Voltammetria. Szilárd elektródok Módosított elektródok

Átírás

1 Voltammetria Szilárd elektródok Módosított elektródok

2 Ciklikus Voltammetria (CV) -elektrokémiai reakciók vizsgálata -ritkán alkalmazzák mennyiségi meghatározásra E I Ox Red f v t i c n i a E k n t Ox Red 2 E

3 Értelmezés [Fe(CN) 6 ] 3- [Fe(CN) 6 ] 4- Ox Red i c i a Ox Red E 3

4 Reverzibilis rendszerek I p,c /I p,a =1 4

5 Nem-reverzibilis rendszerek Kvázi-reverzibilis Irreverzibilis 5

6 Amperometria Konstans feszültség mellet mérjük az áramot Cottrell egyenlet szerint I=f(1/t 1/2 ) Az áram egyszerre idő és koncentráció függő -áramló oldatos módszerek (kromatográfiás detektor) -keverés (pl. amperometriás titrálás) -mikroelektródok alkalmazása (r<25 µm) -membránok alkalmazása (oxigén elektród, módosított elektródok) 6

7 Áramló oldatos rendszerek U-áramlási sebesség; B,α- konstans (α=0.33-1) I=nFADc * /δ Vékonyréteg cella Wall-jet cella a b ME ME υ-kinematikus viszkozitás (stokes) a-a bemeneti cső átmérője 7

8 Előnyök/Hátrányok A konstans felület és konstans potenciál miatt a kapacitív áram gyorsan lecseng Kis kimutatási határ! mol (1-100 pg) A felület elszennyeződése Pulzáló amperometriás detektálás 8

9 Voltammetria Elektrolízis (mikroelektrolízis) Fe 3+ Anyagtranszport Fe 3+ e - Egyensúlyban RT Fe3 E E0 ln + = + nf Fe2 Fe 2+ Fe 2+ Fe 3+ aq+ e - m Fe 2+ aq Fe 2+ aq e - m + Fe 3+ aq + i=afj J fluxus [mol/cm 2 s ] J =k 0 [Fe 3+ ] Redukció Oxidáció 9

10 Anyagtranszport Diffúzió c x Nernst-Planck egyenlet Koncentráció gradiens Migráció Φ x Elektromos potenciál gradiens Konvekció V(x,t) hidrodinamikai sebesség 10

11 Diffúziós áram Elektronátlépés sebessége >> Anyagtranszport Anyagtranszport csak diffúzióval történik Fick első törvénye Migráció kiküszöbölése (vezető sóval) Konvekció kiküszöbölése (keveredés, vibráció és egyéb mechanikai hatások megszüntetése) Fick második törvénye 11

12 Cottrell egyenlet t Koncentráció T, nő X, cm t 12

13 Előnyök/hátrányok Nem szolgáltat kvalitatív információt mint a potenciál pásztázásos módszerek Elektródsorok (electrode array) 16 elektród Különböző feszültségeken 13

14 Voltammetriás ultramikroelektródok Korong Henger Nagytisztaságú fémrúd beolvasztása üvegkapillárisba szigetelés Cu kontaktus üvegkapilláris Ezüst epoxigyanta Fémszál 0.6 µm < Pt 14

15 Stacionárius állapot (I=4nFDCr) Ciklikus voltammetriás görbék I, A 1.8E E E E E E E E E E E µm #1. 25 µm #3. 10 µm #1. 5 µm #1. 5 µm #3. E, V 15

16 Voltammetriás ultramikroelektródok előnyei Kedvezıbb jel/zaj viszony if, hemiszférikus ( πd t) i F, planáris = 1+ 0 r 1 2 Kis ohmikus potenciálesés (ir) Alkalmazható nagy ohmikus ellenállású közegekben (nem vizes oldat, kis vezetısó koncentráció) Kis idıállandó (RC) Gyors polarizációs vizsgálatok, rövid élettartamú termékek identifikálása Nagy sebességő anyagtranszport Csökkent konvekció-érzékenység 16

17 Diffúziós profilok Idıfüggı áram, i(t) idı Stacionárius áram, i I = i ss ss N j= 1 ss 17

18 10 µm 18

19 Interdigitális mikroelektród sor W=1-10 µm s 1 µm (-) (+) Fe 2+ Fe 3+ 19

20 Oxigén elektród/ Oxigén szenzor Dr. Leland C. Clark, Jr

21 Winkler-módszer 1. Mn OH - Mn(OH) Mn(OH) 2 + 1/2O 2 + H 2 O 2Mn(OH) Mn(OH) 3 + 6H + + 3I - 2Μn 2+ + I H 2 O 4. I 3- I 2 + I - 5. I 2 + 2S 2 O 3 2-2I - + S 4 O 6 2- ( Pt -600 mv) 2e - + ½ O 2 + H 2 O 2 OH - 21

22 FELÉPÍTÉS -0.6 V az O 2 redukciós áram Nitrocellulóz 22

23 Kalibrálás 100 % 0.1 ppm 0 % 23

24 Keverés- és hőmérsékletérzékenység A membránon keresztüli diffúzió a transzport meghatározó tényező I Az oldatból történő diffúzió a transzport meghatározó Pt E M Mintaoldat Pt E M Mintaoldat 24

25 Vércukormérés-glükóz bioszenzor HO HO O OH OH GOX HO O O + O 2 + HO OH H 2 O 2 OH OH glükóz glükonolakton Első generációs 25

26 . Bioszenzor Jelátalakitás Minta Elektrokémiai Jel Feldolgozás Külsı védıréteg Biológiai Felismerı réteg Méret Kizárásos réteg Mérendı komponens (glükóz) Detektált komponens ( H 2 O 2 ) Electrokémia interferensek (AA, PAAP) Biológiai eredető interferensek 26

27 C W R R W C W R R W a b c 2.5 mm Külső réteg (PU) Enzim réteg (GOx) Méretkizárásos réteg (GOx) Pt Au Cr Kapt on (PI) 27

28 Glükóz-oxidáz FADH 2 FAD 28

29 Második generációs Glükonolakton Glükóz Ru Ru 3+ Ru Ru 2+ e - ELEKTRÓD 29

30 Harmadik generációs Elektród 30

31 Bakteriálisis vaginóz ózis Enzimaktivitás mérés Prolin iminopeptidáz Sejtek BV diamin (putreszcin) ph PU Putreszcin-oxidáz Poli(mFDA) Pt Au Cr Kapton

32 Prolin iminopeptidáz (PIP) negatív (66 ± 41 mu/ml) pozitív (704 ± 145 mu/ml) Schoonmaker, J.N., Lunt, B.D., Lawellin, D.W., French, J.I., Hillier, S.L. & McGregor, J.A. (1991). Am. J. Obstet. Gynecol., 165,

33 Subsztrát Enzim Enzim Szubsztrát Electrode

34 Mérőcella 150 x x 125 Szigetelo Szigetelo 100 Magassag, µm Ag Grafit Ag 0-25 a b c Tavolsag, mm

35 Érzékelő Fedő Reakció réteg enzim Szigetelő réteg Subsztrát Munka elektród Referencia elektród

36 Enzimkinetika E + S k 1 ES k 2 E + P v max v K -1 [S]v max v = [S] + K M V max /2 Enzim aktivitás mérés Szubsztrát koncentráció mérés K M [S] Szubsztrát telítésben mérjük az enzim aktivitást

37 N H HN O O + H 2 O Prolin aminopeptidáz HO HN + NH 2 L-prolin 2-naftilamid L-prolin 2-naftilamin I, µa ) 0.5 mm β-naftilamin 2) 0.1 M, ph=7.3 Tris puffer E, mv

38 di/dt, µa/min µ K M =0.13 mm C Prol β-na, mm

39 Mikroelektród sorozatú mikrocella 190 mikroelektród (20x20 µm 2 ) 2 0 h, µm scan length, mm

40 Mérőcella grafit munkaelektróddal Szigetelõ Szigetelõ magasság, µm Reakciotér Grafit Ag Ag d, mm

41 Kalibráció Három különböző elektród válasza di/dt, µa/min mu/ml I, µa PIP aktivitás, mu/ml mu/ml idõ, min 41

42 Putreszcin oxidáz putreszcin m-fenilén-diamin (PDA) (méretkizárásos réteg) Pt Belső membrán Elektród Reakció réteg Elektropolimerizációval előállítva 0.01 M PDA (0.1 M, ph=7.2 foszfát puffer) 18 ciklus 0.2 and 0.8 V vs. Ag/AgCl (2 mv/s)

43 I [na] blank 5.7 I [na] blanc time [s] time [s] -7 I [na] time [s] Fres J Anal Chem (2001) 369 :