Elektrokémiai módszerek



Hasonló dokumentumok
ARANY VÉKONYRÉTEG ELEKTRÓDOK

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

Elektromos ingerlés ELEKTROMOS INGERLÉS. A sejtmembrán szerkezete. Na + extra. Elektromos ingerlés:

Szakképesítés-ráépülés: Műszeres analitikus Szóbeli vizsgatevékenység A vizsgafeladat megnevezése: Analitikai elemző módszerek

Klasszikus analitikai módszerek:

ELEKTROANALITIKA (ELEKTROKÉMIAI ANALÍZIS)

Szigetelők Félvezetők Vezetők

Didaktikai feladat: frontális osztálymunka, egyéni munka, csoportmunka, ismétlés, tanár-diák párbeszéd, ellenőrzés, értékelés

Kémiai alapismeretek 11. hét

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

1. Kolorimetriás mérések A sav-bázis indikátorok olyan "festékek", melyek színüket a ph függvényében

Szerves kémiai analízis TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Jellemző redoxi reakciók:

A tételhez használható segédeszközöket a vizsgaszervező biztosítja. Jogszabályi változás esetén a vizsgaszervező aktualizálja a mellékleteket.

Elektrokémiai gyakorlatok

Redox reakciók. azok a reakciók, melyekben valamely atom oxidációs száma megváltozik.

KONDUKTOMETRIÁS MÉRÉSEK

Kémiai mérések. Kapcsolattartó: Jakusovszky Beáta, tel: ; fax: ,

A standardpotenciál meghatározása a cink példáján. A galváncella működése elektrolizáló cellaként Elektródreakciók standard- és formálpotenciálja

Kémiai fizikai alapok I. Vízminőség, vízvédelem tavasz

Elektrokémiai preparátum

Használati útmutató. Automatikus TrueRMS multiméter USB interfésszel AX-176

GRUNDFOS muszaki táblázatok. Műszerezés. Adagolás 50/60 Hz

Elektronika I. laboratórium mérési útmutató

Elektro-analitikai számítási feladatok 1. Potenciometria

Redoxi reakciók Elektrokémiai alapok Műszaki kémia, Anyagtan I előadás

ELEKTROLITOK VEZETÉSÉVEL KAPCSOLATOS FOGALMAK

Háromfázisú komparatorok, Pontossági osztály 0.01% Ellenrz számlálók egy- vagy háromfázisú, Pontosság 0.02 % vagy 0.05% Méretalonok egy- vagy

AZ ELEKTROKÉMIA VÁLOGATOTT ALKALMAZÁSI TERÜLETEI

Környezetvédelmi mérések fotoakusztikus FTIR műszerrel

4. mérés Jelek és jelvezetékek vizsgálata

L Ph 1. Az Egyenlítő fölötti közelítőleg homogén földi mágneses térben a proton (a mágneses indukció

VÍZKEZELÉS Kazántápvíz előkészítés ioncserés sómentesítéssel

Felhasználói kézikönyv

ZÁRÓJELENTÉS. Fény hatására végbemenő folyamatok önszerveződő rendszerekben

Gerhátné Udvary Eszter

Hz U. oldat. R κ=l/ra. 1.ábra Az oldatok vezetőképességének mérése

Áramforrások. Másodlagos cella: Használat előtt fel kell tölteni. Használat előtt van a rendszer egyensúlyban. Újratölthető.

A VÍZ OLDOTT SZENNYEZŐANYAG-TARTALMÁNAK ELTÁVOLÍTÁSA IONCSERÉVEL

Mikrofluidika I. - Alapok

MELLÉKLETEK. ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK ÉRETTSÉGI VIZSGA ÍRÁSBELI TÉTEL Középszint

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás VI

Elektrolitok nem elektrolitok, vezetőképesség mérése

Elektromos áram, egyenáram

Jármőipari EMC mérések

Nyugalmi és akciós potenciál

(3) (3) (3) (3) (2) (2) (2) (2) (4) (2) (2) (3) (4) (3) (4) (2) (3) (2) (2) (2)

Elektrotechnika "A" tételek

DIGITÁLIS MULTIMÉTER AX-101B HASZNÁLATI ÚTMUTATÓ

1. NaF/KöF alállomás sémája, a készülékek megnevezése és feladata.

Elektrokémia. A nemesfém elemek és egymással képzett vegyületeik

QXA2602/QXA2604 QXA2603 QXA2604. Kondenzáció érzékelő

Károlyi Benedek: Áramforrások a számítástechnikában

Elektromágneses módszerek geofizikai-földtani alkalmazásai. Pethő Gábor (Miskolci Egyetem)

MUNKAANYAG. Danás Miklós. Elektrotechnikai alapismeretek - villamos alapfogalmak. A követelménymodul megnevezése:

Tartalomjegyzék. Fontos Biztonsági Utasítások...2 Biztonsági előírások... 2 Fő Egység:... 3 Remote Control... 3

Oscillating Wave Test System Oszcilláló Hullámú Tesztrendszer OWTS

AC LAKATFOGÓ AX-202 HASZNÁLATI ÚTMUTATÓ

ACTIVE INVERTEREK. 230V 1~ (2 méret) 0,55kW - 0,75kW - 1,1kW 1,5kW 2,2kW 3kW

Titrálás Elmélet és gyakorlat

Felhasználói kézikönyv

RAJZOLATI ÉS MÉLYSÉGI MINTÁZATKIALAKÍTÁS II:

Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar Gépjárművek Tanszék

É11. Nyugvó villamos mező (elektrosztatika) Cz. Balázs kidolgozása. Elméleti kérdések: 1.Az elektromos töltések fajtái és kölcsönhatása

ASTRASUN HIBRID SZIGETÜZEMŰ INVERTEREK ÉS TÖLTÉSVEZÉRLŐK

Felhasználói kézikönyv

FIZIKA MUNKAFÜZET 7-8. ÉVFOLYAM IV. KÖTET

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Villamosmérnöki és Informatikai Kar. Doktori értekezés

Kondenzátorok. Fizikai alapok

UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROFOTOMETRIA

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK. Anyagtudomány c. tantárgyból a 2009/10. tanév I. félévében Gépészmérnöki és Informatikai Kar, Gépészmérnöki Szak, BSc képzés

Colin Hargis Elektromágneses összeférhetõség - útmutató erõsáramú mérnökök részére

03/012 Rendszeráttekintés

Az EuroProt készülékcsalád

NÉHÁNY KÜLÖNLEGES FÉMES NANOSZERKEZET ELŐÁLLÍTÁSA ELEKTROKÉMIAI LEVÁLASZTÁSSAL. Neuróhr Katalin. Témavezető: Péter László. SZFKI Fémkutatási Osztály

Oszcilloszkópos mérések II. laboratóriumi gyakorlat

Árpád Fejedelem Gimnázium és Általános Iskola Megyervárosi Iskola 9. ÉVFOLYAM. 1. Atomszerkezeti ismeretek

Szójegyzék/műszaki lexikon

Önhűtött, motortól független frekvenciaátalakító. PumpDrive 2 Eco. Üzemeltetési/összeszerelési útmutató

KÉMIA MOZAIK évfolyam KERETTANTERVRENDSZER A GIMNÁZIUMOK SZÁMÁRA NAT Készítette: Dr. Siposné dr. Kedves Éva

NEUTRON-DETEKTOROK VIZSGÁLATA. Mérési útmutató BME NTI 1997

Előtétszó Jele Szorzó milli m 10-3 mikro 10-6 nano n 10-9 piko p femto f atto a 10-18

Használati utasítás. Kalibra 59 Bt. RISHMulti 18s digitális multiméterekhez

A kísérlet célkitűzései: Az elektromos áram hatásainak kísérleti vizsgálata, az elektromos áram felhasználási lehetőségeinek áttekintése.

4 ½ számjegyes digitális multiméter. Model AX Használati útmutató

VOLTCRAFT digitális multiméter. Biztonsági tudnivalók. Rendeltetés. Kezelő szervek (Ld. az ábrán)

A voltammetriás mérések során az elektrokémiai cella két vagy három elektródot tartalmaz. Ezek a következők:

Elektronika II Feladatlapok jegyzet

RONCSOLÁSMENTES VIZSGÁLATTECHNIKA

Speciálkollégium. Dr. Fintor Krisztián Magyary Zoltán Posztdoktori Ösztöndíj TÁMOP A/ Nemzeti Kiválóság Program Szeged 2014

KÍSÉRLETEK NANOVASTAGSÁGSÁGÚ HÁRTYAKONDENZÁTOROKKAL

Számítógépek. 2.a) Ismertesse a kombinációs hálózatok alapelemeit és a funkcionálisan teljes rendszer

Felhasználói kézikönyv

Univerzális érintésvédelmi műszer

A 2007/2008. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatlapja. KÉMIÁBÓL I. kategóriában ÚTMUTATÓ

Felhasználói kézikönyv

Dokumentum száma. Oktatási segédlet. ESD Alapismeretek. Kiadás dátuma: ESD alapismeretek. Készítette: Kovács Zoltán

THNG IBMSZ Beltéri műszerszekrény Típusdokumentáció kiterjesztés

Laboratóriumi technikus laboratóriumi technikus Drog és toxikológiai

Nemzeti Akkreditáló Testület. MÓDOSÍTOTT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAT /2014 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Átírás:

Elektrokémiai módszerek Dr. Bonyár Attila bonyar@ett.bme.hu Budapest, 2014.05.05. BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 1999 15 /26

-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

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

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

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

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

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

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

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

Ajánlott irodalom 1. Harsányi Gábor Érzékelők és beavatkozók: 3.1. fejezet, 25-26. oldal 2. Harsányi Gábor Érzékelők és beavatkozók: 3.5. fejezet, 32-37. oldal 3. Harsányi Gábor Érzékelők és beavatkozók: 4.2.5. fejezet, 60-62. oldal 4. Harsányi Gábor Érzékelők és beavatkozók: 5.4.3. fejezet, 90-91. oldal 5. Jobbágy Ákos Segédanyagy az Orvosbiológiai méréstechnika c. tárgyhoz: 2.3., 2.4. fejezetek, 16-19. oldal 6. O. Pänke, T. Balkenhohl, J. Kafka, D. Schäfer and F. Lisdat, Impedance Spectroscopy and Biosensing, Adv Biochem Engin/Biotechnol (2008) 109: 195 237 24 /26

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