Artykuł metodologiczny

Wykorzystanie woltamperometrii cyklicznej, UV-vis-NIR i spektroelektrochemii EPR do analizy związków organicznych

27.8K wyświetleń

DOI:

10.3791/56656

18 października 2018

W tym artykule

Podsumowanie

W tym artykule opisujemy metody elektrochemiczne, elektronowego rezonansu paramagnetycznego oraz ultrafioletowo-widzialnego i bliskiej podczerwieni spektroelektrochemiczne do analizy związków organicznych do zastosowania w elektronice organicznej.

Streszczenie

Woltamperometria cykliczna (CV) to technika stosowana w analizie związków organicznych. Kiedy ta technika jest połączona ze spektroskopiami elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) lub ultrafioletowo-widzialnym i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR), uzyskujemy przydatne informacje, takie jak powinowactwo elektronowe, potencjał jonizacji, energie przerwy energetycznej, rodzaj nośników ładunku i informacje o degradacji, które można wykorzystać do syntezy stabilnych organicznych urządzeń elektronicznych. W niniejszej pracy przedstawiono metody elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne służące do analizy procesów zachodzących w warstwach czynnych urządzenia organicznego oraz generowanych nośnikach ładunku.

Wprowadzenie

Na całym świecie, naukowcy nieustannie poszukują nowych materiałów organicznych, które mogą być używane w elektronice organicznej o pożądanej wydajności lub stabilności, która spada wraz z długotrwałym użytkowaniem. W przypadku urządzeń organicznych ważne jest, aby zrozumieć zachowanie nośnika ładunku, aby w pełni poznać zasady rządzące zachowaniem urządzenia. Analiza wpływu struktury molekularnej na wytwarzanie nośnika ładunku oraz dynamikę i utrzymanie równowagi wstrzykiwanych nośników ładunku, zarówno dodatnich (), jak i ujemnych (elektrony), ma kluczowe znaczenie dla poprawy wydajności i stabilności urządzeń organicznych. Zapewnia to efektywną rekombinację tych pojedynczych ładunków, a w konsekwencji znacznie poprawia wydajność fotoluminescencji organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED)1,2. W przypadku organicznych tranzystorów fotowoltaicznych (OPV)3,4 oraz organicznych tranzystorów polowych (OFET)5,6, konieczne jest posiadanie materiałów o dużej mobilności nośnika ładunku. Oprócz analizy nośników ładunku, kilka ważnych parametrów organicznych materiałów elektroaktywnych pomaga w przewidywaniu, gdzie materiał może być wykorzystany: potencjał jonizacji (IP), poziomy energii powinowactwa elektronów (EA) i przerwa energetyczna między nimi7,8,9,10.

W tej pracy prezentujemy metodę efektywnego pomiaru cyklicznej woltamperometrii (CV), która może być wykorzystana w analizie wszystkich rodzajów materiałów elektroaktywnych. Technika ta dostarcza informacji o właściwościach redoks, mechanizmie domieszkowania/dedopingowania, stabilności, konwersji i magazynowaniu energii itp. Pozwala również na oszacowanie powinowactwa elektronowego i energii jonizacji badanych związków w znacznie tańszy i szybszy sposób w porównaniu z innymi metodami wysokiej próżni. Powyższe parametry korelują z poziomami energii najwyższego zajętego orbitalu molekularnego (HOMO) i najniższego niezajętego orbitalu molekularnego (LUMO).

Metoda przedstawiona w tym artykule może być użyta do analizy wszystkich typów sprzężonych związków, takich jak te z delokalizowanymi π-elektronami w swoich strukturach. Związki sprzężone mogą być małymi cząsteczkami o dużych łańcuchach polimerowych. Małe cząsteczki mogą być również monomerami; Podczas początkowej reakcji (fotochemicznej, elektrochemicznej lub chemicznej) monomery mogą tworzyć polimery. W zastosowaniach OLED wartości poziomu energii są niezbędne, aby umożliwić użycie właściwego hosta dla emitera w termicznie aktywowanym systemie opóźnionej fluorescencji (TADF) lub zdecydować, z jakich związków można utworzyć warstwę donor-akceptor ekscipleksu i jakie dodatkowe warstwy (warstwa transportująca elektrony (ETL), warstwa transportująca dziurę (HTL), warstwa blokująca elektrony (EBL), i warstwa blokująca otwory (HBL)) będą niezbędne do syntezy stabilnych, wydajnie naładowanych, zrównoważonych urządzeń OLED11,12,13,14,15,16,17. Dodatkowe pomiary elektrochemiczne pozwalają na zbadanie możliwych reakcji ubocznych zachodzących w procesie degradacji warstwy aktywnej i powstawania nisko ruchomych nośników ładunku (bipolaronów)18,19,20,21,22.

Sprzężenie metod elektrochemicznych i spektroelektrochemicznych pozwala na łatwe, dokładne i niezawodne określenie stopnia utlenienia lub redukcji sprzężonych związków i ich potencjału degradacji, co jest kluczowe dla stabilności23,24,25,26,27,28. Spektroskopia ultrafioletowo-widzialna i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR) w połączeniu z elektrochemią może scharakteryzować podstawowe właściwości chromatyczne wszystkich nowych sprzężonych związków, takie jak zmiana pasma absorpcji podczas domieszkowania18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30.

W badaniu związanym z mechanizmem dopingu, ważne jest zdefiniowanie rodzaju nośników ładunku. W procesie tym biorą udział dwie klasy naładowanych kwazicząstek, jedna o nieskompensowanym spinie (polarony), a druga o diamagnetycznym spinie (bipolarony); Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) stanowi nieocenioną pomoc, która bezpośrednio pozwala obserwować i śledzić zmiany w populacjach polaronów paramagnetycznych29,30,31,32. W małych cząsteczkach trudno jest tworzyć bipolarony, ale cząsteczki te mogą być dość sprzężone i mają właściwości indukujące bipolarony; Ważne jest, aby sprawdzić, czy i przy jakim potencjale w strukturze powstają polarony i bipolarony. Bipolarony mają co najmniej o jeden rząd niższą ruchliwość niż polarony; w związku z tym, jeśli bipolarony powstają w działających urządzeniach, może to prowadzić do niezrównoważonego stosunku nośników ładunku, co skutkowałoby wysokim prądem i przegrzaniem urządzenia OLED lub może być centrum degradacji33.

Metoda pomiaru zaproponowana w tym badaniu jest tania i szybsza oraz pozwala na określenie najbardziej wartościowych parametrów operacyjnych dla dużej liczby materiałów elektroaktywnych bez potrzeby stosowania specjalnych urządzeń opartych na nowo zsyntetyzowanych materiałach do sprawdzania ich wydajności. Stosując elektrochemię i spektroelektrochemię, można wybrać jeden materiał, który jest naprawdę obiecujący spośród setek nowych materiałów. Ponadto możliwe jest uzyskanie szczegółowych informacji na temat procesów dopingowania i ich wpływu na strukturę chemiczną testowanych układów sprzężonych z wykorzystaniem metod elektrochemicznych i spektroelektrochemicznych, co pozwala na konstruowanie bardziej wydajnych urządzeń elektroniki organicznej.

Protokół

1. Przygotowanie do eksperymentu

  1. Przygotować 25 mL 0,1 M roztworu elektrolitu.
    UWAGA: W zależności od badanych związków należy zastosować odpowiednie elektrolity jako mieszaninę soli organicznej i rozpuszczalnika; najczęściej stosowanymi solami w analizie cząsteczek organicznych są heksafluorofosforan tetrabutyloamoniu (Bu4NPF6) lub tetrafluoroboran tetrabutyloamoniu (Bu4NBF4); najczęściej stosowanymi rozpuszczalnikami w analizie są dichlorometan, acetonitryl lub tetrahydrofuran.
    1. Wybrać rozpuszczalnik elektrolitu w oparciu o rozpuszczalność badanych związków. Powinien on stanowić roztwór podczas badania, ale przejść w stan stały, gdy materiał jest wykorzystywany do wykonania urządzenia w formie cienkiej warstwy osadzonej na powierzchni elektrody roboczej.
  2. Oczyścić elektrody użyte w eksperymencie29.
    1. Do pomiarów elektrochemicznych należy użyć platynowej elektrody dyskowej o średnicy 1 mm jako elektrody roboczej (WE), platynowej spirali lub drutu jako elektrody pomocniczej (AE) oraz elektrody srebro/chlorek srebra (Ag/AgCl) jako elektrody odniesienia (RE).
    2. Do pomiarów spektroelektrochemicznych EPR należy użyć drutu platynowego jako WE, platynowej spirali lub drutu jako AE oraz Ag/AgCl jako RE.
    3. Do pomiarów spektroelektrochemicznych UV-Vis-NIR należy użyć kwarcu z tlenkiem indu i cyny (ITO) lub tlenkiem cyny domieszkowanym fluorem (FTO) jako WE, drutu platynowego jako AE oraz elektrody Ag/AgCl jako RE.
    4. Wypolerować platynową elektrodę dyskową, pocierając dolną stronę elektrody (obszar roboczy elektrody platynowej) o podkładkę polerską pokrytą zawiesiną tlenku glinu 1 µm przez 3 min.
      1. Opłukać elektrodę wodą dejonizowaną, aby usunąć z niej wszystkie pozostałości zawiesiny, a następnie oczyścić w kąpieli ultradźwiękowej (320 W, 37 kHz) w wodzie dejonizowanej przez 15 min.
      2. Opłukać elektrodę za pomocą strzykawki 1 mL izopropanolem (3 x 1 mL), a następnie acetonem (3 x 1 mL).
      3. Użyć ręcznika papierowego do usunięcia wszystkich pozostałości stałych i pozostawić do wyschnięcia na powietrzu przez 3 min.
    5. Oczyścić elektrody ITO i FTO wodą dejonizowaną. Umieścić je w kąpieli ultradźwiękowej (320 W, 37 kHz) w acetonie przez 15 min, a następnie w izopropanolu przez kolejne 15 min.
    6. Wypalić platynowe elektrody, druty i spirale za pomocą wysokotemperaturowego palnika gazowego (>1000 °C) przez 1 min. Zachować ostrożność! Do trzymania elektrod używać pęsety. Odczekać 5 min po wypaleniu przed użyciem elektrod.
  3. Oczyścić ogniwa elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne (Rycina 1) wodą, a następnie acetonem. Użyć ręcznika papierowego do usunięcia wszystkich pozostałości stałych. Wszystkie pozostałe elementy (np. części z PTFE) oczyścić acetonem i wysuszyć na powietrzu przed użyciem.

2. Analiza CV

  1. Włącz potencjostat i komputer.
  2. Napełnić ogniwo elektrochemiczne 1,5 ml analizowanego roztworu elektrolitu.
  3. Umieść wszystkie trzy elektrody (WE, AE i RE) w celi (pokrywa celi jest wyposażona w uchwyt do elektrod z PTFE, więc należy wprowadzić elektrody przez otwory w tym uchwycie) i podłącz ją do potencjostatu. Utrzymuj elektrodę WE i RE jak najbliżej siebie (Rysunek 1). Postępuj zgodnie z informacjami dotyczącymi podłączenia każdego przewodu potencjostatu do odpowiadającej mu elektrody.
  4. W razie potrzeby (na przykład podczas analizy redukcyjnej) wprowadź rurkę z argonem (lub azotem) (przez dodatkowy otwór w uchwycie elektrody) i rozpocznij napowietrzanie roztworu przez co najmniej 5 min. Następnie przesuń rurkę z argonem (lub azotem) powyżej poziomu roztworu i utrzymuj przepływ gazu podczas pomiaru.
    UWAGA: Ogniwo wydaje się zamknięte, ale nie może być całkowicie szczelne; w związku z tym musi istnieć metoda usunięcia nadmiaru gazu z ogniwa (np.., poprzez dodatkowy mały otwór w uchwycie elektrody). Ciśnienie zależy od zastosowanej rurki; należy ustawić wysokie ciśnienie, ponieważ jest ono wymagane do ustalenia powolnego przepływu gazu. W przypadku zastosowania w doświadczeniu rozpuszczalnika o wysokiej lotności (np. dichlorometanu) lub gdy eksperyment trwa długo (powyżej 30 min), należy użyć butelki Drechsla, aby nasycić gaz argonem (lub azotem) rozpuszczalnikiem używanym w pomiarze.
  5. Uruchom oprogramowanie potencjostatu, wybierz procedurę CV i zastosuj następujące ustawienia: potencjał początkowy 0,00 V, górny potencjał zwrotny 2,0 V, dolny potencjał zwrotny 0,00 V (w przypadku badania procesu redukcji dolny potencjał zwrotny −2,5 V), potencjał końcowy 0,00 V, liczba cykli 6 oraz szybkość skanowania 0,05 V/s.
    1. W sekcji Eksport danych ASCIIzdefiniuj a nazwa pliku następnie należy wybrać folder do zapisu danych i nacisnąć przycisk Nie ma jeszcze dostępnych treści do przetłumaczenia. Proszę o dostarczenie tekstu źródłowego. przycisk (zmniejszenie lub zwiększenie potencjału dolnego i górnego wierzchołka w celu dopasowania do okna elektrochemicznego lub aktywności elektrochemicznej próbki)
  6. Jeśli w dodatnim zakresie potencjału widoczne są jakiekolwiek piki, należy powtórzyć procedurę czyszczenia. Jeśli występuje pik w ujemnym zakresie potencjału, należy zanurzyć rurkę z argonem (lub azotem) w roztworze i kontynuować przedmuchiwanie przez dodatkowe 5 min.
  7. Za pomocą strzykawki dodaj do roztworu elektrolitu kroplę 1 mM ferrocenu (w rozpuszczalniku użytym do przygotowania elektrolitu).
  8. Ustaw potencjał początkowy na 0,00 V, górny potencjał wierzchołkowy na 0,85 V, dolny potencjał wierzchołkowy na 0,00 V, potencjał końcowy na 0,00 V, liczbę cykli (przecięć potencjału końcowego) na 10 oraz szybkość skanowania na 0,05 V/s. W sekcji Eksport danych ASCII, zmień nazwa pliku i naciśnij Tytuł: Przygotowanie i analiza roztworów buforowych Wprowadzenie Bufor to roztwór, który ma zdolność do utrzymywania stałego poziomu pH po dodaniu niewielkich ilości silnego kwasu lub zasady. Buforowanie jest kluczowym procesem w wielu systemach biologicznych i chemicznych, ponieważ wiele reakcji enzymatycznych i interakcji między cząsteczkami białek jest silnie zależnych od pH środowiska. W badaniach biomedycznych i biochemicznych stosowanie odpowiednio dobranych buforów jest niezbędne do zachowania stabilności i aktywności biologicznej badanych prób. Cele eksperymentu Celem niniejszego doświadczenia jest zapoznanie studentów z procesem przygotowywania roztworów buforowych oraz metodą ich standaryzacji za pomocą miareczkowania. Uczestnicy nauczą się, jak obliczać wymagane ilości reagentów dla określonego pH i stężenia, jak prawidłowo kalibrować pH-metr oraz jak analizować krzywe miareczkowania w celu określenia pojemności buforowej. Materiały i odczynniki * pH-metr z elektrodą szklaną * Roztwory buforowe do kalibracji (pH 4,0, 7,0 i 10,0) * Waga analityczna * Zlewki i kolby miarowe * Mieszadło magnetyczne i pasek magnetyczny * Pipety automatyczne i końcówki * Kwas solny (HCl), 0,1 M * Wodorotlenek sodu (NaOH), 0,1 M * Kwas octowy (CH₃COOH), 0,1 M * Octan sodu (CH₃COONa), 0,1 M * Woda destylowana lub dejonizowana Procedura 1. Kalibracja pH-metru: Przed rozpoczęciem pomiarów pH-metr musi zostać skalibrowany przy użyciu co najmniej dwóch roztworów wzorcowych o znanej wartości pH, odpowiadających spodziewanemu zakresowi badanych próbek. 2. Przygotowanie buforu octanowego: * Oblicz wymagane ilości kwasu octowego i octanu sodu, korzystając z równania Hendersona-Hasselbacha: pH = pKa + log([Sól]/[Kwas]). * Odmierz odpowiednie objętości obu roztworów i wymieszaj je w zlewce. * Używając pH-metru, precyzyjnie dostosuj pH roztworu, dodając kroplami 0,1 M HCl lub 0,1 M NaOH, aż do uzyskania pożądanej wartości. * Przenieś roztwór do kolby miarowej i uzupełnij wodą destylowaną do kreski. 3. Analiza pojemności buforowej (Miareczkowanie): * Odmierz 25 ml przygotowanego buforu do zlewki. * Podczas ciągłego mieszania magnetycznego dodawaj z biurety 0,1 M NaOH w odstępach 0,5 ml. * Po każdej dodanej porcji odczytaj i zapisz wartość pH. * Powtórz procedurę, używając 0,1 M HCl, aby zbadać reakcję buforu na dodanie kwasu. 4. Analiza danych: * Wykreśl krzywą miareczkowania, nanosząc pH na osi Y oraz objętość dodanego titranta na osi X. * Wyznacz zakres buforowy, w którym zmiana pH jest minimalna. * Oblicz pojemność buforową, definiowaną jako ilość kwasu lub zasady, którą należy dodać do jednego litra roztworu, aby zmienić jego pH o jedną jednostkę. Słowa kluczowe: roztwór buforowy, pH-metr, równanie Hendersona-Hasselbacha, pojemność buforowa, miareczkowanie, homestaza kwasowo-zasadowa przycisk
  9. Po zakończeniu pomiaru należy powtórzyć procedury czyszczenia opisane w krokach 1.2 i 1.3.
  10. Przygotować 4 ml związku testowego o stężeniu 1 mM w przygotowanym elektrolicie (krok 1.1).
  11. Napełnić ogniwo elektrochemiczne roztworem badanego związku (1,5 ml); umieścić wszystkie trzy elektrody w ogniwie i podłączyć do potencjostatu (krok 2.4). Aby zbadać proces redukcji, należy usunąć tlen (krok 2.5).
  12. Ustaw potencjał początkowy na 0,00 V, górny potencjał wierzchołkowy na 0,50 V (lub 0,00 V w przypadku badania procesu redukcji), dolny potencjał wierzchołkowy na 0,00 V (−0,50 V w przypadku badania procesu redukcji), potencjał końcowy na 0,00 V, liczbę przejść końcowych na 10 oraz prędkość skanowania na 0,05 V. W sekcji Eksport danych ASCII, zmień nazwa pliku i naciśnij W tym doświadczeniu przedstawiono procedurę izolacji i oczyszczania białek z tkanek roślinnych przy użyciu chromatografii jonowymiennej. Proces rozpoczyna się od przygotowania homogenatu tkankowego poprzez mechaniczne rozdrabnianie w buforze ekstrakcyjnym, co pozwala na uwolnienie białek z komórek. Następnie roztwór poddawany jest wirowaniu w celu oddzielenia frakcji rozpuszczalnej od pozostałości komórkowych. Uzyskany ekstrakt białkowy jest następnie aplikowany na kolumnę z wymieniaczem jonowym, gdzie białka są rozdzielane na podstawie ich ładunku elektrycznego. Elucja białek z kolumny odbywa się poprzez stopniowe zwiększanie stężenia soli w buforze, co pozwala na selektywne wyodrębnienie poszczególnych frakcji białkowych. Czystość i stężenie wyizolowanych białek są oceniane za pomocą spektrofotometrii UV-Vis oraz elektroforezy żelowej SDS-PAGE. Metoda ta jest kluczowa dla dalszych analiz biochemicznych i strukturalnych białek roślinnych. przycisk
  13. Powtórz krok 2.13, zwiększając potencjały górnego wierzchołka (lub zmniejszając potencjał dolnego wierzchołka) o 0,1 V, aż do rejestracji piku (Rycina 2a). Jeśli następne skanowanie jest przesunięte pod względem potencjału (Rysunek 2b), następnie należy oczyścić elektrodę odniesienia (RE) i pozostawić ją w roztworze elektrolitu. Następnie należy powtórzyć pomiar.
  14. Zmierz procesy utleniania i redukcji na tym samym woltamperogramie (CV) w celu wyznaczenia potencjału jonizacji (IP) i powinowactwa elektronowego (EA): ustaw potencjał początkowy na 0,00 V, górny potencjał odwrócenia na 1,00 V, dolny potencjał odwrócenia na −2,70 V oraz potencjał końcowy na 0,00 V. Dobierz górny i dolny potencjał odwrócenia w taki sposób, aby zarejestrować pełne piki redukcji i utleniania oraz uniknąć kolejnych etapów redoks (jeśli takie występują).Rysunek 2a).
    UWAGA: Wartości IP i EA należy oszacować poprzez pomiar potencjału początkowego. Istnieje kilka sposobów obliczania tych parametrów na podstawie CV, jednak najużyteczniejszą metodą jest obliczanie z wykorzystaniem potencjału początkowego. Czasami nie jest możliwe zaobserwowanie odwracalnej pary redoks, szczególnie w przypadku obu n i p domieszkowanie. Mieszanie dwóch różnych technik jest również niewskazane, ponieważ może prowadzić do błędnych wyników i wniosków.
    1. Aby zmierzyć potencjał początku reakcji, należy wyznaczyć linię styczną do piku CV (Rycina 3). Oblicz żądane wartości z potencjału początkowego procesu redukcji lub utleniania, korzystając z równań (Równania 1 i 2)10,18,19,36,37,38.
      Wzór na potencjał jonizacji, IP[eV]=|e|Eox(onset)+5.1, schemat poziomów energii chemicznej.                              (1)
      gdzie Symbol elektrochemiczny E_ox(onset), potencjał początku utleniania, reprezentacja wzorowa Czy potencjał utleniania został skalibrowany względem ferrocenu?*
      Równanie powinowactwa elektronowego, EA [eV] = -|e|(Ered(onset) + 5.1), obliczanie energii chemicznej.                              (2)
      gdzie Wzór na potencjał redukcji elektrochemicznej E_red(onset), analiza równania, badanie reakcji redoks. czy potencjał redukcji został skalibrowany względem ferrocenu*
      *Potencjał skalibrowany względem ferrocenu oznacza, że wartość potencjału z pomiaru jest pomniejszona o potencjał utleniania ferrocenu.
  15. Wyjmij elektrody i wlej roztwór testowy do odpowiedniego pojemnika na odpady.
  16. Powtórz procedurę czyszczenia (kroki 1.2 i 1.3).
  17. Powtórz kroki 2.9–2.12 dla prędkości skanowania 0,25, 0,10 i 0,20 V/s.
  18. Za pomocą strzykawki dodaj jedną kroplę 1 mM ferrocenu (w rozpuszczalniku użytym do przygotowania roztworu elektrolitu) do roztworu testowego. Ustaw potencjał początkowy na 0,00 V, górny potencjał zwrotny na 0,60 V, dolny potencjał zwrotny na 0,00 V, potencjał końcowy na 0,00 V, liczbę cykli na 6 oraz prędkość skanowania na 0,05 V. Naciśnij przycisk Tytuł: Izolacja i analiza mitochondrialnego DNA z tkanki mięśniowej człowieka Streszczenie: Ten protokół opisuje procedurę izolacji mitochondrialnego DNA (mtDNA) z tkanki mięśniowej człowieka oraz jego późniejszą analizę. Proces rozpoczyna się od przygotowania próbek tkankowych i ekstrakcji całkowitego DNA za pomocą komercyjnego zestawu do izolacji. Następnie, aby uzyskać czysty mtDNA, stosuje się selektywne trawienie enzymatyczne DNA jądrowego (nDNA) przy użyciu nukleaz, co pozwala na znaczące wzbogacenie frakcji mitochondrialnej. Jakość i ilość wyizolowanego mtDNA są weryfikowane za pomocą spektrofotometrii UV-Vis oraz elektroforezy w żelu agarozowym. Ostatecznie, obecność i integralność markerów mtDNA są potwierdzane poprzez reakcję łańcuchową polimerazy (PCR) z wykorzystaniem specyficznych starterów. Ta metoda jest niezbędna w badaniach nad chorobami mitochondrialnymi, genetyką populacyjną i diagnostyką kliniczną. Słowa kluczowe: mitochondrialne DNA, izolacja DNA, tkanka mięśniowa, trawienie nDNA, PCR, diagnostyka mitochondrialna Materiały i odczynniki: - Próbki tkanki mięśniowej człowieka (mrożone w temperaturze -80°C) - Zestaw do izolacji DNA (np. DNeasy Blood & Tissue Kit) - Nukleaza DNK (np. DNase I) - Bufor do reakcji z nukleazą - Woda ultra czysta (nukleazy-free) - Startery specyficzne dla mtDNA - Master mix do PCR - Agaroza - Bufor TAE/TBE - Barwnik do kwasów nukleinowych (np. EtB lub SYBR Safe) - Spektrofotometr (np. NanoDrop) - System elektroforetyczny i dokumentor żeli - Termocykler - Wirówka do mikrocentryfug * Mikropipety i końcówki z filtrem - Probówki do PCR i probówki typu Eppendorf Procedura: 1. Przygotowanie próbek i ekstrakcja całkowitego DNA Wyważoną ilość tkanki mięśniowej (ok. 25 mg) umieść w probówce i zhomogenizuj mechanicznie. Dodaj odpowiednią ilość buforu lizującego zgodnie z instrukcją producenta zestawu do izolacji. Inkubuj próbki w temperaturze 56°C przez określony czas, aby zapewnić pełną liza komórek i inaktywację nukleaz endogennych. Przenieś zawiesinę na kolumnę spinową, przemyj ją odpowiednimi buforami i eluuj całkowite DNA (gDNA), używając wody ultra czystej lub buforu TE. 2. Selektywne trawienie DNA jądrowego (nDNA) Aby wzbogacić frakcję mtDNA, poddaj wyizolowane gDNA selektywnemu trawieniu. Dodaj nukleazę DNK oraz odpowiedni bufor do próbki DNA. Wykorzystując różnice w strukturze i dostępności nDNA w porównaniu do mtDNA w określonych warunkach, inkubuj mieszaninę w temperaturze 37°C. Proces ten ma na celu degradację większości DNA jądrowego, przy jednoczesnym zachowaniu mtDNA. Po zakończeniu inkubacji zatrzymaj reakcję poprzez termiczną inaktywację enzymu lub dodanie czynnika neutralizującego. 3. Oczyszczanie wzbogaconego mtDNA Produkty trawienia poddaj ponownej puryfikacji za pomocą kolumny spinowej lub metodą precypitacji etanolem, aby usunąć resztki enzymów, soli i zdegradowane fragmenty nDNA. Eluuj oczyszczone mtDNA do nowej probówki. 4. Ocena ilości i jakości DNA Zmierz stężenie oraz czystość (stosunek A260/A280) wyizolowanego mtDNA za pomocą spektrofotometru. Następnie przeprowadź elektroforezę w 1% żelu agarozowym, aby ocenić stopień degradacji DNA i potwierdzić obecność wysokocząsteczkowego materiału genetycznego. 5. Amplifikacja markerów mtDNA za pomocą PCR Przygotuj mieszaninę reakcyjną do PCR, zawierającą Master mix, specyficzne startery dla wybranych regionów mtDNA (np. region kontrolny D-loop lub geny kodujące białka) oraz wyizolowany mtDNA jako matrycę. Uruchom program termocyklera: denaturacja początkowa (95°C), cykle amplifikacji (denaturacja, przyłączanie starterów, elongacja) oraz końcowa elongacja. 6. Analiza wyników PCR Produkty PCR rozdziel elektroforetycznie w żelu agarozowym o odpowiednim stężeniu (np. 2%). Porównaj uzyskane prążki z markerem wielkości DNA, aby potwierdzić amplifikację fragmentów o oczekiwanej długości. przycisk. Po zakończeniu pomiaru należy zmienić górny potencjał wierzchołkowy na wartość, przy której para ferrocenowa rejestruje się wraz z pierwszym pikiem utleniania badanego związku.
  19. Wyjąć elektrody i przelać roztwór testowy do odpowiedniego pojemnika na odpady.
  20. Jeśli elektropolimeryzacja nastąpiła podczas utleniania elektrochemicznego, należy dokładnie przemyć elektrodę roboczą (WE) roztworem elektrolitu za pomocą strzykawki (3 × 0,5 ml). Elektrodę odniesienia (RE), elektrodę pomocniczą (AE) oraz ogniwo elektrochemiczne należy oczyścić zgodnie ze standardową procedurą (kroki 1.2–1.3).
  21. Aby zbadać produkty elektrochemiczne osadzone na WE, należy przejść do kroku 2.23. Aby zbadać roztwór, należy przejść do kroku 1.2.1 i rozpocząć ponownie od kroku 2.3.
  22. Napełnić ogniwo elektrochemiczne roztworem elektrolitu. Następnie umieścić wszystkie trzy elektrody w ogniwie i podłączyć je do potencjostatu (krok 2.4). Aby zbadać proces redukcji, należy odtlenić roztwór (krok 2.5).
  23. Powtórz kroki 2.10–2.12, a następnie krok 2.16.

3. Analiza spektroelektrochemiczna UV-Vis-NIR

  1. Przygotowanie do pomiaru
    1. Włącz spektrometr i potencjostat.
    2. Napełnij ogniwo spektroelektrochemiczne 0,5 mL roztworu elektrolitu (krok 1.1).
    3. Umieść uszczelkę PTFE z jednej strony ogniwa, a następnie włóż elektrodę ITO do ogniwa w taki sposób, aby strona przewodząca elektrody dotykała uszczelki PTFE. Pozostałe elementy PTFE zamontuj zgodnie z Rysunkiem 1. Wprowadź elektrodę odniesienia (RE) i elektrodę przeciwległą (AE) przez uchwyt elektrody PTFE, a górną część elektrody ITO przykryj folią miedzianą, jak pokazano na Rysunku 1, aby zapewnić lepszą przewodność.
      1. Umieść zmontowane ogniwo w uchwycie spektrometru i podłącz wszystkie elektrody do potencjostatu. Postępuj zgodnie z instrukcjami dotyczącymi podłączenia każdego przewodu potencjostatu do odpowiedniej elektrody.
    4. Uruchom oprogramowanie potencjostatu i spektrometru.
    5. W oprogramowaniu spektrometru wybierz pomiar File | New | Absorbance (Plik | Nowy | Absorbancja).
    6. Wybierz jeden z wymienionych detektorów.
    7. Upewnij się, że przycisk na detektorach znajduje się w pozycji „open” (otwarte). Następnie kliknij ikonę świecącej żarówki, zamknij detektor (przesuń przycisk do pozycji zamkniętej), a następnie kliknij ikonę ciemnej żarówki.
    8. Wybierz drugi detektor i powtórz krok 3.1.7.
    9. Odłącz elektrody od potencjostatu, a następnie wyjmij elektrody i pozostałe elementy ogniwa spektroelektrochemicznego.
    10. Powtórz procedury czyszczenia (kroki 1.2 i 1.3).
    11. W przypadku badania małej cząsteczki, napełnij ogniwo spektroelektrochemiczne rozcieńczonym (1×10−5 M) roztworem badanego związku w roztworze elektrolitu. W przypadku badania warstwy polimerowej (oligomerycznej) osadzonej na elektrodzie ITO, napełnij ogniwo spektroelektrochemiczne samym elektrolitem.
    12. Zmontuj ogniwo spektroelektrochemiczne (krok 3.1.3).
    13. Kliknij Save (Zapisz).
    14. Wybierz jeden z wymienionych detektorów.
    15. Określ miejsce zapisu i nadaj nazwę plikowi (uwzględniając wybrany detektor).
    16. Wybierz drugi detektor i powtórz krok 3.1.15.
  2. Analiza potencjostatyczna18.
    1. Przyłoż potencjał neutralny (tj. 0,00 V). Widmo to będzie widmem początkowym. Zwiększ potencjał o 0,1 V i odczekaj ok. 10 s, aż proces się ustabilizuje, a następnie zarejestruj widma absorpcyjne (kroki 3.1.13–3.1.16). Kontynuuj pomiar do wystąpienia pierwszej zmiany w widmach UV-Vis-NIR; odczekaj 10 s, a następnie zapisz widma (kroki 3.1.13–3.1.16).
    2. Zwiększaj potencjały o 0,05 V; odczekaj 10 s i zapisz dane (kroki 3.1.13–3.1.16).
    3. Powtarzaj krok 3.2.2 aż do osiągnięcia pierwszego lub drugiego potencjału utleniania (potencjały te są znane z pomiaru CV); następnie odwróć potencjał i powróć do potencjału początkowego.
  3. Po zakończeniu pomiarów zmierz CV roztworu testowego. Dodaj 1 mM ferrocenu (10 μL) i ponownie zmierz CV. Wartość ferrocenu pomoże oszacować potencjał procesu i ujednolicić dane.
  4. Analiza ta dostarcza informacji na temat optycznej przerwy energetycznej, maksymalnej długości fali dla stanów niedopowanego i dopowanego oraz punktów izosbestycznych procesu elektrochemicznego. Oblicz optyczne przerwy energetyczne z wartości progowych (onset) pasm π-π* na widmach UV-Vis, korzystając z Równania 318,19,23,24.
    Obliczanie energii przerwy energetycznej, wzór Eg=hc/λonset, równanie stosowane w badaniach fotonicznych.                                          (3)
    gdzie h to stała Plancka, λonset to próg absorpcji związku, a c to prędkość światła w próżni.
  5. Analiza potencjostatyczna z rozdzielczością czasową19,32,33
    1. Przygotuj pomiar analogicznie do metody opisanej w punktach 3.1.1–3.1.16, wprowadź rurkę z argonem (lub azotem) (poprzez dodatkowy otwór w uchwycie elektrody) i napowietrzaj roztwór przez co najmniej 5 min przed pomiarem. Po tym czasie przesuń rurkę z argonem powyżej poziomu roztworu i utrzymuj przepływ gazu podczas pomiaru.
    2. Uruchom oprogramowanie potencjostatu i wybierz procedurę chronoamperometrii z następującymi ustawieniami: potencjał początkowy 0,00 V, potencjał górny 1,0 V, potencjał dolny −1,00 V, czas trwania 5 s, czas interwału 0,010 s, liczba powtórzeń 10 oraz czas opóźnienia 10 s. W sekcji Export ASCII data określ nazwę pliku i wybierz folder do zapisu danych.
    3. W oprogramowaniu spektrometru wybierz File | New | High-speed Acquisition (Plik | Nowy | Akwizycja wysokiej prędkości). Pojawi się nowe okno; ustaw następujące parametry: Integration Time—10 ms, Scans to Average—1, Boxcar Width—0, Number of Scans—10000. Nie klikaj przycisku Go.
    4. W oprogramowaniu potencjostatu naciśnij przycisk START. Gdy odliczanie spadnie do 1 s, naciśnij przycisk Go w oprogramowaniu spektrometru.
    5. Należy pamiętać, że wyniki absorpcji nie są widoczne do momentu zakończenia procesu.
    6. Przeanalizuj dane w celu wyznaczenia parametrów. Wykorzystaj informacje zapisane w pliku, takie jak transmitancja, natężenie prądu, napięcie i gęstość prądu, aby określić parametry robocze:
      1. Oblicz gęstość optyczną (ΔOD), czyli absorbancję badanego związku podczas dopowania (dedopowania), korzystając z Równania 4:
        Równanie zmiany gęstości optycznej: ΔOD = log(Tb/Tc), kluczowe w badaniach spektroskopii absorpcyjnej.                           (4)
        gdzie Tb to transmitancja w formie dopowanej, stan „wybielony” [%], a Tc to transmitancja w formie niedopowanej, stan „ukolorowany” [%].
      2. Oblicz efektywność barwienia (CE, η) jako ilość koloru elektrochromowego utworzonego przez zużytą ilość ładunku oraz jako zależność między wstrzykniętym/wyrzuconym ładunkiem w funkcji powierzchni elektrody (Qd) a zmianą wartości gęstości optycznej (ΔOD) przy określonej długości fali (λmax) za pomocą Równania 5. Jej wartość zależy od długości fali wybranej do badania, dlatego wartość tę mierzy się przy λmax pasma absorpcji optycznej stanu ukolorowanego.
        Symbol chromatografii, CE=ΔOD/Qd, wzór na obliczanie wydajności kolumny.                           (5)
        gdzie ΔOD to gęstość optyczna [-], a Qd to gęstość ładunku [C/cm2].
      3. Oblicz współczynnik kontrastu (CR), będący zmierzoną intensywnością zmiany koloru podczas elektrochemicznego dopowania, zazwyczaj charakteryzowany przez λmax formy ukolorowanej, korzystając z Równania 6:
        Równanie statycznej równowagi \(CR = T_b/T_C\), wzór matematyczny, użytek edukacyjny.                           (6)
        gdzie Tb to transmitancja w formie dopowanej, stan „wybielony” [%], a Tc to transmitancja w formie niedopowanej, stan „ukolorowany” [%].

4. Analiza spektroelektrochemiczna EPR

  1. Przygotowanie do pomiaru
    1. Włącz spektrometr i potencjostat.
    2. Napełnij ogniwo spektroelektrochemiczne elektrolitem (krok 1.1).
    3. Ustaw moc na 1 mW i dostrój rezonator, aby uzyskać ostry, wycentrowany sygnał w oknie Q-dip (użyj opcji autotuned).
    4. Ustaw marker Mn (standard manganowy) na 600 i zamknij okno Q-dip. Jeśli marker Mn nie jest dostępny, pomiń ten krok i przejdź do kroku 4.8.
    5. Ustaw wartość „sweep width ±” na 2.5´ 10 mT, „mod width ±” na 1.0´0.1 mT, „amplitude” na 5´100, „time constant” na 0.03 s oraz „center field” na ok. 338 mT i rozpocznij pomiar.
    6. Jeśli nie zarejestrowano sześciu linii spektralnych markera Mn, zmień wartość „center field”.
    7. Po zarejestrowaniu sześciu linii spektralnych markera Mn (Rycina 4), ustaw wartość „center field” pomiędzy trzecią a czwartą linią i zmniejsz wartość „sweep width ±” tak, aby obejmowała tylko te dwie linie. Ponownie rozpocznij pomiar.
    8. Przejdź do opcji Q-Dip, ustaw marker Mn na 0 i zamknij okno Q-dip.
    9. Zmier czysty elektrolit jako tło i sprawdź, czy występują jakiekolwiek sygnały. Jeśli sygnały są widoczne, mogą one pochodzić z zanieczyszczeń, związków o niskim potencjale utleniania lub ze szkła.
    10. Oczyść ogniwo spektroelektrochemiczne (krok 1.3).
  2. Badanie małych cząsteczek (roztworów).
    1. Napełnij ogniwo spektroelektrochemiczne rozcieńczonym (1´10−5 M) roztworem badanego związku w elektrolicie; wprowadź wszystkie trzy elektrody przez uchwyt elektrod do ogniwa w taki sposób, aby WE i RE znajdowały się wewnątrz spiralnej AE (Rycina 1).
      1. Umieść WE blisko dna ogniwa, a RE w górnej części aktywnej (metalowej, niepokrytej PTFE) części WE (Rycina 1). Umieść ogniwo z zamontowanymi elektrodami w komorze próbkowej spektrometru i podłącz elektrody do potencjostatu (postępuj zgodnie z informacjami dotyczącymi podłączenia każdego przewodu potencjostatu do odpowiadającej mu elektrody).
    2. Przyłoż potencjał odpowiadający początkowi pierwszego piku redoks (wartość znana z pomiaru CV). Jeśli pojawi się sygnał, oznacza to, że urządzenie jest ustawione prawidłowo.
    3. Przejdź do opcji Q-Dip, ustaw marker Mn na 600, zamknij okno Q-dip i rozpocznij pomiar. Rejestracja sygnału wraz z sygnałem markera Mn pozwala na obliczenie czynnika g otrzymanego sygnału.
    4. Przejdź do opcji Q-Dip, ustaw marker Mn na 0, zamknij okno Q-dip i odczekaj ok. 5 min.
    5. Ustaw wartość „center field” w centrum sygnału, zmniejsz wartość „sweep width ±” do wartości obejmującej sygnał, ale nie odcinającej jego początku i końca (po zmianie „sweep width ±” sprawdź cały sygnał) i zmniejsz wartość „mod width ±”, aby uzyskać dobrze rozdzielone widma.
    6. Jeśli sygnał jest słaby, zwiększ wartość „amplitude” oraz „time” (czas akwizycji) pomiaru.
    7. Aby zmniejszyć stosunek sygnału do szumu, ustaw akwizycję na 4, 9 lub 16, w zależności od poziomu szumów sygnału. Jeśli sygnał jest bardzo zaszumiony, wybierz 16.
  3. Badania warstwy polimerowej osadzonej na powierzchni WE.
    1. Napełnij ogniwo spektroelektrochemiczne roztworem elektrolitu (krok 1.1).
    2. Wprowadź elektrody do ogniwa. Zachowaj ostrożność, aby nie zniszczyć warstwy polimerowej na WE. Podłącz elektrodę do potencjostatu (krok 4.2.1).
    3. Przyłoż potencjał neutralny (tj. 0.00 V), aby upewnić się, że związek znajduje się w stanie neutralnym; widmo to będzie początkowym widmem EPR.
    4. Zwiększ potencjał o 0.10 V. Odczekaj ok. 10 s do ustabilizowania się procesu i zarejestruj widma EPR.
    5. Powtarzaj krok 4.3.4 do momentu pojawienia się sygnału EPR.
    6. Zwiększ potencjał o 0.05 V. Odczekaj ok. 10 s do ustabilizowania się procesu i zarejestruj widma EPR.
    7. Powtarzaj krok 4.3.6 aż do osiągnięcia pierwszego lub drugiego potencjału utleniania i tak dalej (wartości tych potencjałów są znane z pomiaru CV); następnie zmień zwrot potencjału i wróć do potencjału początkowego.
    8. Przyłoż potencjał, przy którym w poprzednim cyklu pojawił się sygnał EPR (4.3.5), przejdź do opcji Q-Dip, ustaw marker Mn na 600, zamknij okno Q-dip i rozpocznij pomiar. Zarejestruj sygnał wraz z trzecią i czwartą linią spektralną markera Mn (4.1.7).
  4. Po zakończeniu pomiaru przeanalizuj dane.
  5. Niektóre analizy, takie jak liczba spinów, mogą być przeprowadzone wyłącznie dla związków osadzonych (polimerów nierozpuszczalnych) na WE. Aby obliczyć liczbę spinów, wykonaj podwójną całkę z sygnału EPR, a następnie porównaj uzyskaną wartość z kalibrowanym wewnętrznym standardem Mn. Oblicz liczbę jednostek powtarzalnych tworzących polimer na elektrodzie, korzystając z Równania 724,32,33:
    Wzór polimeryzacji: \(l_{mer} = \frac{1}{2} \cdot \frac{Q_{polym}}{F} \cdot N_A\) równanie.                           (7)
    gdzie lmer – liczba jednostek powtarzalnych w polimerze, Qpolym to ładunek polimeryzacji, F to stała Faradaya, a NA to liczba Avogadro.
  6. Aby obliczyć ładunek domieszkowania, wykorzystaj CV osadzonego polimeru zarejestrowane w ogniwie spektroelektrochemicznym przed pomiarem EPR, stosując Równanie 8:
    Równanie równowagi statycznej \(Q_d(E) = \int_{E_0}^{E} \frac{idE}{v} \cdot e\), wzór całkowy                           (8)
    gdzie Qd to ładunek domieszkowania, i to prąd, E to ustawiony potencjał, E0 to potencjał początkowy, v to prędkość skanowania, a e to ładunek elementarny.
  7. Wykorzystaj obliczony ładunek domieszkowania do obliczenia stopnia domieszkowania, korzystając z Równania 9:
    Wzór na równowagę statyczną; Delta D równa się Qd podzielone przez lmer; ilustracja równania.                                       (9)
    gdzie ∆D – stopień domieszkowania, Qd to ładunek domieszkowania, a lmer – liczba jednostek powtarzalnych w polimerze
  8. Aby obliczyć liczbę bipolaronów, przyjmij początkowy stopień domieszkowania równy zero. Wykorzystaj liczbę polaronów na jednostkę wyznaczoną z koncentracji spinów, zatem liczbę bipolaronów należy obliczyć zgodnie z Równaniem 10. W obliczeniach przyjmij, że początkowa liczba bipolaronów wynosi zero, a prąd faradaowski jest znacznie wyższy niż prąd niefaradaowski.
    D=zₚnₚ+zbnᵦ; równanie z fizyki; gęstość ładunku; edukacyjne; definicja symbolu.                           (10)
    gdzie zi to ładunek elementarny nośnika ładunku, ni to liczba nośników ładunku na jednostkę polimeru, (p) oznacza polarony, a (b) bipolarony.
  9. Wyznacz wartość czynnika g z widm EPR. Określ ją, używając Mn jako standardu wewnętrznego (kroki 4.2.3 i 4.3.8), wiedząc, że czwarta linia manganu posiada czynnik g równy 2.03324. Oblicz szerokość linii sygnału EPR jako odległość w mT pomiędzy minimum a maksimum sygnału EPR. Wartość ta jest istotna, ponieważ może wskazywać, gdzie (na którym atomie) tworzą się rodniki.

Wyniki

Najczęstszym zastosowaniem analizy CV jest szacowanie IP oraz EA. Choć istnieje kilka sposobów pozyskiwania danych CV, zdecydowanie zaleca się ich obliczanie na podstawie początku peaków redoks (Rycina 3). Podejście to pozwala na ujednolicenie procedury obliczeniowej. Nie wszystkie badane materiały ulegają odwracalnym procesom utleniania/redukcji (Rycina 3); w takich sytuacjach nie jest możliwe dokonywanie obliczeń na podstawie potencjałów średnich (średniej z potencjałów odpowiadających maksimum peaków redukcji katodowej i utleniania anodowego). Niemniej jednak, prawie zawsze możliwe jest poprowadzenie stycznej do peaku, jak pokazano na Rycynie 3. Wyznaczając punkt przecięcia z linią tła i stosując Równania 1 i 2, wartości IP i EA szacuje się odpowiednio na 5.35 eV i −2.90 eV. Istnieje również kilka różnych skal używanych do oceny IP i EA na podstawie pomiarów CV. Najczęściej stosowanymi skalami dla materiałów organicznych są wartości −4.8 i −5.1 eV jako ekwiwalenty 0.00 V względem normalnej elektrody wodorowej (NHE). Należy jednak pamiętać, że wszystkie te skale są jedynie przybliżeniem, co należy wziąć pod uwagę przy porównywaniu różnych wyników. Kluczowe jest określenie, jakie parametry przyjęto do obliczeń. W tym przypadku wybrano wartość −5.1 eV, ponieważ powinna ona odpowiadać potencjałowi formalnemu pary redoks ferrocenu; w skali Fermiego wynosi on 0.40 V względem nasyconej elektrody kalomelowej (SCE) w acetonitrylu, co jest zgodne z poprzednim pomiarem.

Opublikowano wiele artykułów dotyczących analizy CV. W niniejszej pracy pokazujemy sytuację, w której proces nie przebiega zgodnie z oczekiwaniami. Analiza opiera się na pochodnej tiofenu: NtVTh (struktura przedstawiona na Rysunku 4), która ulega degradacji podczas utleniania (Rysunek 5).

NtVTh wykazuje dwa potencjały utleniania: pierwszy przy 0,70 V i drugi przy 0,84 V (Rycina 5). Podczas pierwszego cyklu nie obserwuje się piku redukcji, co wskazuje na proces nieodwracalny. Charakterystyka elektrochemiczna NtVTh wykazuje, że polimeryzacja nie zachodzi, a po osiągnięciu pierwszego potencjału utleniania na powierzchni elektrody osadza się elektro-nieaktywna warstwa produktów reakcji, co hamuje proces polimeryzacji. Widoczna jest reakcja kationu rodnikowego w wiązaniu winylowym, w której cząsteczka traci sprzężenie i tworzy dimery na elektrodzie.

Choć wyodrębnienie informacji o nośnikach ładunku z CV jest trudne, możliwe jest rozróżnienie polaronów od bipolaronów przy wsparciu spektrometrem UV-Vis-NIR. Neutralny poly(OiPrThEE) charakteryzował się dwoma szerokimi pasmami przejść absorpcyjnych π|π* z maksimami przy λmax1 = 363 nm i λmax2 = 488 nm, związanymi z formą aromatyczną niedopowanego pochodnego politiofenu. Podczas domieszkowania oksydacyjnego powstają nowe pasma polaronowe i bipolaronowe. Widmo UV-Vis uzyskane podczas utleniania poly(OiPrThEE) wykazało zanikanie pasma absorpcyjnego neutralnego polimeru (300-550 nm) (Rycina 6) wraz z formowaniem się nowego pasma absorpcyjnego (550-950 nm) kationów rodnikowych bitiofenu i p-fenyleniewinylenu z maksimum przy 692 nm. Punkt izobestyczny procesu utleniania znajdował się przy 604 nm. Pasmo bipolaronowe pojawiło się między 950 nm a 1700 nm z maksimum położonym przy 1438 nm.

Spektroskopia EPR jest techniką wykrywającą materiały z niesparowanym elektronem, do których należą rodniki organiczne39. Z widm EPR można wyekstrahować kilka parametrów, jednak jednym z najciekawszych jest oszacowanie lokalizacji rodników. Elektrony, podobnie jak protony, posiadają spin. Umieszczenie elektronu w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje rozszczepienie spinu w dwa sposób: równolegle i antyrównolegle do pola magnetycznego, co wyznacza dwa poziomy energetyczne. Zjawisko to jest znane jako efekt Zeemana40,41. W przypadku rodników organicznych niesparowany elektron oddziałuje nie tylko z zewnętrznym polem magnetycznym, ale także z jądrami magnetycznymi (jądrami o niezerowym spinie; I≠0). Liczba zdegenerowanych poziomów energetycznych wynosi 2I + 1, gdzie I jest kwantową liczbą spinową jądra, z którym oddziałuje niesparowany elektron42. Oddziaływanie niesparowanego elektronu z większą liczbą jąder magnetycznych prowadzi do dalszego rozszczepienia poziomów energetycznych i rejestracji struktury hiperprecyzyjnej widm EPR43 (Rycina 7).

W przypadku cząsteczek, w których niesparowany elektron oddziałuje z jeszcze większą liczbą jąder, poszczególne linie spektralne mogą się nakładać, co skutkuje rejestracją pojedynczego, szerokiego sygnału44,45,46 (Rysunek 8). Jest to typowe dla polimerów sprzężonych, w których jon rodnikowy generowany podczas procesu redoks ulega delokalizacji47,48.

Połączenie spektroskopii EPR z metodami elektrochemicznymi umożliwia charakterystykę nośników ładunku (jonów rodnikowych) generowanych podczas procesu redoks, a także określenie mechanizmu tych procesów49,50. Jeśli zarejestrowane zostaną widma o dobrej rozdzielczości (piki są oddzielone, a nie występują w formie jednego szerokiego piku), jak w przypadku redukcji elektrochemicznej pochodnej s-tetrazyny (Ryc. 7), analiza struktury nadsubtelnej widm pozwala na sformułowanie wniosków dotyczących lokalizacji niesparowanego elektronu. Jednym ze sposobów analizy tego rodzaju widm jest przeprowadzenie symulacji za pomocą specjalistycznego oprogramowania i dopasowanie widma symulowanego do eksperymentalnego51. Jest to szczególnie pomocne, gdy struktura nadsubtelna jest złożona ze względu na oddziaływanie niesparowanego elektronu z dużą liczbą protonów. W przypadku pochodnej s-tetrazyny przedstawionej na Ryc. 7, symulacja widm EPR (linia czerwona) wskazuje na oddziaływanie niesparowanego elektronu z czterema atomami azotu w pierścieniu s-tetrazyny.

Diagramy woltamperometrii cyklicznej, EPR i spektroelektrochemii UV-Vis-NIR z oznaczeniami elektrod.
Rysunek 1: Ogniwa elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne wykorzystywane do pomiarów. Na rysunku przedstawiono schemat budowy ogniw elektrochemicznych/spektroelektrochemicznych stosowanych w pomiarach woltamperometrii cyklicznej, spektroelektrochemii w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR) oraz spektroelektrochemii rezonansu paramagnetycznego elektronów (EPR). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres woltamperometrii cyklicznej przedstawiający COPO1 i dibenzothiophene-S,S-dioxide z ferrocenem w μA vs V.
Rysunek 2: Woltamperometria cykliczna (CV) prawidłowo zmierzonego związku COPO1 (a) oraz CV z niestabilnym potencjałem odniesienia dibenzothiophene-S,S-dioxide z ferrocenem (b)52. Rysunek przedstawia dwa woltamperogramy cykliczne. (a) prezentuje prawidłowo zarejestrowaną CV, a (b) pokazuje woltamperogram zarejestrowany przy użyciu elektrody odniesienia o niestabilnym potencjale. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres woltamperometrii cyklicznej ilustrujący przerwę energetyczną COPO1 z potencjałami redoks; analiza elektrochemiczna.
Rycina 3: Woltamperometria cykliczna (CV) związku COPO1 w szerokim zakresie potencjałów. Szacowanie potencjałów początku procesu dla obliczeń EA i IP związków COPO152. EA=−2.90 eV i IP = 5.35 eV. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres widma elektronowego rezonansu spinowego (ESR), przedstawiający analizę intensywności piku i współczynnika g.
Rycina 4. Sześciolinijkowe widmo EPR wzorca manganu. Sygnał paramagnetyczny manganu wykorzystany do kalibracji przesunięcia sygnału. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Wykres woltamperometrii cyklicznej, potencjał w funkcji natężenia prądu dla molekularnej analizy elektrochemicznej.
Rysunek 5: Woltamperometria cykliczna (CV) związku NtVTh. Woltamperogramy cykliczne 15 mM NtVTh w 0,1 M Bu4NBF4/CH3CN w odniesieniu do standardu ferrocenu, przedstawiające proces degradacji zachodzący na elektrodzie roboczej. Szybkość skanowania 0,05 V/s: (a) pomiar wykonany w zakresie od −1,4 V do 0,8 V oraz (b) w zakresie od −1,4 V do 0,9 V. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres widma absorpcyjnego ze strukturą chemiczną; długość fali względem absorbancji; analiza polimeru.
Rysunek 6: Spektroelektrochemia w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR) pochodnej poly(OiPrThEE). Widma UV-Vis-NIR przedstawiające ewolucję pasma absorpcji podczas generowania nośników ładunku w strukturze polimeru. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Struktura chemiczna i wykres widma EPR; analiza danych eksperymentalnych i symulowanych.
Rycina 7: Analiza spektroelektrochemiczna EPR pochodnej tetrazyny. (a) Struktura pochodnej s-tetrazyny; (b) Widma EPR zarejestrowane podczas redukcji elektrochemicznej pochodnej s-tetrazyny (linia czarna – widmo eksperymentalne, linia czerwona – widmo symulowane). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Wykres rezonansu spinowego elektronów przedstawiający pole magnetyczne w funkcji natężenia pochodnej. Dane spektroskopowe.
Rysunek 8: Spektroelektrochemiczny sygnał polaronu EPR polimeru sprzężonego. Widma rezonansu paramagnetycznego elektronów (EPR) zarejestrowane podczas pierwszego etapu utleniania polimeru sprzężonego (widma EPR gatunków polaronowych). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres woltamperometrii cyklicznej; ferrocen vs ferrocen + decametyloferrocen; potencjał vs prąd.
Rysunek 9: Woltamperometria cykliczna (CV) ferrocenu i decametyloferrocenu. Porównanie dwóch standardów elektrochemicznych w formie czystej oraz mieszaniny, wykazujące przesunięcie potencjału. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Techniki elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne nie mają ograniczeń; Za pomocą tych technik można analizować zarówno roztwory w stanie stałym, jak i ciekłe w szerokim zakresie temperatur i innych warunków. Ważną rzeczą we wszystkich tych przypadkach jest to, że związki/materiały są analizowane pod kątem zastosowanego potencjału, odtwarzając rzeczywiste warunki pracy organicznych urządzeń elektronicznych. Jedyna różnica polega na tym, że w elektrochemii obserwuje się tworzenie nośników ładunku.

Przedstawione tu metody wskazują na przydatność analizy naładowanych nośników generowanych w związkach organicznych, które korelują z ich przydatnością w elektronice organicznej. Co więcej, techniki elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne są tańsze i mniej wymagające niż typowe metody stosowane w analizie nośników ładunku, ale istnieją pewne krytyczne kroki i modyfikacje protokołu, które są potrzebne w zależności od uzyskanych wyników.

Podczas charakterystyki elektrochemicznej zawsze zaczynaj od określonego stężenia. Jeśli porówna się zestaw związków, wszystkie materiały muszą mieć to samo stężenie molowe. Najlepiej zacząć od stężenia 1 mM i szybkości skanowania 50 mV/s, jak wskazano w protokole w tym badaniu, ale dobrze jest znać stężenie próbki na obserwowanym zachowaniu elektrochemicznym. Zawsze staraj się zmierzyć co najmniej trzy skany. Pierwsze dwa skany są zwykle różne, ponieważ warunki początkowe (równowaga) są różne. Drugi i trzeci skan powinny być takie same. Jeśli drugi i trzeci skan są takie same, prawdopodobnie nie obserwuje się żadnych reakcji ubocznych w tym układzie (ryc. 2a). W procesie utleniania pojawia się nowy pik o niższym potencjale, co pokazuje, że materiał przewodzący został osadzony na WE 18,19,24,25,29,30,31,32. Jeśli wysokość dolnego piku wzrasta w kolejnych skanach, to prawdopodobnie sprzężony polimer został osadzony 18,19,24,25,29,30,31,32. Jeśli wszystkie prądy zmniejszają się w kolejnych skanach, oznacza to, że nieprzewodzący produkt degradacji został osadzony na elektrodzie. Jeśli zaobserwuje się bardzo mały pik przed głównym pikiem utleniania lub redukcji (szczególnie w przypadku polimerów), to prawdopodobnie jest to proces pułapkowania ładunku 19,23,31,34. Jeśli obserwuje się bardzo ostry pik utleniania lub redukcji dedopingu, to jest to prawdopodobnie spowodowane rozkładem struktur krystalicznych na elektrodzie powstałej w procesie elektrokrystalizacji podczas utleniania35.

Zawsze sprawdzaj zachowanie badanego związku przed, w trakcie i po szczytach redoks. Oznacza to, że należy zarejestrować co najmniej trzy skany CV: z górnym (w przypadku utleniania) lub dolnym potencjałem wierzchołkowym odpowiednio niższym lub wyższym, a następnie potencjałem maksimum piku, przy czym potencjał górnego lub dolnego wierzchołka jest ustawiony dokładnie na maksimum piku oraz o potencjałach wierzchołkowych wyższych (utlenienie) i niższych (redukcja) niż potencjał maksimum piku. Obserwowany proces może się różnić, a czasami teoretycznie można zaobserwować dwa procesy pod jednym pikiem. Zawsze porównuj zebrane cykliczne woltogramy elektrolitu (krok 2.6), ferrocenu (krok 2.9), związku (krok 2.13) i ferrocenu ze związkiem (krok 2.19); Jest kilka kwestii, które należy wziąć pod uwagę.

Zawsze porównuj sygnały CV elektrolitu i badanego związku, jeśli jakiekolwiek sygnały z elektrolitu są widoczne na cyklicznym woltammogromie mierzonego związku, wówczas elektrolit musi zostać wymieniony, ponieważ jego okno elektrochemiczne jest zbyt niskie lub elektrolit jest zanieczyszczony. Jeśli sygnał (para redoks) ferrocenu (krok 2.9) i ferrocenu ze związkiem (krok 2.19) znajduje się w tej samej pozycji, oznacza to, że wszystko jest wykonywane poprawnie. Jeśli piki są przesunięte między sobą, sprawdź RE i powtórz pomiar. Jeżeli sygnał (potencjał utleniania, redukcji lub pary redoks) badanego związku z dodatkiem ferrocenu (krok 2.19) ma wyższy potencjał niż sygnał czystego związku (etap 2.13), należy wziąć pod uwagę wartości (potencjał utleniania, redukcji lub pary redoks) z cyklicznego woltammogram czystego związku. Przesunięcie jest spowodowane większą ilością ferrocenu w roztworze. Gdy obserwuje się dwa procesy utleniania, pierwszy proces (utlenianie lub redukcja), który zawsze zachodzi na WE, może wpływać na powierzchnię czynną; może to spowodować wzrost potencjału utleniania drugiego procesu (rysunek 9).

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe projektu "Excilight" "Donor-Acceptor Light Emitting Exciplexes as Materials for Easy-to-tailor Ultra-efficient OLED Lightning" (H2020-MSCA-ITN-2015/674990) finansowanego przez działania Marie Skłodowska-Curie w ramach programu ramowego na rzecz badań i innowacji "Horyzont-2020".

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
PotencjostatMetrohmAutolab PGSTAT100
EPRJEOLJES-FA200
Detektor UV-VisOceanopticsQE6500
Detektor NIROceanopticsNIRQuest
Dichlorometan (DCM)Sigma-Aldrich106048
Tetrafluoroboran tetrabutyloamonu (Bu4NBF4)Sigma-Aldrich86896
2-propanol, 99.9%Sigma-Aldrich675431
Aceton, 99.9%Sigma-Aldrich439126
ElmaS30H
Tetrahydrofuran >99.9%Sigma-Aldrich401757
ferrocen >98%Sigma-AldrichF408
dekametyloferrocen >97%Sigma-Aldrich378542
Kąpiel ultradźwiękowa

Bibliografia

  1. O'Brien, D. F., Baldo, M. A., Thompson, M. E., Forrest, S. R. Improved energy transfer in electrophosphorescent devices. Applied Physics Letters. 74, 442-444 (1999).
  2. Chin, B. D., et al. Effects of interlayers on phosphorescent blue organic light-emitting diodes. Applied Physics Letters. 86, 133505-133507 (2005).
  3. Cardon, C. M., Li, W., Kaifer, A. E., Stockdale, D., Bazan, G. C. Electrochemical Considerations for Determining Absolute Frontier Orbital Energy Levels of Conjugated Polymers for Solar Cell Applications. Advanced Materials. 23, 2367-2371 (2011).
  4. Bang, A. -M., et al. A novel random terpolymer for high-efficiency bulk-heterojunction polymer solar cells. RSC Advances. 7, 1975-1980 (2017).
  5. Tybrandt, K., Kollipara, S. B., Berggren, M. Organic electrochemical transistors for signal amplification in fast scan cyclic voltammetry. Sensors and Actuators B: Chemical. 195, 651-656 (2014).
  6. Schaur, S., Stadler, P., Meana-Esteban, B., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. Electrochemical doping for lowering contact barriers in organic field effect transistors. Organic Electronics. 13, 1296-1301 (2012).
  7. Mullen, K., Scherf, U. Organic Light Emitting Devices: Synthesis, Properties and Applications. , Wiley-VCH. Weinheim. (2006).
  8. Monk, P. M. S., Mortimer, R. J., Rosseinsky, D. R. Electrochromism and Electrochromic Devices. , Cambridge University Press. Cambridge. (2007).
  9. Skotheim, T. A., Elsenbaumer, R. L., Reynolds, J. R. Handbook of Conducting Polymers. , Marcel Dekker. New York. (1998).
  10. Data, P., et al. Kesterite Inorganic-Organic Heterojunction for Solution Processable Solar Cells. Electrochimica Acta. 201, 78-85 (2016).
  11. Data, P., Pander, P., Okazaki, M., Takeda, Y., Minakata, S., Monkman, A. P. Dibenzo[a,j]phenazine-Cored Donor-Acceptor-Donor Compounds as Green-to-Red/NIR Thermally Activated Delayed Fluorescence Organic Light Emitters. Angewandte Chemie International Edition. 55 (19), 5739-5744 (2016).
  12. Jankus, V., et al. Highly Efficient TADF OLEDs: How the Emitter-Host Interaction Controls Both the Excited State Species and Electrical Properties of the Devices to Achieve Near 100% Triplet Harvesting and High Efficiency. Advanced Functional Materials. 24 (39), 6178-6186 (2014).
  13. Data, P., et al. Exciplex Enhancement as a Tool to Increase OLED Device Efficiency. Journal of Physical Chemistry C. 120 (4), 2070-2078 (2016).
  14. Dias, F. B., et al. The Role of Local Triplet Excited States and D-A Relative Orientation in Thermally Activated Delayed Fluorescence: Photophysics and Devices. Advanced Science. , (2016).
  15. Okazaki, M., et al. Thermally Activated Delayed Fluorescent Phenothiazine-Dibenzo[a,j]phenazine-Phenothiazine Triads Exhibiting Tricolor-Changing Mechanochromic Luminescence. Chemical Science. 8, 2677-2686 (2017).
  16. Data, P., et al. Efficient p-phenylene based OLEDs with mixed interfacial exciplex emission. Electrochimica Acta. 182, 524-528 (2015).
  17. Goushi, K., Yoshida, K., Sato, K., Adachi, C. Organic light-emitting diodes employing efficient reverse intersystem crossing for triplet-to-singlet state conversion. Nature Photonics. 6, 253-258 (2012).
  18. Data, P., Lapkowski, M., Motyka, M., Suwinski, J. Influence of heteroaryl group on electrochemical and spectroscopic properties of conjugated polymers. Electrochimica Acta. 83, 271-282 (2012).
  19. Data, P., Motyka, M., Lapkowski, M., Suwinski, J., Monkman, A. Spectroelectrochemical Analysis of Charge Carries as a Way of Improving Poly(p-phenylene) Based Electrochromic Windows. Journal of Physical Chemistry C. 119, 20188-20200 (2015).
  20. Enengl, C., et al. Explaining the Cyclic Voltammetry of a Poly(1,4-phenylene-ethynylene)-alt-poly(1,4-phenylene-vinylene) Copolymer upon Oxidation by using Spectroscopic Techniques. ChemPhysChem. 18, 93-100 (2017).
  21. Gudeika, D., et al. Hydrazone containing electron-accepting and electron-donaiting moieties. Dyes Pigments. 91, 13-19 (2011).
  22. Swist, A., Cabaj, J., Soloducho, J., Data, P., Lapkowski, M. Novel acridone-based branched blocks as highly fluorescent materials. Synthetic Metals. 180, 1-8 (2013).
  23. Data, P., Lapkowski, M., Motyka, M., Suwinski, J. Influence of alkyl chain on electrochemical and spectroscopic properties of polyselenophenes. Electrochimica Acta. 87, 438-449 (2013).
  24. Laba, K., et al. Electrochemically induced synthesis of poly(2,6-carbazole). Macromolecular Rapid Communications. 36, 1749-1755 (2015).
  25. Pluczyk, S., et al. Unusual Electrochemical Properties of the Electropolymerized Thin Layer Based on a s-Tetrazine-Triphenylamine Monomer. Journal of Physical Chemistry C. 120, 4382-4391 (2016).
  26. Blacha-Grzechnik, A., Turczyn, R., Burek, M., Zak, J. In situ Raman spectroscopic studies on potential-induced structural changes in polyaniline thin films synthesized via surface-initiated electropolymerization on covalently modified gold surface. Vibrational Spectroscopy. 71, 30-36 (2014).
  27. Laba, K., et al. Diquinoline derivatives as materials for potential optoelectronic applications. Journal of Physical Chemistry C. 119, 13129-13137 (2015).
  28. Enengl, S., et al. Spectroscopic characterization of charge carriers of the organic semiconductor quinacridone compared with pentacene during redox reactions. Journal of Materials Chemistry C. 4, 10265-10278 (2016).
  29. Data, P., et al. Electrochemically Induced Synthesis of Triphenylamine-based Polyhydrazones. Electrochimica Acta. 230, 10-21 (2017).
  30. Brzeczek, A., et al. Synthesis and properties of 1,3,5-tricarbazolylbenzenes with star-shaped architecture. Dyes Pigments. 113, 640-648 (2015).
  31. Data, P., Lapkowski, M., Motyka, M., Suwinski, J. Electrochemistry and spectroelectrochemistry of a novel selenophene-based monomer. Electrochimica Acta. 59, 567-572 (2012).
  32. Data, P., et al. Electrochemical and spectroelectrochemical comparison of alternated monomers and their copolymers based on carbazole and thiophene derivatives. Electrochimica Acta. 122, 118-129 (2014).
  33. Data, P., et al. Evidence for Solid State Electrochemical Degradation Within a Small Molecule OLED. Electrochimica Acta. 184, 86-93 (2015).
  34. Data, P., et al. Unusual properties of electropolymerized 2,7- and 3,6- carbazole derivatives. Electrochimica Acta. 1282, 430-438 (2014).
  35. Etherington, M. K., et al. Regio- and conformational isomerization critical to design of efficient thermally-activated delayed fluorescence emitters. Nature Communications. 8, 14987(2017).
  36. Trasatti, S. The absolute electrode potential: an explanatory note. Pure and Applied Chemistry. 58, 955-966 (1986).
  37. Cardona, C. M., et al. Electrochemical Considerations for Determining Absolute Frontier Orbital Energy Levels of Conjugated Polymers for Solar Cell Applications. Advanced Materials. 23, 2367-2371 (2011).
  38. Bredas, J. -L. Mind the gap! Mater Horiz. 1, 17-19 (2014).
  39. Gerson, F., Huber, W. Electron Spin Resonance Spectroscopy of Organic Radicals. , (2003).
  40. Brustolon, M., Giamello, E. Electron Paramagnetic Resonance. A Practitioner's Toolkit. , John Wiley & Sons Inc. New Jersey. (2009).
  41. Weil, J., Bolton, J. Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications. , John Wiley & Sons, Inc. (2007).
  42. Rieger, P. H. Electron Spin Resonance. Analysis and Interpretation. , The Royal Society of Chemistry. (2007).
  43. Roznyatovskiy, V. V., Gardner, D. M., Eaton, S. W., Wasielewski, M. R. Radical Anions of Trifluoromethylated Perylene and Naphthalene Imide and Diimide Electron Acceptors. Organic Letters. 16, 16-19 (2013).
  44. Pluczyk, S., Kuznik, W., Lapkowski, M., Reghu, R. R., Grazulevicius, J. V. The Effect of the Linking Topology on the Electrochemical and Spectroelectrochemical Properties of Carbazolyl Substituted Perylene Bisimides. Electrochimica Acta. 135, 487-494 (2014).
  45. Ledwon, P., et al. A Novel Donor-acceptor Carbazole and Benzothiadiazole Material for Deep Red and Infrared Emitting Applications. Journal of Materials Chemistry C. 4, 2219-2227 (2016).
  46. Heinze, J., Frontana-Uribe, B. A., Ludwigs, S. Electrochemistry of Conducting Polymers-Persistent Models and New Concepts. Chemical Reviews. 110, 4724-4771 (2010).
  47. Kurowska, A., Kostyuchenko, A. S., Zassowski, P., Skorka, L., Yurpalov, V. L., Fisyuk, A. S., Pron, A., Domagala, W. Symmetrically Disubstituted Bithiophene Derivatives of Properties. Journal of Physical Chemistry C. 118, 25176-25189 (2014).
  48. Zotti, G., Schiavon, G., Zecchin, S., Morin, J. F., Leclerc, M. Electrochemical, Conductive, and Magnetic Properties of 2,7-Carbazole-Based Conjugated Polymers. Macromolecules. 35, 2122-2128 (2002).
  49. Kaim, W., Fiedler, J. Spectroelectrochemistry: The Best of Two Worlds. Chemical Society Reviews. 38, 3373-3382 (2009).
  50. Duling, D. R. Simulation of Multiple Isotropic Spin-Trap EPR Spectra. Journal of Magnetic Resonance, Series B. 104, 105-110 (1994).
  51. Benson, C. R., et al. Multiplying the Electron Storage Capacity of a Bis-Tetrazine Pincer Ligand. Dalton Transactions. 43, 6513-6524 (2014).
  52. Nobuyasu, R. S., et al. Rational Design of TADF Polymers Using a Donor-Acceptor Monomer with Enhanced TADF Effi ciency Induced by the Energy Alignment of Charge Transfer and Local Triplet Excited States. Advanced Optical Materials. 4, 597-607 (2016).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Spektroskopia UV Vis NIRspektroskopia EPRpowinowactwo elektronowepotencja jonizacjienergie przerwy wzbronionejno niki adunkuanaliza elektrochemiczna