$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Woltamperometria cykliczna lub CV to technika stosowana do badania szerokiego zakresu właściwości elektrochemicznych analitu lub układu.
Eksperymenty woltamperometryczne wykonuje się poprzez zastosowanie przemiatania potencjału do układu elektrochemicznego, a następnie pomiar powstałego prądu. Wynikowy wykres przyłożonego potencjału w funkcji prądu nazywa się woltammogramem.
Woltamperometria cykliczna jest wykonywana w ten sam sposób, z tą różnicą, że po osiągnięciu przez liniowy przebieg potencjału ustawionej wartości, jest on następnie przesuwany w przeciwnym kierunku z powrotem do potencjału początkowego. Kształt woltammogramu, a w szczególności piki i lokalizacje pików, zapewnia kluczowy wgląd we właściwości analitu, takie jak utlenianie-redukcja lub potencjały redoks.
Ten film pokaże, jak ustawiać, uruchamiać i interpretować eksperymenty z cykliczną woltamperometrią w laboratorium.
Woltamperometria cykliczna jest zwykle wykonywana w ogniwie trzyelektrodowym. Po pierwsze, elektroda robocza jest miejscem, w którym zachodzi reakcja będąca przedmiotem zainteresowania. Elektrody robocze są często wykonane z materiałów obojętnych, takich jak złoto, platyna lub węgiel.
Następnie przeciwelektroda służy do zamknięcia obwodu prądu w ogniwie. Składa się również z materiałów obojętnych, najczęściej drutu platynowego. Wreszcie, elektroda referencyjna jest używana jako punkt odniesienia dla systemu, ponieważ ma stabilny i dobrze znany potencjał. W ten sposób podawany jest zastosowany potencjał w stosunku do potencjału referencyjnego.
Komórka zawiera analit, który rozpuszcza się w rozpuszczalniku. Rozpuszczalnik nie może reagować z analitem i nie może być aktywny redoks w żądanym oknie skanowania. W większości eksperymentów stosuje się elektrolit wspomagający w celu zminimalizowania oporu roztworu. Elektrolit jest często roztworem soli, ponieważ ma wysoką siłę jonową i przewodność.
Aby przeprowadzić test elektrochemiczny w ogniwie trójelektrodowym, indukowany jest przepływ prądu między elektrodą roboczą a przeciwelektrodą. Przyłożony potencjał jest kontrolowany poprzez manipulowanie polaryzacją przeciwelektrody. Jednak potencjał jest mierzony między elektrodą roboczą a znanym stabilnym potencjałem elektrody odniesienia. Potencjał jest następnie dostosowywany w celu utrzymania określonej różnicy potencjałów między elektrodą roboczą a elektrodą odniesienia.
W eksperymencie CV potencjał jest liniowo zwiększany do potencjału "przełączającego", a następnie jest odwracany z powrotem do potencjału początkowego, dokonując w ten sposób "cyklicznego" przemiatania. Potencjalne limity są nazywane oknem skanowania. Otrzymany woltamograf wykazuje cechy odpowiadające zdarzeniom redoks w układzie.
W przypadku pojedynczego zdarzenia redoks elektronu, przemiatanie potencjału do przodu powoduje pik katodowy. Przy tym "szczytowym potencjale katodowym" analit jest redukowany, co oznacza, że pozyskiwane są elektrony. Odwrotne przemiatanie powoduje pik anodowy, w którym zachodzi utlenianie. Przy tym "anodowym potencjale szczytowym" elektrony są usuwane z produktów powstałych w przemiataniu do przodu. Kształty tych pików są w dużym stopniu zależne od stężenia analitu, szybkości skanowania i warunków eksperymentalnych.
Teraz, gdy podstawy woltamperometrii cyklicznej zostały wyjaśnione, przyjrzyjmy się, jak przeprowadzić skan CV w laboratorium.
Aby rozpocząć procedurę, należy przygotować 10 ml podstawowego roztworu elektrolitu. Dodaj roztwór elektrolitu do ogniwa elektrochemicznego. Dodaj mały mieszadło, umieść komórkę na talerzu do mieszania i przykręć ją.
Wymieszaj i odgazuj roztwór delikatnym strumieniem azotu. To usuwa tlen, który jest aktywny redoks. Przed użyciem przepłukać elektrodę referencyjną rozpuszczalnikiem i osuszyć chusteczką Kimwipe. Następnie delikatnie wyczyść elektrody roboczą i przeciwelektrody zgodnie z wytycznymi producentów.
Podczas odgazowywania roztworu włóż trzy elektrody do górnej części ogniwa teflonowego. Podłącz elektrody do odpowiednich przewodów konfiguracji.
Uzyskaj skanowanie w tle, aby sprawdzić, czy roztwór nie jest aktywny elektrochemicznie w zakresie okna skanowania. Na podstawie uzyskanego skanu sprawdź, czy nie ma zanieczyszczeń ani pozostałego tlenu. Jeśli występują zdarzenia redoks, wyczyść elektrody i szkło, a następnie ponownie przygotuj roztwór.
Połącz interesujący analit z roztworem elektrolitu. Wymieszaj i odgazuj roztwór suchym strumieniem azotu, aby usunąć tlen. Wykonuj wiele cyklicznych eksperymentów woltommograficznych z różnymi szybkościami skanowania, w zależności od możliwości systemu. Rozpocznij każde skanowanie od potencjału obwodu otwartego, wartości, w której nie płynie prąd.
Metodycznie zmieniaj okno skanowania, aby wyizolować zdarzenia redoks, które Cię interesują. Zmieniaj kierunek skanowania, aby upewnić się, że nie ma to wpływu na zdarzenia. Wykonaj ten krok przy różnych prędkościach skanowania. Po zebraniu wszystkich skanów odblokuj i wyjmij każdą elektrodę z ogniwa. Opłucz elektrodę odniesienia i osusz chusteczką Kim-wipe. Przechowuj go w roztworze do przechowywania elektrod. Delikatnie wyczyść elektrodę roboczą i przeciwelektrodę przed przechowywaniem i wypłucz ogniwo elektrody.
Uzyskane cykliczne woltogramy są analizowane i odnotowywane są potencjalne i bieżące dane zarówno dla zdarzeń redukcji, jak i utleniania w każdym układzie eksperymentalnym.
CV można wykorzystać do określenia, czy reakcje redoks są odwracalne, czy nieodwracalne. W systemie odwracalnym zachodzi zarówno redukcja, jak i utlenianie, w wyniku czego powstają odpowiednie piki. Dodatkowo stosunek prądu katodowego do prądu anodowego powinien wynosić około 1. Wreszcie, w systemie odwracalnym, średnia wartość skanowania szczytowego nie ma wpływu na potencjalną szybkość skanowania.
W systemie nieodwracalnym nie ma odwróconego szczytu. Ponadto prąd szczytowy powinien być proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego szybkości skanowania.
Wiele dziedzin nauki, które wykorzystują gatunki elektroaktywne, korzysta z eksperymentów CV.
Dopamina jest długo badanym neuroprzekaźnikiem, znanym ze swojego znaczenia w nadużywaniu narkotyków, chorobach psychicznych i zaburzeniach zwyrodnieniowych. Możliwość badania uwalniania dopaminy w czasie rzeczywistym była celem neuronauki. W tym przykładzie utlenianie dopaminy w mózgu mierzy się za pomocą mikroelektrod przy użyciu CV. Różne środki farmakologiczne zastosowano w obszarze mózgu będącym przedmiotem zainteresowania, aby przetestować ich wpływ na uwalnianie dopaminy.
Możliwości protetyki rejestrującej neurony zmniejszają się wraz z upływem czasu po implantacji. W tym przykładzie CV wykorzystano do monitorowania skuteczności implantu.
Materiał elektrody i chropowatość, a także otaczająca tkanka miały wpływ na kształt krzywej. Wysoka nośność ładunku, określona przez obszar krzywej, wskazywała na dobrze funkcjonującą konfigurację. Do odmłodzenia implantu użyto krótkiego impulsu napięcia.
Mikrobiologiczne systemy bioelektrochemiczne to rozwijająca się dziedzina badań o zastosowaniach takich jak bioremediacja.
Niektóre bakterie są aktywne elektrochemicznie, szczególnie gdy są zebrane warstwami na powierzchni, zwane biofilmami. Komórki te hodowano w bioreaktorze i kontrolowano elektrochemicznie. W miarę wzrostu komórek w bioreaktorze stosowano woltamperometrię cykliczną do monitorowania prądu generowanego przez komórki, określając w ten sposób, kiedy reagenty zostały wyczerpane.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do cyklicznej woltamperometrii. Powinieneś teraz zrozumieć, jak uruchomić i zinterpretować skanowanie CV.
Dziękujemy za oglądanie!
