрытием из оксида индия и олова (ITO) с использованием ранее представленного метода ²⁵ . Этот метод осаждения обеспечивает прочную адгезию полимерной пленки к подложке по сравнению с обычным осаждением методом центрифугирования, так что пленки остаются стабильными во время повторяющихся циклов и механических исследований.На рисунке 1c показаны циклические вольтамперограммы электроосажденного P3HT (e-P3HT) в присутствии (пунктирная линия) и в отсутствие (сплошная линия) окислительно-восстановительного медиатора ферроцендиметанола (FcDM) для той же полимерной пленки. В отсутствие редокс-активных частиц разница в токе при прямом и обратном сканировании отражает емкостную природу полимера: повышенный окислительный потенциал вызывает электронное p-легирование (анодный пик при 0,65 В) в сочетании с входом противоионов и молекулы растворителя в полимерную структуру для поддержания нейтральности заряда ^{26, 27} .Депопирование полимера во время обратного сканирования наблюдалось в виде пика катодного тока при 0,55 В.

В присутствии окислительно-восстановительного медиатора максимумы тока, связанные с окислением и повторным восстановлением FcDM, наблюдаются при 0,2 В и примерно при 0,2 В. 0,1 В относительно Ag / Ag ⁺ соответственно. Более широкая форма и меньшая площадь под элементом восстановления по сравнению с элементом окисления указывают на то, что электроокисление FcDM с помощью e-P3HT, как правило, необратимо, несмотря на относительно низкую скорость сканирования (50 мВ с ^-1 ) ²⁸ .Этот результат служит прогнозом первого порядка для критериев дизайна для управления кинетической селективностью к окислительно-восстановительным молекулам в растворе; Пленки e-P3HT кинетически селективны к окислению FcDM.

Перенос заряда на границах раздела полимер / электролит часто оценивается с использованием эмпирического приближения Батлера – Фольмера для количественной оценки стандартной константы скорости переноса электрона ( k ⁰ ). Bobacka et al. ²⁹ оценка тыс. ⁰ = 0.7 × 10 ⁻³ см с ⁻¹ для окислительно-восстановительной реакции ферроцена на электродах из поли (3-октилтиофена). Мандич и Дуич получили тыс. ⁰ = 3,1 × 10 ⁻³ см с ⁻¹ для окисления / восстановления Fe ^{2 + / 3 +} при толщине полианилиновых пленок 22 нм ³⁰ . Следуя аналогичной методике, ³¹ дает значение тыс. ⁰ ≈ 7 × 10 ⁻⁴ см с ⁻¹ для окисления / восстановления FcDM в e-P3HT для данных на рис.1c, примерно на 1 порядок меньше, чем у металлического электрода (полный анализ и сравнение см. В дополнительном примечании 2 и дополнительном рис. 1).

Роль DOS в переносе заряда

В каждом из этих анализов предполагается металлоподобное поведение полимерного электрода и вводится априори предположение, что k ⁰ не зависит от потенциала. Такой подход неприменим для систем полимер / электролит, которые имеют значительно более низкую DOS, чем металлы.Мы предполагаем, что электрохимически необратимая реакция, наблюдаемая на рис. 1c, приписывается пренебрежимо малому энергетическому перекрытию занятых электронных состояний в полимере с незанятыми состояниями в электролите. Необратимый характер окислительно-восстановительной реакции дает уникальную возможность исследовать механизм переноса заряда, поскольку можно рассматривать только реакцию прямого окисления. Формальное описание полной плотности тока Дж тогда приблизительно равно анодной плотности тока Дж ⁺ на основе модели Маркуса – Геришера: ^{32, 33}

$$ {J \ приблизительно {J ^ +} \ kern-1pt = \ kern-1pt e {k ^ {\ rm {t}}} {c ^ {{\ rm {red}}}} \ int_ {E} ^ {} {\ rm {DOS}} \ left (E \ right) \ cdot \ left ({1 – F \ left ({E, {E _ {\ rm {f}}}} \ right)} \ right) \ cdot {\ rm {exp}} \ left ({\ frac {{- {\ left ({E – e {E ^ 0} – \ lambda} \ right)} ^ 2}}} {{4 \ lambda kT}}} \ right) {\ mathrm {d}} E,} $$

(1)

где к ^t – постоянная времени (в см ⁴ с ⁻¹ ), обычно контролируемая вероятностью электронного туннелирования, c ^{красный} – объемная концентрация восстановленных окислительно-восстановительных частиц (FcDM), DOS ( E ) – плотность распределения состояний в электроде, F ( E , E _f ) – функция распределения Ферми-Дирака, E _f – уровень Ферми в электроде, а экспоненциальный член содержит стандартный потенциал E ⁰ и энергия реорганизации λ окислительно-восстановительного электролита, заряд электронов e , постоянная Больцмана k и температура T .

Для полимерных электродов степень заполнения DOS изменяется в зависимости от приложенного потенциала из-за электрохимического легирования или удаления легирования в сочетании со структурным изменением из-за интеркаляции ионов. Полимерные электроды в электролите в установившемся состоянии не испытывают изгиба полосы, скорее ожидается, что положение уровней энергии электронов останется однородным по всей пленке для каждого потенциала ^{34, 35} . Способность хранить дыры с помощью фарадеевского механизма (т.е., химическая емкость C _µ ) отражается в плотности тока Дж , измеренной в циклическом вольтамперометрическом эксперименте, через Дж = C _µ × νA ⁻¹ (где ν – скорость развертки потенциала, A – геометрическая площадь электрода и C _µ в единицах F ) ³⁴ . 2} \ mathrm {d} \ nu}}, $$

(2)

где d – толщина полимерной пленки. Мы подчеркиваем, что полученную таким образом DOS следует рассматривать не как строго электронную, сравнимую с DOS в твердом состоянии, а как эффективную DOS, которая включает влияние интеркаляции ионов. Более подробное обсуждение приведено в дополнительном примечании 1.

Эффективная DOS, полученная для e-P3HT, описывается как суперпозиция двух гауссовых распределений (рис.2). Плечо (~ 0,4 В) соответствует более упорядоченным доменам, которые окисляются легче, чем аморфная фаза (~ 0,65 В) ^{25, 36} . Рассчитанные распределения состояний хорошо согласуются с измерениями DOS на центрифуге P3HT, полученными с помощью спектроскопии потенциального электрохимического импеданса (EIS) ^{37, 38,} , и отражают сходство с DOS, наблюдаемым с помощью ультрафиолетовой фотоэмиссионной спектроскопии ^{26, 27} . Для положительных потенциалов ~ 0,85 В vs. Ag / Ag ⁺ , расчет по формуле. (2) становится более неоднозначным, поскольку анодный ток может также включать начало побочных реакций, таких как окисление небольших количеств воды в органическом растворителе.

Распределение незанятых и занятых состояний в полимере и электролите. DOS пленки e-P3HT, полученной из экспериментального тока окисления при циклической вольтамперометрии (пурпурная кривая, нижняя ось), показана рядом с смоделированными распределениями занятых (красный) и незанятых (Ox) состояний в электролите в соответствии с формулой.(3) и аналогичное выражение для незанятых состояний, предполагая равные концентрации red и ox (зеленые кривые, верхняя ось). Параметры моделирования: E ⁰ (FcDM ^{0 / +} ) ≈ E _1/2 (FcDM ^{0 / +} ) = +0,07 В по сравнению с Ag / Ag ⁺ , λ = 0,5 эВ ⁵⁰ и T = 298 К. Заполнение P3HT DOS и перенос дырок из полимера в электролит проиллюстрирован на примере уровня Ферми E _f при −5.2}}} {{4 \ lambda kT}}} \ right) $$

(3)

с параметрами, как определено выше; аналогичная математическая конструкция может быть использована для описания незанятых состояний окисленного FcDM ⁺ . Моделирование согласно формуле. (3) показано на правой стороне фиг. 2 в той же шкале энергий, что и экспериментально определенная плотность состояний полимера. Из рис. 2, полимерная ДОС около E ⁰ FcDM ^{0 / +} показывает почти полное отсутствие перекрытия с плотностью окисленных электронных состояний (DOS ^ox ) в электролите (FcDM ⁺ ), но хорошее энергетическое перекрытие с DOS ^{красный} восстановленных электронных состояния (FcDM ⁰ ).Этот результат качественно объясняет, почему восстановление FcDM ⁺ с помощью e-P3HT затруднено при любом заданном потенциале, приложенном к полимерному электроду, как показано на рис. {- 1}}.$$

(5)

Таким образом, мы ожидаем зависящего от напряжения изменения сопротивления переносу заряда, которое, как ожидается, будет меняться в зависимости от электронного перекрытия в эффективной DOS полимера и FcDM.

EIS-спектры пленок e-P3HT были измерены с использованием свежеосажденных образцов, которые были кондиционированы повторной циклической вольтамперометрией и предварительно поляризованы при заданном потенциале смещения в течение 300 с, чтобы уравновесить степень легирования и набухания полимера.Пример представлен на рис. 3. Полный набор данных для зависимых от потенциала графиков Найквиста и соответствующих графиков Боде представлен на дополнительном рис. 2 вместе с подробным объяснением назначений спектральных характеристик (дополнительное примечание 3). На рис.3 график Найквиста импеданса e-P3HT в контакте с 1 мМ раствором FcDM при промежуточном приложенном потенциале демонстрирует три разрешимых особенности: линейную часть на низких угловых частотах ( ω ) (область 3 на рис. 3) и два полукруга на средних и высоких частотах (области 2 и 1 на рис. 3). Полукруги на графиках EIS Найквиста указывают на межфазные явления. Высокочастотная особенность ранее приписывалась переносу и накоплению заряда на границе раздела между подложкой (в данном случае ITO) и полимером ³⁹ . Как и ожидалось из этого назначения, как сопротивление, так и емкость, связанные с этим высокочастотным полукругом, мало изменялись в зависимости от потенциала от 0.От 0 до 1,0 В (по сравнению с Ag / Ag ⁺ ) (см. Дополнительный рисунок 3). Напротив, среднечастотный полукруг показал значительное изменение диаметра в зависимости от приложенного потенциала (см. Дополнительный рис. 2), и это объясняется объединенным импедансом, возникающим из-за переноса заряда, и емкости двойного слоя на границе раздела P3HT / электролит.

Типичный график Найквиста импеданса e-P3HT в 1 мМ растворе FcDM при напряжении смещения 0,35 В. Метки указывают угловые частоты ω в выбранных точках

Исходя из общего назначения спектральных характеристик, мы подбираем данные с помощью модифицированной схемы Рэндлса, включающей дополнительный параллельный элемент RC (см. Дополнительный рис.4) и извлекли потенциально-зависимые сопротивления переносу заряда ( R _ct ) на границе полимер / электролит, см. Рис. 4. R _{ct Ось} на рис. 4 перевернута, чтобы отразить обратную зависимость между сопротивлением переноса заряда и константой скорости переноса заряда, приведенной в формуле. (4). Анализ был повторен для девяти полимерных пленок, все из которых дали результаты, аналогичные представленным на рис.4. Измерения EIS в фоновом электролите (без FcDM) дали те же результаты, что и измерения с окислительно-восстановительными компонентами (см. Дополнительный рис. 5), с основным различием в диаметре элемента переноса заряда полимер / электролит из-за отсутствия электронного переноса заряда.

Сопротивление переносу заряда e-P3HT при контакте с раствором ферроцендиметанола. Экспериментальное сопротивление переносу заряда, зависящее от потенциала, полученное из аппроксимации спектров импеданса (черные символы и линия, с полосами ошибок, указывающих неопределенность аппроксимации), и моделирования на основе модели Маркуса – Геришера с использованием экспериментальной DOS из циклической вольтамперометрии (красная линия) . Параметры моделирования (происхождение описано в основном тексте): A = 0,4 см ² , k ^t = 1,6 × 10 ⁻²² см ⁴ с ⁻¹ , c ^{красный} = 6 × 10 ¹⁷ см ⁻³ , λ = 0,6 эВ, E ⁰ (FcDM ^{0 / +} ) = +0,07 В по сравнению с Ag / Ag ⁺ или -4.94 эВ от вакуума (обозначено серой штриховой линией), T = 298 K

Форма кривой на рис. 4 напоминает нормальный и инвертированный режимы предсказаний классической теории Маркуса для фундаментальной константы скорости k _и как функция свободной энергии Гиббса реакции (Δ G ) ⁴⁰ . Мерный R _ct показывает общее уменьшение с ~ 10 ⁴ Ом при +0. 25 В до локального минимума ~ 50 Ом при +0,6 В с последующим увеличением до ~ 10 ⁴ Ом с увеличением потенциала справа налево на рис. 4. As R _ct обратно пропорционален константе скорости переноса заряда, минимальной из потенциально зависимых R _ct совпадает с локальным максимумом константы скорости около 0,6 В. Для данной системы материалов инверсия кинетики переноса заряда происходит из-за уменьшения DOS в полимере при положительных потенциалах ~ 0.63 в сравнении с Ag / Ag ⁺ (локальный максимум на рис. 2, слева). Такое поведение отличается от переноса заряда в идеальных переходах неорганический полупроводник / электролит, которые претерпевают искривление зон. В сценарии изгиба зоны перенос заряда преимущественно происходит с фиксированного энергетического уровня (край зоны проводимости или край валентной зоны) независимо от приложенного потенциала электрода ^{32, 41} . В частности, для обычных неорганических материалов ожидается, что скорость переноса заряда будет экспоненциально увеличиваться с приложенным потенциалом из-за экспоненциального увеличения плотности заряда в области пространственного заряда вблизи поверхности (см. Дополнительное примечание 4 и дополнительный рис.6).

Имитация R _кт ( E _f ) согласно модели Маркуса – Геришера (уравнение (5)) с нашей экспериментальной плотностью состояний DOS ( E _f ) на фиг.2 показан на фиг.4 (красная кривая). Смоделированная кривая адекватно описывает потенциальную зависимость экспериментального сопротивления переносу заряда вплоть до напряжения смещения около 0,75 эВ.Кроме того, расчет становится неточным из-за неоднозначности, связанной с экспериментальными значениями DOS ( E _f ), как описано выше. Модель предсказывает, что низкопотенциальное плечо в DOS приводит к соответствующей особенности в сопротивлении переносу заряда (~ 0,4 В), но это не наблюдалось экспериментально из-за предела разрешения подхода EIS.

Согласование смоделированного и экспериментального R _ct в минимуме было достигнуто установкой значения постоянной времени k ^т по 1.6 × 10 ⁻²² см ⁴ с ⁻¹ , что значительно меньше значений, указанных для неорганических переходов полупроводник / электролит (от 10 ⁻¹⁶ до 10 ⁻¹⁷ см ⁴ с ⁻¹ ) ^41,42,43 . Для неорганических полупроводников, k ^t связан с событием электронного туннелирования через интерфейс и зависит от расстояния. Маловероятно, что разница в вероятности электронного туннелирования ответственна за такую ​​большую разницу в k ^т в данном случае.2} \ cdot {{exp}} \ left ({- {\ alpha _ {\ rm {R}}} \ cdot R} \ right), $$

(6)

где α _R является функцией высоты потенциального барьера между электродом и окислительно-восстановительными компонентами и зависит от природы моста электронной связи ^{40, 44} . Уменьшение вероятности туннелирования на 10 ⁵ требует большего α _R · R срок по 10 ² для электродов e-P3HT по сравнению с неорганическими полупроводниками. R для неорганических полупроводников, как сообщается, имеет порядок 5-10 ангстрем ^{32, 46, 47} , что сопоставимо с длиной гексильной боковой цепи P3HT (см. Дополнительный рис. 8). Оценка α _R для множества различных систем переноса электронов все составляют от 10 до 15 нм ^-1 (см. Ссылку ⁴⁰ и ссылки в ней), что предполагает α _R также вряд ли изменится на 10 ² с материалом электрода.Следовательно, значение к ^t в случае полимерного электрода регулируется дополнительными факторами, отличными от вероятности туннелирования электронных носителей заряда, и, следовательно, представляет собой эффективный кинетический параметр, а не истинную постоянную времени туннелирования. В частности, мы предлагаем k ^t отражает влияние интеркаляции ионов на наблюдаемую кинетику переноса заряда.

Декларация соответствия при прибл.46. ​​Применение электродов Linkoln

ОК-46.00 производятся компанией ESAB, признанным мировым лидером в производстве сварочного оборудования, материалов и другого инструмента.

Сварка электродами ОК 46 возможна во всех пространственных положениях, включая вертикальные нисходящие, как постоянным током обратной полярности, так и от источника переменного тока. Благодаря электродам они хорошо воспламеняются, имеют стабильное горение и отлично зажигаются снова при отрыве дуги.Незаменим при работе с короткими швами, при сварке и установке прихваток. Изделия способны работать даже на неподготовленном и не зачищенном металле, что делает их незаменимыми в домашних условиях.

В связи с особенностями используемого металлического прутка из низкоуглеродистой стали СВ-08 использование данных электродов недопустимо.

Перед применением рекомендуется прокалить при температуре 75-95 ° С в течение часа.

Технические характеристики

Основные характеристики, необходимые для работы сварщика, указаны в таблице на коробке.На нем отображается:

• электродов-ОК 46.00;
• по международной классификации – E6013;
• диаметр – ø4 и длина – 450 мм;
• вес упаковки – 6,6 кг;
• вид, полярность и диапазон изменения сварочного тока: AC – переменный, DC – постоянный + (-) -;
• способов сварки -;
• другая сопутствующая информация: ГОСТы, по которым они изготовлены, серийный номер, номер партии, дата изготовления.

Для настройки оборудования и выбора сварочного тока в зависимости от диаметра стержня и положения шва можно использовать следующую таблицу

Электроды ОК-46 производства ЭСАБ (Швеция) широко применялись при ремонтно-монтажных работах.Они предназначены для сварки конструкционных углеродистых и низколегированных сталей с пределом текучести не выше 380 МПа, а также судовых сталей.

Сфера использования – создание новой металлопродукции в условиях промышленного производства и небольшого цеха, а также ремонт на месте.

Многофункциональный электрод ОК-46 с отличными сварочно-технологическими свойствами имеет плотное покрытие и стабильную дугу, благодаря чему сварочная ванна защищена от внешних факторов. Он хорошо зажигается даже при малом токе в начале работы и при повторном зажигании, когда покрытие уже подгорело или конец оплавился.

Электроды ОК-46 универсальны в вопросе пространственного положения шва. Готовят даже в узких местах и ​​на окрашенной поверхности. Подходит для монтажных прихваток, коротких и корневых швов. Они хорошо зарекомендовали себя при периодическом отключении дуги.

Основные характеристики:

• используются для сварки оцинкованных изделий и с другим гальваническим покрытием;
• сварка тонкостенных деталей хорошо;
• легкий розжиг, в том числе многократный;
• благодаря малому тепловыделению хорошо подходят для заполнения больших зазоров;
• можно прошивать в вертикальном положении по направлению спуска;
• Отсутствие чувствительности к грязи и ржавчине упрощает подготовку кромок.

Описание

Электроды ОК-46 по ГОСТ 9467-75 выпускаются диаметром 1,6; 2; 2,5; 3; 4 и 5 мм. Для небольших участков 1,6 и 2 мм длина составляет 300 мм, для остальных – 350 и 450 мм. Стержни изготовлены из сварочной стальной проволоки СВ-08 или СВ-08А с рутиловым покрытием.

Стандартная производительность 1,4 кг / час. Именно столько электродов потребуется для наплавки 1 кг металла. Для прокаливания требуется режим 70–90 ° C и время нагрева 1 час.

Обозначение ОК-46 указывает на то, что электрод предназначен для ручной дуговой сварки. Готовое соединение выдерживает нагрузку 46 кг / мм².

Свойства готового сварного шва определяют надежность будущей металлоконструкции и возможность эксплуатации в заданных условиях. Эти параметры зависят от химического состава электродов и хода процесса сварки. Именно по техническим характеристикам и типу выполняемых работ сварщики выбирают электроды.

Химический состав наплавленного металла характеризуется содержанием следующих элементов: C = 0,08%, Si = 0,3%, Mn = 0,4%.

Механические свойства шва:

• предел прочности на разрыв – 510 МПа;
• предел текучести – 400 МПа;
• предел прочности – 510 Н / мм²;
• ударная вязкость при температуре -20 … 0 ° С – 33–70 Дж / см²;
• выход наплавленного металла в относительном измерении 96%.

Режимы работы

Оптимальные режимы сварки достигаются при строгом соблюдении режимов работы. Их выбирают исходя из диаметра стержня и расположения сварного шва. Набор параметров позволяет создать оптимальный режим для конкретного случая.

Режимы сварки

Электроды ОК-46 работают на постоянном и переменном токе любой полярности. Их можно подключать к бытовым источникам питания, так как они имеют стабильное горение дуги с минимальным значением тока и низким напряжением холостого хода (50В).

Из выявленных пользователями недостатков электроды ОК-46 имеют высокую цену, толстостенный металл плохо кипит, не у всех с первого раза загорается новый электрод, уже не идут на свой шлак. Когда они лежат в открытой упаковке и собирают влагу, шлак нужно отбивать обычным способом.

Назначение и тонкости использования

Электроды ОК-46 могут служить основным наполнителем для заполнения стыков и пустот в металлических изделиях, а также дополнительными – для прихваток и предварительной сборки конструкции.

Марка расходных материалов обеспечивает качественный и ровный шов с плавным переходом на основную поверхность. При сварке металл практически не разбрызгивается, небольшое количество шлака самоотделается. Лучше всего преимущества этих электродов проявляются при сварке швов с глубоким расположением корня.

При использовании сварочных электродов ОК-46 гарантировано получение прочных и надежных прихваток, необходимых при монтаже металлоконструкций и инженерных сетей.

Расходные материалы упакованы в герметичный пакет и картонную коробку.Таким образом, они надежно защищены от влаги и механических повреждений. Выдерживают многократные перевозки и длительное хранение.

Если у вас есть опыт работы с электродами ОК-46, напишите: нам будет интересно услышать ваши отзывы.

Сварочные электроды ОК-46 – универсальные расходные материалы для сварки, так как подходят практически для всех пространственных положений. К тому же они нормально проявляют себя при работе с постоянным и переменным током. Основными целевыми металлами являются углерод и конструкционные, что охватывает довольно большой объемный ассортимент продукции.С их помощью можно ремонтировать, а также создавать металлоконструкции и другие инженерные изделия. Стоит отметить, что электроды ОК-46 хорошо поджигаются, даже если выбраны щадящие режимы сварки с малыми токами. Это также относится к повторному возгоранию, когда ему препятствует расплавленный конец или обугленное покрытие.

Электроды для сварки ОК-46 Марка ЭСАБ

Присадочные материалы позволяют легко сваривать изделия с оцинкованными поверхностями и другими гальваническими покрытиями. Электроды отлично подходят для сварки с зазором, так как обладают низким уровнем погонной энергии, что обеспечивает качественный результат даже в таких условиях.Повышенная технологичность состава достигается за счет крайне низкой чувствительности к загрязнениям. Стабильное горение дуги и плотное покрытие обеспечивают достаточный уровень защиты от воздействия посторонних факторов. Встретить это разнообразие можно в любых отраслях, так как качества предрасполагают к активному использованию в любых условиях, что является несомненным плюсом. Во время сварки наблюдается небольшой процент разбрызгивания металла, что во многом обеспечивается возможностью использования малых токов. Сварочная маска и другие приспособления помогут защитить от брызг и яркого света дуги.

Электроды и приспособления для сварки ОК-46

Наилучшие свойства проявляются при работе со швами, корень которых залегает достаточно глубоко. Создавать длинные швы такими электродами не рекомендуется, так как они больше предназначены для создания коротких. Используя эту марку, можно получить прочные прихватки, которые создаются перед монтажом металлоконструкций. Электроды поставляются в герметичных ящиках, защищающих материал во время транспортировки. Продукция в ящике укладывается в герметичную пленку, чтобы избежать скопления влаги в покрытии, когда все есть в наличии.Это очень распространенная проблема, поэтому производители позаботились об элементарных методах безопасности. Благодаря этому допускаются многократная транспортировка и длительное хранение.

Электроды сварочные ОК-46

Область применения

Электроды ОК-46 3 мм могут использоваться как основной присадочный материал, необходимый для заполнения стыков металлических деталей, и как дополнительный при необходимости создания прихваток. Иногда при ходьбе или из другого металла при создании большой металлической конструкции с помощью таких электродов делают прихватки, так как они обеспечивают большую прочность соединения в любых условиях.Чаще всего они используются для ремонта на месте, но также могут использоваться в мастерских при работе с углеродистыми сталями или создании новых изделий из конструкционной стали.

Сварочные электроды ОК-46 диаметром 3 мм

Технические условия

При рассмотрении электродов ОК-46 характеристика их поведения определяется химическим составом. Действительно, здесь даже десятая часть процента вещества может иметь сильное влияние на последующее поведение во время сварки, а также на механические свойства готового сварного шва.

Механические характеристики не взяты от самого электрода, поскольку непереплавленный металл также имеет свои уникальные свойства, но сварной шов уже находится в сварном состоянии. Это помогает понять, подойдет ли данная марка для тех условий эксплуатации, с которыми придется столкнуться сварному изделию. Таким образом, выбирая электроды ОК-46, в первую очередь необходимо изучить их технические характеристики. При этом приводится один из основных:

Размеры и ассортимент

Особенности наплавки

Наплавку следует проводить отрезками относительно небольшой длины, даже при большом удлинении шва.Чтобы не было проблем при сварке, необходимо придерживаться существующих режимов. Для каждого значения диаметра стержня, а также для каждой позиции существуют значения, диапазон которых поможет получить достаточно качественный процесс.

Обозначение и толкование

ОК-46 – электрод для ручной дуговой сварки с рутиловым покрытием. Готовый шов выдерживает нагрузки до 46 кг на квадратный миллиметр.

Электроды ОК-46 для ручной дуговой сварки

Время считывания: ≈3 минуты

Каждый, кто хоть немного знаком со сваркой, слышал об электродах ESAB OK 46.Отзывы удивляют: эту марку хвалят практически все мастера. Отмечают, что после приобретения этих стержней качество швов заметно улучшилось, и в целом работа стала проще и быстрее. Это так?

В этой статье мы постараемся рассказать вам все, что нужно знать об электродах ОК 46.00. Так же ответим на вопрос, стоит ли покупать эти удилища и использовать их в своей работе.

Электроды марки ОК 46 имеют рутилово-целлюлозное покрытие.Это основная характеристика, из-за которой данные электроды приобрели свою популярность. Марка ESAB 46 00 поистине уникальна, она повышает уровень вашей работы и в то же время облегчает работу.

Так чем же хороши электроды ОК 46, технические характеристики которых не могут повторить ни один производитель? Во-первых, эта марка абсолютно нечувствительна к коррозии. Это значит, что готовить можно в труднодоступных местах и ​​не очищать металл. Во-вторых, при сварке этими электродами шлак практически не образуется и очень легко удаляется.Шов получается очень ровным и плавно переходит на поверхность металла. Также электроды легко воспламеняются, в том числе многократно.

Кроме того, сварка этими электродами требует низкого напряжения холостого хода и относительно небольшого значения сварочного тока. Итак, электроды для сварки ОК 46 без проблем можно использовать на даче и готовить от обычной электросети.

Стоит ли покупать эти электроды? Определенно того стоит. С ними ваша работа действительно станет проще и быстрее.Сварные соединения будут качественными и надежными. Но при условии, что вы соблюдаете технологию сварки и подбираете стержни исходя из характеристик металла, который собираетесь варить.

ОК 46 имеет всего два недостатка: высокая цена и частые подделки. Но мы не считаем эти недостатки существенными. Ведь цена ненамного выше аналогов, а конечное качество швов намного лучше. Что ж, чтобы не было подделок, покупать электроды нужно у сертифицированных представителей или в крупных магазинах.

Заявка

Назначение этих электродов – сварка различных типов и. Электроды ESAB OK 46 практически нечувствительны к коррозии и грязи, поэтому проводить тщательную очистку металла, если готовить в труднодоступных местах, не получится.

Бренд ОК 46 часто называют универсальным, и это действительно так. Эти электроды обеспечивают отличное качество сварки, стабильное горение дуги и простоту сварки даже самых капризных металлов, таких как алюминий. Эти стержни без проблем воспламеняются после их принудительного затухания.Но наилучшие результаты достигаются при сварке коротких стыков и прихваток. При этом шов должен быть максимально широким.

Для сварки можно использовать любую полярность. Тип тока может быть как переменным, так и постоянным. Можно готовить практически во всех пространственных положениях. Вес упаковки 5,3 и 6,6 кг в зависимости от диаметра. Электроды сварочные ОК марки 46 могут быть заменены на марки ОЗС 6, АНО 4, АНО 6, АНО 29 М, АНО 23 и. Они не обеспечивают такого же уровня качества, но дешевле и похожи по характеристикам.

В специализированных магазинах представлено достаточное количество электродов, которые можно успешно использовать для сварки дуговым методом. Некоторые модели можно использовать для наплавки металла. Также электроды отличаются стоимостью наплавленного металла. На рынке доступны модели упаковками по 20-50 шт. В среднем они продаются по цене от 500 руб.

К основным параметрам электродов относятся:

• временное сопротивление;
• максимальное отклонение напряжения;
• диаметр.

Как выбрать электроды

Для работы с трубопроводом эффективнее подбирать электроды с меньшим значением номинального напряжения. Большинство моделей выполнено с целлюлозным покрытием. Для наплавки наружных слоев они больше всего подходят. Также следует отметить, что отметка временного сопротивления должна быть не более 300 миллиампер (МПа).

Для правильного выбора электродов из углеродистой стали необходимо покупать модели с рутиловым покрытием. Необходимо следить, чтобы показатель номинального отклонения напряжения был примерно 6 В.Среднее значение параметра временного сопротивления должно быть не менее 350 МПа. Стоимость хороших электродов на современных рынках составляет около 600 рублей.

Электроды ОК-46

Для работы с углеродистой сталью необходимо выбрать электроды ЭСАБ ОК-46. Их производительность довольно хорошая. Например, показатель временного сопротивления составляет 400 МПа. В этом случае трещины на швах легко снимутся. Однако такие электроды не подходят для работы с переменным током.Их покрытие выполнено из целлюлозы. Для работы на трубопроводе данная модель тоже не подходит. Максимальное напряжение при прямой полярности будет не выше 75 В. Большой тычок по электродам не повредит. Вы можете купить их упаковками по двадцать и тридцать штук. Их средняя стоимость – 500 рублей.

Электроды ОК-46 получили сертификат Национальной академии контроля и сварки.

Модель ОК-46 2,5 мм

Модель предназначена для наплавки металлов. Его параметры аналогичны описанной выше модели.В этом случае покрытие должно быть целлюлозным. Максимальное напряжение при прямой полярности не выше 55 В. Отметка временного сопротивления достигает уровня 40 МПа. Если вы доверяете отзывам покупателей, эти электроды идеально подходят для работы с нержавеющей и углеродистой сталью. Стоимость наплавленного металла невысока. Для непрерывной сварки модель не подходит.

Также важно подчеркнуть, что электроды ОК-46 характеризуются небольшим отклонением номинального напряжения.Прислушиваясь к отзывам владельцев, можно заметить, что электроды имеют умеренную чувствительность к ржавчине. Минимально возможный угол наклона электрода – 36 градусов. Модификация показывает довольно высокую чувствительность к различным загрязнениям. Приобрести электродные катоды ОК-46 можно только упаковками по 50 штук в каждой. Их средняя стоимость на рынке около 750 рублей.

Электроды ОК-46 3мм

Упомянутые электроды ОК-46 (их гос. Номер 9466-75) являются бюджетным вариантом модификации электродов.Они очень вязкие. Во многом это стало возможным благодаря использованию рутилового покрытия. Сравнительное удлинение бренда находится на уровне 20%. Временное сопротивление не более 45 МПа. По отзывам покупателей модель подходит для работы с трубопроводом. С металлоконструкциями разной формы проблемы тоже редки. Этот бренд продается в упаковках по 15 или 40 шт. Цены на аналогичные товары варьируются от 450 до 600 рублей.

Применение электродов марки ОК-46 4 мм

Элементы ОК-46 отличаются прежде всего качественным покрытием.Бренд часто используется для работы на трубопроводах. Индекс временного сопротивления сравнивается не выше 55 МПа. Внушительный диаметр электродов позволяет проводить сложные манипуляции с наплавкой металла. Восприимчивость к краям бренда низкая. Если вы доверяете пользователям, отходы наплавленного металла находятся в пределах нормы. Однако отрицательные черты все же присутствуют:

• В основном сварщики жалуются на подверженность ржавчине.
• Перед использованием сетевых элементов их рабочую поверхность необходимо длительно очистить.
• Модель не может работать с переменным напряжением.
• Минимально возможный угол наклона 35 градусов.
• Ударная вязкость указанной марки находится на уровне 77 Дж.

Приобрести Сетевые Элементы ОК-46 можно в специализированных мономагазинах по цене 650 руб.

Модель ОК-46 5 мм

Представленная модель 5 мм продается с целлюлозой. По словам владельцев, он идеально подходит для наплавки металла.Его максимальное напряжение при обратной полярности не превышает 12 В. Данную марку нельзя использовать для сварки короткой дугой. Максимально допустимый угол наклона составляет 75 градусов. Показатель временного сопротивления находится в районе 300 МПа. Покрытие поверхности изначально имеет небольшую толщину. К тому же расход у представленной модели не очень высокий. Пользователи могут приобрести сетевые элементы ОК-46 5 мм по цене от 650 рублей.

Марка Abicor Binzel

Эти элементы, применяемые для наплавки металлов, очень популярны у современных пользователей.Это объясняется следующими преимуществами:

• Идеально подходит для дуговой сварки.
• Имеют низкую чувствительность к ржавчине.
• Степень временного сопротивления не превышает 33 МПа.
• Наименьший допустимый угол наклона составляет примерно 35 градусов.

Если отметить минусы данной продукции, то сварщики, как правило, наблюдают внушительный уровень затрат на наплавленный металл.

Также марка не подходит для марки потолочного шва.Максимальное напряжение при обратной полярности не превышает 9 В. Коэффициент наплавки таких изделий не более 8 г. Приобрести продукцию Abicor Binzel можно в специализированном магазине за 570-600 рублей.

Аскайнак Недвижимость

Бренд Power Elements Аскайнак отличается низкой чувствительностью к различным загрязнениям. Соответственно, можно особенно тщательно подготовить рабочую поверхность. Марка подходит для дуговой сварки. Для этой марки покрытие выполнено из целлюлозы.Показатель временного сопротивления варьируется от 300 до 340 МПа. По словам сварщиков, шов остается аккуратным или даже почти незаметным. Относительное удлинение модели Аскайнак составляет около 25%. Следует отметить, что он чувствителен к утечке шлака. Также у этих продуктов проблемы с распространением металлической спреи.

Аскайнак однозначно не подходит для углеродистой стали. В магазинах стоит в районе от 800-1400 руб.

Применение электродов Линкольна

Эти изделия можно использовать как для работы с трубопроводом, так и с кромками.Также их часто используют для электросварки металлоконструкций. Максимальное напряжение марки при обратной полярности находится на отметке 22 В . Временное сопротивление изделия не превышает 360 МПа. В этом случае минимально допустимый угол наклона составляет 23 градуса .

Для наплавки металла модель применяется довольно часто. Шов после использования получается довольно аккуратным. По отзывам пользователей-сварщиков, у бренда значительный расход. Восприимчивость к ржавчине в этом случае невелика.Также представленная модель не боится протекания шлака.