Voltammetria Szilárd elektródok Módosított elektródok
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
Értelmezés [Fe(CN) 6 ] 3- [Fe(CN) 6 ] 4- Ox Red i c i a Ox Red E 3
Reverzibilis rendszerek I p,c /I p,a =1 4
Nem-reverzibilis rendszerek Kvázi-reverzibilis Irreverzibilis 5
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
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
Előnyök/Hátrányok A konstans felület és konstans potenciál miatt a kapacitív áram gyorsan lecseng Kis kimutatási határ! 10-14 mol (1-100 pg) A felület elszennyeződése Pulzáló amperometriás detektálás 8
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
Anyagtranszport Diffúzió c x Nernst-Planck egyenlet Koncentráció gradiens Migráció Φ x Elektromos potenciál gradiens Konvekció V(x,t) hidrodinamikai sebesség 10
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
Cottrell egyenlet t Koncentráció T, nő X, cm t 12
Előnyök/hátrányok Nem szolgáltat kvalitatív információt mint a potenciál pásztázásos módszerek Elektródsorok (electrode array) 16 elektród Különböző feszültségeken 13
Voltammetriás ultramikroelektródok Korong Henger Nagytisztaságú fémrúd beolvasztása üvegkapillárisba szigetelés Cu kontaktus üvegkapilláris Ezüst epoxigyanta Fémszál 0.6 µm < Pt 14
Stacionárius állapot (I=4nFDCr) Ciklikus voltammetriás görbék I, A 1.8E-08 1.6E-08 1.4E-08 1.2E-08 1.0E-08 8.0E-09 6.0E-09 4.0E-09 2.0E-09 0.0E+00-2.0E-09 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 25 µm #1. 25 µm #3. 10 µm #1. 5 µm #1. 5 µm #3. E, V 15
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
Diffúziós profilok Idıfüggı áram, i(t) idı Stacionárius áram, i I = i ss ss N j= 1 ss 17
10 µm 18
Interdigitális mikroelektród sor W=1-10 µm s 1 µm (-) (+) Fe 2+ Fe 3+ 19
Oxigén elektród/ Oxigén szenzor Dr. Leland C. Clark, Jr. 1956 20
Winkler-módszer 1. Mn 2+ + 2OH - Mn(OH) 2 2. 2Mn(OH) 2 + 1/2O 2 + H 2 O 2Mn(OH) 3 3. 2Mn(OH) 3 + 6H + + 3I - 2Μn 2+ + I 3- + 6H 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
FELÉPÍTÉS -0.6 V az O 2 redukciós áram Nitrocellulóz 22
Kalibrálás 100 % 0.1 ppm 0 % 23
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
Vércukormérés-glükóz bioszenzor HO HO O OH OH GOX HO O O + O 2 + HO OH H 2 O 2 OH OH glükóz glükonolakton -0.6 +0.6 Első generációs 25
. 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
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
Glükóz-oxidáz FADH 2 FAD 28
Második generációs Glükonolakton Glükóz Ru Ru 3+ Ru Ru 2+ e - ELEKTRÓD 29
Harmadik generációs Elektród 30
Bakteriálisis vaginóz ózis Enzimaktivitás mérés Prolin iminopeptidáz Sejtek BV diamin (putreszcin) ph PU Putreszcin-oxidáz Poli(mFDA) Pt Au Cr Kapton
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, 737-42.
Subsztrát Enzim Enzim Szubsztrát Electrode
Mérőcella 150 x x 125 Szigetelo Szigetelo 100 Magassag, µm 75 50 25 Ag Grafit Ag 0-25 a b c 0.0 1.5 3.1 4.6 6.1 7.6 9.2 Tavolsag, mm
Érzékelő Fedő Reakció réteg enzim Szigetelő réteg Subsztrát Munka elektród Referencia elektród
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
N H HN O O + H 2 O Prolin aminopeptidáz HO 3.4.11.5 HN + NH 2 L-prolin 2-naftilamid L-prolin 2-naftilamin -10-8 1-6 I, µa -4-2 1) 0.5 mm β-naftilamin 2) 0.1 M, ph=7.3 Tris puffer 0 2 0 200 400 600 800 1000 1200 E, mv
-0.7-0.6 di/dt, µa/min µ -0.5-0.4-0.2 K M =0.13 mm -0.1 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 C Prol β-na, mm
Mikroelektród sorozatú mikrocella 190 mikroelektród (20x20 µm 2 ) 2 0 h, µm -2 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 scan length, mm
Mérőcella grafit munkaelektróddal 150 125 Szigetelõ Szigetelõ magasság, µm 100 75 50 25 0 Reakciotér Grafit Ag Ag -25 0.0 1.5 3.1 4.6 6.1 7.6 9.2 d, mm
Kalibráció Három különböző elektród válasza -16.7-13.3-10.0 di/dt, µa/min -0.8-0.6-0.4-0.2 841.5 mu/ml I, µa -6.7 0.0 0 200 400 600 800 PIP aktivitás, mu/ml -3.3 0.0 10.3 mu/ml 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 idõ, min 41
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)
-40 28.5-300 -250 28.5-30 -200 I [na] -20-10 0 22.5 11.4 2.8 0.7 blank 5.7 I [na] -150-100 -50 0 17.1 11.4 5.7 2.8 blanc 0 50 100 150 200 250 300 time [s] 50 75 100 125 150 175 200 time [s] -7 I [na] -6-5 -4-3 -2-1 0 34.2 28.5 17.1 11.4 5.7 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 time [s] Fres J Anal Chem (2001) 369 : 286 294