Voltametria Cíclica (CV)

A voltametria cíclica, ou CV, é uma técnica usada para estudar uma ampla gama de propriedades eletroquímicas de um analito ou sistema.

Os experimentos de voltametria são realizados aplicando uma varredura de potencial a um sistema eletroquímico e, em seguida, medindo a corrente resultante. O gráfico resultante de potencial aplicado versus corrente é chamado de voltamograma.

A voltametria cíclica é executada da mesma maneira, exceto que depois que uma varredura de potencial linear atinge o valor definido, ela é então aumentada na direção oposta de volta ao potencial inicial. A forma do voltamograma, especificamente os picos e locais dos picos, fornece informações importantes sobre as propriedades do analito, como redução de oxidação ou potenciais redox.

Este vídeo demonstrará como configurar, executar e interpretar experimentos de voltametria cíclica em laboratório.

A voltametria cíclica é normalmente realizada em uma célula de três eletrodos. Primeiro, o eletrodo de trabalho é onde ocorre a reação de interesse. Os eletrodos de trabalho geralmente são feitos de materiais inertes, como ouro, platina ou carbono.

Em seguida, o contra-eletrodo é usado para fechar o circuito de corrente na célula. Também é composto de materiais inertes, mais frequentemente um fio de platina. Por fim, o eletrodo de referência é utilizado como ponto de referência para o sistema, pois possui um potencial estável e bem conhecido. Assim, o potencial aplicado é relatado versus o potencial de referência.

A célula contém o analito, que é dissolvido em um solvente. O solvente não pode reagir com a substância a analisar e não pode ser redox ativo dentro da janela de varrimento desejada. Na maioria dos experimentos, um eletrólito de suporte é usado para minimizar a resistência da solução. O eletrólito é frequentemente uma solução salina, pois possui alta força iônica e condutividade.

Para executar um teste eletroquímico em uma célula de três eletrodos, o fluxo de corrente é induzido entre os eletrodos de trabalho e os contra-eletrodos. O potencial aplicado é controlado pela manipulação da polarização do contra-eletrodo. No entanto, o potencial é medido entre o eletrodo de trabalho e o potencial estável conhecido do eletrodo de referência. O potencial é posteriormente ajustado para manter uma diferença de potencial especificada entre os eletrodos de trabalho e de referência.

Em um experimento CV, o potencial é aumentado linearmente para o potencial de "comutação" e, em seguida, revertido de volta para o potencial inicial, fazendo assim uma varredura "cíclica". Os limites de potencial são denominados janela de verificação. O voltammograma resultante mostra características correspondentes a eventos redox no sistema.

Para um único evento redox de elétrons, a varredura potencial direta resulta em um pico catódico. Nesse "potencial de pico catódico", o analito é reduzido, o que significa que os elétrons são ganhos. A varredura reversa causa um pico anódico, onde ocorre a oxidação. Nesse "potencial de pico anódico", os elétrons são retirados dos produtos formados na varredura para frente. As formas desses picos são altamente dependentes da concentração do analito, da taxa de varredura e das condições experimentais.

Agora que os fundamentos da voltametria cíclica foram explicados, vamos dar uma olhada em como executar uma varredura CV no laboratório.

Para iniciar o procedimento, prepare 10 mL de uma solução estoque de eletrólitos. Adicione a solução eletrolítica a uma célula eletroquímica. Adicione uma pequena barra de agitação, coloque a célula em uma placa de agitação e tampe-a.

Agite e desgaseifique a solução com um fluxo suave de gás nitrogênio. Isso remove o oxigênio, que é redox ativo. Antes de usar, enxágue o eletrodo de referência com o solvente e seque com um Kimwipe. Em seguida, limpe suavemente os eletrodos de trabalho e os contra-eletrodos de acordo com as orientações dos fabricantes.

Enquanto a solução estiver desgaseificada, insira os três eletrodos na parte superior da célula de Teflon. Conecte os eletrodos aos fios apropriados da configuração.

Obtenha uma varredura em segundo plano para verificar se a solução não está eletroquimicamente ativa ao longo do intervalo da janela de varredura. A partir da varredura resultante, verifique se não há impurezas ou oxigênio restante. Se eventos redox estiverem presentes, limpe os eletrodos e vidrarias e refaça a solução.

Combine o analito de interesse com a solução eletrolítica. Agite e desgaseifique a solução com um jato de nitrogênio seco para remover o oxigênio. Realize vários experimentos de voltammograma cíclico em várias taxas de varredura, dependendo dos recursos do sistema. Comece cada varredura no potencial de circuito aberto, o valor onde nenhuma corrente flui.

Varie metodicamente a janela de varredura para isolar eventos redox de interesse. Varie a direção da verificação para garantir que ela não afete os eventos. Execute esta etapa em várias velocidades de digitalização. Depois que todas as varreduras forem coletadas, solte e remova cada eletrodo da célula. Enxágue o eletrodo de referência e seque com um lenço Kim. Armazene-o na solução de armazenamento de eletrodos. Limpe suavemente os eletrodos de trabalho e os contra-eletrodos antes do armazenamento e enxágue a célula do eletrodo.

Os voltamogramas cíclicos resultantes são analisados e os dados potenciais e atuais para eventos de redução e oxidação em cada configuração experimental são anotados.

O CV pode ser usado para determinar se as reações redox são reversíveis ou irreversíveis. Em um sistema reversível, ocorre tanto a redução quanto a oxidação, produzindo os respectivos picos. Além disso, a razão entre a corrente catódica e a corrente anódica deve ser de aproximadamente 1. Finalmente, em um sistema reversível, o potencial de pico médio não é afetado pela taxa de varredura potencial.

Em um sistema irreversível, não há pico reverso. Além disso, a corrente de pico deve ser proporcional à raiz quadrada da taxa de varredura.

Muitos campos de estudo que usam espécies eletroativas se beneficiam de experimentos CV.

A dopamina é um neurotransmissor há muito estudado, conhecido por sua importância no abuso de drogas, doenças psiquiátricas e distúrbios degenerativos. A capacidade de examinar a liberação de dopamina em tempo real tem sido um objetivo da neurociência. Neste exemplo, a oxidação da dopamina no cérebro é medida com microeletrodos, usando CV. Vários agentes farmacológicos foram aplicados à região cerebral de interesse para testar seu efeito na liberação de dopamina.

A capacidade das próteses de gravação neural diminui com o tempo pós-implantação. Neste exemplo, o CV foi usado para monitorar a eficácia de um implante.

O material e a rugosidade do eletrodo, bem como o tecido circundante, influenciaram a forma da curva. Uma alta capacidade de carga, determinada pela área da curva, indicou uma configuração que funcionava bem. Um breve pulso de voltagem foi usado para rejuvenescer o implante.

Os sistemas bioeletroquímicos microbianos são um campo de estudo crescente com aplicações como a biorremediação.

Certas bactérias são eletroquimicamente ativas, principalmente quando são montadas em camadas em uma superfície, chamadas biofilmes. Essas células foram cultivadas em um biorreator e controladas eletroquimicamente. À medida que as células cresciam no biorreator, a voltametria cíclica era usada para monitorar a corrente gerada pelas células, determinando assim quando os reagentes se esgotavam.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à voltametria cíclica. Agora você deve entender como executar e interpretar uma verificação de currículo.

Obrigado por assistir!