Přednáška 4_10

Voltametrické
Voltametrické metody II
Nestacioná
Nestacionární
rní voltametrické
voltametrické
techniky
potenciál
Chronoamperometrie
E2
Cottrellova rovnice:
I=
E1
z – počet elektronů
A – povrch elektrody
c – koncentrace
D – difúzní koeficient
zFAc D
πt
proud
0
pro sférickou elektrodu:
I=
zFAc D
čas
0
πt
+
zFAcD
r0
r0 – poloměr elektrody
koncentrace
c
Využití: • měření povrchu elektrod
• měření difúzních koeficientů
• studium mechanismu
elektrodových dějů
rostoucí čas
0
vzdálenost
Lineární a cyklická voltametrie
A. Voltametrie s lineární změnou napětí - lineární voltametrie
Reverzibilní děj:
Ep = E1/2 ± 0,0282/z
potenciál
(Linear Sweep Voltammetry - LSV)
Randless-Ševčíkova rovnice:
E0'
Ip = 2,69⋅105 z3/2 A D1/2 ν1/2 c
(reverzibilní reakce)
Ep – Ep/2 = 2(Ep – E1/2)
čas
(25 oC)
Ip = 2,99⋅105 z(αzα)1/2 A D1/2 ν1/2 c
proud
= 0,0565/z
(ireverzibilní reakce)
pro (25 oC), A [cm2], c [mol cm-3], ν [V s-1], I [A]
z(E-E0') mV
Ep
vzdálenost
proud
koncentrace
Ep
rostoucí
rychlost
polarizace
Ireverzibilní děj:
Ep − Ep / 2 = ±
0,0477
α zα
Využití: studium mechanismu elektrodových
reakcí
stacionární křivka
E-E0' / V
1
Ep,c
ν = 0,01 – 2 V s-1
proud
potenciál
B. Cyklická voltametrie (CV)
Eλ
Ox + ze → Red
Ip,c
Eλ
Ei
Ip,a
λ
E-E0' / V
čas
Red → Ox + ze
Ep,a
Využití: • Studium průběhu elektrodové
reakce – posouzení reverzibility:
• výpočet α a k0' ze závislosti ∆Ep = f (ν)
Kriteria reverzibility redoxního
systému Ox + ne → Red
1.
• Studium reakčních mechanismů –
kvalitativní diagnostika chemických
reakcí předcházejících (CE) nebo
následujících (EC) redoxní proces či
probíhajících mezi reakcemi přenosu
náboje (ECE)
Ip,c = Ip,a
Ip je přímo úměrný ν
Ep,c , Ep,a nezávisí na rychlosti
polarizace ν
∆Ep = Ep,a - Ep,c = 59/z (mV)
Eº' = (Ep,a + Ep,c) / 2
1/2
2.
3.
4.
5.
Příklad využití CV ke studiu produktů elektrochemické reakce:
1000
I
Cyklický voltamogram prometrynu
(c = 1·10-4 mol l-1) v 0,05M-H2SO4;
proud / nA
800
rychlost polarizace ν = 100 mV s-1.
(
) první cyklus, (
) druhý
cyklus.
Redoxní pár II a III odpovídá reakci
odštěpeného CH3SH se rtutí (II) a
redukci vzniklé málo disociované
sločeniny (III).
600
400
III
200
0
II
-200
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000 -1200
potenciál / mV
Schéma redukce
s-triazinů
na rtuťových
elektrodách:
SCH 3
H
H
H
N
N
+
R1HN
N
N
2e + 2H+
- CH3SH
NHR 2
N
N+
2e + 2H+
N
+
N
R1HN
H
H
NHR 2
R1HN
N
NHR 2
H
• Studium adsorpčních procesů
Pro čistě adsorpční děj:
Ip (ads ) =
Γ0 =
z 2F 2
AΓ 0ν
4RT
Q
zFA
Γ0 – pokrytí povrchu
elektrody (mol cm-2)
sledování tvorby povlaků modifikovaných elektrod
posouzení podílu difúzního a adsorpčního děje:
log Ip(dif) = log K + 0,5 log ν
log Ip(ads) = log K' + log ν
Opakovaný cyklický voltamogram
riboflavinu (1·10-6mol/l) v 0,001M-NaOH
• Kvantitativní analýza
- proud píku je přímo úměrný koncentraci analytu
- detekční limit ~ 1·10-5 mol l-1 (velký příspěvek nabíjecího proudu zvláště při
rychlých scanech, neboť Ic ∝ ν )
Příklad použití: in-vivo monitoring neurotransmiterů (dopamin, serotonin) v mozku
technikou fast-scan CV (1000 V/s) – sledování dynamických změn koncentrací
neurotransmiterů v extracelulárním prostředí.
2
povrch
elektrody
Pulzní voltametrické metody
Eliminace kapacitního proudu:
Ic =
potenciál
τ
čas
tp – doba trvání pulzu
E2 – E1 = ∆E – amplituda pulzu
R – odpor elektrodového systému
C – kapacita elektrody v daném prostředí
E2
tp
E1
 tp 
E 2 − E1

exp  −

R
 RC 
čas
proud
faradayický kapacitní celkový
Za dobu t = 5RC (cca 20 ms pro ∆E< 100 mV)
klesne Ic na 0,7% původní hodnoty.
tm
Faradaická složka proudu:
Id = k t -1/2 ⇒ klesá s časem pomaleji než Ic
Při odečtu proudu v časovém intervalu tm
před koncem pulzu se měřený proud
prakticky rovná Id.
čas
proud
potenciál
A. Normální pulzní polarografie / voltametrie (NPP / NPV)
tm
Ilim
Ei
tp
čas
τ
E1/2 potenciál
Ei
doba napěťového pulzu tp : 40 -100 ms před koncem kapky
interval vzorkování proudu tm : 5 -20 ms před koncem pulzu
Ilim = zFAD1/2 (π tp)–1/2c
Analytické využití: jako u DC polarografie (voltametrie), 6-7-krát
citlivější. Měření na tuhých elektrodách.
Detekční limit ~10-7 mol l-1.
proud, I2 – I1
potenciál
B. Diferenční pulzní polarografie / voltametrie (DPP / DPV)
měření
proudu I2
měření
proudu I1
Ip
W1/ 2
tp: 50 -100 ms před
koncem kapky
tm: 10 -20 ms před
pulzem a před koncem
pulzu
tp
čas
τ
E p = E1 / 2
∆E: 10 – 100 mV
RT
= 3,52
zF
Ep
potenciál
∆E
m
2
∆E zF
 σ − 1

 , kde σ = exp
2 RT
 σ + 1
z 2F 2
D
Pro (∆E / 2) < (RT / zF): ∆Ip =
A c ∆E
4RT
π tp
D
∆Ip = z F A c
π tp
Analytické využití: stanovení stopových množství
elektroaktivních i elektroinaktivních látek (tenzametrie),
indikační krok v ERA. Měření v méně vodivých
prostředích. Detekční limit ~ 10-8 mol l-1.
dE/dt : 0,5 – 2 mV s-1
τ:1–2s
Fast scan DPV (FSDPV)
na SMDE
tp: 50 -100 ms / interval
mezi pulzy: 50 -100 ms
tm: jako u DPP
dE/dt : obvykle 20 mV s-1
3
Porovnání citlivosti NPP a DPP:
Porovnání citlivosti DPP a DC:
proud →
proud →
1·10-5M-chloramfenikol
proud →
potenciál →
potenciál →
Polarogramy směsi iontů Cd2+ a Pb2+
(1 mg l-1) v 0,1M-HNO3.
A – NP polarogram
B – DP polarogram
potenciál →
C. Square wave polarografie / voltametrie (SWP / SWV)
∆E
p
potenciál
∆I = I2 - I1
proud, I2 – I1
+
ESW
měření
proudu I2
I2
∆E: 2 - 10 mV
ESW < 50 mV
frekvence pravoúhlého
napěťového pulzu f:
50 – 500 Hz
I1
měření
proudu I1
SMDE, HMDE
potenciál
dE/dt : 0,1 – 2 V s-1
Ip = K z2 ∆E D1/2 c
čas
Analytické využití: stopová analýza (jako DPV).
Výhody: • rychlost analýzy
• analýza na 1 kapce (použití v průtokových
měřeních)
• není nutné odstraňovat kyslík z roztoku
(pokud neinterferuje se sledovanou reakcí)
kde K zahrnuje kromě
parametrů pulzu, doby
vzorkování proudu,
veličin T,R a F také
charakteristiky elektrody
a měřícího přístroje.
Nevýhody: • vyšší koncentrace základního elektrolytu
(vyšší nároky na čistotu použitých chemikálií)
• závislost proudu na reverzibilitě el. reakce
Detekční limit ~10-8 mol l-1.
potenciál
střídavý proud
AC polarografie / voltametrie (alternating current)
Ip
čas
Typické parametry:
amplituda střídavého
napětí ∆E: 5 - 50 mV
frekvence střídavého
napětí f: 60 – 200 Hz
(ω = 2πf)
Ep potenciál
Pro reverzibilní systém:
Ip =
z 2F 2
A∆E (ωD )1 / 2 c
4RT
Ep = E1/2 ± ∆E/2
W1/ 2 = 3,52
RT
zF
Využití: • studium kinetiky elektrodových a
adsorpčních jevů;
• stanovení povrchově aktivních látek.
Detekční limit ~ 5·10-7 mol l-1 (pro reverzibilní systémy).
Potlačení kapacitního proudu:
1. fázově citlivým usměrněním
střídavého proudu
(faradaická složka střídavého
proudu je proti vloženému
potenciálu fázově posunutá o
π/4, zatímco kapacitní složka
o π/2);
2. měřením druhé harmonické
složky střídavého proudu
(frekvence 2f).
4
Příklad využití AC polarografie ke stanovení povrchově aktivních látek
– tenzametrie:
Ic
Ic
Potenciálová oblast
adsorpce
Koncentrační závislost kapacitního
proudu:
1 – základní elektrolyt;
2 až 5 – přídavky tenzidu
Elektrochemická rozpouštěcí (stripping) analýza (ERA)
1.krok – nakoncentrování analytu předběžnou elektrolýzou na elektrodě
2.krok – rozpouštění nakoncentrovaného analytu z elektrody
A. Anodická stripping voltametrie (ASV)
• nahromadění látky ve formě amalgámu (Cu, Cd, Zn, Pb, atd.) nebo kovového
filmu (Ag, Au, Hg na Pt-elektrodě, Hg a jiné kovy na zlaté nebo uhlíkové
elektrodě)
• rozpouštění (reoxidace) anodickou polarizací - DPV, SWV, DCV.
Cd2+→ Cd
katodický
proud
Edep
Ip(Cd)
rozpouštění
Estop
Edep
Estop
anodický
proud
potenciál
doba
předběžné
elektrolýzy
Pb2+→ Pb
Pb → Pb2+
čas
potenciál (mV)
Příklad DPASV-stanovení iontů
Cd2+ v octanovém pufru (pH 4,5)
na HMDE metodou standardního
přídavku (Eac= -800 mV vs.
Ag/AgCl, tac = 30 + 10 s):
přídavek Cd2+ (µ
µg)
Ip (nA)
0 (vzorek)
16,29
0,25
35,48
0,50
53,98
0,75
74,36
1,00
93,40
Výsledek stanovení: bylo nalezeno
0,208 µg Cd2+ v 1 ml vzorku, tj.
10,4 µg Cd2+ v 50 ml vzorku.
-400
-40
-500
-600
-700
-800
z.e.
-20
0
vzorek
20
proud (nA)
Objem vzorku: 50 ml
Alikvotní podíl: 1 ml
Měřený objem: 10 ml
Koncentrace standardu: 250 mg/l
Objem přídavku: 1 µl
Cd → Cd2+
Ip(Pb)
1. až 4. přídavek
standardu
40
60
80
Cd → Cd2+ + 2e-
100
100
Ip
(nA)
80
60
40
0,208 µg
20
I = 77,24·c + 16,082
0
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
koncentrace přídavku (µg/10ml)
5
B. Potenciometrická stripping analýza (PSA)
1. krok (nahromadění látky) – stejný jako u ASV.
2. krok (rozpouštění) – oxidace redukovaného analytu oxidačním činidlem
(O2, Hg2+) v roztoku nebo konstantním proudem.
Stripping potenciogram roztoku obsahujícího cín, kadmium a
olovo (c = 100 µg l-1). Doba akumulace: 80 s, potenciál
akumulace: -1,4 V.
1.krok – nahromadění analytu elektrolýzou na elektrodě
−
+
prac
(K)
pom
(A)
ref
2.krok – rozpouštění analytu z elektrody
+
−
napětí
I = konst
τ = kc
čas
E
dt
dE
E
τ
t
dt
dE
přechodový čas
Hmotnost analytu:
rozpouštěcí proud
m=
τIM
E
molární hmotnost
analytu
zF
počet elektronů
Faradayova konstanta
6
Výhody PSA proti ASV:
ASV
• neodstraňuje se rozpuštěný kyslík
• lepší rozlišení (lze analyzovat látky přítomné ve velmi
rozdílných koncentracích)
• experimentální i technická jednoduchost
Nevýhody:
Nevýhody
• nižší detekční limit ⇒ delší doba akumulace
Analytické využití: Na Hg elektrodě lze stanovit asi 20
kovů tvořících amalgám (Pb, Sn, Cu, Zn, Cd, Bi, Sb, Tl, Ga,
In, Mn aj).
Na tuhých elektrodách (C, Au) lze stanovit např. Se, Hg, Ag,
Te, As.
C. Katodická stripping voltametrie (CSV)
• nahromadění látky ve formě nerozpustného povlaku – látky tvořící
nerozpustné sloučeniny s materiálem elektrody (Hg, Ag), který se při vhodném
potenciálu oxiduje:
Hg22+ + 2e
2 Hg
Hg22+ + 2X-
-
Ag + X
AgX + e
Hg2X2
• rozpouštění akumulované málo rozpustné sloučeniny katodickou polarizací:
Hg2X2 + 2 e
2 Hg + 2 X-
AgX + e
Ag + X-
Analytické využití: • stanovení organických látek s funkčními skupinami
–SH, =N-C=S, R-N-, -NH-CO-NH-, -NH-CS-NH-, -NH-NH2 ( thioly, cystein,
S
R
thiazoly, thioamidy, deriváty močoviny a thiomočoviny, flaviny, porfyriny,
deriváty purinu a pyrimidinu).
• stanovení aniontů tvořících málo rozpustné sloučeniny s ionty rtuti
(halogenidy, sulfidy, kyanidy, seleničitany, arzenitany).
D. Adsorptivní stripping voltametrie (AdSV)
• nahromadění povrchově aktivní látky adsorpcí na povrchu elektrody.
• je-li analyt elektrochemicky redukovatelný, rozpouští se katodickou polarizací.
HRs
HRads
+e
R
-
ads +
H+
Analytické využití:
• stanovení povrchově aktivních organických látek (redukovatelných i
elektrochemicky neaktivních - tenzametrie),
• stanovení některých kovových iontů ve formě komplexů (Ni, Co, Fe, Al,
Mn, Zr, Mo, W, U).
E
Mn+ + nL → MLn
MLn → MLn,ads
MLn,ads + ne- →
Mn+ + nL
DPV
DCV
(nebo AC, SW)
Eac
míchání
záznam
klid
tac
t
7
Meze stanovitelnosti voltametrických metod
Metoda
Elektroda
Mez stanovitelnosti
(mol l-1)
DCP
DME
1·10-5
NPP
DME
1·10-7
ACP (fázově usměrněná)
DME
5·10-7
DPP
DME (SMDE)
1·10-8
SWV
SMDE
1·10-8
ERA - DCV
HMDE
1·10-9
ERA - DPV
HMDE
1·10-10
ERA - DCV
MFE (RDE)
1·10-10
ERA - DPV
MFE (RDE)
1·10-11
Oblasti analytického využití voltametrie
DPV, ERA+DPV (DPASV, DPCSV, DPAdSV)
Stanovení anorganických látek
kovy: Pb, Cd, Cu, Mn, Zn, Ga, Cr, Se, Te, As, V, Mo, U
-
-
-
-
2-
anionty: NO3 , NO2 , I , CN , S
• stanovení kovů v galvanickém průmyslu, hornictví a hutnictví
• stanovení kovů v čistých materiálech používaných v elektronice (stopy
Ni ve stříbře, Pb ve zlatě, Te v indiu a galiu) a jaderném průmyslu
(stopy Cd a Cu v U)
• stanovení kovů (TK) v životním prostředí (aerosoly, vody: pitné,
přírodní – rozlišení volných a vázaných kovových iontů, speciace)
• stanovení stop TK v rostlinných a živočišných tkáních, biologických
tekutinách (krev, moč), v potravinách (i dusitany) ⇒ využití v klinické
analýze, zemědělství, potravinářství
• kontrola čistoty ultračistých chemikálií
Stanovení organických látek
elektrochemicky redukovatelné a oxidovatelné látky
látky tvořící nerozpustné nebo komplexní sloučeniny se rtutí
elektrochemicky neaktivní látky (PAL)
• stanovení farmaceutik: vitamíny (C, B2, B12, k. nikotinová, nikotinamid, K1 a
K3), antibiotika (chloramfenikol, tetracykliny, streptomycin, bacitracin,
adriamycin,…), psychofarmaka (1,4 –benzodiazepiny, prednison,…),
chemoterapeutika (Biseptol,…), steroidy
• stanovení malých množství karcinogenních a toxických látek (aromatické
fenoly a aminy, nitrosaminy v potravinách, chlorované bifenyly)
• stanovení pesticidů (deriváty thiomočoviny, nitropesticidy, parathion a
paraoxon, paraquat a diquat, triazinové herbicidy,…)
• stanovení alkaloidů
• stanovení povrchově aktivních látek ve vodách
• sledování neurotransmiterů (studium aktivity mozku u krys – oxidace
noradrenalinu na uhlíkových elektrodách)
• studium nukleových kyselin
8
Voltametrická instrumentace
Pomocná
elektroda
Cela
Pracovní
elektroda
Potenciostat
Referentní
elektroda
Počítač
Proudový
zesilovač
PAR
Voltametrický
analyzátor řízený
počítačem
EkoTribo
EkoTribo
Metrohm
433-A Polarographic Trace
Analyser (Amel, Milano)
BAS – Hg elektroda s
kontrolovaným růstem kapky
(Bioanalytical Systems
(West Lafayette, USA)
9
Voltametrické
Voltametrické metody III
Pracovní
Pracovní elektrody
Elektrody
elektrodový povrch
A. Rtuťové elektrody – kapající rtuťová elektroda DME, statická
rtuťová kapková elektroda SMDE, visící rtuťová kapková elektroda
HMDE
DME
odtržení
kapky
rezervoár
pohyblivé
jádro
rtuť
solenoid
vratná
pružina
čas
SDME
odtržení kapky
uzávěr
kapiláry
kapilára
čas
doby kapky
jehlový uzávěr
kapiláry
rtuť
Rtuťová filmová elektroda (MFE) – vrstvička rtuti na vhodném nosiči
(skelný uhlík, grafit impregnovaný voskem nebo epoxidovou pryskyřicí,
uhlíková pasta) vyloučená elektrolyticky z roztoku rtuťnaté soli.
Rtuťový film na skelném uhlíku
Použití MFE: ultrastopová analýza
těžkých kovů (ASV)
Stripping voltamogramy Cu2+, Pb2+,
In3+ a Cd2+ (c=2·10-7mol l-1) na MFE
(A) a HMDE (B)
10
B. Tuhé elektrody – všechny elektrody jiné než rtuťové
Charakteristika: nehomogenní povrch, modifikace povrchu během
elektrolýzy (filmy adsorbovaných látek, oxidace / redukce povrchu)
⇒ pokles signálu s časem, horší reprodukovatelnost signálu.
Význam:
• práce v oblasti pozitivních potenciálů
• použití v průtokových detektorech
• mikroelektrody použitelné v biologických objektech a živých
organismech (netoxické)
• modifikace povrchu – zvýšení selektivity stanovení
• netoxické v porovnání s Hg
proud
Základní materiály tuhých elektrod:
1. Platina
7
5
6
1,2
1,0
0,8
potenciál / V vs.SCE
0,4
0,2
2
0
-0,2
1
3
4
Polarizační křivka platinové elektrody v 1M H2SO4.
1 – oblast desorpce vodíku
2 – oblast čistého povrchu Pt
3 – anodická předvlna (oxidace Pt v závislosti na složení roztoku, např. Pt + H2O →
→ PtO + 2H+ + 2e
4 – oxidace rozpouštědla (H2O)
5 – redukce povrchových oxidů
6 – adsorpce vodíku
7 – vývoj plynného vodíku
2. Zlato – proti Pt je méně náchylné k otravě katalytickými jedy.
3. Uhlík – nižší zbytkové proudy než u kovových elektrod, méně
náchylný k oxidaci povrchu, levný
skelný uhlík (neporézní, dobře leštitelný)
kompozitní uhlíkové elektrody:
• uhlíkové pasty – směs práškového uhlíku s vhodnou
hydrofobní, málo těkavou a elektrochemicky inertní kapalinou,
např. parafinovým olejem (Nujolem)
• polymerní kompozity – práškový uhlík v tuhém polymeru
(polyethylén, PVC, epoxidová pryskyřice…)
11
Využitelný potenciálový rozsah elektrod
Pt, 0,1M (C4H9)4NClO4 v CH3CN
Pt, 1M H2SO4
Pt, 1M NaOH
Hg, 1M H2SO4
Hg, 1M NaOH
C, 1M HClO4
C, 0,1M KCl
+2
+1
0
-2
-1
-3
potenciál / V vs. SCE
Čištění elektrodového povrchu
- mechanické čištění broušením a leštěním elektrodového povrchu do
zrcadlového lesku různými brusnými pastami (povrch uhlíkových pastových
elektrod se obnovuje odříznutím vrstvičky pasty);
- chemické čištění namáčením elektrody do různých kyselin (chromsírové,
dusičné);
potenciál / V vs. SCE
- elektrochemické čištění a aktivace opakovanou cyklickou polarizací
elektrody v určitém potenciálovém rozsahu (zpravidla od potenciálu
vylučování kyslíku k potenciálu vylučování vodíku) v roztoku minerální
kyseliny (H2SO4, HClO4).
čistící pulzy
Příklad posloupnosti čistících pulzů
vkládaných na platinovou elektrodu
v kyselém roztoku. Posloupnost
tvoří dvakrát opakovaná
kombinace kladného (1,6 V) a
záporného čistícího (-0,4 V) pulzu,
pulz při němž je z povrchu
desorbován vodík (0,1 V) a pulz
pracovního potenciálu (0,6 V).
1,5
1,0
0,5
1s
desorpce
vodíku
pracovní
potenciál
0
čas
-0,5
jedna měřicí perioda
Rotující disková elektroda (rotating disk electrode, RDE)
3
δ 0 = 3,6
2
ν
ω
Látkový transport k rotující
diskové elektrodě.
koncentrace
c0= c
1
j~(c0- c)/δ
δ < δ0
c0
r(1)
Tok kapaliny v blízkosti
povrchu RDE,
δ 0 - hydrodynamická
(Prandtlova) vrstva.
1 – disková elektroda
2 – izolační obal
3 – kontakty k elektrodám
konvekce
difúze
0
0
δ
vzdálenost od elektrody
Levičova rovnice:
ID = 0,62nFAD 2 / 3ν −1/ 6ω 1/ 2c = K c
kde ν [cm2 s–1] je kinematická viskozita roztoku, A je
plocha disku, ω = 2πf [s–1] je úhlová rychlost RDE
12
Rotující disková elektroda s prstencem (rotating ring-disk electrode,
RRDE)
4
3
2
1
Obě elektrody (disková a prstencová) mohou být
nezávisle na sobě udržovány na různých potenciálech,
takže na každé z nich může probíhat jiná elektrochemická
reakce.
Reakce na disku:
A ± nDe → B
Reakce na prstenci:
B ± nRe → P
N exp =
Koeficient sběrné účinnosti:
nDIR
nR ID
Analytické aplikace RRDE:
r(1)
r(2)
r(3)
1 – disková elektroda
2 – prstencová elektroda
3 – izolační obal (např. PTFE)
4 – kontakty k elektrodám
• titrace v difúzní vrstvě (Na diskové elektrodě se
proudem lineárně rostoucím s časem generuje činidlo,
které reaguje s analytem. Na prstenci se při konstantním
potenciálu toto činidlo deteguje. Registruje se závislost
prstencového proudu na generačním proudu tekoucím
diskem.)
• studium kinetiky elektrodových reakcí
• ERA (anodické rozpouštění se sběrem)
Příklad použití RRDE v ERA:
Analyt se vyloučí elektrolýzou při konstantním potenciálu na disku a rozpouští se
anodickou polarizací disku. Přitom se postupně uvolňují kationty analytu, které
radiální proudění roztoku kolem elektrody částečně dopraví k prstenci. Konstantní
potenciál prstence je nastaven tak, aby se kationty rozpuštěné z disku opět
vyloučily na prstenci. Zaznamenává se prstencový proud, který není (na rozdíl od
diskového) zkreslený nabíjecím proudem.
Prstencový proud: IR = - N ID
diskový proud
(převládá kapacitní složka
nad faradaickou)
prstencový proud
(chybí kapacitní složka)
Voltamogram Cd, Pb a Cu
v mořské vodě zaznamenaný
pomocí RRDE, td = 5 min.,
rychlost rotace 1500 ot/min.,
[Hg2+] = 1,6 ·10-5 mol l-1, DPV
záznam.
Mikroelektrody
elektroda, jejíž charakteristický rozměr je za aktuálních
experimentálních podmínek menší než tloušťka difúzní vrstvy
(geometrické rozměry řádově desítek až jednotek µm)
účinnější difúze (sférická): Ilim =
zFADc
r
detekce ve velmi malých prostorech (využití při měření in vivo ve
tkáních a organismech, v buňkách)
měření v málo vodivých prostředích (úbytek napětí IR na odporu
roztoku je zanedbatelný v důsledku malých proudů řádu nA či pA)
poměr signál/šum roste s klesajícím rozměrem elektrody (Ic je přímo
úměrný ploše elektrody)
potenciál mikroelektrod lze
rychle měnit (rychlosti scanu až
106 V/s) – sledování rychlých
procesů (např. monitoring
stimulovaného uvolňování
neurotransmiterů z buněk)
UHLÍKOVÁ VLÁKNOVÁ
ELEKTRODA
STIMULAČNÍ
PIPETA
TĚLO BUŇKY
13
Tvary mikroelektrod
Plošné mikroelektrody (nevyčnívají z izolantu do roztoku):
diskové
prstencové
páskové
Prostorové (obklopené roztokem z více
stran):
sférické
(kulové či polokulové)
válcové (vláknové)
Mikroskopický snímek
uhlíkové vláknové elektrody
Soubory mikroelektrod
Faradaický proud závisí na geometrické ploše celého souboru, tj. na součtu
ploch elektroaktivních částí i izolantu mezi jednotlivými elektrodami,
kapacitní proud závisí pouze na ploše elektroaktivní.
A
B
C
D
E
F
elektroda
izolant
Základní typy souborů mikroelektrod: periodické soubory
tvořené diskovými (A, B) či páskovými (C) elektrodami
stejných rozměrů, náhodné soubory tvořené diskovými
elektrodami různých rozměrů (D) či elektrodami zcela
obecných tvarů (E), prstové mikroelektrody (F).
rtuťový
kontakt
soubor
mikroelektrod
skleněná
kapilára
Vláknová
mikroelektroda
(detekce
neurotransmiterů
v mozkové tkáni)
kontakty k
elektrodám
izolační
vrstva
kovové či
uhlíkové
vlákno
inertní podložka
Soubor páskových
mikroelektrod (vakuově
napařené elektrody,
potenciál každé z elektrod
může být řízen nezávisle)
Chemicky modifikované elektrody
(Chemically Modified Electrode, CME)
Elektrodový povrch (příp. materiál) se pozmění navázáním specifické
sloučeniny nebo funkční skupiny – modifikátoru, která interaguje
s analytem a ovlivňuje jeho elektrodovou reakci.
Důvody modifikace elektrod:
I.
Prekoncentrace analytu na elektrodovém povrchu (zvýšení
citlivosti)
II.
Elektrokatalýza – urychlení (zprostředkování) reakce, která je
kineticky bržděna na nemodifikovaném povrchu (zvýšení citlivosti)
III.
Selektivní propustnost – omezení průběhu nežádoucích
konkurenčních nebo rušivých reakcí (zvýšení selektivity)
14
Způsoby modifikace elektrod:
A. Pokrytí povrchu tenkou (monomolekulární) vrstvou
nízkomolekulárích látek
adsorpcí (chemisorpcí)
kovalentní vazbou (chemickou
reakcí s povrchovými skupinami)
Pt
uhlíková elektroda
kovová elektroda
B. Pokrytí povrchu polymerním
filmem
Běžné polymerní povlaky:
roztok obsahující modifikátor se
nanese na povrch elektrody a
rozpouštědlo se nechá odpařit
elektropolymerace v roztoku
monomeru
C. Přimícháním modifikátoru
do celého objemu materiálu
elektrody (pastové a
kompozitní elektrody)
I. Prekoncentrující elektrody
Prekoncentrace je neelektrolytická a využívá:
• tvorby komplexu modifikátor – analyt
• elektrostatické interakce modifikátor – analyt
• iontovou výměnu
• extrakci do hydrofobního povlaku
Modifikace:
• in situ – povrchově aktivní ligand je přidán do roztoku
vzorku, vzniklý komplex modifikátor-analyt se váže na
povrch elektrody.
• předběžná v roztoku modifikátoru, po opláchnutí se
elektroda vloží do vzorku k bezproudové akumulaci
analytu, pak se přenese do voltametrické nádobky
k měření. Před dalším měřením je nutné elektrodu
regenerovat (často problém).
• přimícháním modifikátoru do materiálu pastové
elektrody (snadná regenerace elektrodového povrchu).
Akumulace Ru(II)EDTA do
vrstvy poly–(4–vinylpyridinu) na
uhlíkové elektrodě.
15
Příklady prekoncentrujících chemicky modifikovaných CPE:
Analyt
Mez stanovitelnosti
(matrice)
Modifikátor
Au(III)
ditizon
5 . 10-8 mol/l
Ag(I)
2,2´-dithiopyridin
8 . 10-9 mol/l
Hg(II)
1,5-difenylkarbazid
5 . 10-9 mol/l
Cu(I)
neokuproin (2,9-dimethyl –
1,10-fenantrolin)
5 . 10-9 mol/l
Cu(II)
kupron
5 . 10-9 mol/l
Bi(III)
1-(2-pyridylazo)-2-naftol
10-10 mol/l
Prometazin
fosfolipidy, mastné kyseliny
1 . 10-9 mol/l (v pufru)
5 . 10-8 mol/l (v moči)
1 . 10-7 mol/l (v krevním
séru)
Piroxicam
Tenoxicam
kyselina dodekanová
10-10 mol/l (v moči)
II.
Elektrokatalyticky modifikované elektrody
Modifikátor – mediátor elektronového přenosu – urychluje (katalyzuje)
elektrodovou reakci analytu.
ne
Mox
Aox
Mred
Ared
K přenosu náboje dochází mezi mediátorem M
a analytem A. Katalyzátor M je snadno
regenerován rychlou reverzibilní reakcí na
povrchu elektrody.
Výsledky katalyzované reakce: snížení přepětí a zvýšení proudové hustoty.
Příklady analytického využití:
• voltametrické stanovení NADH (Meldolova modř)
• HPLC-amperometrická detekce thiolů (Co-ftalocyanin)
• FIA cukrů (RuO2-CPE)
• enzymové elektrody
III.
Selektivně propustné povlaky
Polymerní film – zabraňuje přístupu rušivých složek matrice
k elektrodovému povrchu na základě:
ELEKTRODA
různé velikosti částic - filmy poly(1,2-diaminobenzenu), polyanilinu,
polyfenolu
Polyanilinový film na uhlíkové elektrodě
Záporně nabitý polymerní film pro
vyloučení interferujících aniontů
různého náboje částic – povlaky Nafionu, hydrofobní bariéry –
fosfolipidy, alkylthioly
kombinace velikosti i náboje – acetát celulózy/Nafion
16
Příklad: Stanovení H2O2 v lidském krevním séru metodou FIA na
elektrodě pokryté poly(1,2-diaminobenzenem).
a – H2O2 (1 mmol l-1)
b – kyselina askorbová (1 mmol l-1)
c – kyselina močová (1 mmol l-1)
d – L-cystein (1 mmol l-1)
e – kontrolní lidské sérum
17