Detección de múltiples metales pesados 3/5 - Análisis de múltiples especies con voltametría de onda cuadrada

Electrodos múltiples

Si un proceso analítico se ha convertido en un procedimiento estándar y se utiliza ampliamente en laboratorios o dispositivos portátiles, la eficiencia del tiempo se convierte en un importante factor de coste. Cada mejora del tiempo de medición, es decir, tiempos más cortos, supondrá una reducción de los costes del propio proceso. El análisis paralelo de múltiples analitos es una buena forma de ahorrar tiempo. En muchos dispositivos de biosensado, como los chips de ADN u otros dispositivos lab-on-a-chip, se inmovilizan diferentes elementos de biorreconocimiento en electrodos muy pequeños y cada electrodo iniciará su propio proceso para identificar un analito.

De este modo, sólo es necesario aplicar una muestra para varios analitos, pero se necesita un dispositivo capaz de medir varios electrodos. Los multiplexores, que conmutan un único potenciostato entre distintos electrodos, son una solución económica. Sin embargo, sigue dándose el caso de que sólo un potenciostato y sólo un electrodo pueden medirse al mismo tiempo. Esto significa que habrá una diferencia de tiempo entre los electrodos. Para muchos protocolos esto no es importante y en esos casos un multiplexor es una buena solución. PalmSens ofrece multiplexores para cada una de sus series de potenciostatos, e incluso un potenciostato con multiplexor integrado.

Soluciones para mediciones paralelas

Si se requiere una medición verdaderamente paralela, un polipotenciostato es una buena opción para reducir el tiempo de medición. Un polipotenciostato es un potenciostato con un electrodo de referencia, un contraelectrodo y varios electrodos de trabajo. Esto significa que todos los electrodos deben estar en la misma solución. La limitación de este dispositivo es la dependencia de los electrodos de trabajo entre sí. Mientras que el electrodo de trabajo 1 no tiene limitaciones en cuanto a la técnica aplicada, todos los demás electrodos de trabajo deben seguir el potencial del electrodo de trabajo 1 con un desplazamiento de potencial definido por el usuario o tienen un potencial constante. PalmSens ofrece el PalmSens4 como bipotenciostato, es decir, con dos electrodos de trabajo.

La mejor solución es un Multipotenciostato. Se trata de una carcasa con varios potenciostatos independientes controlados por un paquete de software, como MultiPalmSens4 (véase la figura 2.1) o MultiEmStat3(+). Los potenciostatos independientes no deben utilizarse en la misma celda electroquímica ni compartir electrodo de referencia y contraelectrodo.

Es fácil imaginar que las técnicas que permitirían utilizar un único electrodo para detectar varios analitos son superiores a estos sistemas de arrays, teniendo en cuenta la producción, el coste y la complejidad. Si la diferencia entre dos potenciales formales es suficientemente grande, el cambio de corriente debido a la reacción de una especie puede observarse individualmente (véase la figura 2.2). Si se realiza una voltametría de barrido lineal, cada especie comenzará a reaccionar, por ejemplo se produce la oxidación, tan pronto como su potencial formal se aproxime. La corriente responderá con el comportamiento ya conocido de una influencia combinada de Nernst y Cottrell. El inconveniente es que la corriente absoluta de la segunda especie, es decir, la que tiene un potencial formal más anódico, depende de la corriente limitada por difusión de la primera especie.

Una forma de mejorar las tareas de análisis múltiple es el uso de la derivada de la curva. La corriente limitada por difusión debería ser constante y, por lo tanto, proporcionar una derivada igual a 0. Ambos picos serían independientes entre sí y sus valores máximos podrían utilizarse para el análisis cuantitativo, siempre y cuando la diferencia entre los potenciales de los picos fuera lo suficientemente grande como para que estos no se solaparan. Sin embargo, cada punto de inflexión generaría un pico, por lo que cada pico daría lugar a dos picos. Un único pico, lo más cercano posible al potencial formal, sería la solución más sencilla para este problema. Dos técnicas habituales que cumplen todos estos requisitos son la voltametría de pulso diferencial (DPV) y la voltametría de onda cuadrada (SWV).

Voltametría de onda cuadrada

En este capítulo nos centraremos en la SWV, ya que la DPV no se utilizará en el experimento final.

El SWV es un barrido de potencial lineal combinado con un perfil de impulsos (véase la figura 2.3a). Con una amplitud, típicamente entre 5 y 50 mV, el potencial se incrementa en pasos y después de un tiempo definido hace un paso atrás que es_Estep menor que la amplitud. Como consecuencia después de un ciclo completo con paso adelante y atrás, el potencial es_Estep más alto que antes. Un ciclo completo toma el tiempo _tintervalo, cuya inversa es la frecuencia. Cada paso, hacia delante y hacia atrás, tarda _tintervalo/2. La corriente se mide justo antes de cada paso hacia delante (_Iforward) y cada paso hacia atrás (_Ireverse) (ver Figura 4.37 b). Aunque _Iforward e_Ireverse pueden trazarse individualmente, la diferencia entre estos dos valores ∆I suele trazarse frente al potencial. A partir del experimento de Cottrell se pueden hacer suposiciones sobre qué respuesta de corriente se espera.

Cada paso dará lugar a una corriente capacitiva que decae rápidamente, incluso de forma exponencial. La frecuencia o el _intervalo de tiempo deben ajustarse de forma que una gran parte de la corriente capacitiva haya decaído, pero la corriente de Faraday siga siendo significativa. La frecuencia suele evaluarse empíricamente para cada sistema. La figura 2.4 muestra un esquema de la respuesta de la corriente para un SWV.

En la Figura 2.4 se supone que sólo la especie reducida Red está en solución y que la SWV comienza a un potencial muy inferior al potencial formal de la especie redox. La frecuencia se elige de forma que la corriente capacitiva haya disminuido antes de aplicar el siguiente paso. Esto se puede ver fácilmente en la Figura 2.4 b. En un caso ideal, la diferencia entre _Iforward e_Ireverse es 0 siempre que sólo la corriente capacitiva contribuya a la corriente medida. Las frecuencias demasiado altas podrían provocar un desfase en la línea de base.

Al aumentar el potencial, es decir, al acercarse al potencial formal de la especie redox, aumenta la contribución de la corriente de Faraday a la respuesta de la corriente, mientras que la corriente capacitiva permanece invariable. Según la ecuación de Nernst, la respuesta de la corriente será más fuerte alrededor del potencial formal. Una vez que el potencial es mucho más alto que el potencial formal, el rojo se oxidará permanentemente a Ox. La corriente capacitiva disminuye después de cada paso y se registra la corriente constante limitada por difusión, lo que lleva a una diferencia ∆I de 0 entre _Iforward e_Ireverse de nuevo (véase la figura 2.4b).

El trazado más común para un SWV es trazar ∆I frente a E solamente (véase la Figura 2.4c). Debido a que se traza la diferencia entre dos puntos de la medición, la curva es en realidad la derivada del voltamperograma de barrido lineal, pero obviamente de un sistema no limitado por difusión.

¿Por qué? Debido al retroceso potencial, la especie consumida se regenera y se evita el agotamiento. Esta técnica crea un sistema virtualmente no limitado por difusión. Resolviendo las ecuaciones para el _cOx(x,t) y _cRed(x,t) para predecir la forma del SWV, se encuentra que el potencial del pico_Ep en un SWV está relacionado con el potencial formal ^E0' por

Normalmente, la amplitud es pequeña y_Ep estará cerca de ^E0'. Sin embargo, durante la interpretación de una SWV, debe tenerse en cuenta la diferencia entre_Ep y ^E0' si ^E0' se utiliza para identificar una sustancia. Otro impacto de la Amplitud es que el pico de corriente aumentará con el incremento de la Amplitud; desafortunadamente también ensanchará el pico, lo que conducirá a una disminución de la resolución. Un cambio de la Amplitud también tendrá un impacto en la corriente capacitiva, por lo que será necesario reevaluar la frecuencia. Otra relación muy importante indicada por las observaciones teóricas es la relación entre la corriente de pico _∆Ip y la concentración de Rojo en la masa _c*Red:

Observando de nuevo el problema inicial de la Figura 2.2, es evidente que la SWV es una herramienta adecuada para el análisis de múltiples analitos de la misma solución si sus potenciales formales son lo suficientemente diferentes como para tratar el pico individualmente (véase la Figura 2.4d). La breve descripción de los métodos SWV y de impulsos en general no cubre todas las propiedades importantes. Para una descripción más detallada, consulte la bibliografía pertinente.