Nyquist-Diagramm

Bei einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) werden viele Daten gesammelt, die dargestellt werden müssen. Ein Bild sagt mehr als tausend Worte, und daher ist eine grafische Darstellung, wie z. B. ein Nyquist-Diagramm, die beste Möglichkeit, eine EIS zu zeigen.

Die gängigsten Diagramme für EIS-Daten sind das Bode-Diagramm und das Nyquist-Diagramm. Dieser Artikel befasst sich mit der Nyquist-Darstellung. Sie wurde nach Harry Nyquist, einem schwedisch-amerikanischen Elektroingenieur, benannt und 1932 für elektronische Zwecke entwickelt. Heutzutage ist es das beliebteste Diagramm für EIS-Daten unter Elektrochemikern.

Vorteile des Nyquist-Diagramms

Das Diagramm zeigt den negativen Imaginärteil der Impedanz in Abhängigkeit vom Realteil. Im Vergleich zum Bode-Diagramm weist es zwei Nachteile auf:

1. Das ist weniger intuitiv zu verstehen.
2. Die Frequenzangaben fehlen.

Das Nyquist-Diagramm weist jedoch eine charakteristische Form auf, die davon abhängt, welche Komponenten zur Impedanz beitragen. Das Nyquist-Diagramm zeigt selbst kleinste Veränderungen an der untersuchten Oberfläche sehr deutlich.

Mit etwas Erfahrung lassen sich einige Parameter direkt aus dem Nyquist-Diagramm ablesen, wie beispielsweise der Lösungswiderstand oder der Ladungstransferwiderstand, also der Widerstand der Oberfläche bei der Durchführung einer bestimmten Reaktion.

Für eine genauere Analyse wird eine äquivalente Schaltungsanpassung durchgeführt. Hier werden die Einflüsse auf die Impedanz durch elektronische Komponenten (eine Ersatzschaltung) dargestellt und die Werte jedes Einflusses durch Anpassung einer Simulation der Daten an die realen Daten berechnet.

Anwendungen

Einige Studien verfolgen lediglich, wie sich der Ladungsübertragungswiderstand verändert, andere beobachten die Veränderung des gesamten Systems.

Ein Beispiel für die erste Methode ist der markierungsfreie Nachweis von DNA. Mit EIS lässt sich die Hybridisierung komplementärer, an die Oberfläche gebundener DNA-Stränge in einem Nyquist-Diagramm beobachten und somit Bakterien, Viren usw. nachweisen. Bei anderen elektrochemischen Verfahren muss eine aktive Substanz zugeführt werden, die die DNA verändert und Zeit kostet.

Korrosionsuntersuchungen mit einem Nyquist-Diagramm

Ein ganz anderes Anwendungsgebiet ist die Korrosionsforschung. Die EIS-Methode ist besonders beliebt bei der Erforschung von Beschichtungen und Lacken.

Eine einwandfreie Beschichtung ergibt im Nyquist-Diagramm eine vertikale Linie, während eine von Wasser durchdrungene Beschichtung einen Halbkreis zeigt und Korrosion unter der Beschichtung eine andere Form aufweist. Auf diese Weise lässt sich der Zustand des beschichteten Metalls beurteilen und die Wasseraufnahme der Beschichtung bestimmen.

Dies sind nur zwei Beispiele, doch es gibt noch viele weitere Anwendungsbereiche, beispielsweise die markierungsfreie Detektion sowie die Batterie- und Brennstoffzellenforschung.