3.15: Döngüsel Voltametri (CV)

1. Elektrolit Çözeltisinin Hazırlanması

1. CH₃CN içinde 0.1 M [Bu₄N [BF₄] 'den oluşan bir elektrolit stok çözeltisi (10 mL) hazırlayın.
2. Elektrolit çözeltisini elektrokimyasal şişeye yerleştirin, küçük bir karıştırma çubuğu ekleyin ve kapağı Şekil 1'de gösterildiği gibi şişenin üzerine yerleştirin.
3. Nitrojen ucunun elektrolit çözeltisinde olduğundan emin olmak için kontrol edin. Redoks aktif moleküler oksijeni uzaklaştırmak için elektrolit çözeltisini hafif bir kuru N₂ gazı (~ 10 dakika) ile karıştırın ve gazını alın.
4. Adım 1.3 sırasında, çalışma elektrodunu (örn. camsı karbon), sayacı (Pt) ve referans elektrotlarını (Ag/_AgNO3) Teflon hücre üstüne dikkatlice yerleştirin. Hücre standı uçlarını uygun elektroda bağlayın.

Şekil 1. Elektrokimyasal bir hücrenin kurulması.

2. Arka Plan Taraması Alma

1. Çözücü için deney koşullarını tanımlayın. Asetonitril için tarama penceresi tipik olarak +2.000 mV – -2.000 mV'dir.
2. Elektrolit çözeltisinin voltammogramlarını çeşitli tarama hızlarında (örn. 20 mV/s, 100 mV/s ve/veya 300 mV/s) çalıştırın ve kaydedin.
3. Elektrolit çözeltisinde veya kalan oksijende herhangi bir kirlilik olmadığından emin olmak için elde edilen taramayı kontrol edin. Temiz bir sistemde redoks olayı olmayacaktır. Kurulum kirlenirse, elektrotların ve cam eşyaların temizlenmesi ve elektrolit çözeltisinin temiz bileşenler kullanılarak yeniden yapılması gerekecektir.

3. Analit Çözeltisinin Hazırlanması

1. İlgilenilen analiti (~ 2-5 mM, nihai konsantrasyon) yukarıda hazırlanan elektrolit çözeltisi ile birleştirin.
2. Nitrojen ucunun elektrolit çözeltisinde olduğundan emin olmak için kontrol edin. Redoks aktif moleküler oksijeni uzaklaştırmak için analit/elektrolit çözeltisini hafif bir kuru N₂ gazı akışıyla (~ 10 dakika) karıştırın ve gazını alın.

4. Analitin Döngüsel Voltametrisi

1. 20 mV – 1.000 mV arasındaki tarama hızlarında birden fazla döngüsel voltammogram deneyi gerçekleştirin (hücre standı özelliklerine bağlı olarak). Hesaplanan açık devre potansiyelini kullanarak her taramaya başlayın.
2. İlgilenilen redoks olaylarını izole etmek için tarama yönünü [(+ ila –) ve (– ila +)] ve tarama penceresini metodik olarak değiştirin. Voltammogram her zaman sıfır akımdan (açık devre) başlamalıdır. Ferrosen (Fc), ferrosenyuma (Fc ⁺) oksidasyon reaksiyonuna girer.
3. Birçok grup, verileri Fc/Fc⁺ redoks çiftine göre standartlaştırır. Bu uygulamada, analit çözeltisine ~ 2 mg Fc eklenir ve referans amaçlı olarak adım 4.2 tekrarlanır. Veri analizinde, tüm spektrumlar 0,00 V'a ayarlanmış Fc/Fc⁺ çiftine normalleştirilir. Normalleştirilmiş indirgeme potansiyellerinin bir tablosu mevcuttur².

5. Elektrotların ve Elektrokimyasal Hücrenin Temizlenmesi

1. Her bir elektrotu elektrokimyasal hücreden dikkatlice çıkarın ve çıkarın.
2. Referans elektrodu asetonitril ile durulayın ve bir Kimwipe ile kurulayın. Referans elektrot saklama solüsyonunda saklayın.
3. Bazı deneyler sırasında biriken redoks reaksiyonu ürünlerini çıkarmak için çalışma ve karşı elektrodu üreticilerin yönergelerine (örn. BASi: http://www.basinc.com/mans/pguide.pdf) göre HAFİFÇE temizleyin.

Döngüsel voltametri veya CV, bir analit veya sistemin çok çeşitli elektrokimyasal özelliklerini incelemek için kullanılan bir tekniktir.

Voltametri deneyleri, bir elektrokimyasal sisteme potansiyel bir tarama uygulanarak ve ardından ortaya çıkan akımın ölçülmesiyle gerçekleştirilir. Sonuçta elde edilen uygulanan potansiyele karşı akım grafiğine voltammogram denir.

Döngüsel voltametri aynı şekilde yürütülür, ancak doğrusal bir potansiyel taraması ayarlanan değere ulaştıktan sonra, daha sonra başlangıç potansiyeline ters yönde geri çekilir. Voltammogramın şekli, özellikle tepe noktaları ve tepe konumları, analitin oksidasyon-indirgeme veya redoks potansiyelleri gibi özellikleri hakkında önemli bilgiler sağlar.

Bu video, laboratuvarda döngüsel voltametri deneylerinin nasıl kurulacağını, çalıştırılacağını ve yorumlanacağını gösterecektir.

Döngüsel voltametri tipik olarak üç elektrotlu bir hücrede gerçekleştirilir. İlk olarak, çalışma elektrodu, ilgilenilen reaksiyonun gerçekleştiği yerdir. Çalışma elektrotları genellikle altın, platin veya karbon gibi inert malzemelerden yapılır.

Daha sonra, hücredeki akım devresini kapatmak için karşı elektrot kullanılır. Aynı zamanda inert malzemelerden, en sık olarak bir platin telden oluşur. Son olarak, referans elektrodu, kararlı ve iyi bilinen bir potansiyele sahip olduğu için sistem için bir referans noktası olarak kullanılır. Böylece, uygulanan potansiyel, referans potansiyele karşı raporlanır.

Hücre, bir çözücü içinde çözünen analiti içerir. Çözücü analit ile reaksiyona giremez ve istenen tarama penceresi içinde redoks aktif olamaz. Çoğu deneyde, çözelti direncini en aza indirmek için destekleyici bir elektrolit kullanılır. Elektrolit, yüksek iyonik kuvvete ve iletkenliğe sahip olduğu için genellikle bir tuz çözeltisidir.

Üç elektrotlu bir hücrede bir elektrokimyasal test yapmak için, çalışma ve karşı elektrotlar arasında akım akışı indüklenir. Uygulanan potansiyel, karşı elektrotun polarizasyonu manipüle edilerek kontrol edilir. Bununla birlikte, potansiyel, çalışma elektrodu ile referans elektrodunun bilinen kararlı potansiyeli arasında ölçülür. Potansiyel daha sonra, çalışma ve referans elektrotları arasında belirli bir potansiyel farkını korumak için ayarlanır.

Bir CV deneyinde, potansiyel doğrusal olarak "anahtarlama" potansiyeline yükseltilir ve daha sonra başlangıç potansiyeline geri döndürülür, böylece "döngüsel" bir tarama yapılır. Potansiyel sınırlar tarama penceresi olarak adlandırılır. Elde edilen voltammogram, sistemdeki redoks olaylarına karşılık gelen özellikleri gösterir.

Tek bir elektron redoks olayı için, ileri potansiyel taraması katodik bir tepe ile sonuçlanır. Bu "katodik tepe potansiyelinde" analit indirgenir, bu da elektronların kazanıldığı anlamına gelir. Ters süpürme, oksidasyonun meydana geldiği anodik bir zirveye neden olur. Bu "anodik tepe potansiyeli"nde, elektronlar ileri süpürmede oluşan ürünlerden sıyrılır. Bu tepe noktalarının şekilleri büyük ölçüde analit konsantrasyonuna, tarama hızına ve deneysel koşullara bağlıdır.

Döngüsel voltametrinin temelleri açıklandığına göre, laboratuvarda CV taramasının nasıl yapılacağına bir göz atalım.

Prosedüre başlamak için 10 mL elektrolit stok çözeltisi hazırlayın. Elektrolit çözeltisini bir elektrokimyasal hücreye ekleyin. Küçük bir karıştırma çubuğu ekleyin, hücreyi bir karıştırma plakasına yerleştirin ve kapağını kapatın.

Çözeltiyi hafif bir nitrojen gazı akışıyla karıştırın ve gazını alın. Bu, redoks aktif olan oksijeni uzaklaştırır. Kullanmadan önce referans elektrodu çözücü ile durulayın ve bir Kimwipe ile kurulayın. Ardından, çalışma ve karşı elektrotları üreticilerin yönergelerine göre nazikçe temizleyin.

Çözelti gazdan arındırılırken, üç elektrotu Teflon hücre üstüne yerleştirin. Elektrotları kurulumun uygun uçlarına bağlayın.

Çözeltinin, tarama penceresi aralığı boyunca elektrokimyasal olarak aktif olmadığını doğrulamak için bir arka plan taraması yapın. Elde edilen taramadan, kirlilik veya kalan oksijen olmadığını doğrulayın. Redoks olayları varsa, elektrotları ve cam eşyaları temizleyin ve çözeltiyi yeniden yapın.

İlgilenilen analiti elektrolit çözeltisi ile birleştirin. Oksijeni uzaklaştırmak için çözeltiyi kuru bir nitrojen akışı ile karıştırın ve gazını alın. Sistem özelliklerine bağlı olarak birden fazla tarama hızında birden fazla döngüsel voltammogram deneyi gerçekleştirin. Her taramaya, akımın akmadığı değer olan açık devre potansiyelinde başlayın.

İlgilenilen redoks olaylarını izole etmek için tarama penceresini metodik olarak değiştirin. Olayları etkilemediğinden emin olmak için tarama yönünü değiştirin. Bu adımı birden fazla tarama hızında gerçekleştirin. Tüm taramalar toplandıktan sonra, her bir elektrotun kelepçesini açın ve hücreden çıkarın. Referans elektrodu durulayın ve bir Kim-wipe ile kurulayın. Elektrot saklama solüsyonunda saklayın. Saklamadan önce çalışma ve karşı elektrotları nazikçe temizleyin ve elektrot hücresini durulayın.

Elde edilen döngüsel voltammogramlar analiz edilir ve her bir deney düzeneği altında hem indirgeme hem de oksidasyon olayları için potansiyel ve mevcut veriler not edilir.

CV, redoks reaksiyonlarının geri dönüşümlü veya geri dönüşümsüz olup olmadığını belirlemek için kullanılabilir. Tersinir bir sistemde, hem indirgeme hem de oksidasyon meydana gelir ve ilgili tepe noktaları üretir. Ek olarak, katodik akımın anodik akıma oranı yaklaşık olarak 1 olmalıdır. Son olarak, tersinir bir sistemde, ortalama tepe potansiyeli, potansiyel tarama hızından etkilenmez.

Geri dönüşü olmayan bir sistemde, ters tepe yoktur. Ayrıca, tepe akımı, tarama hızının karekökü ile orantılı olmalıdır.

Elektroaktif türlerin kullanıldığı birçok çalışma alanı CV deneylerinden yararlanmaktadır.

Dopamin, uyuşturucu kullanımı, psikiyatrik hastalıklar ve dejeneratif bozukluklar için önemi ile bilinen, uzun süredir çalışılan bir nörotransmiterdir. Dopamin salınımını gerçek zamanlı olarak inceleme yeteneği, sinirbilim için bir hedef olmuştur. Bu örnekte, beyindeki dopaminin oksidasyonu, CV kullanılarak mikroelektrotlarla ölçülmüştür. Dopamin salınımı üzerindeki etkilerini test etmek için ilgilenilen beyin bölgesine çeşitli farmakolojik ajanlar uygulandı.

Nöral kayıt protezlerinin yeteneği, implantasyondan sonraki zamanla azalır. Bu örnekte, bir implantın etkinliğini izlemek için CV kullanılmıştır.

Elektrot malzemesi ve pürüzlülüğünün yanı sıra çevreleyen doku, eğrinin şeklini etkiledi. Eğrinin alanı tarafından belirlenen yüksek bir yük taşıma kapasitesi, iyi işleyen bir kuruluma işaret ediyordu. İmplantı gençleştirmek için kısa bir voltaj darbesi kullanıldı.

Mikrobiyal biyoelektrokimyasal sistemler, biyoremediasyon gibi uygulamalarla büyüyen bir çalışma alanıdır.

Bazı bakteriler, özellikle biyofilm adı verilen bir yüzey üzerinde katmanlar halinde toplandıklarında elektrokimyasal olarak aktiftirler. Bu hücreler bir biyoreaktörde büyütüldü ve elektrokimyasal olarak kontrol edildi. Hücreler biyoreaktörde büyüdükçe, hücreler tarafından üretilen akımı izlemek için döngüsel voltametri kullanıldı, böylece reaktanların ne zaman tükendiği belirlendi.

JoVE'nin döngüsel voltametriye girişini yeni izlediniz. Artık bir CV taramasının nasıl çalıştırılacağını ve yorumlanacağını anlamalısınız.

İzlediğiniz için teşekkürler!