Configuraciones espectroelectroquímicas simplificadas con celdas intuitivas y fáciles de usar
14 jul 2025
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La espectroelectroquímica (SEC) es una de las técnicas analíticas emergentes más prometedoras. Si bien se han desarrollado instrumentos espectroelectroquímicos comerciales para facilitar la realización de experimentos SEC, la ausencia de celdas fáciles de usar ha limitado el desarrollo de la técnica hasta ahora. Este artículo describe estos diferentes tipos de celdas SEC en detalle.
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¿Qué es la espectroelectroquímica (SEC)?
La espectroelectroquímica es una técnica analítica que combina la espectroscopia y la electroquímica para estudiar las reacciones y los procesos químicos que ocurren en la superficie de un electrodo. Proporciona información simultánea, resuelta en el tiempo e in situ sobre las propiedades ópticas y electroquímicas de los compuestos. Esto permite una comprensión más profunda de los mecanismos de reacción, las propiedades de los materiales y los procesos de transferencia de electrones.
Descubra más sobre este tema en nuestro artículo de blog relacionado.
Fundamentos de espectroelectroquímica
La configuración espectroelectroquímica tradicional separada requería dos instrumentos separados y hasta tres computadoras. Esto desanimó a muchos investigadores a utilizar SEC para sus investigaciones, a pesar de sus ventajas. La introducción de la línea de instrumentos de última generación SPELEC (totalmente integrados, perfectamente sincronizados y controlados por un único software) ha llenado este vacío, haciendo que el SEC sea aún más accesible.
Abordar las limitaciones de la SEC
El desarrollo de celdas SEC ha enfrentado varias limitaciones instrumentales. Muchos dispositivos espectroelectroquímicos presentan desafíos como especificaciones de diseño estrictas (por ejemplo, forma, tamaño y material del electrodo) que limitan el uso de opciones más convencionales. Además, estos dispositivos a menudo requieren volúmenes de muestra mayores y están compuestos de múltiples componentes, lo que requiere procedimientos de montaje y desmontaje complejos y que consumen mucho tiempo.
Para facilitar la adopción de esta técnica, se han desarrollado celdas nuevas e innovadoras con configuraciones espectroelectroquímicas actualizadas. La configuración general de una celda SEC debe ofrecer las siguientes ventajas:
- Fácil manejo
- Versatilidad para trabajar con diferentes electrodos
- Resistencia química a diferentes medios
- Montaje y desmontaje sencillo y rápido
- Baja resistencia a caídas óhmicas
Además, las celdas opacas y cerradas eliminan las interferencias ambientales. Esto también funciona como una medida de seguridad cuando se utiliza un láser como fuente de luz, ya que se evita que el rayo salga de los límites de la celda.
Raman SEC: una técnica de huellas dactilares con la configuración celda adecuada
La espectroelectroquímica Raman es una técnica que estudia la dispersión inelástica (o dispersión Raman) de la luz monocromática relacionada con los compuestos químicos involucrados en un proceso electroquímico. Esta técnica proporciona información sobre las transiciones de energía vibracional de las moléculas mediante el uso de una fuente de luz monocromática (generalmente un láser) que debe enfocarse en la superficie del electrodo al mismo tiempo que se recolectan los fotones dispersos. Figura 1).
Cuando la dispersión es elástica, el fenómeno se denomina dispersión de Rayleigh, y cuando es inelástica, se denomina dispersión Raman. Este concepto se ilustra en la Figura 2.
Obtenga más información sobre la espectroscopia Raman en este artículo del blog.
Preguntas frecuentes (FAQ) sobre la espectroscopia Raman: teoría y uso
La espectroelectroquímica Raman se está convirtiendo rápidamente en una de las técnicas de análisis más prometedoras debido a sus propiedades de huella digital inherentes que permiten la identificación y diferenciación de especies químicas presentes en el sistema en estudio. Como tal, la optimización de las condiciones de configuración espectroelectroquímica es un factor importante para obtener los resultados deseados. Por ejemplo, es necesario ajustar la distancia entre la sonda y la muestra (de acuerdo con las propiedades ópticas de la sonda) para obtener la mayor intensidad Raman.
Celdas de espectroelectroquímica Raman
Las siguientes celdas Raman de Metrohm tienen un diseño mejorado y simplificado que mejora la usabilidad y facilita la optimización de la medición (salte directamente a cada tipo de celda haciendo clic a continuación):
Se utiliza una nueva celda negra con un sistema de imán de fácil apertura y cierre para llevar a cabo experimentos espectroelectroquímicos en solventes acuosos y orgánicos. Figura 3). Esta celda consta de dos piezas de PEEK (poliéter éter cetona). La pieza superior contiene un orificio central para introducir la punta de la sonda Raman, y cuatro huecos con diferentes profundidades (1, 1,5, 2 y 2,5 mm) para optimizar la distancia focal entre la sonda y el electrodo de trabajo (WE). Además, tiene cuatro orificios para el CE (contraelectrodo), RE (electrodo de referencia) y flujo de aire de entrada y salida, pero estos también se pueden tapar.
La parte superior de la pieza inferior tiene un compartimento para añadir 3 mL de solución. Este volumen asegura el contacto adecuado de WE, RE y CE con la solución y al mismo tiempo evita la inmersión de la sonda Raman. La parte inferior de la pieza inferior contiene un pequeño hueco para colocar una junta tórica que evita fugas. Además el WE se fija enroscándolo en la pieza de sujeción. Por último, se utiliza un soporte para mantener la estabilidad de la celda y mejorar el rendimiento de las mediciones. La Figura 4 ofrece una descripción general de las distintas partes de esta celda de espectroelectroquímica Raman.
Celda Raman para electrodos serigrafiados (SPEs)
Diseñada en PEEK negro, esta celda solo consta de dos partes. La pieza inferior se utiliza para colocar el SPE, mientras que la pieza superior tiene un orificio designado para introducir la sonda Raman (Figura 5). La distancia focal de la sonda se modifica fácilmente utilizando espaciadores de diferente espesor (0,5, 1 y 1,5 mm).
El fácil montaje de la celda combinado con el pequeño volumen requerido (60 µL) hace que esta configuración sea ideal para usuarios sin experiencia. Además, esta celda tiene un pequeño soporte de crisol para facilitar la caracterización óptica precisa de muestras sólidas y líquidas sin necesidad de electroquímica (Figura 6).
Celda Raman para electrodos serigrafiados en condiciones de flujo
La espectroelectroquímica de flujo se puede llevar a cabo fácilmente gracias al desarrollo de electrodos serigrafiados de celda de flujo de capa fina con un electrodo de trabajo circular (TLFCL-CIR SPEs). El diseño de estos SPE permite que un canal (altura 400 µm, volumen 100 µL) transporte la solución a través de WE, CE y RE (Figura 7).
El montaje de la celda Raman consta de dos sencillos pasos. Primero, coloque el SPE en la posición definida de la pieza inferior. Luego, simplemente coloque la pieza superior y la celda estará lista para usarse. La parte superior de la celda tiene un orificio diseñado específicamente para introducir la sonda Raman y enfocar el láser en la superficie WE. Este sistema supera cualquier fuga de la solución de muestra ya que los líquidos solo se encuentran en el canal del electrodo.
Celdas de espectroelectroquímica UV-Vis y NIR
Al estudiar un proceso químico, el registro simultáneo de la evolución de los espectros UV-Vis (200–800 nm) e infrarrojo cercano (800–2500 nm) junto con la reacción electroquímica permite a los investigadores obtener información relacionada con los niveles electrónicos (UV-Vis) y vibracionales (NIR) de las moléculas involucradas. El desarrollo de nuevas celdas espectroelectroquímicas para este propósito ha permitido la expansión de estas técnicas combinadas en varios sectores industriales.
Dependiendo de la aplicación final, la espectroelectroquímica UV-Vis y NIR se puede realizar en diferentes configuraciones (haga clic a continuación para ir directamente a cada tema):
Configuración de reflexión
Cuando se trabaja con una configuración de celda de reflexión, el haz de luz viaja en dirección perpendicular a la superficie del electrodo de trabajo en el que se produce la reflexión (Figura 8, izquierda). La luz reflejada se recoge para ser analizada en el espectrómetro (Figura 8, derecha). Sin embargo, también es posible trabajar con otros ángulos de incidencia y recogida. Esta configuración es útil para electrodos no transparentes.
Fabricada en PEEK negro, esta celda UV-visible para espectroelectroquímica se puede utilizar con solventes acuosos u orgánicos (Figura 9). La pieza superior está diseñada para la colocación ideal de los electrodos de referencia y contraelectrodos, así como de la fibra óptica. La pieza de sujeción optimiza la distancia entre la fibra y el electrodo de trabajo. Además, también hay canales de entrada y salida en la parte superior de la celda.
La pieza inferior tiene un compartimento específico para añadir 3 mL de solución que es donde se coloca el electrodo de trabajo. El sistema de imán de apertura y cierre elimina la necesidad de tornillos y facilita el montaje de la celda.
La realización de espectroelectroquímica con SPE requiere una configuración experimental simple, lo que permite utilizar esta técnica analítica para análisis de rutina. Esta celda consta de dos piezas: la parte inferior con un pequeño hueco para colocar el SPE y la superior para sujetar la fibra óptica manteniendo la distancia focal óptima (Figura 10).
Esta celda espectroelectroquímica UV-Visible es ventajosa para diversos proyectos porque se proporciona una gran cantidad de información a partir de un pequeño volumen de muestra (< 100 µL). La celda cuenta con un innovador sistema de imán de apertura-cierre (no requiere tornillos) para una fácil sustitución de los sensores, facilitando la realización de los experimentos espectroelectroquímicos UV-Vis y NIR.
Esta celda es un soporte adecuado para medidas espectroelectroquímicas en condiciones de flujo con SPE TLFCL-CIR. Su diseño simple cuenta con un orificio para colocar la sonda de reflexión en la posición adecuada para el análisis de la reacción electroquímica (Figura 11).
Los SPEs TLFCL son adecuados para mediciones espectroelectroquímicas. Debido a la cubierta transparente que define un canal (altura 400 µm, volumen 100 µL), se forma una capa fina sobre la celda electroquímica.
Configuración de la transmisión
Los experimentos de transmisión requieren que el haz de luz pase a través de un electrodo ópticamente transparente (Figura 12). Recopila información sobre los fenómenos que ocurren tanto en la superficie del electrodo como en la solución adyacente a él. Los electrodos en esta configuración deben estar compuestos de materiales que tengan gran conductividad eléctrica y transparencia óptica adecuada en la región espectral de interés.
Los electrodos ópticamente transparentes (OTE) permiten a los usuarios realizar simultáneamente mediciones espectrales y electroquímicas directamente a través del electrodo de trabajo. Se pueden utilizar técnicas espectroelectroquímicas para obtener fácilmente espectros a través de capas conductoras transparentes al mismo tiempo que se realiza un experimento electroquímico.
La celda de transmisión para SPE consta de dos partes, y la pieza inferior contiene una lente (Figura 13). Esta lente colima la luz que llega desde la fuente luminosa gracias a una fibra de transmisión. La OTE se coloca en la pieza inferior, permitiendo el paso de la luz. La luz transmitida se recoge con una fibra de reflexión que se coloca dentro de la pieza superior de la celda, obteniendo información sobre los procesos que ocurren en la superficie del electrodo. El pequeño volumen requerido (100 µL) y la celda de fácil montaje facilitan la realización de experimentos espectroelectroquímicos UV-Vis y NIR en configuración de transmisión.
La espectroelectroquímica de transmisión se puede realizar fácilmente utilizando una cubeta de cuarzo tradicional con una longitud de trayectoria óptica de 1 mm, como se muestra en Figura 14. El kit de celda de espectroelectroquímica también incluye una malla de platino WE, un alambre de platino CE y un Ag/AgCl RE. Además, el soporte de cubeta robusto y de fácil manejo permite mediciones de absorbancia y fluorescencia (90°) altamente precisas y repetibles.
Resumen
El desarrollo de las nuevas celdas presentadas hace que las mediciones espectroelectroquímicas sean aún más fáciles de realizar. Su configuración cerrada así como su fabricación en material opaco e inerte evita interferencias y supera problemas de seguridad. No se requieren protocolos complejos para el montaje, desmontaje o limpieza de las celdas. Finalmente, su simplicidad y fácil manejo facilitan su utilización, lo que en combinación con las soluciones integradas SPELEC, hace la espectroelectroquímica más accesible a un público más amplio.
Lo que aprendiste de los conocimientos
Entrada del blog: Fundamentos de espectroelectroquímica
Entrada del blog: Espectroelectroquímica Raman de la India a España: Historia y aplicaciones
Nota de aplicación: Espectroelectroquímica: una técnica analítica autovalidada
Nota de aplicación: Celda espectroelectroquímica UV-Vis para electrodos convencionales
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Nota de aplicación: Nuevas estrategias para la obtención del efecto SERS en disolventes orgánicos
Nota de aplicación: Mejora de la intensidad Raman para la detección de fentanilo
Libro de aplicaciones de espectroelectroquímica
Arrojar luz, en el sentido literal de la frase, sobre el conocimiento y los procedimientos electroquímicos. La espectroelectroquímica ofrece a los analistas más información al poder registrar una señal óptica y una electroquímica al mismo tiempo para obtener nuevos datos.
