Techniki prądowe Czujniki amperometryczne, woltamperometryczne 9 Większy wpływ na parametry analityczne (czułość, selektywność, eliminacja interferencji) poprzez dobór metody, zakresu potencjału i materiału elektrodowego. 9 Sygnał jest proporcjonalny do stężenia analitu. 9 Duża liczba wymienianych elektronów – większa czułość (odwrotnie niż w potencjometrii). 9 Mały koszt aparatury. 9 Dużo możliwych analitów. 9 Granica wykrywalności do 10-12 mol/dm3. 9 Brak konieczności kondycjonowania elektrod.

ΔE Ox + e- → Red (redukcja, katoda) Red → Ox + e- (utlenianie, anoda)

prąd Ox, Red

analit

I = Ikat - Ianod I = nFA {kRed(E) cOx(0,t) – kOx(E) cRed(0,t)} n – liczba wymienianych elektronów F – stała Faraday’a A – powierzchnia elektrody

redukcja

utlenianie

Przy określonym potencjale może dominować jeden z procesów

Szybkość zależy od stężeń powierzchniowych,

Ale nas interesują stężenia w głębi roztworu…

Mankamenty technik prądowych 9 Stężenia c(0,t) różnią się od stężeń w głębi roztworu – polaryzacja stężeniowa wynikająca z ograniczeń transportowych, sygnał prądowy może być zależny od czasu. 9 Wpływ pojemności warstwy podwójnej - prądy pojemnościowe. 9 Wpływ oporności roztworu. 9 Rola materiału elektrodowego – ograniczony zakres potencjałów, rola stanu powierzchni, pasywacja itp.

Transport reagenta dyfuzja (gradient stężenia)

migracja (ruch w polu elektrycznym)

konwekcja (ruch roztworu)

Roztwór i elektrody nieruchome – brak konwekcji Obecność elektrolitu podstawowego - brak migracji

I = (nFAD) ∂c(x,t)/∂x Równanie Ficka opisujące dyfuzję

n – liczba wymienianych elektronów F – stała Faraday’a A – powierzchnia elektrody D- współczynnik dyfuzji jonu w roztworze c – stężenie x – odległ. od pow. elektrody

Pomiar prądu przy stałym potencjale: chronoamperometria Potencjał, E

δ – grub. warstwy dyfuzyjnej

Dyfuzja liniowa: prostopadła do powierzchni płaskiej elektrody

Ogólne rozwiązanie równania dyfuzji:

i=

nFAD

δ

i = (nFAD) ∂c(x,t)/∂x

c

Dla chronoamperometrii δ= (πDt)1/2: grubość warstwy dyfuzyjnej

i = nFAD1/2c/(πt)1/2

równanie Cottrella

i jest funkcją liniową stężenia, c; ale zależy od czasu…

Metoda niestacjonarna

n – liczba elektronów wymienianych w procesie F – stała Faraday’a A – powierzchnia elektrody D- współczynnik dyfuzji jonu w roztworze c - stężenie w głębi roztworu

Woltamperometria cykliczna Równanie Randlesa-Sevcika

np. Fe(CN)63-/4-

a

b

c

W roztworze jest forma utleniona

d

Metoda niestacjonarna

Sposoby uzyskania stacjonarności Zmiana geometrii dyfuzji (na sferyczną): -elektrody kroplowe o małym promieniu, Wymuszanie konwekcji (stan stacjonarny): -wirowanie elektrody, -mieszanie roztworu, -przepływ roztworu. Bardzo mała szybkość reakcji elektrodowej.

Analiza przepływowa (kontrolowana konwekcja)

i=

nFAD

δ

c

Grubość warstwy dyfuzyjnej: δ = B / Uα i = nFA(D/B)C Uα

U – szybkość przepływu

Polarografia Polaryzacja jak w woltamperometrii (cyklicznej),

ale na kapiącej elektrodzie rtęciowej… Metoda prawie stacjonarna

Cd2+ + 2e → Cd(Hg)

bez Cd2+

Równanie Ilkovica

Polarografia (oznaczanie kationów metali i związków organicznych) np. Cd(II), Zn(II), Pb(II), Cu(II), Ni(II) (potencjały ujemne)

Elektrody Układ 3-elektrodowy: w.e. (elektroda pracująca, working electrode), prądowa, kontrolowany potencjał względem elektrody odniesienia r.e. (elektroda odniesienia, reference electrode), brak przepływu prądu Obecność tlenu: O2 + 2H+ + 2e → H2O2

c.e. (elektroda pomocnicza, counter electrode), np. Pt, prądowa, potencjał nie jest określony

Korzyści z układu 3-elektrodowego: -kontrolowany potencjał elektrody pracującej, -brak obciążenia prądowego (polaryzacji) elektrody odniesienia, -niewielki udział spadku omowego potencjału iR.

Materiały elektrodowe

Rtęć Odnawialna powierzchnia. Wysoki nadpotencjał wydzielania wodoru, utlenianie Hg przy potencjałach dodatnich; dostępny zakres potencjałów ujemnych. Rodzaje elektrod: DME (kapiąca), HMDE (wisząca, kroplowa elektroda Kemuli, Kublika), SMDE (statyczna), MFE (błonkowa). Dla kapiącej elektrody Hg – polarografia, stan quasi-stacjonarny Metal toksyczny

Platyna Metal szlachetny, aktywny katalitycznie, duża szybkość reakcji elektrodowych Niski nadpotencjał wydzielania wodoru; dostępny zakres potencjałów dodatnich. Podatność na zanieczyszczenia; konieczność starannego przygotowania powierzchni elektrody.

Inne metale Złoto - metal szlachetny, aktywny katalitycznie, mniej aktywny niż platyna, nadpotencjał wydzielania wodoru wyższy niż dla Pt Miedź, nikiel – detekcja aminokwasów i weglowodanów. Srebro – detekcja związków cyjankowych i siarkowych. Bizmut – alternatywa dla rtęci. Stopy metali – specyficzne zastosowania, wykorzystanie właściwości katalitycznych.

Węgiel – węgiel szklisty (glassy carbon, GC) Bardzo popularny materiał elektrodowy. Otrzymywany przez kontrolowany rozkład żywic fenolowo-formaldehydowych. Materiał nieporowaty, nie ma konieczności uszczelniania. Dość wysoki nadpotencjał wydzielania wodoru; szerokie okno potencjałowe. Porowaty węgiel szklisty (RVC – reticulated vitreous carbon) – duża powierzchnia (np. 66 cm2/cm3, zastosowania w analizie przepływowej.

RVC

Węgiel – pasta węglowa Mieszanina grafitu i oleju (parafinowego, silikonowego). Bardzo popularny materiał elektrodowy. Stosunkowo niskie prądy tła, szeroki zakres potencjałów, ale mniejsza szybkość przeniesienia ładunku. Łatwo odtwarzalna powierzchnia (przez wyciskanie pasty). Łatwa modyfikacja, np. przez dodanie enzymu (bioczujniki). Ryzyko przedostania się oleju do roztworu (gdy obecny rozpuszczalnik organiczny).

Węgiel – inne elektrody Włókno węglowe (carbon fibre), o średnicy rzędu μm, wykorzystywane w mikroelektrodach, głównie do badań w układach biologicznych (np. oznaczanie neuroprzekaźników w mózgu). Elektrody diamentowe – po zdomieszkowaniu, np. borem; szeroki zakres potencjałów do 3 V, słaba adsorpcja, niski poziom tła, przeznaczone do pracy w ekstremalnych warunkach. Elektrody sitodrukowane (grafit z łącznikiem polimerowym) – elektrody jednorazowego użytku.

Podwójna warstwa elektryczna

C = Q / ΔE C – pojemność Q = C ΔE

Prąd pojemnościowy iC = C (dE/dt)

Wirująca elektroda dyskowa

Woltamperometria hydrodynamiczna Zależność i = f (t) przy stałym potencjale Gdy c(0, t) = 0,

i=

nFAD

δ

c

Dyfuzja + konwekcja (elektroda wirująca) i = 0,62nFAD2/3ω1/2ν-1/6c

W woltamperometrii cyklicznej

Prąd pojemnościowy i = iF + ic

v

q=CE E

Chronoamperometria E = const

ic =

ΔE ⎛ −t ⎞ exp⎜ ⎟ R ⎝ RC ⎠

W typowych warunkach: R = 10 Ω, C = RC = 5⋅10-6 s (5 μs) Po upływie kilkudziesięciu μs ic ∼ 0

dq dE =C ic = dt dt

ΔE t 5⋅10-7

F,

ic ∼ v

iF ∼ v1/2

Granica wykrywalności, ~ 10-5 mol/dm3

Eliminacja ic – metody pulsowe

iC ~ exp(-t / RC)

iF ~ 1/t1/2

Woltamperometria pulsowa normalna (normal pulse voltammetry, NPV)

Czas tm dobrany tak, aby wyeliminować składową pojemnościową

Woltamperometria pulsowa różnicowa (pochodna) (differential pulse voltammetry, DPV)

Woltamperometria DPV (różnicowa)

NPV (normalna)

1 mg/dm3 Pb(II) i Cd(II), 0,1 mol/dm3 HNO3

Woltamperometria fali prostokątnej (square wave voltammetry, SWV)

A – redukcja B- utlenianie C - różnica

9Duża czułość. 9Kompensacja prądów pojemnościowych w cyklu redukcji i utleniania. 9Duża szybkość: f ΔE, np. f = 50 Hz, ΔE = 10 mV, szybkość 0,5 V/s.

Obniżanie granicy wykrywalności •Zatężanie (proces katodowy)

⇒ oznaczanie (proces anodowy) Anodic stripping voltammetry (ASV) M(Hg) → Mn+ + ne np. Mn+ + ne → M(Hg), •Zatężanie (proces anodowy) ⇒ oznaczanie (proces katodowy) Cathodic stripping voltammetry (CSV) np. Hg + X- → HgX + e, HgX + e → Hg + X•Adsorpcja (koadsorpcja)

⇒

oznaczanie Adsorptive Stripping Voltammetry (AdSV)

Mn+ Mn+ Mn+

•Generowanie prądów katalitycznych np. Mn+ + e → M(n-1)+; M(n-1)+ + Ox → Mn+ + Red ↑_______________________________↓ •Metody łączone

Przykł.: Fe3+ + e → Fe2+ Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + H2O Fe3+ + e → Fe2+

Porównanie technik prądowych

J. Wang, Analytical Electrochemistry, Wiley-VCh

Woltamperometria inwersyjna Metoda o wysokiej czułości – typowa granica oznaczalności analitu (depolaryzatora) 10-9 – 10-11 mol/dm3 Obniżenie granicy oznaczalności dzięki zastosowaniu wstępnego zatężania analitu na elektrodzie – stripping voltammetry etap 1 – redukcja oznaczanego metalu z osadzeniem na elektrodzie etap 2 – właściwe oznaczanie z rozpuszczaniem osadzonej na elektrodzie substancji (metalu) Stosowane elektrody: • wisząca elektroda rtęciowa • elektroda z cienką warstwą rtęci (błonką) na stałym podłożu • elektrody metaliczne • elektroda z węgla szklistego

Stosowana do oznaczania metali ciężkich, zatężać można również inne wybrane związki elektroaktywne np. kwas foliowy (na rtęci)).

Woltamperometria inwersyjna Oznaczanie śladów wielu pierwiastków metalicznych

Wotlamperogram mieszaniny kationów o stężeniu 2 . 10-7 mol/dm3 każdy

Oznaczanie kwasu foliowego w preparatach farmaceutycznych Oznaczanie śladów ołowiu w stałym KCl metodą dodatku wzorca

Oznaczanie jonów metali

woltamperometria z zatężaniem przez redukcję woltamperometria z zatężaniem adsorpcyjnym i redukcją kompleksu woltamperometria z redukcją ligandu woltamperometria z procesem katalitycznym

Oznaczanie jonów metali (woltamperometria z zatężaniem) Kadm:

zbiorniki wodne,

Chrom:

gleba

Kobalt:

gleba

Selen:

gleba

Miedź:

stal

Jod:

woda morska

Żelazo:

wino

Ołów:

krew, farby

Rtęć:

ryby

Nikiel:

rośliny, liście

Uran:

wody gruntowe

Antymon:

pozostałość prochu strzelniczego

J. Wang, Analytical Electrochemistry, Wiley-VCh

Elektroda Clarka (do oznaczania tlenu)

Katoda (Pt lub Au): O2 + 2 H2O + 4e → 4 OHElektrolit: wodny roztwór KCl

Anoda (Ag): 4 Ag + 4 Cl- → 4 AgCl + 4e Membrana: polietylen lub teflon

Bioczujniki Technika, detekcja elektrochemiczna + rozpoznanie biologiczne

Czujniki biokatalityczne wykorzystujące enzymy, komórki, tkanki, unieruchomione bioskładniki

Czujniki wykorzystujące powinowactwo biologiczne (affinity biosensors) wykorzystujące przeciwciała, receptory membranowe i kwasy nukleinowe

Bioczujniki enzymatyczne

Elektroda

30 – 0,3 μl krwi czas 5 – 120 s

S: substrat (analit) Warstwa biokatalityczna (enzym)

C: kofaktor Roztwór próbki

Czujnik glukozy Pierwszy przykład elektrody enzymatycznej (z oksydazą glukozy) Enzym unieruchomiony w membranie poliuretanowej

Glukoza + O2

oksydaza glukozy

Kwas glukonowy + H2O2

H2O2 → O2 + 2 H+ + 2e

detekcja elektrochemiczna

Zastąpić tlen innym akceptorem elektronu ?... Trudność w bezpośrednim przekazaniu elektronu między centrum enzymu i elektrodą – otoczka białkowa

Miareczkowanie amperometryczne Z jedną elektrodą polaryzowaną. Detekcja punktu końcowego w miareczkowaniach, w których przynajmniej jeden z reagentów może ulegać reakcji elektrodowej. Do elektrody pracującej przykłada się potencjał odpowiadający odpowiedniej reakcji elektrodowej, rejestruje się natężenie prądu w funkcji objętości dodanego titranta.

Reakcji elektrodowej ulega tylko analit (titrant nie), np. miareczkowanie Pb(II) roztworem EDTA.

Reakcji elektrodowej ulega tylko titrant (analit nie), np. miareczkowanie fosforanów(V) roztworem Pb(II).

Reakcji elektrodowej ulega titrant i analit, np. miareczkowanie chromianów (VI) roztworem Pb(II).

Punkt końcowy wyznacza się z przecięcia dwóch prostych

Miareczkowanie biamperometryczne Z dwiema elektrodami polaryzowanymi. Pomiar prądu płynącego pomiędzy dwiema elektrodami ( np. Pt) pod wpływem stałego przyłożonego napięcia (rzędu 10 – 200 mV). Prąd płynie w układzie w obecności dwóch substancji mogących reagować na elektrodach

Kulometria Wykorzystuje zjawisko elektrolizy zachodzące w całej masie roztworu Masa produktu elektrolizy jest proporcjonalna do ilości ładunku

m – masa, M – masa molowa, z – liczba elektronów biorących udział w reakcji, F – stała Faradaya, Q - ładunek elektryczny Warunek: 100 % wydajność prądowa reakcji elektrochemicznej Kulometria bezpośrednia – oznaczana substancja reaguje na elektrodzie np. Cu2+ + 2 e- → Cu0 Miareczkowanie kulometryczne – oznaczana substancja reaguje z produktem elektrolizy

Zalety miareczkowania konduktometrycznego:

precyzyjna kontrola dodawanego odczynnika poprzez ilość ładunku elektrycznego,

Q = I.t

• metoda bezpośrednia • duża czułość można oznaczać niewielkie ilości substancji, trudne do oznaczenia innymi technikami • generowanie odczynnika – nie ma konieczności nastawiania miana, mniejsze błędy (bardziej dokładny pomiar ładunku niż objętości), czy zmiany miana w czasie (ważne dla rozcieńczonych roztworów zasad) możliwość stosowania nietrwałych odczynników • łatwa automatyzacja

Wady: Konieczność wyznaczania punktu końcowego

Miareczkowanie kulometryczne - przykład Reakcja katodowa w roztworze wodnym: 2H2O +2e → H2 +2OHwytworzone jony OH- reaguje z jonami H+ obecnymi w próbce. Detekcja punktu końcowego miareczkowania – zwykłe metody: wskaźniki wizualne potencjometrycznie amperometrycznie, konduktometrycznie, spektrofotometrycznie

Oznaczanie wody w reakcji Karla Fischera miareczkowanie kulometryczne Reakcja redoks o wysokiej specyficzności dla wody utlenianie SO2 przez I2

I2 +SO2 + 2 H2O → 2 HI +H2SO4

(reakcja Bunsena)

Metanolowy (lub w innym rozpuszczalniku) roztwór jodu (I2) SO2,, zasada – pirydyna lub imidazol Popularna metoda Wysoka dokładność i precyzja Selektywność Analiza wymaga małej ilości próbki Łatwe przygotowanie próbki Krótki czas analizy Prawie nieograniczony zakres stężeń od 1 ppm do 100 % Analizowane próbki mogą być ciałami stałymi, cieczami, gazami

Konduktometria Metoda wykorzystująca pomiar przewodnictwa elektrycznego roztworu Stosowana szeroko jako metoda detekcji w wysokosprawnej chromatografii jonowej I – prąd, U – napięcie, R - opór

Przewodność właściwa

Stała naczynka, wyznaczana eksperymentalnie dla roztworów wzorcowych Przewodność właściwa elektrolitu zależy od: • rodzaju elektrolitu (przewodnictwo molowe, np. H+ 349,8; OH- 198,8; Na+ 50,1; Cl- 75,3 Ω-1cm2mol-1) • stężenia elektrolitu • temperatury

Zastosowania konduktometrii Bezpośredni pomiar (detekcja w chromatografii, kontrola procesów przemysłowych, np. oczyszczania wody). Polega na zmierzeniu przewodności cieczy między dwoma elektrodami Pt, do których przyłożone jest napięcie zmienne (od 1 do 10 kHz eliminacja procesów elektrodowych) Miareczkowanie konduktomeryczne Pomiar przewodnictwa roztworu w czasie dodawania titranta, zmiany przewodnictwa pojawiają się gdy do roztworu dodawane są jony o innej ruchliwości niż obecne w roztworze miareczkowanym Kształt krzywej zależy od ruchliwości jonów analitu (w próbce) i jonów titranta •HCl Titrant NaOH, •AgNO3 titrant LiCl

CH3COOH Titrant NaOH

Naczynka konduktometryczne

Punkt końcowy wyznacza się z przecięcia dwóch prostych