Voltammetria ciclica

La voltammetria ciclica, o CV, è una tecnica utilizzata per studiare un'ampia gamma di proprietà elettrochimiche di un analita o di un sistema.

Gli esperimenti di voltammetria vengono eseguiti applicando uno sweep di potenziale a un sistema elettrochimico e quindi misurando la corrente risultante. Il grafico risultante del potenziale applicato rispetto alla corrente è chiamato voltammogramma.

La voltammetria ciclica viene eseguita allo stesso modo, tranne per il fatto che dopo che uno sweep di potenziale lineare raggiunge il valore impostato, viene quindi scalato nella direzione opposta per tornare al potenziale iniziale. La forma del voltammogramma, in particolare i picchi e le posizioni dei picchi, fornisce informazioni chiave sulle proprietà dell'analita, come i potenziali di ossidoriduzione o redox.

Questo video dimostrerà come impostare, eseguire e interpretare esperimenti di voltammetria ciclica in laboratorio.

La voltammetria ciclica viene tipicamente eseguita in una cella a tre elettrodi. In primo luogo, l'elettrodo di lavoro è il luogo in cui avviene la reazione di interesse. Gli elettrodi di lavoro sono spesso realizzati con materiali inerti, come oro, platino o carbonio.

Successivamente, il controelettrodo viene utilizzato per chiudere il circuito di corrente nella cella. È anche composto da materiali inerti, più frequentemente un filo di platino. Infine, l'elettrodo di riferimento viene utilizzato come punto di riferimento per il sistema, in quanto ha un potenziale stabile e ben noto. Pertanto, il potenziale applicato viene riportato rispetto al potenziale di riferimento.

La cella contiene l'analita, che viene disciolto in un solvente. Il solvente non può reagire con l'analita e non può essere redox attivo entro la finestra di scansione desiderata. Nella maggior parte degli esperimenti, viene utilizzato un elettrolita di supporto per ridurre al minimo la resistenza alla soluzione. L'elettrolita è spesso una soluzione salina, in quanto ha un'elevata forza ionica e conduttività.

Per eseguire un test elettrochimico in una cella a tre elettrodi, viene indotto un flusso di corrente tra l'elettrodo di lavoro e il controelettrodo. Il potenziale applicato viene controllato manipolando la polarizzazione del controelettrodo. Tuttavia, il potenziale viene misurato tra l'elettrodo di lavoro e il potenziale stabile noto dell'elettrodo di riferimento. Il potenziale viene successivamente regolato per mantenere una differenza di potenziale specificata tra l'elettrodo di lavoro e quello di riferimento.

In un esperimento CV, il potenziale viene scalato linearmente al potenziale di "commutazione" e viene quindi invertito di nuovo al potenziale di partenza, effettuando così uno sweep "ciclico". I limiti potenziali sono denominati finestra di scansione. Il voltammogramma risultante mostra caratteristiche corrispondenti agli eventi redox nel sistema.

Per un singolo evento redox di elettroni, lo sweep del potenziale diretto risulta in un picco catodico. A questo "potenziale di picco catodico", l'analita viene ridotto, il che significa che vengono guadagnati elettroni. Lo sweep inverso provoca un picco anodico, dove si verifica l'ossidazione. A questo "potenziale di picco anodico", gli elettroni vengono strappati dai prodotti formati nello sweep in avanti. Le forme di questi picchi dipendono fortemente dalla concentrazione dell'analita, dalla velocità di scansione e dalle condizioni sperimentali.

Ora che le basi della voltammetria ciclica sono state spiegate, diamo un'occhiata a come eseguire una scansione CV in laboratorio.

Per iniziare la procedura, preparare 10 ml di una soluzione madre di elettroliti. Aggiungere la soluzione elettrolitica a una cella elettrochimica. Aggiungere una piccola barra di agitazione, posizionare la cella su una piastra di agitazione e tapparla.

Mescolare e degassare la soluzione con un getto delicato di azoto gassoso. Questo rimuove l'ossigeno, che è attivo redox. Prima dell'uso, sciacquare l'elettrodo di riferimento con il solvente e asciugarlo con un Kimwipe. Quindi, pulire delicatamente gli elettrodi di lavoro e i controelettrodi secondo le linee guida dei produttori.

Mentre la soluzione è in fase di degasaggio, inserire i tre elettrodi nella parte superiore della cella in teflon. Collegare gli elettrodi ai cavi appropriati della configurazione.

Ottenere una scansione in background per verificare che la soluzione non sia elettrochimicamente attiva nell'intervallo della finestra di scansione. Dalla scansione risultante, verificare che non vi siano impurità o ossigeno residuo. Se sono presenti eventi redox, pulire gli elettrodi e la vetreria e rifare la soluzione.

Combinare l'analita di interesse con la soluzione elettrolitica. Mescolare e degassare la soluzione con un flusso di azoto secco per rimuovere l'ossigeno. Esegui più esperimenti di voltammografia ciclica a più velocità di scansione, a seconda delle capacità del sistema. Iniziare ogni scansione al potenziale a circuito aperto, il valore in cui non scorre corrente.

Variare metodicamente la finestra di scansione per isolare gli eventi redox di interesse. Variare la direzione di scansione per assicurarsi che non influisca sugli eventi. Eseguire questo passaggio a più velocità di scansione. Una volta raccolte tutte le scansioni, sbloccare e rimuovere ciascun elettrodo dalla cella. Sciacquare l'elettrodo di riferimento e asciugarlo con una salvietta Kim. Conservarlo nella soluzione di stoccaggio degli elettrodi. Pulire delicatamente gli elettrodi di lavoro e i controelettrodi prima di riporli e risciacquare la cella degli elettrodi.

I voltammogrammi ciclici risultanti vengono analizzati e vengono annotati i dati potenziali e attuali per gli eventi di riduzione e ossidazione in ciascuna configurazione sperimentale.

La CV può essere utilizzata per determinare se le reazioni redox sono reversibili o irreversibili. In un sistema reversibile, si verificano sia la riduzione che l'ossidazione, producendo i rispettivi picchi. Inoltre, il rapporto tra la corrente catodica e la corrente anodica dovrebbe essere di circa 1. Infine, in un sistema reversibile, il potenziale di picco medio non è influenzato dalla velocità di scansione potenziale.

In un sistema irreversibile, non c'è un picco inverso. Inoltre, la corrente di picco dovrebbe essere proporzionale alla radice quadrata della velocità di scansione.

Molti campi di studio che utilizzano specie elettroattive beneficiano degli esperimenti CV.

La dopamina è un neurotrasmettitore a lungo studiato, noto per la sua importanza nell'abuso di droghe, nelle malattie psichiatriche e nei disturbi degenerativi. La capacità di esaminare il rilascio di dopamina in tempo reale è stato un obiettivo delle neuroscienze. In questo esempio, l'ossidazione della dopamina nel cervello viene misurata con microelettrodi, utilizzando CV. Vari agenti farmacologici sono stati applicati alla regione cerebrale di interesse per testare il loro effetto sul rilascio di dopamina.

La capacità delle protesi di registrazione neurale diminuisce con il tempo post-impianto. In questo esempio, il CV è stato utilizzato per monitorare l'efficacia di un impianto.

Il materiale e la rugosità dell'elettrodo, così come il tessuto circostante, hanno influenzato la forma della curva. Un'elevata capacità di carico di carica, determinata dall'area della curva, indicava una configurazione ben funzionante. Un breve impulso di tensione è stato utilizzato per ringiovanire l'impianto.

I sistemi bioelettrochimici microbici sono un campo di studio in crescita con applicazioni come il biorisanamento.

Alcuni batteri sono elettrochimicamente attivi, in particolare quando sono assemblati in strati su una superficie, chiamati biofilm. Queste cellule sono state coltivate in un bioreattore e controllate elettrochimicamente. Man mano che le cellule crescevano nel bioreattore, la voltammetria ciclica è stata utilizzata per monitorare la corrente generata dalle cellule, determinando così quando i reagenti erano esauriti.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla voltammetria ciclica. Ora dovresti capire come eseguire e interpretare una scansione CV.

Grazie per l'attenzione!