Nachweis mehrerer Schwermetalle 3/5 - Analyse mehrerer Spezies mit der Rechteckwellenvoltammetrie

Mehrere Elektroden

Wenn ein Analyseverfahren zum Standardverfahren geworden ist und in Laboren oder Handgeräten weit verbreitet ist, wird die Zeiteffizienz zu einem wichtigen Kostenfaktor. Jede Verkürzung der Messzeit führt zu geringeren Kosten für den Prozess selbst. Die parallele Analyse mehrerer Analyten ist eine gute Möglichkeit, Zeit zu sparen. In vielen Biosensorgeräten wie DNA-Chips oder anderen „Lab-on-a-Chip“-Geräten werden verschiedene Bioerkennungselemente auf sehr kleinen Elektroden immobilisiert, und jede Elektrode durchläuft ihren eigenen Prozess zur Identifizierung eines Analyten.

Auf diese Weise muss nur eine Probe für mehrere Analyte verwendet werden, aber es ist ein Gerät erforderlich, das mehrere Elektroden messen kann. Multiplexer, bei denen ein einziger Potentiostat zwischen verschiedenen Elektroden umgeschaltet wird, sind eine wirtschaftliche Lösung. Es bleibt jedoch der Fall, dass nur ein Potentiostat und nur eine Elektrode zur gleichen Zeit gemessen werden können. Das bedeutet, dass es einen Zeitunterschied zwischen den Elektroden gibt. Für viele Protokolle ist dies nicht wichtig und in diesen Fällen ist ein Multiplexer eine gute Lösung. PalmSens bietet Multiplexer für jede seiner Potentiostatreihen und sogar einen Potentiostat mit integriertem Multiplexer an.

Lösungen für parallele Messungen

Wenn eine wirklich parallele Messung erforderlich ist, ist ein Polypotentiostat eine gute Wahl, um die Messzeit zu verkürzen. Ein Polypotentiostat ist ein Potentiostat mit einer Referenzelektrode, einer Gegenelektrode und mehreren Arbeitselektroden. Das bedeutet, dass sich alle Elektroden in derselben Lösung befinden müssen. Die Einschränkung dieses Geräts besteht in der gegenseitigen Abhängigkeit der Arbeitselektroden. Während für die Arbeitselektrode 1 hinsichtlich der angewandten Technik keine Einschränkungen bestehen, müssen alle anderen Arbeitselektroden dem Potential der Arbeitselektrode 1 mit einem benutzerdefinierten Potential-Offset folgen oder ein konstantes Potential aufweisen. PalmSens bietet den PalmSens4 als Bipotentiostat an, d. h. mit zwei Arbeitselektroden.

Die beste Lösung ist ein Multipotentiostat. Dabei handelt es sich um ein Gehäuse mit mehreren unabhängigen Potentiostaten, die von einem Softwarepaket gesteuert werden, z. B. einem MultiPalmSens4 (siehe Abbildung 2.1) oder MultiEmStat3(+). Unabhängige Potentiostaten sollten nicht in derselben elektrochemischen Zelle verwendet werden und auch keine gemeinsame Referenz- und Gegenelektrode haben.

Es ist leicht vorstellbar, dass Techniken, die die Verwendung einer einzigen Elektrode zum Nachweis mehrerer Analyten ermöglichen, diesen Array-Systemen in Bezug auf Herstellung, Kosten und Komplexität überlegen sind. Wenn der Unterschied zwischen zwei formalen Potentialen groß genug ist, kann die Änderung des Stroms aufgrund der Reaktion einer Spezies einzeln beobachtet werden (siehe Abbildung 2.2). Wird eine lineare Sweep-Voltammetrie durchgeführt, beginnt jede Spezies zu reagieren, z. B. eine Oxidation, sobald ihr formales Potential nahe beieinander liegt. Der Strom reagiert dann mit dem bereits bekannten Verhalten eines kombinierten Nernst- und Cottrell-Einflusses. Der Nachteil ist, dass der absolute Strom der zweiten Spezies, d. h. derjenigen mit dem anodischeren formalen Potential, vom diffusionsbegrenzten Strom der ersten Spezies abhängt.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung von Mehrfachanalysen ist die Verwendung des Kurvendifferentials. Der diffusionsbegrenzte Strom sollte konstant sein und somit ein Differential von 0 liefern. Beide Peaks wären unabhängig voneinander und ihre Spitzenwerte können für die quantitative Analyse verwendet werden, solange die Differenz zwischen den Potentialen der Peaks groß genug ist, damit sich die Peaks nicht überschneiden. Allerdings würde jeder Wendepunkt einen Peak liefern, so dass jeder Peak zu zwei Peaks führen würde. Ein einziger Peak, der so nahe wie möglich am formalen Potential liegt, wäre die einfachste Lösung für dieses Problem. Zwei gängige Verfahren, die alle diese Anforderungen erfüllen, sind die Differenzialimpuls-Voltammetrie (DPV) und die Rechteckwellen-Voltammetrie (SWV).

Rechteckwellen-Voltammetrie

In diesem Kapitel liegt der Schwerpunkt auf der Rechteckwellen-Voltammetrie (SWV), da die Differential-Puls-Voltammetrie (DPV) im abschließenden Experiment nicht zum Einsatz kommen wird.

Die SWV ist ein linearer Potentialdurchlauf in Kombination mit einem Impulsprofil (siehe Abbildung 2.3a). Bei einer Amplitude, die typischerweise zwischen 5 und 50 mV liegt, wird das Potential schrittweise erhöht und nach einer definierten Zeit um einen Schritt zurückgeführt, der_{um Estep} kleiner ist als die Amplitude. Folglich liegt das Potential nach einem vollständigen Zyklus mit Vorwärts- und Rückwärtsschritt_{um Estep} höher als zuvor. Ein vollständiger Zyklus dauert die Zeit_tinterval, deren Kehrwert die Frequenz ist. Jeder Schritt, sowohl vorwärts als auch rückwärts, dauert_tinterval/2. Der Strom wird unmittelbar vor jedem Vorwärtsschritt (_Iforward) und jedem Rückwärtsschritt (_Ireverse) gemessen (siehe Abbildung 4.37 b). Obwohl_Iforward und_Ireverse einzeln grafisch dargestellt werden können, wird üblicherweise die Differenz zwischen diesen beiden Werten ∆I in Abhängigkeit vom Potential grafisch dargestellt. Aus dem Cottrell-Experiment lassen sich Annahmen darüber ableiten, welche Stromantwort zu erwarten ist.

Jeder einzelne Schritt führt zu einem kapazitiven Strom, der schnell, sogar exponentiell, abklingt. Die Frequenz bzw. das_t-Intervall muss so eingestellt werden, dass ein großer Teil des kapazitiven Stroms bereits abgeklungen ist, der Faraday-Strom jedoch noch signifikant ist. Die Frequenz wird in der Regel für jedes System empirisch ermittelt. Abbildung 2.4 zeigt ein Schema des Stromverlaufs bei der Rechteckwellen-Voltammetrie (SWV).

In Abbildung 2.4 wird angenommen, dass sich nur die reduzierte Spezies „Red“ in der Lösung befindet und die Rechteckwellen-Voltammetrie bei einem Potential beginnt, das weit unter dem formalen Potential der Redoxspezies liegt. Die Frequenz wird so gewählt, dass der kapazitive Strom abgeklungen ist, bevor der nächste Schritt angewendet wird. Dies ist in Abbildung 2.4 b gut zu erkennen. Im Idealfall beträgt die Differenz zwischen_Iforward und_Ireverse 0, solange nur der kapazitive Strom zum gemessenen Strom beiträgt. Zu hohe Frequenzen können zu einem Versatz der Basislinie führen.

Mit steigendem Potential, d. h. wenn sich das Potential dem formalen Potential der Redoxspezies nähert, nimmt der Beitrag des Faraday-Stroms zur Stromantwort zu, während der kapazitive Strom gleich bleibt. Nach der Nernst-Gleichung ist die Stromantwort in der Nähe des formalen Potentials am stärksten. Sobald das Potential viel höher als das formale Potential ist, wird Red dauerhaft zu Ox oxidiert. Der kapazitive Strom nimmt nach jedem Schritt ab und der konstante diffusionsbegrenzte Strom wird aufgezeichnet, was wiederum zu einer Differenz ∆I von 0 zwischen _Iforward und_Ireverse führt (siehe Abbildung 2.4b).

Die gängigste Darstellung bei der Rechteckwellen-Voltammetrie ist die Aufzeichnung von ∆I ausschließlich in Abhängigkeit von E (siehe Abbildung 2.4c). Da die Differenz zwischen zwei Messpunkten aufgezeichnet wird, entspricht die Kurve tatsächlich der Ableitung des linearen Sweep-Voltammogramms, allerdings offensichtlich eines nicht diffusionsbegrenzten Systems.

Warum ist das so? Durch den Potentialrückgang wird die verbrauchte Spezies regeneriert und ein Abbau verhindert. Diese Technik schafft ein System, das praktisch nicht durch Diffusion begrenzt ist. Löst man die Gleichungen für_cOx(x,t) und_cRed(x,t), um die Form der Rechteckwellen-Voltammetrie (SWV) vorherzusagen, so stellt sich heraus, dass das Potential des Peaks_Ep in einer SWV mit dem formalen Potential^E0’durch folgende Beziehung zusammenhängt:

Normalerweise ist die Amplitude gering und_Ep liegt nahe bei^E0’. Bei der Auswertung einer Rechteckwellen-Voltammetrie sollte jedoch die Differenz zwischen_Ep und^E0’berücksichtigt werden, wenn^E0’zur Identifizierung einer Substanz herangezogen wird. Eine weitere Auswirkung der Amplitude besteht darin, dass der Peakstrom mit steigender Amplitude zunimmt; leider führt dies auch zu einer Verbreiterung des Peaks, was eine Verringerung der Auflösung zur Folge hat. Eine Änderung der Amplitude wirkt sich zudem auf den kapazitiven Strom aus, sodass die Frequenz neu bewertet werden muss. Ein weiterer sehr wichtiger Zusammenhang, der sich aus den theoretischen Beobachtungen ergibt, ist die Beziehung zwischen dem Spitzenstrom_∆Ip und der Konzentration von Rot im Volumen_c*Red:

Betrachtet man das ursprüngliche Problem in Abbildung 2.2 noch einmal, so wird deutlich, dass die SWV ein geeignetes Verfahren zur Analyse mehrerer Analyten aus derselben Lösung ist, sofern sich deren formale Potentiale ausreichend unterscheiden, um die Peaks individuell zu behandeln (siehe Abbildung 2.4d). Die kurze Beschreibung der SWV und der Pulsmethoden im Allgemeinen deckt nicht alle wichtigen Eigenschaften ab. Für eine detailliertere Beschreibung sei auf die einschlägige Literatur verwiesen.