Udostępnij artykuł
Spektroelektrochemia (SEC) jest obecnie jedną z najbardziej obiecujących nowych technik analitycznych. Chociaż jego potencjał nigdy nie budził wątpliwości, zróżnicowany sprzęt potrzebny do wykonywania pomiarów, użycie nawet trzech komputerów do przetwarzania danych oraz złożoność konfiguracji ogniw zniechęciły wielu badaczy do wykorzystania SEC w swoich badaniach pomimo jego zalet. Wprowadzenie najnowocześniejszej linii instrumentów SPELEC – w pełni zintegrowanych, doskonale zsynchronizowanych i kontrolowanych za pomocą jednego oprogramowania – wypełniło tę lukę, czyniąc SEC jeszcze bardziej dostępnym. Jednak jednym z kluczowych wymagań, jakie należy w dalszym ciągu spełnić, aby SEC był odpowiedni dla wszystkich laboratoriów, jest dostępność przyjaznych dla użytkownika ogniw dla różnych konfiguracji: warunków transmisji, odbicia i przepływu. W tym artykule szczegółowo opisano różne rodzaje komórek SEC.
Zaadresowanie potrzeby pokonywania ograniczeń
Nadal występują ograniczenia instrumentalne, np. w rozwoju komórek SEC. Niektóre urządzenia spektroelektrochemiczne mają wady, takie jak: rygorystyczne wymagania konstrukcyjne (kształt, rozmiar i materiał elektrody), w przypadku których nie można zastosować bardziej konwencjonalnych opcji, urządzenia wymagają większych objętości roztworu próbek, ogniwa składają się z wielu części wymagających skomplikowanego i żmudnego montażu/ protokoły demontażu itp.
Aby ułatwić przyjęcie tej techniki, opracowano nowe i innowacyjne ogniwa SEC ze zaktualizowanymi konfiguracjami. Urządzenia te mają kilka zalet:
- łatwa obsługa
- wszechstronność w pracy z różnymi elektrodami
- odporność chemiczna na różne media
- prosty i szybki montaż i demontaż
- niska odporność na spadek omowy
- i więcej!
Ponadto nieprzezroczyste i zamknięte komórki eliminują zakłócenia środowiska. Działa to również jako zabezpieczenie, gdy jako źródło światła używany jest laser, ponieważ wiązka nie może opuścić celi.
Raman SEC: technika odcisków palców z odpowiednią konfiguracją komórek
Spektroelektrochemia Ramana to technika łączona, która bada nieelastyczne rozpraszanie (lub rozpraszanie Ramana) światła monochromatycznego związanego ze związkami chemicznymi biorącymi udział w procesie elektrochemicznym. Technika ta dostarcza informacji o przejściach energii wibracyjnej cząsteczek przy użyciu monochromatycznego źródła światła (zwykle lasera), które musi być skupione na powierzchni elektrody w tym samym czasie, gdy zbierane są rozproszone fotony (Rysunek 1).
Gdy rozpraszanie jest elastyczne, zjawisko to nazywa się rozpraszaniem Rayleigha, a gdy jest niesprężyste, nazywa się to rozpraszaniem Ramana. Koncepcja ta została zilustrowana w Rysunek 2.
Spektroelektrochemia ramanowska szybko staje się jedną z najbardziej obiecujących technik analitycznych ze względu na swoje nieodłączne właściwości odcisków palców, które umożliwiają identyfikację i różnicowanie związków chemicznych obecnych w badanym układzie. W związku z tym optymalizacja warunków konfiguracji systemu jest ważnym czynnikiem pozwalającym uzyskać pożądane wyniki. Przykładowo, aby uzyskać najwyższe natężenie Ramana, wymagane jest dostosowanie odległości sondy od próbki (w zależności od właściwości optycznych sondy).
Następujące ogniwa Ramana firmy Metrohm mają ulepszoną i uproszczoną konstrukcję, która zwiększa użyteczność i ułatwia optymalizację pomiarów (przejdź bezpośrednio do każdego typu ogniwa, klikając poniżej):
Do przeprowadzania eksperymentów spektroelektrochemicznych w rozpuszczalnikach wodnych i organicznych wykorzystuje się nowatorską czarną komórkę z systemem magnesów umożliwiającym łatwe otwieranie i zamykanie (Rysunek 3). Ogniwo to składa się z dwóch elementów PEEK (polieteroeteroketon). W górnej części znajduje się centralny otwór do wprowadzenia końcówki sondy Ramana oraz cztery wgłębienia o różnych głębokościach (1, 1,5, 2 i 2,5 mm), aby zoptymalizować odległość ogniskową pomiędzy sondą a elektrodą roboczą (WE). Ponadto posiada cztery otwory na CE (przeciwelektrodę), RE (elektrodę odniesienia) oraz strumień powietrza wlotowego i wylotowego, ale można je również zamknąć.
W górnej części dolnej części znajduje się przegródka na dodanie 3 ml roztworu. Objętość ta zapewnia właściwy kontakt WE, RE i CE z roztworem, jednocześnie zapobiegając zanurzeniu sondy Ramana. Spodnia część dolna zawiera małe wgłębienie do umieszczenia pierścienia typu O-ring, który zapobiega wyciekom. Dodatkowo WE jest mocowany poprzez gwintowanie w elemencie zaciskowym. Na koniec stosuje się uchwyt w celu utrzymania stabilności celi i zwiększenia wydajności pomiarów. Rysunek 4 daje przegląd różnych części tego ogniwa spektroelektrochemicznego Ramana.
Ogniwo Ramana do elektrod sitodrukowych (SPE)
Zaprojektowane z czarnego PEEK, ogniwo to składa się tylko z dwóch części. Dolna część służy do umieszczenia SPE, natomiast górna część posiada otwór przeznaczony do wprowadzenia sondy Ramana (Rysunek 5). Odległość ogniskową sondy można łatwo modyfikować za pomocą przekładek o różnej grubości (0,5, 1 i 1,5 mm).
Łatwy montaż kuwety w połączeniu z małą wymaganą objętością (60 µl) sprawia, że ta konfiguracja jest idealna dla niedoświadczonych użytkowników. Co więcej, kuweta ta posiada mały uchwyt na tygiel, co ułatwia precyzyjną charakterystykę optyczną próbek stałych i ciekłych bez konieczności przeprowadzania badań elektrochemicznych (Rysunek 6).
Ogniwo Ramana do elektrod sitodrukowych w warunkach przepływowych
Spektroelektrochemię przepływową można łatwo przeprowadzić dzięki opracowaniu cienkowarstwowych elektrod sitodrukowych z ogniwami przepływowymi i kołową elektrodą roboczą (TLFCL-CIR SPE). Konstrukcja tych SPE umożliwia transport roztworu przez jeden kanał (wysokość 400 µm, objętość 100 µL) przez WE, CE i RE (Rysunek 7).
Montaż ogniwa Ramana składa się z dwóch prostych kroków. Najpierw umieść SPE w określonej pozycji dolnej części. Następnie wystarczy założyć górną część i ogniwo jest gotowe do użycia. W górnej części ogniwa znajduje się otwór specjalnie zaprojektowany do wprowadzenia sondy Ramana i skupienia lasera na powierzchni WE.
System ten eliminuje wszelkie wycieki roztworu próbki, ponieważ ciecze znajdują się tylko w kanale elektrody.
Odbijaj lub przepuszczaj światło za pomocą ogniw spektroelektrochemicznych UV-Vis i NIR
Podczas badania procesu chemicznego jednoczesna rejestracja ewolucji widm UV-Vis (200–800 nm) i bliskiej podczerwieni (800–2500 nm) wraz z reakcją elektrochemiczną pozwala badaczom uzyskać informacje związane z elektroniką (UV) -Vis) i poziom wibracyjny (NIR) zaangażowanych cząsteczek. Opracowanie do tego celu nowych ogniw spektroelektrochemicznych umożliwiło ekspansję tej techniki łączonej w kilku sektorach przemysłu.
W zależności od końcowego zastosowania spektroelektrochemia UV-Vis i NIR może być wykonywana w różnych konfiguracjach ustawień (kliknij poniżej, aby przejść bezpośrednio do każdego tematu):
Konfiguracja odbicia
Podczas pracy z ogniwem refleksyjnym wiązka światła przemieszcza się w kierunku prostopadłym do powierzchni elektrody roboczej, na której następuje odbicie (Cyfra 8, lewy). Odbite światło zbiera się w celu analizy w spektrometrze (Cyfra 8, Prawidłowy). Jednakże możliwa jest również praca z innymi kątami padania i zbierania. Ta konfiguracja jest przydatna w przypadku elektrod nieprzezroczystych.
Ta kuweta refleksyjna, wykonana z czarnego PEEK, umożliwia przeprowadzanie eksperymentów SEC z rozpuszczalnikami wodnymi lub organicznymi (Rysunek 9). Górna część została zaprojektowana tak, aby zapewnić idealne umiejscowienie elektrody odniesienia i przeciwelektrody oraz światłowodu. Element zaciskowy optymalizuje odległość włókna od elektrody roboczej. Dodatkowo w górnej części ogniwa znajdują się także kanały wlotowe i wylotowe.
W dolnej części znajduje się specjalna komora do dodania 3 ml roztworu, w której umieszcza się elektrodę roboczą. System magnesów typu open-close eliminuje potrzebę stosowania śrub i ułatwia montaż ogniw.
Wykonywanie spektroelektrochemii za pomocą SPE wymaga prostego układu eksperymentalnego, umożliwiającego wykorzystanie tej techniki analitycznej do rutynowych analiz. Ogniwo to składa się z dwóch części – dolnej części z niewielkim wgłębieniem na umieszczenie SPE oraz górnej mieszczącej światłowód przy zachowaniu optymalnej odległości ogniskowej (Rysunek 10).
Cela ta jest korzystna w różnych projektach, ponieważ duża ilość informacji dostarczana jest z małej objętości próbki (poniżej 100 µl). Ogniwo posiada innowacyjny system magnesów typu otwórz-zamknij (nie wymaga śrub) umożliwiający łatwą wymianę czujników, ułatwiając przeprowadzanie eksperymentów spektroelektrochemicznych UV-Vis i NIR.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej na temat ogniwa refleksyjnego do elektrod sitodrukowych.
Cela ta stanowi odpowiednie wsparcie dla pomiarów spektroelektrochemicznych w warunkach przepływowych za pomocą SPE TLFCL-CIR. Jego prosta konstrukcja posiada otwór umożliwiający umieszczenie sondy refleksyjnej w odpowiedniej pozycji do analizy reakcji elektrochemicznej (Rysunek 11).
TLFCL SPE nadają się do pomiarów spektroelektrochemicznych – dzięki przezroczystej osłonie wyznaczającej jeden kanał (wysokość 400 µm, objętość 100 µL) nad ogniwem elektrochemicznym tworzy się cienka warstwa.
Konfiguracja transmisji
Eksperymenty z transmisją wymagają, aby wiązka światła przechodziła przez optycznie przezroczystą elektrodę (Rysunek 12). Gromadzi informacje o zjawiskach zachodzących zarówno na powierzchni elektrody, jak i w sąsiadującym z nią roztworze. Elektrody w tej konfiguracji muszą być wykonane z materiałów charakteryzujących się dużą przewodnością elektryczną i odpowiednią przezroczystością optyczną w interesującym obszarze widmowym.
Optycznie przezroczyste elektrody (OTE) umożliwiają użytkownikom jednoczesne wykonywanie pomiarów spektralnych i elektrochemicznych bezpośrednio przez elektrodę pracującą. Techniki spektroelektrochemiczne można zastosować w celu łatwego uzyskania widm przez przezroczyste warstwy przewodzące w tym samym czasie, gdy przeprowadza się eksperyment elektrochemiczny.
Komórka transmisyjna do SPE składa się z dwóch części, przy czym dolna część zawiera soczewkę (Rysunek 13). Soczewka ta kolimuje światło docierające ze źródła światła za pomocą światłowodu transmisyjnego. OTE umieszcza się na dolnej części, przepuszczając światło. Przepuszczane światło jest zbierane za pomocą światłowodu odblaskowego umieszczonego w górnej części ogniwa, uzyskując informacje o procesach zachodzących na powierzchni elektrody. Niewielka wymagana objętość (100 µl) i łatwa w montażu kuweta ułatwiają przeprowadzanie eksperymentów spektroelektrochemicznych UV-Vis i NIR w konfiguracji transmisyjnej.
Spektroelektrochemię transmisyjną można łatwo przeprowadzić przy użyciu tradycyjnej kuwety kwarcowej o długości ścieżki optycznej 1 mm, jak pokazano na rysunku Rysunek 14. Ogniwo zawiera również siatkę platynową WE, drut platynowy CE i Ag/AgCl RE. Ponadto solidny i łatwy w obsłudze uchwyt na kuwety umożliwia bardzo dokładne i powtarzalne pomiary absorbancji i fluorescencji (90°).
Streszczenie
Rozwój zaprezentowanych nowych ogniw sprawia, że pomiary spektroelektrochemiczne stają się jeszcze łatwiejsze. Ich zamknięta konfiguracja oraz wykonanie z nieprzezroczystego, obojętnego materiału pozwala uniknąć zakłóceń i eliminuje problemy związane z bezpieczeństwem. Do montażu, demontażu lub czyszczenia ogniw nie są wymagane żadne skomplikowane protokoły. Wreszcie ich prostota i łatwość obsługi ułatwia ich użycie, co w połączeniu ze zintegrowanymi rozwiązaniami SPELEC sprawia, że spektroelektrochemia staje się bardziej dostępna dla szerszego grona odbiorców.
Twoja wiedza na wynos
Blog: Spektroelektrochemia: rzucanie światła na nieznane
Blog: Spektroelektrochemia Ramana od Indii po Hiszpanię: historia i zastosowania
Nota: Spektroelektrochemia: technika analityczna z autowalidacją
Nota: Ogniwo spektroelektrochemiczne UV-Vis do elektrod konwencjonalnych
Nota: Spektroelektrochemiczne monitorowanie degradacji 4-nitrofenolu UV/VIS
Nota: Nowe strategie uzyskiwania efektu SERS w rozpuszczalnikach organicznych
Nota: Zwiększenie intensywności Ramana do wykrywania fentanylu
Książka zastosowań spektroelektrochemii
Rzucenie światła, w dosłownym tego słowa znaczeniu, na wiedzę i procedury elektrochemiczne. Spektroelektrochemia oferuje analitykom więcej informacji, umożliwiając jednoczesne rejestrowanie sygnału optycznego i elektrochemicznego w celu uzyskania nowych danych.
