다중 중금속 검출 3/5 - 사각파 전압 측정법을 사용한 다중 종 분석

다중 전극

분석 프로세스가 표준 절차가 되어 실험실이나 휴대용 기기에서 널리 사용되는 경우, 시간 효율성은 중요한 비용 요소가 됩니다. 측정 시간이 개선될 때마다, 즉 시간이 단축될 때마다 프로세스 자체의 비용이 절감됩니다. 여러 분석물을 병렬 분석하는 것은 시간을 절약할 수 있는 좋은 방법입니다. DNA 칩이나 기타 랩온어칩 디바이스와 같은 많은 바이오 센싱 디바이스에서는 매우 작은 전극에 다양한 바이오 인식 요소가 고정되어 있으며 각 전극은 하나의 분석물을 식별하기 위해 자체 프로세스를 시작합니다.

이렇게 하면 여러 분석물에 대해 하나의 시료만 적용하면 되지만 여러 전극을 측정할 수 있는 장치가 필요합니다. 하나의 전위차계를 여러 전극으로 전환하는 멀티플렉서는 경제적인 솔루션입니다. 하지만 하나의 전위차계와 하나의 전극만 동시에 측정할 수 있다는 단점이 있습니다. 즉, 전극 사이에 시간 차이가 발생합니다. 많은 프로토콜에서 이것은 중요하지 않으며 이러한 경우 멀티플렉서가 좋은 솔루션입니다. PalmSens 각 전위차계 시리즈에 멀티플렉서를 제공하며, 멀티플렉서가 통합된 전위차계도 제공합니다.

병렬 측정을 위한 솔루션

진정한 병렬 측정이 필요한 경우, 측정 시간을 단축하기 위해 다전위 전위차계를 사용하는 것이 좋습니다. 다전위 전위차계는 하나의 기준 전극, 하나의 카운터 전극, 여러 개의 작동 전극이 있는 전위차계입니다. 즉, 모든 전극이 동일한 용액에 있어야 합니다. 이 장치의 한계는 작동 전극이 서로 의존한다는 것입니다. 작업 전극 1은 적용된 기술에 대한 제한이 없지만 다른 모든 작업 전극은 사용자가 정의한 전위 오프셋을 사용하여 작업 전극 1의 전위를 따르거나 일정한 전위를 가져야 합니다. PalmSens 두 개의 작동 전극이 있는 이중 전위차계로 PalmSens4를 제공합니다.

가장 좋은 솔루션은 멀티포텐시오스탯입니다. 멀티포텐시오스탯은 하나의 소프트웨어 패키지로 제어되는 여러 개의 독립 포텐시오스탯이 있는 하나의 하우징으로, 멀티팜센스4 (그림 2.1 참조) 또는 멀티엠스탯3(+)과 같은 제품입니다. 독립 전위차저는 동일한 전기화학 셀에 사용하거나 카운터 전극뿐만 아니라 레퍼런스를 공유해서는 안 됩니다.

생산, 비용 및 복잡성을 고려할 때 단일 전극을 사용하여 여러 분석 물질을 검출할 수 있는 기술이 이러한 어레이 시스템보다 우수하다는 것은 쉽게 상상할 수 있습니다. 두 공식 전위의 차이가 충분히 크면 한 종의 반응으로 인한 전류 변화를 개별적으로 관찰할 수 있습니다(그림 2.2 참조). 선형 스윕 전압 측정을 수행하면 각 종은 공식 전위가 가까워지는 즉시 산화와 같은 반응이 일어나기 시작합니다. 전류는 이미 잘 알려진 넌스트 및 코트렐 영향의 결합된 동작으로 반응합니다. 단점은 두 번째 종의 절대 전류, 즉 양극 공식 전위가 더 높은 종의 전류가 첫 번째 종의 확산 제한 전류에 따라 달라진다는 것입니다.

여러 분석 작업을 개선하는 한 가지 방법은 곡선의 미분을 사용하는 것입니다. 확산 제한 전류는 일정해야 하므로 미분이 0이 되어야 합니다. 두 피크는 서로 독립적이며 피크의 전위 차이가 충분히 커서 피크가 겹치지 않는 한 피크 값을 정량 분석에 사용할 수 있습니다. 그러나 각 전환점마다 피크가 발생하므로 각 피크는 두 개의 피크가 됩니다. 가능한 한 공식적인 전위에 가까운 단일 피크가 이 문제에 대한 가장 쉬운 해결책이 될 것입니다. 이러한 모든 요구 사항을 충족하는 두 가지 일반적인 기술은 차동 펄스 전압계(DPV)와 구형파 전압계(SWV)입니다.

사각파 전압계측

이 장에서는 최종 실험에서 DPV를 사용하지 않으므로 SWV에 중점을 둡니다.

SWV는 펄스 프로파일과 결합된 선형 전위 스윕입니다(그림 2.3a 참조). 진폭은 일반적으로 5~50mV이며, 전위는 단계적으로 증가하고 정의된 시간이 지나면 진폭보다 작은 단계(_Estep )로 되돌아갑니다. 결과적으로 전진 및 후진 스텝이 있는 완전한 사이클이 끝나면 전위는 이전보다_Estep이 높아집니다. 완전한 사이클에는 시간 _간격이 필요하며, 그 반대가 주파수입니다. 전진 및 후진 각 단계에는 _간격/2가 소요됩니다. 전류는 각 단계 전진(_Iforward)과 각 단계 후진(_Ireverse) 직전에 측정됩니다(그림 4.37 b 참조)._{Iforward와Ireverse는} 개별적으로 플롯할 수 있지만, 일반적으로 이 두 값의 차이 ∆I는 전위와 비교하여 플롯됩니다. 코트렐 실험을 통해 어떤 전류 응답이 예상되는지 가정할 수 있습니다.

각 단일 단계는 용량성 전류가 빠르게, 심지어 기하급수적으로 감소합니다. 용량성 전류의 많은 부분이 감쇠하도록 주파수 또는 각각 _간격을 조정해야 하지만 패러데이 전류는 여전히 중요합니다. 주파수는 일반적으로 각 시스템에 대해 경험적으로 평가됩니다. 그림 2.4는 SWV에 대한 전류 응답의 체계를 보여줍니다.

그림 2.4에서는 환원된 레드 종만 용액에 존재하고 SWV는 산화 환원 종의 공식 전위보다 훨씬 낮은 전위에서 시작한다고 가정합니다. 주파수는 다음 단계가 적용되기 전에 용량성 전류가 감소하도록 선택됩니다. 이는 그림 2.4 b에서 쉽게 확인할 수 있습니다. 이상적인 경우 정전용량 전류만 측정된 전류에 기여하는 한_{Iforward와Ireverse의} 차이는 0입니다. 주파수가 너무 높으면 기준선에 오프셋이 발생할 수 있습니다.

전위가 증가하면, 즉 전위가 산화 환원 종의 공식 전위에 가까워지면 전류 반응에 대한 패러데이 전류의 기여도는 증가하는 반면 정전 용량 전류는 동일하게 유지됩니다. 넌스트 방정식에 따르면 전류 응답은 공식 전위 주변에서 가장 강해집니다. 전위가 공식 전위보다 훨씬 높아지면 빨간색은 영구적으로 산화로 산화됩니다. 각 단계마다 용량성 전류가 감소하고 일정한 확산 제한 전류가 기록되어_{Iforward와Ireverse} 사이에 다시 ∆I의 차이가 0이 됩니다(그림 2.4b 참조).

SWV의 가장 일반적인 플롯은 ∆I 대 E만을 플롯하는 것입니다(그림 2.4c 참조). 측정의 두 지점 사이의 차이를 플롯하기 때문에 곡선은 실제로 선형 스윕 전압계의 도함수이지만 확산이 제한되지 않은 시스템의 도함수임이 분명합니다.

왜 그럴까요? 잠재적으로 한 걸음 물러나기 때문에 소비된 종은 재생되고 고갈을 방지할 수 있습니다. 이 기술은 사실상 확산이 제한되지 않는 시스템을 만듭니다. SWV의 형태를 예측하기 위해 _cOx(x,t) 및 _cRed(x,t)에 대한 방정식을 풀면, SWV에서 피크_Ep의 전위는 공식 전위 ^E0'와 다음과 같이 관련되어 있음을 알 수 있습니다.

일반적으로 진폭은 작고_Ep는 ^E0'에 가깝습니다. 그러나 물질을 식별하기 위해 ^E0'를 사용하는 경우 SWV를 해석하는 동안_Ep와 ^E0'의 차이를 고려해야 합니다. 진폭의 또 다른 영향은 진폭이 증가함에 따라 피크 전류가 증가한다는 것입니다. 안타깝게도 피크가 넓어져 해상도가 감소하게 됩니다. 진폭의 변화는 용량성 전류에도 영향을 미치므로 주파수를 다시 평가해야 합니다. 이론적 관찰에서 나타난 또 다른 매우 중요한 관계는 피크 전류 _∆Ip와 벌크 _c*Red의 적색 농도 사이의 관계입니다:

그림 2.2의 초기 문제를 다시 살펴보면, 피크를 개별적으로 처리할 수 있을 만큼 공식 전위가 다른 경우 SWV가 동일한 솔루션에서 여러 분석물을 분석하는 데 적합한 도구임을 알 수 있습니다(그림 2.4d 참조). 일반적으로 SWV 및 펄스 방법에 대한 간략한 설명은 모든 중요한 속성을 다루지 않습니다. 보다 자세한 설명은 관련 문헌을 참고하시기 바랍니다.