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In dieser Artikelserie über verschiedene Festkörperelektroden haben wir bereits die neue Bi-Tropfenelektrode und die scTRACE-Goldelektrode sowie ihre Leistungsfähigkeit für die Bestimmung von Schwermetallen in Trinkwasser vorgestellt. In Teil 4 stellen wir die nächste Art von Sensoren vor, die für die Schwermetallanalyse zur Verfügung stehen: die siebgedruckte Elektrode (SPE, screen-printed electrode, Dickfilmelektrode) zusammen mit zwei Anwendungen für die gleichzeitige Bestimmung von Cadmium und Blei sowie Nickel und Kobalt.
Siebgedruckte Elektroden (screen-printed electrodes, SPEs)
Die Siebdruck-Mikrofabrikationstechnologie ist für die Herstellung von elektrochemischen Dickfilmsensoren gut etabliert. Diese Technologie ermöglicht die Massenproduktion von reproduzierbaren und mechanisch robusten Festkörperelektroden. Die Möglichkeit der Massenproduktion hat große Auswirkungen auf den Preis und macht die SPEs damit preiswert. Zudem sind die SPEs gut geeignet für die Bestimmung von Schwermetallen.
Die Drucktechnik ermöglicht die Herstellung einer wartungsfreien Referenzelektrode, wodurch die Vorbereitung des Analysesystems für die Schwermetallanalyse schneller und unkomplizierter wird. Hier entfällt das Nachfüllen der Referenzelektrode und die Reinigung des Sensors nach einer abgeschlossenen Bestimmung. Die Integration von drei Elektroden (Arbeits-, Referenz- und Hilfselektrode - siehe Abbildung 1) auf einer einzigen Plattform bei gleichzeitiger Miniaturisierung ihrer Größe und des zugehörigen Messgeräts unterstützt und erleichtert den Transport der Ausrüstung zur Probenahmestelle und die Bestimmung von Schwermetallen vor Ort.
Der einfachste und schnellste Weg, die Oberfläche und damit die Eigenschaften dieser siebgedruckten Elektroden für den Schwermetallnachweis zu verändern, ist die elektrochemische Abscheidung (in situ oder ex situ) eines Metallfilms (entweder Bismut oder Quecksilber) auf der Arbeitselektrode. Dieser Ansatz ermöglicht den flexiblen Einsatz von SPEs mit einem einzigen Sensortyp (z. B. Kohlenstoff) für ein breites Spektrum von Anwendungen.
Wenn Sie sich für andere Anwendungen und Möglichkeiten von SPEs interessieren, lesen Sie unseren anderen Blogartikel:
Mit Quecksilberfilm modifizierte SPEs
Der Quecksilberfilm auf der Kohlenstoff-Arbeitselektrode besteht aus einer sehr dünnen Quecksilberschicht, die an der Elektrodenoberfläche adsorbiert ist. Die Mechanismen der Anreicherung und des Entfernens (abstrippen, oxidieren) des Analyten sind die gleichen wie bei einer herkömmlichen Quecksilbertropfelektrode.
Mit Bismutfilm modifizierte SPEs
Da Bismut nicht giftig ist, gibt es zwei umweltfreundliche Methoden für die Herstellung des Bismutfilms: In-situ-Beschichtung und Ex-situ-Beschichtung. Bei der Ex-situ-Beschichtung wird vor der ersten Bestimmung ein Bismutfilm in einer separaten Lösung aufgebracht. Anschließend wird die modifizierte Elektrode mit Reinstwasser abgespült und kann für die Analyse weiterverwendet werden.
Siebgedruckte Elektroden können nur für eine begrenzte Anzahl von Messungen verwendet werden und müssen in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden. Die Lebensdauer und die Häufigkeit des Austauschs hängen von der Art der Elektrode und der Anwendung ab.
Derzeit ermöglichen siebgedruckte Elektroden die gleichzeitige Bestimmung von Cadmium und Blei vor Ort. Deshalb wird im Folgenden eine Methode zur Cadmium- und Bleibestimmung vorgestellt, bei der die Metrohm DropSens 11L Kohlenstoff-Siebdruckelektroden mit einem Quecksilberfilm ex situ modifiziert werden.
Zusätzlich zur Cadmium- und Bleibestimmung wird eine Methode mit einem Ex-situ- Bismutfilm für Nickel und Kobalt vorgestellt. Beide Messungen (Cadmium und Blei sowie Nickel und Kobalt) können mit dem 946 Portable VA Analyzer (Version für siebgedruckte Elektroden (SPE), Abbildung 2) oder mit jedem beliebigen VA-Messstand von Metrohm unter Verwendung eines entsprechenden Elektrodenschafts (Abbildung 3) durchgeführt werden.
Für weitere Informationen über den 946 Portable VA Analyzer klicken Sie bitte auf den untenstehenden Link.
Mit dem Elektrodenschaft können Sie nun siebgedruckte Elektroden in jedem beliebigen VA-Messstand von Metrohm verwenden. Ob Sie nun voltammetrische Spurenanalytik betreiben oder mit einem eigenen modifizierten Sensor neue Applikationsfelder erschließen wollen, der Elektrodenschaft ermöglicht den einfachen Einsatz von SPEs.
Erfahren Sie mehr über den Elektrodenschaft für SPEs in unserem kostenlosen Flyer.
Flyer: Elektrodenschaft für Dickfilmelektroden - Dickfilmelektroden für die VA-Analyse
Anwendungen
Bestimmung von Cadmium und Blei mittels anodischer Stripping-Voltammetrie
Cadmium und Blei sind giftige Elemente, deren Konzentration im Trinkwasser überwacht werden muss. Die provisorischen Richtwerte in den "Guidelines for Drinking-water Quality" der Weltgesundheitsorganisation sind auf eine maximale Konzentration von 3 µg/L für Cadmium und 10 µg/L für Blei festgelegt. Die mit einem Ex-situ-Quecksilberfilm modifizierte Metrohm DropSens 11L Kohlenstoff-Siebdruckelektrode ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von Cadmium und Blei in Trinkwasserproben (Abbildung 4).
Mit dem 946 Portable VA Analyzer kann bei einer Anreicherungszeit von 90 s eine Nachweisgrenze (LOD) von 0,3 µg/L für beide Elemente erreicht werden. Dies ist mehr als ausreichend, um die vorläufigen WHO-Richtwerte zu überwachen.
Die relative Standardabweichung für 5 Messungen in einer Kontrollstandardlösung mit β(Cd) = 2 µg/L und β(Pb) = 2 µg/L beträgt 14 % und 12 %. Die Wiederfindungsrate liegt bei 88 % für Cadmium bzw. 82 % für Blei.
Für weitere Informationen laden Sie bitte unsere kostenlose Application Note herunter.
Bestimmung von Nickel und Kobalt mittels adsorptiver Stripping-Voltammetrie
Nickel und Kobalt können bspw. über Auswaschung aus Gesteinen oder industrielle Abwässer in die Trinkwassersysteme gelangen. In der EU sind 20 µg/L als Grenzwert für die Nickelkonzentration im Trinkwasser gesetzlich festgelegt.
Die simultane und unkomplizierte Bestimmung von Nickel und Kobalt basiert auf der adsorptiven Stripping Voltammetrie (AdSV) mit Dimethylglyoxim (DMG) als Komplexbildner. Vor der ersten Bestimmung muss die Metrohm DropSens 11L Kohlenstoff-SPE mit einem Ex-situ-Bismut-Film modifiziert werden. Die einzigartigen Eigenschaften des ungiftigen Bi-Films in Kombination mit der AdSV führen zu einer hervorragenden Empfindlichkeit. Bei Verwendung des 946 Portable VA Analyzer liegt die Nachweisgrenze bei 30 s Anreicherungszeit bei etwa 0,4 µg/L für Nickel und 0,2 µg/L für Kobalt und kann durch Erhöhung der Anreicherungszeit weiter gesenkt werden.
Der Einwegsensor muss nicht gewartet werden, z. B. durch mechanisches Polieren oder mechanische Reinigung. Diese Methode ist bestens geeignet für manuelle Systeme.
Die relative Standardabweichung für drei aufeinanderfolgende Messungen in einer Kontrollstandardlösung (β(Ni) = 2 µg/L β(Co) = 2 µg/L) beträgt 7 % bzw. 8 %. Die Wiederfindungsrate beträgt 100 % für Nickel und 94 % für Kobalt.
Weitere Informationen erhalten Sie in unserer kostenlosen Application Note.
Wesentliche Merkmale
der siebgedruckten Elektroden:
- Mechanisch robuste, kostengünstige, wartungsfreie, miniaturisierte Festkörperelektroden
- Elektrodenhalter passend für alle VA-Messstände von Metrohm (884 Professional VA, 797 VA Computrace, 663 VA Stand)
- Lösungsbeständiger Elektrodenhalter
- Schneller und einfacher Austausch von SPEs
- Gleichzeitige Bestimmung von Ni und Co, sowie Cd und Pb
- Nachweisgrenze im niedrigen μg/L-Bereich bzw. hohen ng/L-Bereich
Weitere Beiträge dieser Serie
Dieser Blog-Artikel widmete sich dem Thema siebgedruckte Elektroden (SPEs) und wie sie für die Bestimmung von Schwermetallionen in Trinkwasser und anderen Wässern eingesetzt werden können. In weiteren Beiträgen geht es um die Spurenmetallanalyse mit diesen Festkörperelektroden:
