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Die zyklische Voltammetrie (CV) ist eine Technik, mit der eine Vielzahl elektrochemischer Eigenschaften eines Analyten oder Systems untersucht werden kann.
Voltammetrie-Experimente werden durchgeführt, indem ein Potentialsweep an ein elektrochemisches System angelegt und dann der resultierende Strom gemessen wird. Das resultierende Diagramm des angelegten Potentials im Vergleich zum Strom wird als Voltammogramm bezeichnet.
Die zyklische Voltammetrie wird auf die gleiche Weise ausgeführt, mit dem Unterschied, dass ein linearer Potentialsweep nach Erreichen des Sollwerts in die entgegengesetzte Richtung wieder auf das Anfangspotential zurückgeschraubt wird. Die Form des Voltammogramms, insbesondere die Peaks und Peak-Positionen, geben wichtige Einblicke in die Eigenschaften des Analyten, wie z. B. Oxidations-Reduktion oder Redoxpotentiale.
In diesem Video wird gezeigt, wie zyklische Voltammetrie-Experimente im Labor aufgebaut, durchgeführt und interpretiert werden.
Die zyklische Voltammetrie wird typischerweise in einer Drei-Elektroden-Zelle durchgeführt. Erstens ist die Arbeitselektrode der Ort, an dem die interessierende Reaktion stattfindet. Arbeitselektroden bestehen oft aus inerten Materialien wie Gold, Platin oder Kohlenstoff.
Als nächstes wird die Gegenelektrode verwendet, um den Stromkreis in der Zelle zu schließen. Es besteht auch aus inerten Materialien, am häufigsten aus einem Platindraht. Schließlich wird die Referenzelektrode als Bezugspunkt für das System verwendet, da sie ein stabiles und bekanntes Potential aufweist. Somit wird das angelegte Potential gegenüber dem Referenzpotential angegeben.
Die Zelle enthält den Analyten, der in einem Lösungsmittel gelöst ist. Das Lösungsmittel kann nicht mit dem Analyten reagieren und darf innerhalb des gewünschten Scanfensters nicht redoxaktiv sein. In den meisten Experimenten wird ein unterstützender Elektrolyt verwendet, um den Lösungswiderstand zu minimieren. Der Elektrolyt ist oft eine Salzlösung, da er eine hohe Ionenstärke und Leitfähigkeit aufweist.
Um einen elektrochemischen Test in einer Drei-Elektroden-Zelle durchzuführen, wird ein Stromfluss zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode induziert. Das angelegte Potential wird durch Manipulation der Polarisation der Gegenelektrode gesteuert. Das Potential wird jedoch zwischen der Arbeitselektrode und dem bekannten stabilen Potential der Referenzelektrode gemessen. Das Potential wird anschließend so eingestellt, dass eine spezifizierte Potentialdifferenz zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode eingehalten wird.
In einem CV-Experiment wird das Potential linear auf das "Schaltpotential" hochgefahren und dann wieder auf das Startpotential zurückgesetzt, wodurch ein "zyklischer" Sweep ausgeführt wird. Die potentiellen Grenzwerte werden als Scan-Fenster bezeichnet. Das resultierende Voltammogramm zeigt Merkmale, die Redoxereignissen im System entsprechen.
Für ein Redoxereignis mit einem einzelnen Elektron führt der Durchwärtspotentialsweep zu einem kathodischen Peak. Bei diesem "kathodischen Spitzenpotential" wird der Analyt reduziert, was bedeutet, dass Elektronen gewonnen werden. Der Reverse Sweep verursacht einen anodischen Peak, bei dem eine Oxidation stattfindet. Bei diesem "anodischen Spitzenpotential" werden Elektronen von den Produkten abgestreift, die im Vorwärtsschwung gebildet werden. Die Formen dieser Peaks hängen stark von der Analytkonzentration, der Scanrate und den experimentellen Bedingungen ab.
Nachdem nun die Grundlagen der zyklischen Voltammetrie erläutert wurden, werfen wir einen Blick darauf, wie man einen CV-Scan im Labor durchführt.
Bereiten Sie zu Beginn des Verfahrens 10 ml einer Elektrolyt-Stammlösung vor. Geben Sie die Elektrolytlösung in eine elektrochemische Zelle. Fügen Sie einen kleinen Rührstab hinzu, legen Sie die Zelle auf eine Rührplatte und verschließen Sie sie.
Rühren Sie die Lösung um und entgasen Sie sie mit einem sanften Strom Stickstoffgas. Dadurch wird Sauerstoff entfernt, der redoxaktiv ist. Spülen Sie die Referenzelektrode vor der Verwendung mit dem Lösungsmittel und trocknen Sie sie mit einem Kimwipe ab. Reinigen Sie anschließend vorsichtig die Arbeits- und Gegenelektroden gemäß den Richtlinien der Hersteller.
Während die Lösung entgaset, führen Sie die drei Elektroden in die Oberseite der Teflonzelle ein. Verbinden Sie die Elektroden mit den entsprechenden Leitungen des Setups.
Führen Sie einen Hintergrundscan durch, um sicherzustellen, dass die Lösung über den Bereich des Scanfensters nicht elektrochemisch aktiv ist. Stellen Sie beim resultierenden Scan sicher, dass keine Verunreinigungen oder Sauerstoffreste vorhanden sind. Wenn Redoxereignisse vorhanden sind, reinigen Sie die Elektroden und Glaswaren und stellen Sie die Lösung neu her.
Kombinieren Sie den interessierenden Analyten mit der Elektrolytlösung. Rühren Sie die Lösung um und entgasen Sie sie mit einem trockenen Stickstoffstrom, um Sauerstoff zu entfernen. Führen Sie je nach Systemfunktionen mehrere zyklische Voltammogramm-Experimente mit mehreren Abtastraten durch. Beginnen Sie jeden Scan mit dem Leerlaufpotential, dem Wert, bei dem kein Strom fließt.
Variieren Sie das Scan-Fenster methodisch, um relevante Redoxereignisse zu isolieren. Variieren Sie die Scanrichtung, um sicherzustellen, dass sie sich nicht auf die Ereignisse auswirkt. Führen Sie diesen Schritt mit mehreren Scangeschwindigkeiten aus. Sobald alle Scans gesammelt wurden, lösen Sie jede Elektrode und entfernen Sie sie aus der Zelle. Spülen Sie die Referenzelektrode aus und trocknen Sie sie mit einem Kim-Tuch ab. Bewahren Sie es in der Elektrodenaufbewahrungslösung auf. Reinigen Sie die Arbeits- und Gegenelektroden vor der Lagerung vorsichtig und spülen Sie die Elektrodenzelle aus.
Die resultierenden zyklischen Voltammogramme werden analysiert und die Potential- und Stromdaten sowohl für Reduktions- als auch für Oxidationsereignisse unter jedem Versuchsaufbau notiert.
Mit der CV kann bestimmt werden, ob Redoxreaktionen reversibel oder irreversibel sind. In einem reversiblen System findet sowohl die Reduktion als auch die Oxidation statt, wobei die jeweiligen Peaks entstehen. Zusätzlich sollte das Verhältnis des kathodischen Stroms zum anodischen Strom ungefähr 1 betragen. In einem reversiblen System wird das mittlere Spitzenpotenzial nicht von der potenziellen Abtastrate beeinflusst.
In einem irreversiblen System gibt es keinen Reverse Peak. Außerdem sollte der Spitzenstrom proportional zur Quadratwurzel der Abtastrate sein.
Viele Studienbereiche, die elektroaktive Spezies verwenden, profitieren von CV-Experimenten.
Dopamin ist ein seit langem untersuchter Neurotransmitter, der für seine Bedeutung bei Drogenmissbrauch, psychiatrischen Erkrankungen und degenerativen Erkrankungen bekannt ist. Die Fähigkeit, die Freisetzung von Dopamin in Echtzeit zu untersuchen, war ein Ziel der Neurowissenschaften. In diesem Beispiel wird die Oxidation von Dopamin im Gehirn mit Mikroelektroden unter Verwendung von CV gemessen. Verschiedene pharmakologische Wirkstoffe wurden auf die interessierende Hirnregion angewendet, um ihre Wirkung auf die Dopaminfreisetzung zu testen.
Die Fähigkeit der neuronalen Aufzeichnung von Prothesen nimmt mit der Zeit nach der Implantation ab. In diesem Beispiel wurde CV verwendet, um die Wirksamkeit eines Implantats zu überwachen.
Das Elektrodenmaterial und die Rauheit sowie das umgebende Gewebe beeinflussten die Form der Kurve. Eine hohe Ladungstragfähigkeit, bestimmt durch die Fläche der Kurve, deutete auf einen gut funktionierenden Aufbau hin. Mit einem kurzen Spannungsimpuls wurde das Implantat verjüngt.
Mikrobielle bioelektrochemische Systeme sind ein wachsendes Forschungsgebiet mit Anwendungen wie der Bioremediation.
Bestimmte Bakterien sind elektrochemisch aktiv, insbesondere wenn sie in Schichten auf einer Oberfläche angeordnet sind, die als Biofilme bezeichnet werden. Diese Zellen wurden in einem Bioreaktor gezüchtet und elektrochemisch kontrolliert. Während die Zellen im Bioreaktor wuchsen, wurde die zyklische Voltammetrie verwendet, um den von den Zellen erzeugten Strom zu überwachen und so zu bestimmen, wann die Reaktanten erschöpft waren.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die zyklische Voltammetrie gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie man einen CV-Scan durchführt und interpretiert.
Danke fürs Zuschauen!
