$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Циклическая вольтамперометрия, или CV, — это метод, используемый для изучения широкого диапазона электрохимических свойств аналита или системы.
Эксперименты с вольтамперометрией проводятся путем приложения развертки потенциала к электрохимической системе с последующим измерением результирующего тока. Результирующий график зависимости приложенного потенциала от тока называется вольтамперограммой.
Циклическая вольтамперометрия выполняется таким же образом, за исключением того, что после того, как линейный развертка по потенциалу достигает заданного значения, она затем нарастает в обратном направлении обратно к начальному потенциалу. Форма вольтамперограммы, в частности пики и места расположения пиков, дает ключевое представление о свойствах анализируемого вещества, таких как окислительно-восстановительный или окислительно-восстановительный потенциал.
В этом видео будет показано, как настраивать, запускать и интерпретировать циклические эксперименты по вольтамперометрии в лаборатории.
Циклическая вольтамперометрия обычно выполняется в трехэлектродной ячейке. Во-первых, рабочий электрод — это место, где происходит интересующая реакция. Рабочие электроды часто изготавливаются из инертных материалов, таких как золото, платина или углерод.
Далее с помощью встречного электрода замыкается цепь тока в ячейке. Он также состоит из инертных материалов, чаще всего из платиновой проволоки. Наконец, электрод сравнения используется в качестве точки отсчета для системы, так как он обладает стабильным и хорошо известным потенциалом. Таким образом, приложенный потенциал отображается в зависимости от опорного потенциала.
Клетка содержит аналит, который растворяется в растворителе. Растворитель не может вступать в реакцию с анализируемым веществом и не может быть окислительно-восстановительно активным в пределах желаемого окна сканирования. В большинстве экспериментов для минимизации сопротивления раствора используется поддерживающий электролит. Электролит часто представляет собой раствор соли, так как обладает высокой ионной прочностью и проводимостью.
Для проведения электрохимического испытания в трехэлектродной ячейке индуцируется протекание тока между рабочим и противоэлектродами. Подаваемый потенциал контролируется путем манипулирования поляризацией противоэлектрода. Однако потенциал измеряется между рабочим электродом и известным стабильным потенциалом электрода сравнения. Затем потенциал корректируется для поддержания заданной разности потенциалов между рабочим электродом и электродом сравнения.
В эксперименте с CV потенциал линейно увеличивается до «переключающегося» потенциала, а затем возвращается к начальному потенциалу, тем самым осуществляя «циклический» развертку. Потенциальные пределы называются окном сканирования. Полученная вольтамперограмма показывает особенности, соответствующие окислительно-восстановительным событиям в системе.
Для окислительно-восстановительного события с одним электроном развертка по прямому потенциалу приводит к катодному пику. При этом «катодном пиковом потенциале» анализируемый раствор уменьшается, что означает, что электроны приобретаются. Обратная развертка вызывает анодный пик, где происходит окисление. При этом «анодном пиковом потенциале» электроны отделяются от продуктов, образующихся при прямом развертке. Форма этих пиков сильно зависит от концентрации аналита, скорости сканирования и условий эксперимента.
Теперь, когда мы разобрались с основами циклической вольтамперометрии, давайте рассмотрим, как провести сканирование CV в лаборатории.
Для начала процедуры приготовьте 10 мл исходного раствора электролита. Добавьте раствор электролита в электрохимическую ячейку. Добавьте небольшую полоску для перемешивания, поместите ячейку на тарелку для перемешивания и закройте ее крышкой.
Перемешайте и дегазируйте раствор слабой струей газообразного азота. При этом удаляется кислород, который является окислительно-восстановительно активным. Перед использованием промойте электрод сравнения растворителем и высушите салфеткой Kimwipe. Затем аккуратно очистите рабочие и противоэлектроды в соответствии с рекомендациями производителей.
Пока раствор дегазируется, вставьте три электрода в верхнюю часть тефлоновой ячейки. Подключите электроды к соответствующим проводам установки.
Проведите фоновое сканирование, чтобы убедиться, что раствор не является электрохимически активным в диапазоне окна сканирования. По результатам сканирования убедитесь в отсутствии примесей или остатков кислорода. Если окислительно-восстановительные процессы присутствуют, очистите электроды и стеклянную посуду и переделайте раствор.
Соедините интересующий аналит с раствором электролита. Перемешайте и дегазируйте раствор сухой струей азота для удаления кислорода. Выполняйте многократные эксперименты с циклической вольтамперограммой с несколькими скоростями сканирования, в зависимости от возможностей системы. Начинайте каждое сканирование с потенциала разомкнутой цепи, при котором ток не протекает.
Методично варьируйте окно сканирования, чтобы изолировать интересующие окислительно-восстановительные события. Изменяйте направление сканирования, чтобы оно не повлияло на события. Выполните этот шаг при нескольких скоростях сканирования. После того, как все сканы будут собраны, разжмите зажим и снимите каждый электрод с ячейки. Промойте электрод сравнения и вытрите насухо салфеткой Kim-wipe. Храните его в растворе для хранения электродов. Перед хранением аккуратно очистите рабочий и противоэлектроды и промойте электродную ячейку.
Полученные циклические вольтамперограммы анализируются, и отмечаются данные о потенциале и токе как для восстановительных, так и для окислительных событий в каждой экспериментальной установке.
CV может быть использован для определения того, являются ли окислительно-восстановительные реакции обратимыми или необратимыми. В обратимой системе происходит как восстановление, так и окисление, в результате чего образуются соответствующие пики. Кроме того, отношение катодного тока к анодному току должно быть примерно 1. Наконец, в обратимой системе скорость сканирования не влияет на средний пиковый потенциал.
В необратимой системе обратного пика нет. Кроме того, пиковый ток должен быть пропорционален квадратному корню из скорости сканирования.
Многие области исследований, в которых используются электроактивные вещества, извлекают пользу из экспериментов с CV.
Дофамин является давно изученным нейромедиатором, известным своим значением при злоупотреблении наркотиками, психических заболеваниях и дегенеративных расстройствах. Возможность исследовать высвобождение дофамина в режиме реального времени была целью нейробиологии. В этом примере окисление дофамина в мозге измеряется с помощью микроэлектродов с использованием CV. Различные фармакологические агенты были нанесены на интересующую область мозга, чтобы проверить их влияние на высвобождение дофамина.
Возможности нейрозаписывающего протезирования снижаются со временем после имплантации. В этом примере CV использовался для мониторинга эффективности имплантата.
Материал и шероховатость электрода, а также окружающие ткани влияли на форму кривой. Высокая грузоподъемность заряда, определяемая площадью кривой, указывала на хорошо функционирующую установку. Для омоложения имплантата использовался короткий импульс напряжения.
Микробные биоэлектрохимические системы являются растущей областью исследований с такими приложениями, как биоремедиация.
Некоторые бактерии электрохимически активны, особенно когда они собраны слоями на поверхности, называемой биопленками. Эти клетки были выращены в биореакторе и контролировались электрохимически. По мере того, как клетки росли в биореакторе, циклическая вольтамперометрия использовалась для мониторинга тока, генерируемого клетками, тем самым определяя, когда реагенты были истощены.
Вы только что посмотрели введение JoVE в циклическую вольтамперометрию. Теперь вы должны понять, как запустить и интерпретировать сканирование резюме.
Спасибо за просмотр!
