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La voltamperometría cíclica, o CV, es una técnica utilizada para estudiar una amplia gama de propiedades electroquímicas de un analito o sistema.
Los experimentos de voltamperometría se realizan aplicando un barrido de potencial a un sistema electroquímico y luego midiendo la corriente resultante. El gráfico resultante del potencial aplicado frente a la corriente se denomina voltampograma.
La voltamperometría cíclica se ejecuta de la misma manera, excepto que después de que un barrido de potencial lineal alcanza el valor establecido, luego se incrementa en la dirección opuesta de regreso al potencial inicial. La forma del voltamperrama, específicamente los picos y las ubicaciones de los picos, proporciona información clave sobre las propiedades del analito, como los potenciales de oxidación-reducción o redox.
Este video demostrará cómo configurar, ejecutar e interpretar experimentos de voltamperometría cíclica en el laboratorio.
La voltamperometría cíclica se realiza normalmente en una celda de tres electrodos. En primer lugar, el electrodo de trabajo es donde tiene lugar la reacción de interés. Los electrodos de trabajo suelen estar hechos de materiales inertes, como el oro, el platino o el carbono.
A continuación, el contraelectrodo se utiliza para cerrar el circuito de corriente en la celda. También está compuesto por materiales inertes, con mayor frecuencia un alambre de platino. Por último, el electrodo de referencia se utiliza como punto de referencia para el sistema, ya que tiene un potencial estable y bien conocido. Por lo tanto, el potencial aplicado se informa frente al potencial de referencia.
La célula contiene el analito, que se disuelve en un disolvente. El disolvente no puede reaccionar con el analito y no puede ser redox activo dentro de la ventana de exploración deseada. En la mayoría de los experimentos, se utiliza un electrolito de soporte para minimizar la resistencia de la solución. El electrolito suele ser una solución salina, ya que tiene una alta fuerza iónica y conductividad.
Para ejecutar una prueba electroquímica en una celda de tres electrodos, se induce el flujo de corriente entre los electrodos de trabajo y los contraelectrodos. El potencial aplicado se controla manipulando la polarización del contraelectrodo. Sin embargo, el potencial se mide entre el electrodo de trabajo y el potencial estable conocido del electrodo de referencia. Posteriormente, el potencial se ajusta para mantener una diferencia de potencial especificada entre los electrodos de trabajo y los de referencia.
En un experimento de CV, el potencial se incrementa linealmente hasta el potencial de "conmutación", y luego se invierte de nuevo al potencial inicial, haciendo así un barrido "cíclico". Los límites potenciales se denominan ventana de escaneo. El voltammograma resultante muestra las características correspondientes a los eventos redox en el sistema.
Para un evento redox de un solo electrón, el barrido de potencial directo da como resultado un pico catódico. En este "potencial pico catódico", el analito se reduce, lo que significa que se ganan electrones. El barrido inverso provoca un pico anódico, donde se produce la oxidación. En este "potencial pico anódico", los electrones se desprenden de los productos formados en el barrido hacia adelante. Las formas de estos picos dependen en gran medida de la concentración del analito, la velocidad de escaneo y las condiciones experimentales.
Ahora que se han explicado los conceptos básicos de la voltamperometría cíclica, echemos un vistazo a cómo realizar una exploración CV en el laboratorio.
Para comenzar el procedimiento, prepare 10 ml de una solución madre de electrolitos. Agregue la solución de electrolito a una celda electroquímica. Agregue una barra de agitación pequeña, coloque la celda en una placa de agitación y cúbrala.
Revuelva y desgasifique la solución con un chorro suave de gas nitrógeno. Esto elimina el oxígeno, que es redox activo. Antes de usar, enjuague el electrodo de referencia con el solvente y séquelo con una toallita Kimwipe. A continuación, limpie suavemente los electrodos de trabajo y los contraelectrodos de acuerdo con las directrices de los fabricantes.
Mientras la solución se desgasifica, inserte los tres electrodos en la parte superior de la celda de teflón. Conecte los electrodos a los cables apropiados de la configuración.
Obtenga un escaneo en segundo plano para verificar que la solución no es electroquímicamente activa en el rango de la ventana de escaneo. A partir de la exploración resultante, verifique que no haya impurezas ni oxígeno restante. Si hay eventos redox, limpie los electrodos y la cristalería, y vuelva a hacer la solución.
Combine el analito de interés con la solución de electrolito. Revuelva y desgasifique la solución con un chorro de nitrógeno seco para eliminar el oxígeno. Realice múltiples experimentos de voltampograma cíclico a múltiples velocidades de escaneo, dependiendo de las capacidades del sistema. Comience cada escaneo en el potencial de circuito abierto, el valor donde no fluye corriente.
Varíe metódicamente la ventana de escaneo para aislar los eventos redox de interés. Varíe la dirección del escaneo para asegurarse de que no afecte a los eventos. Realice este paso a varias velocidades de escaneo. Una vez que se hayan recogido todas las exploraciones, desenganche y retire cada electrodo de la celda. Enjuague el electrodo de referencia y séquelo con una toallita Kim. Guárdelo en la solución de almacenamiento de electrodos. Limpie suavemente los electrodos de trabajo y los contraelectrodos antes de almacenarlos y enjuague la celda de electrodos.
Se analizan los voltamperogramas cíclicos resultantes y se anotan los datos potenciales y actuales de los eventos de reducción y oxidación en cada configuración experimental.
La CV se puede utilizar para determinar si las reacciones redox son reversibles o irreversibles. En un sistema reversible, se produce tanto la reducción como la oxidación, produciendo picos respectivos. Además, la relación entre la corriente catódica y la corriente anódica debe ser aproximadamente 1. Por último, en un sistema reversible, el potencial de pico medio no se ve afectado por la velocidad de exploración potencial.
En un sistema irreversible, no hay pico inverso. Además, la corriente máxima debe ser proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad de escaneo.
Muchos campos de estudio que utilizan especies electroactivas se benefician de los experimentos con CV.
La dopamina es un neurotransmisor largamente estudiado, conocido por su importancia en el abuso de drogas, enfermedades psiquiátricas y trastornos degenerativos. La capacidad de examinar la liberación de dopamina en tiempo real ha sido un objetivo para la neurociencia. En este ejemplo, la oxidación de la dopamina en el cerebro se mide con microelectrodos, utilizando CV. Se aplicaron varios agentes farmacológicos a la región cerebral de interés para probar su efecto en la liberación de dopamina.
La capacidad de las prótesis de registro neuronal disminuye con el tiempo posterior a la implantación. En este ejemplo, se utilizó CV para controlar la eficacia de un implante.
El material y la rugosidad del electrodo, así como el tejido circundante, influyeron en la forma de la curva. Una alta capacidad de carga alta, determinada por el área de la curva, indicaba una configuración que funcionaba bien. Se utilizó un breve pulso de voltaje para rejuvenecer el implante.
Los sistemas bioelectroquímicos microbianos son un campo de estudio en crecimiento con aplicaciones como la biorremediación.
Ciertas bacterias son electroquímicamente activas, particularmente cuando se ensamblan en capas sobre una superficie, llamadas biopelículas. Estas células se cultivaron en un biorreactor y se controlaron electroquímicamente. A medida que las células crecían en el biorreactor, se utilizó la voltamperometría cíclica para controlar la corriente generada por las células, determinando así cuándo se agotaban los reactivos.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la voltamperometría cíclica. Ahora deberías entender cómo ejecutar e interpretar un escaneo de CV.
¡Gracias por mirar!
