Usando voltametría cíclica, UV-Vis-NIR y EPR Spectroelectrochemistry para analizar compuestos orgánicos
18 de octubre de 2018
En este artículo, describimos electroquímico, resonancia paramagnética electrónica y electroquímicas de ultravioleta-visible e infrarrojo cercano métodos para analizar compuestos orgánicos para su aplicación en electrónica orgánica.
Estos métodos pueden ayudar a identificar el efecto de la estructura molecular de las moléculas orgánicas electroactivas en las generaciones y dinámicas portadoras cargadas, el potencial de desglose, la afinidad de electrones y los valores de gráfico de enlace. Estos métodos son una forma barata y rápida de determinar los parámetros más valiosos para muchos materiales electroactivos, sin la necesidad de construir dispositivos especiales. El método presentado se puede utilizar para analizar todos los tipos de compuestos activos de electrones, como aquellos con bielectrones deslocalizados, incluyendo moléculas pequeñas y grandes cadenas poliméricas.
Para iniciar el procedimiento CV, llene una célula electroquímica limpia con 1,5 mililitros de solución de electrolitos y tape la célula con soporte de electrodo de politetrafluoroetileno. Inserte electrodos auxiliares y de referencia de trabajo en la tapa con los electrodos de trabajo y de referencia lo más cerca posible sin tocar. Asegúrese de que los electrodos estén sumergidos en el electrolito.
A continuación, conecte los electrodos a un potenciostato, teniendo cuidado de no dejar que los conectores se toquen entre sí. Para un análisis de reducción, burbujee el gas inerte a través de la solución durante al menos cinco minutos para eliminar el oxígeno disuelto. A continuación, levante la línea de gas inerte por encima de la solución y deje el gas fluyendo durante todo el experimento.
Una vez que la célula electroquímica esté lista, abra el software potenciostato y seleccione el procedimiento CV. Establezca el potencial de inicio en cero voltios y establezca los potenciales de vértices superior e inferior en dos voltios y cero voltios para el análisis de oxidación, o en cero voltios y 2,5 voltios negativos para el análisis de reducción. Establezca el potencial de parada en cero voltios.
Y el número de pasos de alto a seis. Y la velocidad de escaneo a 0.05 voltios por segundo. Asigne un nombre al archivo de datos y adquiera un voltammograma.
Compruebe que los electrodos estén limpios y se haya eliminado el oxígeno disuelto si procede. A continuación, agregue 10 microlitros de una solución de furacina de un mililar al electrolito y adquiera una exploración de referencia. Después de eso, vacíe y limpie la célula y los electrodos.
Llene la célula con 1,5 mililitros de una solución de un milimolar del compuesto a analizar en el electrolito. Vuelva a conectar la célula al potenciostato y escupa la solución si es necesario. A continuación, establezca el potencial de inicio en cero voltios.
Los potenciales de vértice superior e inferior a 0,5 voltios y cero voltios para la oxidación. O cero voltios y 0,5 voltios negativos para la reducción. El potencial de parada a cero voltios.
Y el número de pasos de alto a 10. Y la velocidad de escaneo a 0.05 voltios por segundo. Asigne un nombre al archivo de datos y adquiera este votammograma inicial.
A continuación, aumente el potencial de vértice superior en 0,1 voltios para un análisis de oxidación o disminuya el potencial de vértice inferior en 0,1 voltios para un análisis de reducción. Y vuelva a ejecutar el análisis. Repita este proceso hasta que se observe el pico completo de interés.
Si las exploraciones sucesivas han cambiado el potencial limpia el electrodo de referencia, deje que se empape en la solución de electrolitos durante una hora. Y luego repita la medida. Después de completar las mediciones de oxidación, realice mediciones de reducción o vis versa.
A continuación, establezca el potencial de inicio en cero voltios, el vértice superior en un voltio, el vértice inferior en 2,7 voltios negativos y el potencial de parada en cero voltios. Ejecute el análisis y ajuste la ventana potencial según sea necesario para asegurarse de que los picos completos estén visibles. Repita el proceso a diferentes velocidades de escaneo y en presencia de furacina.
Para comenzar el procedimiento UV-Vis cerca de IR, llene una célula espectroelectroquímica limpia con 0,5 mililitros de una solución de electrolitos. Inserte los electrodos auxiliares y de referencia de trabajo y coloque la célula montada en el espectrómetro. Conecte los electrodos al potenciostato y abra el potenciostato y el software del espectrómetro.
Tome las mediciones de absorbancia en cada detector como un disolvente en blanco. A continuación, desconecte, vacíe y limpie la celda. Recartínelo con una solución molar de una vez 10 a la quinta solución molar negativa de un compuesto en el electrolito, o con el electrolito solo si se prueba un material depositado en el electrodo de trabajo.
Es muy importante configurar la célula espectroelectroquímica correctamente y de la manera más similar posible a la célula espectroelectroquímica utilizada para registrar el espectro en blanco, sólo esto asegurará el registro de buenos resultados. Coloque la célula en el espectrómetro y vuelva a conectar los electrodos al potenciostato. Aplique un potencial neutro a la célula y adquiera un espectro inicial.
Aumente el potencial en 0,1 voltios y espere unos 10 segundos para que el proceso se estabilice. Luego adquiera otro espectro. Continúe este proceso hasta que se observe el primer cambio en el espectro.
Y luego guarda ese espectro. A continuación, aumentar el potencial en 0,05 voltios. Espere 10 segundos.
Y adquirir un espectro. Repita este proceso hasta que se alcance el primer o segundo potencial de oxidación, determinado a partir de la medición CV. A continuación, de dope la película mediante la aplicación de un potencial neutro.
Al final, comparar los espectros de la película antes de la oxidación y después del dopaje. Para iniciar el procedimiento de espectroelectroquímica EPR para materiales poliméricos depositados en un electrodo de trabajo, llene la célula espectroelectroquímica con el electrolito y colóquela en el espectrómetro EPR. Configure el estándar de manganeso y ajuste los parámetros del instrumento para cubrir solo la tercera y cuarta líneas de manganeso.
Adquirir un espectro de fondo, comprobar si hay contaminantes, y luego eliminar y limpiar la célula. A continuación, rellene la célula con el electrolito. Coloque los electrodos en la célula con la referencia y los electrodos de trabajo dentro de la espiral de alambre del electrodo auxiliar, teniendo cuidado de no dañar la capa polimérica en el electrodo de trabajo.
Coloque el electrodo de trabajo cerca de la parte inferior de la célula y el electrodo de referencia cerca de la parte superior de la sección activa del electrodo de trabajo. Conecte los electrodos a un potenciostato y coloque la célula en el instrumento. Es fundamental configurar correctamente la célula espectroelectroquímica y no destruir positivos definitivos en la superficie del electrodo de trabajo.
La colocación incorrecta de los electrodos de trabajo hace imposible registrar los resultados. Aplicar un potencial neutro y adquirir un espectro inicial. A continuación, aumente el potencial en 0,1 voltios, espere 10 segundos hasta que la muestra se equilibre y adquiera otro espectro.
Repita este proceso hasta que aparezca la señal EPR. A continuación, aumentar el potencial en 0,05 voltios, esperar 10 segundos y adquirir otro espectro. Continúe este proceso hasta que se alcance el primer o segundo potencial de oxidación y luego invierta los pasos potenciales y vuelva al potencial inicial de la misma manera.
A continuación, aplique el potencial en el que apareció la señal EPR. Habilite la referencia del manganeso y registre un espectro para obtener una medición con la tercera y cuarta líneas espectrales del manganeso. Los potenciales de inicio de los procesos reversibles e irreversibles se pueden estimar a partir de cálculos basados en la intersección de líneas tangentes a los picos CV con el fondo, ajustados para el material de referencia.
UV-Vis cerca de la espectroscopia IR de este derivado de politiofeno muestran la banda de absorción de polímeros neutros disminuyendo y nuevas bandas de absorción polarónica y bipolarónica que se forman durante el dopaje oxidativo, con un punto isosbestico a 604 nanómetros. La nueva banda polarónica de 550 a 950 nanómetros fue atribuido a los cationes radicales de biotiofeneno y parafenileno fenileno. Se observó una nueva banda bipolarónica entre 950 y 1700 nanómetros.
La espectroscopia de EPR durante la reducción de este derivado de S-tetrazina mostró un patrón de división hiperfina que coincidía con una simulación consistente con la interacción de un electrón no emparejado con los cuatro átomos de nitrógeno de S-tetrazina. Una sola señal EPR amplia se observa a menudo a partir de polímeros conjugados, lo que indica una de localización significativa del iones radicales generado por el proceso de redux de interés. Durante la realización de análisis de reducción durante este procedimiento asegúrese de desdopiar correctamente la solución antes de la medición para evitar cualquier interferencia del auto oxígeno.
Después de este procedimiento, el potencial de ionización de afinidad de electrones y la tapa de banda del material investigado se pueden estimar a partir de los datos. Mediante este procedimiento puede determinar el impacto de la estructura química en las propiedades investigadas para un grupo de materiales.
Descripción general
Este artículo presenta métodos electroquímicos, de resonancia paramagnética electrónica y espectroelectroquímicos para analizar compuestos orgánicos en electrónica orgánica. Estas técnicas proporcionan un medio rápido y rentable para evaluar parámetros clave de materiales electroactivos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Electroquímica
- Electrónica Orgánica
- Espectroelectroquímica
Antecedentes
- Comprender la estructura molecular de las moléculas orgánicas electroactivas es fundamental para su aplicación.
- Identificar parámetros como la dinámica de portadores de carga y la afinidad electrónica es esencial.
- Los métodos tradicionales pueden requerir dispositivos especializados, lo que hace que estas técnicas sean ventajosas.
- Los métodos electroquímicos pueden analizar eficazmente diversos compuestos activos en electrones.
Objetivo del estudio
- Describir métodos para analizar compuestos orgánicos relevantes para la electrónica orgánica.
- Proporcionar un marco para evaluar las propiedades de materiales electroactivos.
- Mostrar la aplicación de estos métodos en un entorno de laboratorio.
Métodos Utilizados
- Preparación de la celda electroquímica y procedimientos de voltametría cíclica (CV).
- Técnicas espectroelectroquímicas ultravioleta-visible (UV-Vis) y de infrarrojo cercano.
- Resonancia paramagnética electrónica (EPR) para materiales poliméricos.
- Adquisición y análisis de datos para la determinación de propiedades electroquímicas.
Resultados Principales
- Identificación exitosa de los parámetros clave que afectan a los materiales electroactivos.
- Se demostró la eficacia de los métodos en diversas configuraciones experimentales.
- Se proporcionó un protocolo detallado para realizar análisis espectroelectroquímicos.
- Se destacó la importancia de una configuración adecuada para obtener resultados precisos.
Conclusiones
- Los métodos descritos son eficientes para analizar compuestos orgánicos.
- Estas técnicas pueden avanzar significativamente la investigación en electrónica orgánica.
- Estudios futuros pueden basarse en estos métodos para una exploración adicional.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Los métodos electroquímicos y espectroelectroquímicos proporcionan una evaluación rápida y rentable de las propiedades clave de los materiales en electrónica orgánica, apoyando la validación temprana de objetivos y la reducción de riesgos mecanicistas. Estas técnicas permiten evaluar la dinámica de los portadores de carga, la afinidad electrónica y las energías del intervalo prohibido sin necesidad de fabricar dispositivos especializados, acelerando la identificación de compuestos prometedores en los flujos de trabajo de descubrimiento. Este enfoque mejora la confianza predictiva al vincular la estructura molecular con propiedades electrónicas funcionales, orientando las decisiones de selección de carteras.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Examina cómo la estructura molecular influye en la generación y dinámica de portadores de carga, lo que apoya la verificación de hipótesis específicas.
- Valor operativo: Permite la evaluación rápida de compuestos electroactivos mediante celdas electroquímicas accesibles y potenciostatos estándar.
- Valor predictivo: Facilita la estimación de la afinidad electrónica, el potencial de ionización y las energías del intervalo prohibido para priorizar compuestos con propiedades electrónicas favorables.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Proporciona mediciones cuantitativas de variables dependientes, como potenciales máximos y cambios espectrales, que se correlacionan con procesos redox.
- Valor operativo: Estandariza el montaje de la celda espectroelectroquímica para garantizar la adquisición reproducible de señales UV-Vis-NIR y EPR entre diferentes lotes de material.
- Escalabilidad: Permite realizar escaneos repetidos por escalones de potencial para trazar perfiles completos de oxidación/reducción, facilitando la optimización del ensayo para diversos semiconductores orgánicos.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: Conecta las propiedades electrónicas a nivel molecular con la funcionalidad relevante para dispositivos, apoyando la extrapolación a aplicaciones electrónicas orgánicas.
- Reducción de Riesgos Mecanicistas: Identifica los tipos de portadores de carga (polarones, bipolarones) y las vías de degradación que informan las predicciones de estabilidad.
- Alineación con Biomarcadores: Sigue los puntos isosbésticos y la evolución espectral como indicadores cuantitativos de la eficiencia del dopaje y la integridad del material.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método se integra en los flujos de trabajo de descubrimiento temprano al proporcionar datos sobre propiedades electrónicas que orientan la selección de compuestos activos antes de la fabricación de dispositivos y la evaluación preclínica.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre cómo las modificaciones estructurales afectan la actividad redox y la dinámica de portadores de carga en semiconductores orgánicos.
- Cribado: Permite la preparación lista para ensayos de materiales electroactivos con lecturas estandarizadas de voltametría cíclica y espectroelectroquímica para análisis comparativo.
- Análisis: Genera resultados cuantitativos que incluyen potenciales de inicio, separación de picos y desplazamientos de bandas espectrales que permiten la comparación entre diferentes condiciones.
- Investigación Traductiva: Relaciona las firmas electroquímicas con la formación de polarones/bipolarones, facilitando la extrapolación al transporte de carga en capas activas.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para evaluar diversos compuestos electroactivos en múltiples proyectos sin necesidad de síntesis personalizada de dispositivos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Reduce la ambigüedad mecanicista al correlacionar características electroquímicas con especies específicas de portadores de carga y mecanismos de degradación.
- Valor operativo: Asegura la reproducibilidad mediante la preparación estandarizada de celdas, purga del electrolito y protocolos de escalón de potencial.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de continuar o descartar al proporcionar una visión temprana sobre la estabilidad electrónica y los indicadores de movilidad de portadores.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de semiconductores orgánicos basada en propiedades electrónicas cuantificables y reversibilidad redox.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en electroquímica y en la integración de técnicas espectroelectroquímicas para la interpretación precisa de los datos.
- Depende de un potenciostato, un espectrómetro UV-Vis-NIR y un espectrómetro de RPE, junto con celdas electroquímicas compatibles.
- Necesita la estandarización entre equipos de los procedimientos de preparación del electrolito, limpieza de electrodos y purga de gases para minimizar la variabilidad.
- Implica consideraciones de adaptación al transferir protocolos desde mediciones en fase solución a mediciones en películas depositadas sobre electrodos de trabajo.
- Limitado por la necesidad de solubilidad electroactiva en el electrolito y la posible interferencia de impurezas u oxígeno, lo que requiere pasos rigurosos de desgasificación y limpieza.
