Elektrokémiai módszerek Dr. Bonyár Attila
[email protected]
Budapest, 2014.05.05.
BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY
2. Elektrokémia Ismétlés Alapfogalmak: ionok, anion, kation, anód, katód, oxidáció, redukció, elektrokémiai cella, galváncella, elektrokémiai kettősréteg, Nernst elektródpotenciál... • oxidáció - elektron leadása, redukció – elektron felvétele • az anódon mindig oxidáció van, a katódon mindig redukció Az elektrokémiai kettősréteg alkalmazása, elektródok: • Minden elektrolitba mártott fém esetén kialakul • Többlépcsős modell, Helmholtz síkok Elektródok: • nulladfajú (Pt, Au), • elsőfajú, • másodfajú (referencia)
2/26
Galváncella
2. Elektrokémia Standard elektródpotenciál
Elektrokémiai cellák Részei: • elektrolit víz (oldószer), háttérleketrolit (PBS, KCl), redoxi-ionok, • munkaelektród, • ellenelektród, • referencia elektród, • külső elektronika.
Kételektródos mérési elrendezés Külső mérőelektronika
Munkaelektród
Ellenelektród Elektrolit
3/26
2. Elektrokémia A háromelektródos mérési elrendezés és a potenciosztát elekronika A referencia elektród szerepe: • másodfajú elektród, • minden fázishatáron reverzibilis ion-elektron transzportmechanizmusok, jól definiált határfelületi potenciálok (nehezen polarizálható), az elektródpotenciálja az áramátvezetéstől függetlenül állandó, • stabil viszonyítási pont, • fém telített fémsó-oldattal, Potenciosztát elektronika • típusai: Ag/AgCl/KCl/Cl Hg/Hg2Cl2/KCl/ClPotenciometria: • R és W közötti potenciálkülönbséget mérünk, • nincs polarizáció, • kis átfolyó áramok, •elektródpotenciálok különbsége (Nernst). 4/26
2. Elektrokémia
IDT „fésűs” elektródok
Egy egyszerű mérési elrendezés a valóságban
5/26
2. Elektrokémia A alternatív elektródbekötési módok Cél: Növelni az elrendezés integrálhatóságát (balról jobbra haladva egyre integrálhatóbb)
Aux
Munka
Munka Aux
Ref.
Aux + Ref.
Ag/AgCl ref.
Ag/AgCl ref.
Ref.
Munka
Pt szál
IDT1, IDT2
Standard
IDT1, IDT2 Bio-Counter
IDT1, IDT2 CommonBio-Counter 6/26
2. Elektrokémia 3D nyomtatott elektrokémiai cella Légmentesen zárt Fix hordozó pozíció Akril alapú gyanta Moduláris 3D RPT-vel gyártva
7/26
2. Elektrokémia Amperometria Elektrolit
Uki=-I*R Ellenelektród
Munkaelektród
Határáram (mA)
Áram (mA)
Potenciál (V)
Referencia elektród
Ube
Koncentráció
• az elektrokémiai cella áramát mérjük, • van polarizáció, • határáram régió (telítés), lineáris áram-koncentráció kapcsolat diffúzió kontrollált folyamat
Koncentráció (%)
8/26
2. Elektrokémia Ciklikus Voltammetria Az amperometria általános esete: teljes áram potenciál diagramok A DNS molekulák hatása kettős: • az áramcsúcsok távolodnak (DEp), • az áramcsúcsok csökkennek
Anódikus (oxidációs) áramcsúcs
PCD (Peak Current Density): PCD=(Ipa+Ipc)/2 Kiértékelés az érzékenység alapján: • DEp0%: immobilizáció után • DEp100%: hibridizáció után • Érzékenység ~ DEp100%/DEp0% Katódikus (redukciós) áramcsúcs
• PCD0%: immobilizáció után • PCD100%: hibridizáció után • Érzékenység ~ PCD100%/PCD0%
9/26
2. Elektrokémia Ciklikus Voltammetria – A DNS és fehérjék kimutatásának elve A DNS szálak negatívan töltöttek (cukor-foszfát gerinc) Ferricianid ([Fe(CN)6]K3) és ferrocianid ([Fe(CN)6]K4) redoxi anionok • A felületen reverzibilis redoxi-reakció zajlik az ionok között (egymásba alakulnak át) • A DNS szálak elektrosztatikusan a redoxi anionok mindkét formájára hatnak • A hatás következtében a felületre rögzített szálak taszítják a redoxi anionokat, megnehezítik a redoxi-reakció létrejöttét • Redoxi kationok esetén (pl. Ruthenium Hexamine: [Ru(NH3)6]Cl2 , [Ru(NH3)6]Cl3) a hatás épp ellentétes !!
10/26
2. Elektrokémia Ciklikus Voltammetria - példák Elektrolit: 10 mM PBS (pH 7.4), 5mM ferro/ferri cianid
Tiszta elektród
DNS receptor réteg
DNS receptor réteg
Hibridizáció után
MCU SAM*
Áramsűrűség(mA/cm2)
Áramsűrűség(mA/cm2)
Tiszta elektród
Potenciál [mV]
Potenciál [mV]
MCU SAM: Mercapto-Undecanol Self Assembled Monolayer 11/26
2. Elektrokémia Ciklikus Voltammetria – példák/2
Forrás: Hoogvliet, Dijksma – 2000
Effektív elektródfelület elektrokémiai meghatározása • Arany-oxid redukciós csúcsának integrálásával, híg kénsavban
oxid redukciós csúcs
• Surface Ratio (SR): felületek aránya
Ahol: QAu0 – arany oxid redukciós töltésmennyiség, QAu0ref – referencia érték polikristályos aranyra (kb. 400 mCcm-2), n – a cellareakció töltésszáma, F – Faraday állandó, 0 – adszorbens felületi borítottság (sűrűség), NM – a fématomok felületi sűrűsége. 12/26
2. Elektrokémia Ciklikus Voltammetria – példák/3 Az arany vékonyréteg munkaelektródok többlépéses tisztítása: 1) Mechanikai szennyeződések eltávolítása (UH kádas tisztítás etanolban) 2) Kémiai tisztítás (piranha vagy bázikus piranha oldatban) 3) Elektrokémiai tisztítás
Áramsűrűség [mA/cm2]
A voltammetria potenciáltartományának kiterjesztésével a szennyeződések eltávolíthatók A tiszta munkaelektród alapvető követelmény minőségi bioréteg építéséhez !!
Potenciál [mV]
13/26
2. Elektrokémia Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia A Randles cella modell: Rs: soros ellenállás Rct: töltésátadási ellenállás Cdl: kettősréteg kapacitás W: Warburg impedancia
A töltésátadási ellenállás növekmény: • Rct0%: immobilizáció után • Rct100%: hibridizáció után • Érzékenység ~ Rct100%/Rct0%
w0=1/RctCdl
14/26
2. Elektrokémia A felületi érdesség megjelenése EIS spektrumok esetén (CPE jelenség) A) Töltésátlépés nélküli eset (ideális kapacitás) p/2-nél kisebb iránytangens B) Töltésátlépéses eset (Faradikus eset) nyomott, torz félkör (forgatás)
B
A
Forrás: Jurczakowski – 2004
Forrás: Diao, Jiang– 1999
15/26
2. Elektrokémia Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia – példák Tiszta elektród
Elektrolit: 10 mM PBS (pH 7.4), 5mM ferro/ferri cianid
DNS receptor réteg
DC potenciál: OCP, 10 mV AC sine, f: 50 kHz-1Hz
3h hibridizáció után
-Zi [Ohm*cm2]
2d hibridizáció után (további)
Az EIS (Rct) és a CV (DEp) érzékenységének összevetése
Az eredmények alapján az EIS mérési módszer érzékenyebb és kevésbé destruktív a bioréteg szempontjából Zr [Ohm*cm2] 16/26
2. Elektrokémia Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia – példák/2 D-dimer érzékelés, statikus karakterisztika felvétele antigénkoncentráció függvényében
EIS spektrumok
Statikus karakterisztika
17/26
2. Elektrokémia Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia - kitekintő
A DVT-IMP nemzetközi projekt célja: A mélyvénás trombózis (DVT) során egy vérrög keletkezik, ami általában a láb vénáiban jön létre. Ha ez a vérrög átáramlik a tüdőig, ott embóliát okozhat. Ez gyakran halálhoz vezet! Olyan készülék kifejlesztése, ami egy csepp vérmintából Ddimer koncentrációt detektál. A D-dimer koncentráció a véralvadásra ad információt, amivel diagnosztizálható az esetleges mélyvénás trombózis.
• Detektálás elve – EIS
• Feladatunk: hordozható mérőberendezés prototípus készítése
18/26
2. Elektrokémia Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia - kitekintő
A prototípus fejlesztése:
Bluetooth modul
Kijelző
Impedancia mérő modul
Interdigitális elektród
Mechanikai
19/26 interface
2. Elektrokémia Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia - kitekintő A kézi mérőberendezés látványterve (gyártva 3D RPT-vel): Cartridge 5 db IDT elektródával
Végső méret: 10x10x20 cm 20/26
2. Elektrokémia Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia - kitekintő • 3 Hz – 100 kHz frekvencia tartomány • Beépített fluidikai redszer • Beépített adatkiértékelés (cirkuláris regresszió) • Wireless kommunikáció (e-health rendszer) • Platform technológia !
21/26
2. Elektrokémia Konduktometria • Vezetőképesség változáson alapuló érzékelők, • A vezetőképesség az ionkoncentráció lineáris függvénye: ,ahol, ci,zi,mi a mozgékony ionok koncentrációja, vegyértéke ill. mozgékonysága. • Pl. Radelkis OK-117 kombinált pH és konduktancia mérő
Tranziens elektrokémia • külső gerjesztés hatására valamely paraméter időbeli változásának nyomonkövetése • Krono-amperometria, Krono-coulometria U [mV]
Gerjesztés
I [mA]
t [s]
Válaszjel
t [s] 22/26
Zárszó Az Érzékelők technológiája labor műszerparkja Potenciosztátok: Voltalab PGZ 301 (CV, EIS), Voltalab PST 50 (CV). Spektrofotométer: Avantes AvaLight (UV, Vis, NIR, IR) 3D RPT nyomtató: Objet Eden 250
SPRi platform
23/26
Ajánlott irodalom 1. Harsányi Gábor – Érzékelők és beavatkozók: 3.1. fejezet, 25-26. oldal 2. Harsányi Gábor – Érzékelők és beavatkozók: 3.5. fejezet, 32-37. oldal 3. Harsányi Gábor – Érzékelők és beavatkozók: 4.2.5. fejezet, 60-62. oldal 4. Harsányi Gábor – Érzékelők és beavatkozók: 5.4.3. fejezet, 90-91. oldal
5. Jobbágy Ákos – Segédanyagy az Orvosbiológiai méréstechnika c. tárgyhoz: 2.3., 2.4. fejezetek, 16-19. oldal 6. O. Pänke, T. Balkenhohl, J. Kafka, D. Schäfer and F. Lisdat, “Impedance Spectroscopy and Biosensing”, Adv Biochem Engin/Biotechnol (2008) 109: 195–237
24/26
Ellenőrző kérdések •
• • • • • • •
•
Alapfogalmak definiálása (elektrokémiai alapfogalmak, DNS immobilizáció, hibridizáció, elektromos kettősréteg, diffúzió kontrollált folyamat, töltésátadási gát (ellenállás),stb.). Írja le egy standard háromelektródás elektrokémiai cella alkotórészeit. Mi a refencia elektród szerepe az elektrokémiai cellában, és mi teszi őt alkalmassá erre a feladatra? Sematikusan rajzolja le a potenciosztát elektronika felépítését. A potenciometria mérési módszer rövid ismertetése. Rajzolja fel az amperometria tipikus potenciál-áram diagramjait eltérő koncentrációkra és a koncentráció-áram függést határáram üzemmódban Rajzoljon fel egy tipikus voltammogrammot a fontosabb jellemző paraméterek feltüntetésével. Voltammetria mérési elv ismertetése. Rajzolja fel a Randles cella Warburg impedanciával kiegészített helyettesítőképét, nevezze meg a helyettesítőkép elemeit és röviden jellemezze őket. Rajzoljon fel egy tipikus EIS Nyquist spektrumot a fontosabb jellemző paraméterek, tartományok feltüntetésével. EIS mérési elv ismertetése. 25/26
