Spektroelektrochemische Experimente liefern nicht nur hervorrragende qualitative Informationen über Proben, sondern bieten auch die Möglichkeit, die Messdaten zur quantitativen Analyse heranzuziehen.
Mit einer einzigen Versuchsreihe erhalten Analytiker zwei Kalibrierkurven: eine mit elektrochemischen Daten und eine weitere mit spektroskopischen Informationen. Die Konzentration der untersuchten Proben wird unter Verwendung beider Kurven berechnet, wodurch die erzielten Ergebnisse über zwei verschiedene Wege bestätigt werden.
In dieser Application Note zeigt der Vergleich zwischen elektrochemischen und spektroskopischen Bestimmungen, dass mit beiden Messverfahren übereinstimmende Harnsäurekonzentrationen (HS) gemessen werden, wobei die berechneten Werte mit den empirischen Daten nahezu übereinstimmen.
Für die Messungen in dieser Studie wurden siebgedruckte Kohlenstoffelektroden (110), eine Reflexionszelle für siebgedruckte Elektroden (REFLECELL), eine Reflexionssonde (RPROBE-VIS-UV) und ein SPELEC-Messgerät verwendet (Abbildung 1), das mit der Software DropView SPELEC gesteuert wird. Dieser Aufbau ermöglicht es, detaillierte, klare und präzise Informationen über die elektrochemischen Prozesse zu erhalten, die auf der Elektrodenoberfläche ablaufen. DropView SPELEC ist eine spezielle Software, die spektroelektrochemische Informationen liefert und Tools zur geeigneten Verarbeitung und Analyse der aufgenommenen Daten enthält.
Diese Technik liefert nicht nur spektroelektrochemische Daten zur qualitativen Analyse, sondern ermöglicht auch quantitative Bestimmungen. Um sowohl eine elektrochemische als auch optische Kalibrierungskurve zu erhalten, wurden potentiostatische spektroelektrochemische Experimente mit verschiedenen Harnsäurekonzentrationen (HS) zwischen 1 × 10−5 und 1 × 10−4 mol/L in 0,1 mol/L HCl durchgeführt. Als elektrochemische Messtechnik wurde die amperometrische Detektion bei einem Potential von +0,80 V und einer Messdauer von 60 s eingesetzt. Die UV-Vis-Spektren wurden mittels Reflexionsmessung (400 ms Integrationszeit) aufgenommen. In dieser Konstellation wurde eine Serie von 150 Spektren unter Verwendung der amperometrischen Detektion innerhalb von 60 s aufgenommen. Die Synchronisation der elektrochemischen und spektroskopischen Messdaten ist dabei durch das SPELEC-Messgerät vollständig gewährleistet.
Die anhand verschiedener Harnsäurekonzentrationen erhaltenen elektrochemischen Messkurven sind in Abbildung 2a dargestellt und zeigen, dass der Strom mit steigender Analytkonzentration zunimmt. In Abbildung 2b zeigen die UV-Vis-Spektren bei 60 Sekunden zwei Absorptionsbanden bei 235 nm und 285 nm. Hier nimmt die Absorption (absoluter Wert) mit steigender Harnsäurekonzentration zu, wobei die Bande bei 285 nm am stärksten ausgeprägt ist.
Um die Entwicklung des optischen Signals zu veranschaulichen und die Genauigkeit der ausgewählten Daten zu gewährleisten, ist in Abbildung 2c die Entwicklung der Absorptionsbande bei 285 nm in Relation zur Zeit für jede untersuchte Harnsäurekonzentration dargestellt. Dieses Diagramm wurde mit dem in der Software DropView SPELEC implementierten Tool “Spectra vs.time" erstellt.
Es wurden zwei Kalibrierungskurven mit der Stromstärke und der Absorption bei 285 nm bei je 60 s in Abhängigkeit der Harnsäurekonzentration erstellt (Abbildung 3).
Der autovalidierende Charakter der Spektroelektrochemie wurde durch Auftragung der ermittelten Konzentrationen anhand der elektrochemischen Kalibrierkurve gegenüber den ermittelten Konzentrationen anhand der spektroskopischen Kalibrierkurve nachgewiesen (Abbildung 4). Dieser autovalidierende Charakter ist auf die beiden unabhängigen Messsignale zurückzuführen, die gleichzeitig für jede Probe erhalten werden, was für analytische Zwecke sehr nützlich ist.
Hier wurden eine Steigung von 0,999 und ein Achsenabschnitt von 7 × 10−5 ermittelt. Da die Steigung näherungsweise eins und der Achsenabschnitt näherungsweise null ist, wurden die Harnsäurekonzentrationen folglich sowohl durch die elektrochemischen als auch durch die spektroskopischen Signale ohne nennenswerte Unterschiede bestimmt, was beweist, dass die UV-Vis-Spektroelektrochemie eine autovalidierte Methode für die quantitative Analyse ist.
Abschließend wurde die Harnsäurekonzentration von zwei Proben (Tabelle 1) anhand beider Kalibrierkurven ermittelt. Die spektroelektrochemischen Ergebnisse zeigen bei 60 s einen Strom von 0,092 uA und eine Absorption von -0,018 a.u. bei 285 nm für Probe 1 und einen Strom von 0,297 uA und eine Absorption von -0,066 a.u. bei 285 nm für Probe 2. Die Übereinstimmung zwischen den praktisch ermittelten und den tatsächlichen Konzentrationen beweist die analytischen Eigenschaften dieser Technik.
| Probe | [UA] | [UA]elektrochemisch | [UA]spektroskopisch |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,020 | 0,019 | 0,020 |
| 2 | 0,060 | 0,060 | 0,060 |
Die UV-Vis-Absorptionsspektroelektrochemie ist nicht nur eine sehr gute Technik zum Verständnis von Reaktionsmechanismen, sondern auch eine hervorragende Technik für quantitative Zwecke. Diese Studie zeigt die Nützlichkeit dieser analytischen Messtechnik bei der Bestimmung von Harnsäure. Darüber hinaus wurde der autovalidierende Charakter der Spektroelektrochemie nachgewiesen, da sowohl elektrochemische als auch spektroskopische Kalibrierkurven zu identischen Konzentrationsbestimmungen von Harnsäure führen und Ergebnisse liefern, die mit der tatsächlichen Konzentration der Proben genau übereinstimmen.
Diese Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Instrumental Analysis Group (Andrea Santiuste, Lydia García, Cristina Moreno, Aránzazu Heras und Álvaro Colina) der Universität Burgos (Spanien) durchgeführt.
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