Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein elektrochemisches Verfahren zur Messung der Impedanz eines Systems in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselspannungspotentials.
Elektrochemische Impedanzspektroskopie: komplex und beliebt
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine der komplexesten Techniken in der elektrochemischen Forschung. Auf dieser Seite werden die Grundlagen der EIS erklärt, d.h. die Anregung und das Signal sowie die aufgezeichneten Werte. Die Visualisierung und Analyse der EIS-Daten wird in den folgenden Kapiteln erläutert.
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) hat in den letzten 10 Jahren viel Aufmerksamkeit erregt. Sie ist aus mehreren Gründen sehr beliebt. Ein Grund ist, dass die EIS es ermöglicht, die Einflüsse verschiedener Komponenten zu trennen, d. h. den Beitrag des Elektronenübergangswiderstands, der Doppelschichtkapazität usw.
Oberflächenempfindlich
Ein weiterer Grund ist, dass die elektrochemische Impedanzspektroskopie sehr oberflächenempfindlich ist, was viele Veränderungen sichtbar macht, die andere Techniken nicht sehen, z. B. Veränderungen in Polymerschichten aufgrund von Quellung, Oberflächenveränderungen aufgrund von Proteinadsorption oder Durchdringung von Korrosionsschutzschichten.
Daher ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie für die analytische Elektrochemie interessant, da Moleküle ohne einen redoxaktiven Marker nachgewiesen werden können.
Während der Widerstand das Verhältnis von Spannung oder Potential und Strom für ein Gleichstromsystem ist, ist die Impedanz das Verhältnis von Spannung oder Potential und Strom für Wechselstromsysteme.
Aufgrund des Wellencharakters ist es notwendig, die Impedanz mit zwei Parametern zu definieren. Der eine ist die Gesamtimpedanz Z und der andere ist die Phasenverschiebung Φ.
Empfohlene Instrumente
Elektrochemische Impedanzspektroskopie kann mit jedem unserer Geräte durchgeführt werden. Unser Vorzeigegerät ist jedoch der PalmSens4. Eine Alternative ist der MultiPalmSens4.
PalmSens4
Leistungsstarke EIS in einem kompakten Gerät
- Großer Frequenzbereich (10 µHz - 1 MHz)
- Standalone oder PC-gesteuert
- Leistungsstarke Software inklusive
MultiPalmSens4
Mehrkanalige EIS-Messungen für die Spitzenforschung
- Bis zu 10 Kanäle in einem System
- Unabhängig gesteuert oder synchronisiert
- Volle EIS-Unterstützung (10 µHz - 1 MHz)
Periodische Wellen von Strom und Spannung
Betrachtet man die beiden periodischen Wellen von Strom und Spannung, so haben die Wellen die gleiche Frequenz, weil eine Welle die andere verursacht. Zwischen den beiden Wellen gibt es eine konstante Zeitverschiebung, die als Phasenverschiebung Φ bezeichnet wird. Ihre Einheit ist Grad (°), weil Wellen normalerweise als Vektoren in einem Polarkoordinatensystem oder als Sinusfunktion betrachtet werden (siehe Abbildung 1.1).
Die Gesamtimpedanz ist das Verhältnis zwischen der Amplitude des Potentials und der Amplitude des Stroms. Die resultierende Impedanz ist eine komplexe Zahl. Diese Zahl kann in der komplexen Ebene in Polarkoordinaten ausgedrückt werden, indem Z als Länge des Vektors und Φ als Winkel verwendet werden.
Mit den üblichen Kenntnissen über Berechnungen mit komplexen Zahlen kann die Impedanz auch als Realteil der Impedanz Z', der den Widerstand darstellt, und Imaginärteil Z'' ausgedrückt werden (siehe Abbildung 1.2).
Bode-Diagramm und Nyquist-Diagramm
Die beiden Notationen sind der Ursprung der beiden populärsten Diagramme für Impedanzspektren: das Bode-Diagramm und das Nyquist-Diagramm. Weitere Informationen finden Sie hier: Bode- und Nyquist-Plot.
Ein Potentiostat misst die Impedanz, indem er eine Potenzialwelle an die Arbeitselektrode anlegt und die daraus resultierende Stromwelle aufzeichnet. Aus diesen beiden Wellen errechnet der Potentiostat Z, Φ, Z' und Z''. Das Spektrum wird durch Messung dieser Parameter für Potenzialwellen mit unterschiedlichen Frequenzen erstellt.
Frequenzen
In der Regel wird eine feste Anzahl pro Dekade gewählt, da die meisten Diagramme eine logarithmische Achse haben. Das bedeutet, dass beispielsweise 10 Frequenzen zwischen 10 000 Hz und 1000 Hz, 10 zwischen 1000 Hz und 100 Hz usw. ausgewählt werden, da diese Frequenzen auf einer logarithmischen Skala in der Regel äquidistant sind.
Mit PSTrace können Sie wählen, ob Sie die Gesamtzahl der Punkte über das gesamte Spektrum oder die Anzahl der Punkte pro Dekade festlegen möchten. Unabhängig davon, welche Option Sie wählen, können Sie immer eine Liste der gewählten Frequenzen sehen.
- Elektrochemische Impedanzspektroskopie
- Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein elektrochemisches Verfahren zur Messung der Impedanz eines Systems in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselspannungspotentials.
Siehe PalmSens4 mit EIS bis zu 1 MHz Instrumente mit EIS vergleichen
Siehe auch:
Häufig gestellte Fragen
Diese Fragen zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie werden uns häufig gestellt.
Was ist elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)?
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein elektrochemisches Verfahren zur Messung der Impedanz eines Systems in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselspannungspotentials. Sie ist aus mehreren Gründen sehr beliebt.
Ein Grund dafür ist, dass die EIS es ermöglicht, die Einflüsse verschiedener Komponenten zu trennen, d. h. den Beitrag des Elektronenübergangswiderstands, der Doppelschichtkapazität usw.
Ein weiterer Grund ist, dass die elektrochemische Impedanzspektroskopie sehr oberflächenempfindlich ist, was viele Veränderungen sichtbar macht, die andere Techniken nicht sehen, z. B. Veränderungen in Polymerschichten aufgrund von Quellung, Oberflächenveränderungen aufgrund von Proteinadsorption oder Durchdringung von Korrosionsschutzschichten.
Daher ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie für die analytische Elektrochemie interessant, da Moleküle ohne einen redoxaktiven Marker nachgewiesen werden können.
Wozu dient die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)?
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie wird eingesetzt, um das Vorhandensein einer bestimmten Substanz in einer (meist) Flüssigkeit nachzuweisen und/oder ihre Menge mit Hilfe elektrischer Wellen zu messen.
Ein Potentiostat sendet diese Wellen an die zu messende Flüssigkeit, und aus der zurückkommenden Reaktion kann ein elektrochemischer Forscher die Informationen ablesen, die er zu diesem Zweck benötigt.
Man denke nur an die Untersuchung/Messung von HIV im Blut oder von Quecksilber im Grundwasser. Der Vorteil der elektrochemischen Impedanzspektroskopie besteht darin, dass der Test die Flüssigkeit nicht beeinträchtigt, dass er außerhalb des Labors durchgeführt werden kann und dass er wenig Zeit in Anspruch nimmt.