Einführung

Vier oder fünf Leads

Die meisten Geräte PalmSensverfügen über Kabel, die mit vier Steckern mit 2-mm-Bananensteckern enden. Diese Stecker sind mit Beschriftungen und Farben versehen.

• Der rote Stecker ist die Leitung der Arbeitselektrode.
• Der blaue Stecker ist die Leitung der Referenzelektrode.
• Der schwarze Stecker ist die Kabelverbindung zur Gegenelektrode.
• Der grüne Stecker ist die Erdungsleitung.
• Der gelbe Stecker ist entweder ein BiPot (oder eine Messleitung bis 2021).
• Der weiße Stecker ist eine Messleitung.

Der PalmSens3, der PalmSens4 und der MultiPalmSens4 sind als Bipotentiostaten erhältlich. Ein Bipotentiostat hat zwei Arbeitselektroden. Die fünfte Leitung ihrer Kabel ist ein gelber Stecker, der die Leitung der zweiten Arbeitselektrode darstellt.

Das EmStat3+ und das EmStat4 HR verfügen zudem über eine fünfte Leitung. Diese ist ebenfalls mit einem gelben oder weißen Stecker versehen; bei älteren Kabeln ist der Stecker leuchtend rot. Diese Stecker sind stapelbar und werden für die Messleitung verwendet, die auch als „Working Sense“ bezeichnet wird.

Ohmscher Potentialabfall bei hohen Strömen

Das Ohmsche Gesetz ist allgemein bekannt (Gleichung 1) und wird üblicherweise wie folgt interpretiert:„Um den Stromfluss durch einen Widerstand zu erhöhen, muss ich die Spannung proportional erhöhen.“ Dies ist richtig, aber ebenso zutreffend ist eine weitere Konsequenz:„Wenn ein Strom durch einen ohmschen Widerstand fließt, entsteht ein Spannungsabfall.“

Vielen Elektrochemikern ist dieser Spannungsabfall bekannt. In den meisten Experimenten und Zellen ist der Abfall vernachlässigbar, doch wenn in einer Zelle ein großer, nicht kompensierter Widerstand vorliegt, kann der Spannungsabfall erheblich sein. Dies sollte jedoch ausführlicher behandelt werden, wenn es um die IR-Abfall-Kompensation geht.

Das gleiche Prinzip eines ohmschen Spannungsabfalls lässt sich auch am Kabel eines Potentiostaten beobachten. Das Kabel ist ein ohmscher Widerstand, und der Zellstrom fließt durch es hindurch, was zu einem ohmschen Spannungsabfall führt. Ein typisches PalmSens hat einen Widerstand von 0,2 Ohm. Wenn Sie einen Strom von 1 µA messen, beträgt der ohmsche Spannungsabfall 0,2 µV. Dies ist vernachlässigbar. Ein Strom von 100 mA verursacht einen ohmschen Spannungsabfall von 20 mV. Das hätte zur Folge, dass an Ihrer Elektrode 20 mV weniger anliegen, als Sie erwarten. Je nach Ihrem Experiment könnte dies eine erhebliche Potentialdifferenz darstellen.

Berichtigung durch den Leiter der Stromfreigabe

Der ohmsche Spannungsabfall im Kabel kann mit einer Messleitung korrigiert werden. Die Messleitung hat eine ähnliche Funktion wie die Referenzelektrodenleitung. Sie misst eine Potentialdifferenz, und es soll kein Strom fließen. Im Idealfall fließt kein Strom, in der Praxis ist jedoch ein sehr geringer Strom erforderlich, um das Potential zu messen.

Die Messleitung ist mit der Arbeitselektrode verbunden. Sie misst das Potential an der Arbeitselektrode, ohne dass dabei Strom fließt. Da kein Strom fließt, tritt in der Messleitung kein IR-Abfall auf, und das an der Arbeitselektrode angelegte Potential wird gemessen. Der Potentiostat kann diese Information nutzen, um den IR-Abfall innerhalb der Arbeitselektrodenleitung zu korrigieren.

Das bedeutet: Wenn das Produkt aus dem Strom an der Arbeitselektrode und dem Widerstand der Arbeitselektrodenleitung zu einem erheblichen Spannungsabfall führt, ist eine Messleitung erforderlich, um den ohmschen Spannungsabfall auszugleichen.

Dies ist auch der Grund, warum die meisten von PalmSens entwickelten Potentiostaten keine Messleitung haben. Die meisten unserer Potentiostaten unterstützen Ströme von bis zu 30 mA, 20 mA oder 3 mA. Diese Ströme führen zu einem ohmschen Spannungsabfall von 6 – 0,6 mV innerhalb der Arbeitselektrodenleitung, was für die meisten Aufbauten unerheblich ist.

Die Modelle EmStat3+ und EmStat4 HR unterstützen Ströme von bis zu 100 mA bzw. 200 mA, was zu einem erheblichen Spannungsabfall führt.

2-, 3- und 4-Elektroden-Messungen

Die meisten Geräte von PalmSensbieten nur eine 2- oder 3-Elektroden-Konfiguration an. Das EmStat4 HR eignet sich auch für eine 4-Elektroden-Konfiguration. Um den Zweck der 4-Elektroden-Messung zu verstehen, werden in diesem Abschnitt alle Konfigurationen (2-, 3- und 4-Elektroden) erläutert.

2-Elektroden-Konfiguration

Um eine 2-Elektroden-Konfiguration zu erstellen, verbinden Sie einfach die Gegenelektrode und die Referenzelektrode miteinander. Die Gegenelektroden unserer Kabel sind stapelbar, sodass Sie sie bequem miteinander verbinden können. Sie schließen das Arbeitselektrodenkabel (und das Messkabel) an eine Elektrode und das kombinierte Gegen- und Referenzelektrodenkabel an die andere an.

Bei einer Messung in einer 2-Elektroden-Anordnung wird die Spannung zwischen den beiden Elektroden angelegt, und der Strom fließt zwischen denselben beiden Elektroden (siehe Abbildung 2). Das bedeutet, dass die angelegte Spannung den Spannungsabfall an der Grenzfläche der Arbeitselektrode, den Spannungsabfall in der Lösung und den Spannungsabfall an der Grenzfläche der Gegenelektrode umfasst. Jegliche Veränderungen an der Gegenelektrode beeinflussen das Ergebnis. Wenn davon auszugehen ist, dass Ihre Gegenelektrode während der Messung aufgrund geringer Ströme oder einer kurzen Messdauer stabil bleibt, können Sie diese Anordnung nahezu gleichwertig mit einer 3-Elektroden-Anordnung verwenden. Andernfalls wird diese Anordnung nur für Anwendungen verwendet, bei denen das gesamte Zellpotential ein interessanter Parameter ist, beispielsweise bei Brennstoffzellen oder Batterien.

3-Elektroden-Konfiguration

Die 3-Elektroden-Anordnung ist die bei elektrochemischen Messungen am häufigsten verwendete Konfiguration. Die Arbeitselektrode (und die Messelektrode) führt in dieser Anordnung ebenso wie in der 2-Elektroden-Anordnung Strom und Potential. Die Gegenelektrode leitet weiterhin den Strom, doch das Potential wird zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode geregelt (siehe Abbildung 3).

Dies hat den Vorteil, dass der Potentialabfall an der Grenzfläche der Gegenelektroden nicht im angelegten Potential enthalten ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Referenzelektrode keinen Strom führt und somit während der Messung ein stabiles Potential beibehält. Dadurch ist das Potential der Arbeitselektrode genauer.

4-Elektroden-Konfiguration

Bei der 4-Elektroden-Konfiguration ist die Arbeitselektrode in zwei Elektroden unterteilt: die Arbeitselektrode und die Messelektrode. Die Spannung wird zwischen der Messleitung und der Referenzelektrode angelegt. Der Strom fließt zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode.

Auf diese Weise fallen die Potentialunterschiede an den Grenzflächen der Gegen- bzw. Arbeitselektroden weg, sodass die entsprechenden Reaktionen nicht zu dieser Messung beitragen. Es tragen lediglich Prozesse über die Lösung hinweg sowie durch Hindernisse, beispielsweise eine Membran, zwischen der Mess- und der Referenzelektrode bei.

Diese Konfiguration wird in der Regel nur zur Untersuchung von Festkörperelektrolyten, Membranen oder Flüssig-Flüssig-Grenzflächen verwendet.

Die Sinnesleitung von EmStat3+ und EmStat4 HR

Die Messelektrode eines EmStat3+

Der(Multi)EmStat3+ war das erste von PalmSens entwickelte Gerät, das eine Messleitung enthielt. Die Messleitung ist nur aktiv, wenn der 100-mA-Bereich des EmStat3+ in PSTrace aktiviert ist. Andernfalls bleibt die Messleitung inaktiv und muss mit nichts verbunden werden.

Das Messkabel ist ein stapelbares Steckkabel in leuchtendem Rot (ältere Kabel) oder Gelb. Sie können den Stecker der Arbeitselektrode bequem an der Rückseite des Messkabels anschließen. Die kombinierten Arbeitselektrode und das Messkabel werden dann genau wie Ihr üblicher Arbeitselektrodenstecker platziert.

Wenn die Messleitung nicht angeschlossen ist, während 100 mA ausgewählt wurde, funktioniert die Potentialregelung nicht, da sie auf dem von der Messleitung gemessenen Potential basiert.

Wenn die Messleitung nicht angeschlossen ist und die 100-mA-Einstellung nicht ausgewählt wurde, funktioniert die Messung zwar trotzdem, es kann jedoch zu zusätzlichen Störgeräuschen kommen. Dies ist lediglich auf einen zusätzlichen Stecker und weitere Verbindungen in Ihrem System zurückzuführen, die als zusätzliche Antennen für Störgeräusche wirken.

Da die Messleitung nur verwendet wird, wenn der 100-mA-Modus aktiv ist, wird der EmStat3+ nicht für 4-Elektroden-Messungen empfohlen.

Die Messelektrode eines EmStat4 HR

Der EmStat4 HR ist der Nachfolger des EmStat3+ und kann Ströme bis zu 200 mA messen oder anlegen. Dementsprechend ist er mit einer Messleitung ausgestattet. Dies gilt für alle Produkte, die auf dem EmStat4 HR basieren, zum Beispiel den EmStat4S HR und den EmStat4M HR.

Die Messleitung ist immer aktiv und muss an Ihre Arbeitselektrode angeschlossen werden, es sei denn, Sie führen eine 4-Elektroden-Messung durch.

Wenn die Messleitung nicht angeschlossen ist, funktioniert die Potentialsteuerung nicht, da sie auf dem von der Messleitung gemessenen Potential basiert.

Die Messleitung endet in einem gelben, stapelbaren Stecker, sodass Sie den Stecker der Arbeitselektrodenleitung bequem anschließen können. Die kombinierte Arbeitselektroden- und Messleitung wird dann genau wie Ihr üblicher Arbeitselektrodenstecker angeschlossen. Der EmStat4 HR eignet sich für 4-Elektroden-Messungen.