Elektrokémiai módszerek

Átírás

1 Elektrokémiai módszerek Dr. Bonyár Attila Budapest, BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

2 Ismétlés Alapfogalmak: ionok, anion, kation, anód, katód, oxidáció, redukció, elektrokémiai cella, galváncella, elektrokémiai kettősréteg, Nernst elektródpotenciál... oxidáció - elektron leadása, redukció elektron felvétele az anódon mindig oxidáció van, a katódon mindig redukció Az elektrokémiai kettősréteg alkalmazása, elektródok: Minden elektrolitba mártott fém esetén kialakul Többlépcsős modell, Helmholtz síkok Elektródok: nulladfajú (Pt, Au), elsőfajú, másodfajú (referencia) 2 /26

3 Galváncella Standard elektródpotenciál Elektrokémiai cellák Részei: elektrolit víz (oldószer), háttérleketrolit (PBS, KCl), redoxi-ionok, munkaelektród, ellenelektród, referencia elektród, külső elektronika. Kételektródos mérési elrendezés Külső mérőelektronika Munkaelektród Ellenelektród Elektrolit 3 /26

4 A háromelektródos mérési elrendezés és a potenciosztát elekronika A referencia elektród szerepe: másodfajú elektród, minden fázishatáron reverzibilis ion-elektron transzportmechanizmusok, jól definiált határfelületi potenciálok (nehezen polarizálható), az elektródpotenciálja az áramátvezetéstől függetlenül állandó, stabil viszonyítási pont, fém telített fémsó-oldattal, típusai: Ag/AgCl/KCl/Cl - Hg/Hg 2 Cl 2 /KCl/Cl - Potenciometria: R és W közötti potenciálkülönbséget mérünk, nincs polarizáció, kis átfolyó áramok, elektródpotenciálok különbsége (Nernst). Potenciosztát elektronika 4 /26

5 Egy egyszerű mérési elrendezés a valóságban IDT fésűs elektródok 5 /26

6 Ag/AgCl ref. Ag/AgCl ref. 2. Elektrokémia A alternatív elektródbekötési módok Cél: Növelni az elrendezés integrálhatóságát (balról jobbra haladva egyre integrálhatóbb) Aux Munka Munka Ref. Munka Aux Aux + Ref. Ref. Pt szál IDT1, IDT2 IDT1, IDT2 IDT1, IDT2 Standard Bio-Counter Common- Bio-Counter 6 /26

7 3D nyomtatott elektrokémiai cella Légmentesen zárt Fix hordozó pozíció Akril alapú gyanta Moduláris 3D RPT-vel gyártva 7 /26

8 Áram (ma) Koncentráció Határáram (ma) 2. Elektrokémia Amperometria az elektrokémiai cella áramát mérjük, van polarizáció, határáram régió (telítés), lineáris áram-koncentráció kapcsolat diffúzió kontrollált folyamat U be Ellenelektród Elektrolit Referencia elektród Munkaelektród U ki =-I*R Potenciál (V) Koncentráció (%) 8 /26

9 Ciklikus Voltammetria Az amperometria általános esete: teljes áram potenciál diagramok Anódikus (oxidációs) áramcsúcs A DNS molekulák hatása kettős: az áramcsúcsok távolodnak (DEp), az áramcsúcsok csökkennek PCD (Peak Current Density): PCD=(I pa +I pc )/2 Kiértékelés az érzékenység alapján: DEp 0% : immobilizáció után DEp 100% : hibridizáció után Érzékenység ~ DEp 100% /DEp 0% Katódikus (redukciós) áramcsúcs PCD 0% : immobilizáció után PCD 100% : hibridizáció után Érzékenység ~ PCD 100% /PCD 0% 9 /26

10 Ciklikus Voltammetria A DNS és fehérjék kimutatásának elve A DNS szálak negatívan töltöttek (cukor-foszfát gerinc) Ferricianid ([Fe(CN) 6 ]K 3 ) és ferrocianid ([Fe(CN) 6 ]K 4 ) redoxi anionok A felületen reverzibilis redoxi-reakció zajlik az ionok között (egymásba alakulnak át) A DNS szálak elektrosztatikusan a redoxi anionok mindkét formájára hatnak A hatás következtében a felületre rögzített szálak taszítják a redoxi anionokat, megnehezítik a redoxi-reakció létrejöttét Redoxi kationok esetén (pl. Ruthenium Hexamine: [Ru(NH 3 ) 6 ]Cl 2, [Ru(NH 3 ) 6 ]Cl 3 ) a hatás épp ellentétes!! 10 /26

11 Áramsűrűség(mA/cm 2 ) Áramsűrűség(mA/cm 2 ) 2. Elektrokémia Ciklikus Voltammetria - példák Tiszta elektród DNS receptor réteg Hibridizáció után Elektrolit: 10 mm PBS (ph 7.4), 5mM ferro/ferri cianid Tiszta elektród DNS receptor réteg MCU SAM* Potenciál [mv] Potenciál [mv] MCU SAM: Mercapto-Undecanol Self Assembled Monolayer 11 /26

12 Ciklikus Voltammetria példák/2 Effektív elektródfelület elektrokémiai meghatározása Arany-oxid redukciós csúcsának integrálásával, híg kénsavban Forrás: Hoogvliet, Dijksma 2000 oxid redukciós csúcs Surface Ratio (SR): felületek aránya Ahol: Q Au0 arany oxid redukciós töltésmennyiség, Q Au0ref referencia érték polikristályos aranyra (kb. 400 mccm -2 ), n a cellareakció töltésszáma, F Faraday állandó, 0 adszorbens felületi borítottság (sűrűség), N M a fématomok felületi sűrűsége. 12 /26

13 Áramsűrűség [ma/cm 2 ] 2. Elektrokémia Ciklikus Voltammetria példák/3 Az arany vékonyréteg munkaelektródok többlépéses tisztítása: 1) Mechanikai szennyeződések eltávolítása (UH kádas tisztítás etanolban) 2) Kémiai tisztítás (piranha vagy bázikus piranha oldatban) 3) Elektrokémiai tisztítás A voltammetria potenciáltartományának kiterjesztésével a szennyeződések eltávolíthatók A tiszta munkaelektród alapvető követelmény minőségi bioréteg építéséhez!! Potenciál [mv] 13 /26

14 Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia A Randles cella modell: R s : soros ellenállás R ct : töltésátadási ellenállás C dl : kettősréteg kapacitás W: Warburg impedancia A töltésátadási ellenállás növekmény: Rct 0% : immobilizáció után Rct 100% : hibridizáció után Érzékenység ~ Rct 100% /Rct 0% w 0 =1/R ct C dl 14 /26

15 A felületi érdesség megjelenése EIS spektrumok esetén (CPE jelenség) A) Töltésátlépés nélküli eset (ideális kapacitás) p/2-nél kisebb iránytangens B) Töltésátlépéses eset (Faradikus eset) nyomott, torz félkör (forgatás) B A Forrás: Jurczakowski 2004 Forrás: Diao, Jiang /26

16 -Zi [Ohm*cm 2 ] 2. Elektrokémia Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia példák Tiszta elektród DNS receptor réteg 3h hibridizáció után 2d hibridizáció után (további) Elektrolit: 10 mm PBS (ph 7.4), 5mM ferro/ferri cianid DC potenciál: OCP, 10 mv AC sine, f: 50 khz-1hz Az EIS (R ct ) és a CV (DE p ) érzékenységének összevetése Az eredmények alapján az EIS mérési módszer érzékenyebb és kevésbé destruktív a bioréteg szempontjából Zr [Ohm*cm 2 ] 16 /26

17 Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia példák/2 D-dimer érzékelés, statikus karakterisztika felvétele antigénkoncentráció függvényében EIS spektrumok Statikus karakterisztika 17 /26

18 Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia - kitekintő A DVT-IMP nemzetközi projekt célja: A mélyvénás trombózis (DVT) során egy vérrög keletkezik, ami általában a láb vénáiban jön létre. Ha ez a vérrög átáramlik a tüdőig, ott embóliát okozhat. Ez gyakran halálhoz vezet! Olyan készülék kifejlesztése, ami egy csepp vérmintából D- dimer koncentrációt detektál. A D-dimer koncentráció a véralvadásra ad információt, amivel diagnosztizálható az esetleges mélyvénás trombózis. Detektálás elve EIS Feladatunk: hordozható mérőberendezés prototípus készítése 18 /26

19 Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia - kitekintő A prototípus fejlesztése: Bluetooth modul Kijelző Impedancia mérő modul Interdigitális elektród Mechanikai interface 19 /26

20 Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia - kitekintő A kézi mérőberendezés látványterve (gyártva 3D RPT-vel): Cartridge 5 db IDT elektródával Végső méret: 10x10x20 cm 20 /26

21 Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia - kitekintő 3 Hz 100 khz frekvencia tartomány Beépített fluidikai redszer Beépített adatkiértékelés (cirkuláris regresszió) Wireless kommunikáció (e-health rendszer) Platform technológia! 21 /26

22 Konduktometria Vezetőképesség változáson alapuló érzékelők, A vezetőképesség az ionkoncentráció lineáris függvénye:,ahol, c i,z i,m i a mozgékony ionok koncentrációja, vegyértéke ill. mozgékonysága. Pl. Radelkis OK-117 kombinált ph és konduktancia mérő Tranziens elektrokémia külső gerjesztés hatására valamely paraméter időbeli változásának nyomonkövetése Krono-amperometria, Krono-coulometria U [mv] Gerjesztés I [ma] Válaszjel t [s] t [s] 22 /26

23 Zárszó Az Érzékelők technológiája labor műszerparkja Potenciosztátok: Voltalab PGZ 301 (CV, EIS), Voltalab PST 50 (CV). Spektrofotométer: Avantes AvaLight (UV, Vis, NIR, IR) 3D RPT nyomtató: Objet Eden 250 SPRi platform 23 /26

24 Ajánlott irodalom 1. Harsányi Gábor Érzékelők és beavatkozók: 3.1. fejezet, oldal 2. Harsányi Gábor Érzékelők és beavatkozók: 3.5. fejezet, oldal 3. Harsányi Gábor Érzékelők és beavatkozók: fejezet, oldal 4. Harsányi Gábor Érzékelők és beavatkozók: fejezet, oldal 5. Jobbágy Ákos Segédanyagy az Orvosbiológiai méréstechnika c. tárgyhoz: 2.3., 2.4. fejezetek, oldal 6. O. Pänke, T. Balkenhohl, J. Kafka, D. Schäfer and F. Lisdat, Impedance Spectroscopy and Biosensing, Adv Biochem Engin/Biotechnol (2008) 109: /26

25 Ellenőrző kérdések Alapfogalmak definiálása (elektrokémiai alapfogalmak, DNS immobilizáció, hibridizáció, elektromos kettősréteg, diffúzió kontrollált folyamat, töltésátadási gát (ellenállás),stb.). Írja le egy standard háromelektródás elektrokémiai cella alkotórészeit. Mi a refencia elektród szerepe az elektrokémiai cellában, és mi teszi őt alkalmassá erre a feladatra? Sematikusan rajzolja le a potenciosztát elektronika felépítését. A potenciometria mérési módszer rövid ismertetése. Rajzolja fel az amperometria tipikus potenciál-áram diagramjait eltérő koncentrációkra és a koncentráció-áram függést határáram üzemmódban Rajzoljon fel egy tipikus voltammogrammot a fontosabb jellemző paraméterek feltüntetésével. Voltammetria mérési elv ismertetése. Rajzolja fel a Randles cella Warburg impedanciával kiegészített helyettesítőképét, nevezze meg a helyettesítőkép elemeit és röviden jellemezze őket. Rajzoljon fel egy tipikus EIS Nyquist spektrumot a fontosabb jellemző paraméterek, tartományok feltüntetésével. EIS mérési elv ismertetése. 25 /26