3.15: Voltammétrie cyclique

1. préparation de la Solution d’électrolyte

1. Préparer une solution mère d’électrolyte (10 mL), composée de 0,1 M [Bu₄N] [BF₄] CH₃CN.
2. Placer la solution d’électrolyte dans le flacon électrochimique, ajouter un petit et placer le capuchon sur le flacon, comme illustré à la Figure 1.
3. Vérifier que la tête de l’azote est dans la solution d’électrolyte. Remuer et dégazer la solution d’électrolyte avec un léger courant de gaz de₂ sec N (~ 10 min) pour éliminer l’oxygène moléculaire redox actif.
4. Au cours de l’étape 1.3, insérez avec précaution l’électrode de travail (par exemple le carbone vitreux), compteur (Pt) et des électrodes de référence (Ag/AgNO₃) dans le haut de cellule de téflon. Connectez les fils de support de cellule à l’électrode appropriée.

La figure 1. Programme d’installation d’une cellule électrochimique.

2. obtenir une analyse en arrière-plan

1. Définir les conditions expérimentales relatives au solvant. L’acétonitrile, la fenêtre de scan est généralement +2,000 mV –-2 000 mV.
2. Exécuter et enregistrer les voltampérogrammes de la solution d’électrolyte à une gamme de vitesses de balayage (p. ex. 20 mV/s, 100 mV/s ou 300 mV/s).
3. Vérifier l’analyse qui en résulte pour s’assurer qu’il n’y a pas d’impuretés dans la solution d’électrolyte ou restantes en oxygène. Un système propre n’aura aucun événement d’oxydo-réduction. Si la configuration est contaminée, les électrodes et la verrerie devront être nettoyés et la solution d’électrolyte refait à l’aide de composants propres.

3. préparation de la Solution d’Analyte

1. Combiner l’analyte (~ 2-5 mM, concentration finale) d’intérêt avec la solution d’électrolyte préparée ci-dessus.
2. Vérifier que la tête de l’azote est dans la solution d’électrolyte. Remuer et dégazer la solution d’analyte/électrolyte avec un léger courant de gaz de₂ sec N (~ 10 min) pour éliminer l’oxygène moléculaire redox actif.

4. cyclique voltammétrie d’Analyte

1. Effectuer plusieurs expériences voltamogramme cycliques à des taux de balayage de 20 mV à 1 000 mV (en fonction des capacités de support de cellule). Commencer chaque balayage utilisant le circuit ouvert calculé potentiel.
2. Méthodiquement varier le sens de balayage [(+ to –) et (-au +)] et fenêtres de balayage afin d’isoler les événements d’oxydo-réduction d’intérêt. Le voltamogramme devrait toujours commencer de zéro courant (circuit ouvert). Ferrocène (Fc) subit une réaction d’oxydation à ferrocénium (Fc⁺).
3. De nombreux groupes normaliser les données pour le couple redox Fc/Fc⁺ . Dans cet exercice, ~ 2 mg de Fc sont ajoutés à la solution d’analyte et étape 4.2 est répété pour des fins de référencement. En analyse de données, tous les spectres sont normalisées au couple Fc/Fc⁺ la valeur 0,00 V. Un tableau des potentiels de réduction normalisée est disponible².

5. nettoyage des électrodes et la cellule électrochimique

1. Soigneusement desserrer et enlever chaque électrode de la cellule électrochimique.
2. Rincez l’électrode de référence avec l’acétonitrile et essuyer avec un Kimwipe. Stocker dans la solution de stockage référence électrode.
3. Nettoyer doucement l’électrode de travail et compteur conformément aux directives des fabricants (par ex. BASi : http://www.basinc.com/mans/pguide.pdf) pour éliminer les produits de réaction d’oxydo-réduction qui s’accumulent au cours de certaines expériences.

La voltampérométrie cyclique, ou CV, est une technique utilisée pour étudier un large éventail de propriétés électrochimiques d’un analyte ou d’un système.

Les expériences de voltampérométrie sont réalisées en appliquant un balayage de potentiel à un système électrochimique, puis en mesurant le courant résultant. Le graphique résultant du potentiel appliqué en fonction du courant s’appelle une voltammographie.

La voltampérométrie cyclique est exécutée de la même manière, sauf qu’après qu’un balayage de potentiel linéaire a atteint la valeur définie, il est ensuite poussé dans la direction opposée jusqu’au potentiel initial. La forme de la voltammographie, en particulier les pics et l’emplacement des pics, fournit des informations clés sur les propriétés de l’analyte, telles que l’oxydoréduction ou les potentiels redox.

Cette vidéo montrera comment configurer, exécuter et interpréter des expériences de voltampérométrie cyclique en laboratoire.

La voltampérométrie cyclique est généralement réalisée dans une cellule à trois électrodes. Tout d’abord, l’électrode de travail est l’endroit où la réaction d’intérêt a lieu. Les électrodes de travail sont souvent faites de matériaux inertes, tels que l’or, le platine ou le carbone.

Ensuite, la contre-électrode est utilisée pour fermer le circuit de courant dans la cellule. Il est également composé de matériaux inertes, le plus souvent un fil de platine. Enfin, l’électrode de référence est utilisée comme point de référence pour le système, car elle a un potentiel stable et bien connu. Ainsi, le potentiel appliqué est rapporté par rapport au potentiel de référence.

La cellule contient l’analyte, qui est dissous dans un solvant. Le solvant ne peut pas réagir avec l’analyte et ne peut pas être redox actif dans la fenêtre de balayage souhaitée. Dans la plupart des expériences, un électrolyte de soutien est utilisé pour minimiser la résistance de la solution. L’électrolyte est souvent une solution saline, car il a une force ionique et une conductivité élevées.

Pour effectuer un test électrochimique dans une cellule à trois électrodes, un flux de courant est induit entre l’électrode de travail et la contre-électrode. Le potentiel appliqué est contrôlé en manipulant la polarisation de la contre-électrode. Cependant, le potentiel est mesuré entre l’électrode de travail et le potentiel stable connu de l’électrode de référence. Le potentiel est ensuite ajusté pour maintenir une différence de potentiel spécifiée entre l’électrode de travail et l’électrode de référence.

Dans une expérience CV, le potentiel est augmenté linéairement jusqu’au potentiel de « commutation », puis est inversé vers le potentiel de départ, effectuant ainsi un balayage « cyclique ». Les limites potentielles sont appelées fenêtre d’analyse. La voltammographie résultante montre des caractéristiques correspondant aux événements d’oxydoréduction dans le système.

Pour un événement d’oxydoréduction d’un seul électron, le balayage de potentiel vers l’avant entraîne un pic cathodique. À ce « potentiel de crête cathodique », l’analyte est réduit, ce qui signifie que des électrons sont gagnés. Le balayage inverse provoque un pic anodique, où l’oxydation se produit. À ce « potentiel de crête anodique », les électrons sont extraits des produits formés lors du balayage vers l’avant. La forme de ces pics dépend fortement de la concentration de l’analyte, de la vitesse de balayage et des conditions expérimentales.

Maintenant que les bases de la voltampérométrie cyclique ont été expliquées, voyons comment effectuer un scan CV en laboratoire.

Pour commencer la procédure, préparez 10 mL d’une solution mère d’électrolyte. Ajoutez la solution d’électrolyte dans une cellule électrochimique. Ajoutez une petite barre d’agitation, placez la cellule sur une plaque d’agitation et bouchez-la.

Mélangez et dégazez la solution avec un léger jet d’azote gazeux. Cela élimine l’oxygène, qui est actif redox. Avant utilisation, rincez l’électrode de référence avec le solvant et séchez-la avec un Kimwipe. Ensuite, nettoyez délicatement les électrodes de travail et les contre-électrodes conformément aux directives des fabricants.

Pendant que la solution se dégaze, insérez les trois électrodes dans le haut de la cellule en téflon. Connectez les électrodes aux fils appropriés de la configuration.

Obtenez un balayage en arrière-plan pour vérifier que la solution n’est pas électrochimiquement active sur la plage de la fenêtre de balayage. À partir de l’analyse résultante, vérifiez qu’il n’y a pas d’impuretés ou d’oxygène restant. En cas d’événements d’oxydoréduction, nettoyez les électrodes et la verrerie, puis refaites la solution.

Combinez l’analyte d’intérêt avec la solution d’électrolyte. Mélangez et dégazez la solution avec un jet d’azote sec pour éliminer l’oxygène. Effectuez plusieurs expériences de voltammographie cyclique à plusieurs vitesses de balayage, en fonction des capacités du système. Commencez chaque balayage au potentiel du circuit ouvert, la valeur où aucun courant ne circule.

Variez méthodiquement la fenêtre d’analyse pour isoler les événements redox d’intérêt. Variez la direction du balayage pour vous assurer qu’elle n’a pas d’impact sur les événements. Effectuez cette étape à plusieurs vitesses d’analyse. Une fois que tous les scans ont été collectés, défixez et retirez chaque électrode de la cellule. Rincez l’électrode de référence et séchez-la avec une lingette Kim. Conservez-le dans la solution de stockage des électrodes. Nettoyez délicatement les électrodes de travail et les contre-électrodes avant de les ranger et rincez la cellule d’électrode.

Les voltammographies cycliques résultantes sont analysées et les données potentielles et actuelles pour les événements de réduction et d’oxydation dans chaque configuration expérimentale sont notées.

La CV peut être utilisée pour déterminer si les réactions d’oxydoréduction sont réversibles ou irréversibles. Dans un système réversible, la réduction et l’oxydation se produisent, produisant des pics respectifs. De plus, le rapport entre le courant cathodique et le courant anodique doit être d’environ 1. Enfin, dans un système réversible, le potentiel de crête moyen n’est pas affecté par la vitesse de balayage potentiel.

Dans un système irréversible, il n’y a pas de pic inversé. De plus, le courant de crête doit être proportionnel à la racine carrée de la vitesse de balayage.

De nombreux domaines d’étude qui utilisent des espèces électroactives bénéficient des expériences CV.

La dopamine est un neurotransmetteur étudié depuis longtemps, connu pour son importance dans l’abus de drogues, les maladies psychiatriques et les troubles dégénératifs. La capacité d’examiner la libération de dopamine en temps réel a été un objectif pour les neurosciences. Dans cet exemple, l’oxydation de la dopamine dans le cerveau est mesurée à l’aide de microélectrodes, à l’aide de CV. Divers agents pharmacologiques ont été appliqués à la région cérébrale d’intérêt pour tester leur effet sur la libération de dopamine.

La capacité des prothèses d’enregistrement neuronal diminue avec le temps après l’implantation. Dans cet exemple, le CV a été utilisé pour surveiller l’efficacité d’un implant.

Le matériau et la rugosité de l’électrode, ainsi que les tissus environnants, ont influencé la forme de la courbe. Une capacité de charge élevée, déterminée par l’aire de la courbe, indiquait une configuration qui fonctionnait bien. Une brève impulsion de tension a été utilisée pour rajeunir l’implant.

Les systèmes bioélectrochimiques microbiens sont un domaine d’étude en pleine croissance avec des applications telles que la biorestauration.

Certaines bactéries sont électrochimiquement actives, notamment lorsqu’elles sont assemblées en couches sur une surface, appelées biofilms. Ces cellules ont été cultivées dans un bioréacteur et contrôlées électrochimiquement. Au fur et à mesure que les cellules se développaient dans le bioréacteur, la voltampérométrie cyclique a été utilisée pour surveiller le courant généré par les cellules, déterminant ainsi quand les réactifs étaient épuisés.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la voltampérométrie cyclique. Vous devriez maintenant comprendre comment exécuter et interpréter un scan CV.

Merci d’avoir regardé !