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rilevamento selettivo e sensibile, quantificazione rapida di un'ampia varietà di analiti, strumento diagnostico, sviluppo di nuove metodologie e sensori, ecc. [3].
La combinazione di due tecniche analitiche ben note, l'elettrochimica e la spettroscopia, dà origine alla spettroelettrochimica (SEC), una metodologia scientifica consolidata. Questa tecnologia ibrida offre ai ricercatori il meglio di entrambi i mondi, consentendo di registrare contemporaneamente un segnale ottico ed elettrochimico per ottenere nuovi dati [1]. Questo articolo inizia con una definizione di spettroelettrochimica e ne illustra i vantaggi nella ricerca, per poi passare a nuovi sistemi e soluzioni che semplificano il lavoro su una moltitudine di applicazioni spettroelettrochimiche.
Che cos'è la spettroelettrochimica?
I metodi spettroelettrochimici sono metodi a risposta multipla. Studiano il processo delle reazioni elettrochimiche con monitoraggio ottico simultaneo. La spettroelettrochimica fornisce due segnali distinti da un singolo esperimento, il che rappresenta una caratteristica molto utile per ottenere informazioni cruciali sul sistema in studio. Inoltre, la natura autovalidante della spettroelettrochimica conferma i risultati ottenuti con due metodi diversi.
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Il principio della spettroelettrochimica si basa sull'analisi dell'interazione tra un fascio di radiazione elettromagnetica e i composti coinvolti nelle reazioni elettrochimiche. Le variazioni nei segnali ottici ed elettrochimici forniscono informazioni sulla progressione dei processi elettrodici.
Questa tecnica analitica fu sviluppata negli anni '60 quando il professor Theodore Kuwana lavorò con elettrodi trasparenti per studiare un processo simultaneo: misurare la carica e l'assorbanza (contemporaneamente) quando un fascio di luce attraversa l'elettrodo [2]. Questi cosiddetti «elettrodi otticamente trasparenti» (OTE) furono sviluppati per eseguire esperimenti combinati ottici ed elettrochimici. Tuttavia, non tutte le configurazioni spettroelettrochimiche richiedono elettrodi trasparenti.
Dal primo articolo pubblicato sulla spettroelettrochimica nel 1964 [2], il numero di lavori e ricerche basati su questa tecnica è cresciuto costantemente (Figura 1).
Figure 1.
Le pubblicazioni sulla spettroelettrochimica sono aumentate in modo significativo dalla scoperta della tecnica negli anni '60 (risultati della ricerca di «Spectroelectrochem*» come termine in Scopus a gennaio 2025).
La spettroelettrochimica consente ai ricercatori di raccogliere informazioni molecolari, cinetiche e termodinamiche dai reagenti, dagli intermedi e/o dai prodotti coinvolti nei processi di trasferimento elettronico. Pertanto, è possibile eseguire studi spettroelettrochimici su un'ampia gamma di molecole e processi diversi, tra cui complessi biologici, reazioni di polimerizzazione, caratterizzazione di nanomateriali, rilevamento di analiti, meccanismi di corrosione, elettrocatalisi, processi ambientali, caratterizzazione di dispositivi di memoria e molto altro.
Una gamma di tecniche spettroelettrochimiche tra cui scegliere: tipi di SEC
A seconda dell'intervallo spettrale utilizzato, si ottengono diversi tipi di informazioni. Il grafico seguente (Figura 2) è classificato in base alla combinazione di diversi metodi elettrochimici e spettroscopici. La classificazione generale si basa sulla tecnica spettroscopica: ultravioletto (UV), visibile (Vis), fotoluminescenza (PL), infrarosso (IR), Raman, raggi X, risonanza magnetica nucleare (NMR) e risonanza paramagnetica elettronica (EPR).
Figure 2.
La spettroelettrochimica (SEC) è la combinazione di spettroscopia ed elettrochimica, mostrata qui come sovrapposizione tra queste due tecniche.
Ad esempio, la spettroscopia UV/VIS fornisce informazioni molecolari relative ai livelli elettronici delle molecole, la regione NIR fornisce dati associati ai livelli vibrazionali e lo spettro Raman fornisce informazioni molto specifiche sulla struttura e la composizione del campione grazie alle caratteristiche di impronta digitale di questa tecnica. (Figura 3).
Figure 3.
Diagramma dello spettro elettromagnetico.
I principali vantaggi delle tecniche spettroelettrochimiche sono riassunti di seguito:
- forniscono simultaneamente informazioni ottenute con due tecniche diverse (elettrochimica e spettroscopia) in un unico esperimento
- possono essere eseguiti studi qualitativi e analisi quantitative
- elevata selettività e sensibilità
- la spettroelettrochimica è utilizzata in diversi campi grazie alla sua versatilità
- le nuove configurazioni facilitano l'esecuzione di esperimenti spettroelettrochimici, risparmiando tempo, campioni, costi, ecc.
Negli ultimi anni si sono verificati progressi significativi nella progettazione, nello sviluppo e nelle possibilità offerte dagli strumenti per l'impiego con tecniche spettroelettrochimiche. Anche gli assemblaggi e le connessioni tra prodotti e accessori che ne facilitano l'utilizzo sono stati migliorati, contribuendo a rendere la ricerca e la sperimentazione in questo campo più semplici e accessibili.
L'evoluzione della strumentazione spettroelettrochimica
Tradizionalmente, la configurazione per l'analisi spettroelettrochimica prevede due strumenti: uno spettroscopico e uno per l'analisi elettrochimica (Figura 4). Entrambi gli strumenti sono collegati in modo indipendente alla stessa cella spettroelettrochimica e solitamente non sono sincronizzati. Inoltre, ogni strumento è controllato da un software diverso (e specifico), quindi sono necessari due programmi per interpretare ciascun segnale, oltre a un ulteriore software esterno per l'elaborazione e l'analisi dei dati ottenuti dai primi due programmi. Infine, va considerato che la sincronizzazione non è garantita, rendendo l'esecuzione di esperimenti e test con questa configurazione lenta, complessa e costosa.
Figure 4.
Questa configurazione spettroelettrochimica separata mette in luce la complessità del software e dei programmi utilizzati, dimostrando che sistemi diversi non sono in grado di ottenere dati e misurazioni elettrochimiche effettivamente sincronizzate.
Metrohm DropSens ha colto l'occasione per creare qualcosa che prima non esisteva, rivoluzionando la spettroelettrochimica all'avanguardia: la lista di strumenti SPELEC (Figura 5). Si tratta di soluzioni completamente integrate e sincronizzate che offrono ai ricercatori una versatilità notevolmente superiore. I dispositivi includono tutti i componenti necessari per lavorare con le tecniche spettroelettrochimiche in modo semplice e in un unico sistema con un (bi)potenziostato/galvanostato, la sorgente luminosa e lo spettrometro (a seconda dell'intervallo spettrale selezionato).
Figure 5.
I sistemi SPELEC di Metrohm DropSens sono costituiti da un dispositivo e da un software: una configurazione SEC completamente integrata, semplice da usare e pratica per i ricercatori.
Questi progetti e configurazioni semplificano anche il lavoro, i processi e le misurazioni spettroelettrochimiche, poiché sono necessari un unico sistema e un unico software. Nel caso della soluzione SPELEC, il suo software dedicato avanzato (DropView SPELEC) è un programma specifico che controlla lo strumento, acquisisce simultaneamente i segnali elettrochimici e spettroscopici e consente agli utenti di elaborare e analizzare i dati contemporaneamente in un unico passaggio. È davvero così semplice!
Il futuro della spettroelettrochimica: sistemi e software SPELEC
Uno strumento e un software: Metrohm DropSens SPELEC ha tutto ciò di cui hai bisogno per i tuoi esperimenti spettroelettrochimici, risparmiando tempo prezioso e spazio in laboratorio. Gli strumenti SPELEC offrono la combinazione di elettrochimica e spettroscopia UV-Vis, Vis-NIR o persino Raman in un'unica misura, con diverse opzioni di strumenti disponibili (vedi sotto). Tutto è integrato, il che consente di eseguire più test in meno tempo, ottenere spettri multipli, avere una gamma completa di accessori e flessibilità di ricerca grazie alle diverse configurazioni offerte..
Sono disponibili più opzioni a seconda dell'intervallo spettrale necessario:
SPELEC: 200–900 nm (UV-VIS)
SPELEC 1050: 350–1050 nm (VIS-NIR)
SPELEC NIR: 900–2200 nm (NIR)
SPELEC RAMAN: 785 nm, 638 nm, or 532 nm laser
DropView SPELEC è un software dedicato e intuitivo che facilita la misurazione, la gestione e l'elaborazione dei dati. Con questo programma, è possibile visualizzare curve e spettri elettrochimici in tempo reale e seguire gli esperimenti in termini di conteggi, conteggi con sottrazione del dark, assorbanza, trasmittanza, riflettanza o Raman shift. Per quanto riguarda l'elaborazione dei dati, DropView SPELEC offre una vasta gamma di funzioni, tra cui sovrapposizione di grafici, integrazione e misurazione dei picchi, tracciamento 3D, filmati spettrali e altro ancora.
Testimonianza dell'Università di Burgos sul sistema SPELEC integrato di Metrohm DropSens.
Gli strumenti SPELEC sono molto versatili e, sebbene siano strumenti spettroelettrochimici dedicati, possono essere utilizzati anche per esperimenti elettrochimici e spettroscopici. Possono essere utilizzati con qualsiasi tipo di elettrodo (ad esempio, elettrodi serigrafati, elettrodi convenzionali, ecc.) e con diverse celle spettroelettrochimiche. Le informazioni ottiche ed elettrochimiche vengono ottenute in tempo reale, in modalità operando o dinamica.
Per saperne di più leggi l'articolo del nostro blog.
Semplificare le configurazioni spettroelettrochimiche con celle intuitive e di facile utilizzo
Molteplici applicazioni spettroelettrochimiche
Le caratteristiche della spettroelettrochimica consentono il continuo sviluppo di nuove applicazioni in diversi campi. Continua a leggere per scoprire le potenzialità di questa tecnica (clicca per espandere ogni sezione).
studio delle proprietà e della struttura di diversi composti, analisi delle reazioni cinetiche, determinazione della capacità di trasferimento elettronico, ecc. [4].
valutazione di film protettivi come inibitori di corrosione, determinazione della stabilità e reversibilità degli elettrodi, monitoraggio della generazione di strati e sottoreticoli, miglioramento delle proprietà protettive dei materiali di rivestimento, ecc.
monitoraggio dei cicli di scambio e scarica, determinazione dei livelli di ossidazione/riduzione, caratterizzazione di nuovi elettroliti per batterie, comprensione dei processi di drogaggio e scissione nelle celle solari, ecc.
caratterizzazione e confronto dell'attività elettrocatalitica di diversi catalizzatori, identificazione delle specie intermedie e dei loro cambiamenti strutturali, spiegazione del meccanismo di reazione, ecc. [5].
studio dei processi biologici, caratterizzazione delle molecole utilizzate in biotecnologia, biochimica o medicina, determinazione dell'attività antiossidante, ecc.
identificazione e quantificazione di pesticidi, coloranti e inquinanti, monitoraggio dei processi di degradazione e filtrazione, ecc. [6].
caratterizzazione di nuovi materiali per dispositivi di memoria, confronto di minerali, identificazione di pigmenti, oli e paste, ecc.
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Riferimenti
[1] Kaim, W.; Fiedler, J. Spectroelectrochemistry: The Best of Two Worlds. Chem. Soc. Rev. 2009, 38 (12), 3373. DOI:10.1039/b504286k
[2] Kuwana, T.; Darlington, R. K.; Leedy, D. W. Electrochemical Studies Using Conducting Glass Indicator Electrodes. Anal. Chem. 1964, 36 (10), 2023–2025. DOI:10.1021/ac60216a003
[3] Martín-Yerga, D.; Pérez-Junquera, A.; González-García, M. B.; et al. Quantitative Raman Spectroelectrochemistry Using Silver Screen-Printed Electrodes. Electrochimica Acta 2018, 264, 183–190. DOI:10.1016/j.electacta.2018.01.060
[4] Perez-Estebanez, M.; Cheuquepan, W.; Cuevas-Vicario, J. V.; et al. Double Fingerprint Characterization of Uracil and 5-Fluorouracil. Electrochimica Acta 2021, 388, 138615. DOI:10.1016/j.electacta.2021.138615
[5] Rivera-Gavidia, L. M.; Luis-Sunga, M.; Bousa, M.; et al. S- and N-Doped Graphene-Based Catalysts for the Oxygen Evolution Reaction. Electrochimica Acta 2020, 340, 135975. DOI:10.1016/j.electacta.2020.135975
[6] Ibáñez, D.; González-García, M. B.; Hernández-Santos, D.; Fanjul-Bolado, P. Detection of Dithiocarbamate, Chloronicotinyl and Organophosphate Pesticides by Electrochemical Activation of SERS Features of Screen-Printed Electrodes. Spectrochim. Acta. A. Mol. Biomol. Spectrosc. 2021, 248, 119174. DOI:10.1016/j.saa.2020.119174
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