Sezgisel Spektroelektrokimya: Kullanıcı dostu hücreler analizi nasıl kolaylaştırır?

18 Eyl 2023

Ürün

Spektroelektrokimya (SEC) şu anda en umut verici gelişen analitik tekniklerden biridir. Potansiyeli hiçbir zaman şüphe götürmese de, ölçümleri gerçekleştirmek için gereken çeşitli ekipmanlar, veri işleme için üç adete kadar bilgisayarın kullanılması ve hücre kurulumlarının karmaşıklığı, avantajlarına rağmen birçok araştırmacıyı SEC'i kullanmaktan caydırmaktadır. Tamamen entegre, mükemmel şekilde senkronize edilmiş ve tek bir yazılımla kontrol edilen son teknoloji ürünü SPELEC cihaz serisinin piyasaya sürülmesi bu boşluğu doldurarak SEC'i daha da erişilebilir hale getirmiştir. Bununla birlikte, SEC'in tüm laboratuvarlara uygun olması için hâlâ ihtiyaç duyulan temel gereksinimlerden biri, farklı konfigürasyonlara (transmisyon, yansıma ve akış koşulları) yönelik kullanıcı dostu hücrelerin bulunmasıdır. Bu makale bu farklı SEC hücresi türlerini ayrıntılı olarak açıklamaktadır.

Sınırlamaların üstesinden gelme ihtiyacını ele almak

Örneğin, SEC hücrelerinin geliştirilmesinde hala araçsal sınırlamalar bulunmaktadır. Bazı spektroelektrokimyasal cihazların, daha geleneksel seçeneklerin kullanılamadığı katı tasarım spesifikasyonları (şekil, boyut ve elektrot malzemesi), cihazların daha büyük hacimlerde numune çözeltisi gerektirmesi, hücrelerin karmaşık, sıkıcı montaj, sökme protokolleri vb. gerektiren birçok parçadan yapılmış olması gibi dezavantajları vardır.

Bu tekniğin benimsenmesini kolaylaştırmak için güncellenmiş kurulumlara sahip yeni ve yenilikçi SEC hücreleri geliştirilmiştir. Bu sistemler çeşitli avantajlar sunmaktadır:

kolay kullanım
farklı elektrotlarla çalışmak için çok yönlülük
farklı ortamlara karşı kimyasal direnç
basit ve hızlı montaj ve demontaj
düşük omik düşme direnci
ve daha fazlası!

Ayrıca, opak ve kapalı hücreler çevresel müdahaleleri ortadan kaldırmaktadır. Bu aynı zamanda ışık kaynağı olarak lazer kullanıldığında ışının hücrenin sınırlarını terk etmesi önlendiğinden bir güvenlik özelliği olarak da işlev görmektedir.

Illustration of the Raman scattering effect.

Şekil 1. Raman saçılma etkisinin çizimi.

Raman SEC: Doğru hücre kurulumuna sahip bir parmak izi tekniği

Raman spektroelektrokimyası, bir elektrokimyasal süreçte yer alan kimyasal bileşiklerle ilgili monokromatik ışığın elastik olmayan saçılımını (veya Raman saçılımını) inceleyen hibrit bir tekniktir. Bu teknik, dağınık fotonlar toplanırken aynı zamanda elektrot yüzeyine odaklanması gereken monokromatik bir ışık kaynağı (genellikle bir lazer) kullanarak moleküllerin titreşim enerji geçişleri hakkında bilgi sağlamaktadır (Şekil 1).

Saçılma elastik olduğunda bu olaya Rayleigh saçılması, elastik olmadığında ise Raman saçılması adı verilmektedir. Bu kavram Şekil 2'de gösterilmektedir.

Raman spektroelektrokimyası, incelenen sistemde mevcut kimyasal türlerin tanımlanmasına ve farklılaştırılmasına olanak tanıyan doğal parmak izi özelliklerinden dolayı hızla en umut verici analiz tekniklerinden biri haline gelmektedir. Bu nedenle sistem kurulum koşullarının optimizasyonu istenilen sonuçların elde edilmesinde önemli bir faktördür. Örneğin, en yüksek Raman yoğunluğunu elde etmek için prob ile numune arasındaki mesafenin (probun optik özelliklerine göre) ayarlanması gerekmektedir.

Metrohm'un aşağıdaki Raman hücreleri, kullanılabilirliği artıran ve ölçüm optimizasyonunu kolaylaştıran geliştirilmiş ve basitleştirilmiş bir tasarıma sahiptir (aşağıya tıklayarak her bir hücre tipine doğrudan atlayın):

Geleneksel elektrotlar için Raman hücresi
Yüzey baskı elektrotlar (SPE'ler) için Raman hücresi
Akış koşullarında yüzey baskı elektrotlar için Raman hücresi

Geleneksel elektrotlar için Raman hücresi

Raman spectroelectrochemical setup using the Raman cell for conventional electrodes (featured here: SPELECRAMAN, RAMANPROBE, RAMANCELL-C, and CABSTAT).

Şekil 3. Geleneksel elektrotlar için Raman hücresini kullanan Raman spektroelektrokimyasal kurulumu (burada yer alanlar: SPELECRAMAN, RAMANPROBE, RAMANCELL-C ve CABSTAT).

Sulu ve organik çözücülerde spektroelektrokimyasal deneyler gerçekleştirmek için kolay açılır-kapanır mıknatıs sistemine sahip yeni bir siyah hücre kullanılmaktadır (Şekil 3). Bu hücre iki PEEK (polieter eter keton) parçasından oluşmaktadır. Üst parça, Raman probunun ucunu yerleştirmek için merkezi bir delik ve prob ile çalışma elektrodu (WE) arasındaki odak mesafesini optimize etmek için farklı derinliklere (1, 1,5, 2 ve 2,5 mm) sahip dört girinti içermektedir. Ayrıca CE (karşıt elektrot), RE (referans elektrot) ve giriş ve çıkış hava akışı için dört deliğe sahip olup, bunların kapakları da kapatılabilmektedir.

Geleneksel elektrotlar için Raman hücresinin iç görünümünü gösteren şematik diyagram. 1-4 konumları, prob ile WE arasındaki optimum odak mesafesi için farklı derinliklere (sırasıyla 1, 1,5, 2 ve 2,5 mm) sahip girintilere karşılık gelmektedir.

Şekil 4. Geleneksel elektrotlar için Raman hücresinin iç görünümünü gösteren şematik diyagram. 1-4 konumları, prob ile WE arasındaki optimum odak mesafesi için farklı derinliklere (sırasıyla 1, 1,5, 2 ve 2,5 mm) sahip girintilere karşılık gelmektedir.

Alt parçanın üst kısmında 3 mL solüsyon ekleme bölmesi bulunmaktadır. Bu hacim WE, RE ve CE'nin çözeltiyle doğru temasını sağlarken aynı zamanda Raman probunun daldırılmasını da önlemektedir. Alt parçanın alt tarafında sızıntıları önleyen O-ringin yerleştirilmesi için küçük bir girinti bulunmaktadır. Ayrıca WE, kelepçe parçasına vidalanarak sabitlenmektedir. Son olarak, hücrenin stabilitesini korumak ve ölçüm performansını arttırmak için tutucu kullanılmaktadır. Şekil 4, bu Raman spektroelektrokimyasal hücresinin çeşitli kısımlarına genel bir bakış sunmaktadır.

Geleneksel elektrotlara yönelik Raman spektroelektrokimyasal hücresi hakkında daha fazla bilgiyi burada bulabilirsiniz.

Yüzey baskı elektrotlar (SPE'ler) için Raman hücresi

Siyah PEEK ile tasarlanan bu hücre yalnızca iki parçadan oluşmaktadır. Alt parça SPE'yi yerleştirmek için kullanılırken üst parçada Raman probunu yerleştirmek için tasarlanmış bir delik bulunmaktadır (Şekil 5). Probun odak mesafesi, değişen kalınlıktaki ara parçalar (0,5, 1 ve 1,5 mm) kullanılarak kolaylıkla değiştirilebilmektedir.

Şekil 6. Katı numunelerin karakterizasyonu için Raman hücresine içten bir bakış.

Hücrenin kolay montajı ve gerekli küçük hacim (60 µL) özelliklerinin bir araya gelmesi, bu konfigürasyonu deneyimsiz kullanıcılar için ideal hale getirmektedir. Ayrıca bu hücre, elektrokimya gerektirmeden katı ve sıvı numunelerin hassas optik karakterizasyonunu kolaylaştırmak için küçük bir pota tutucusuna sahiptir (Şekil 6).

Yüzey Baskı Elektrotlar için Raman Spektroelektrokimyasal Hücresi hakkında daha fazla bilgiyi burada bulabilirsiniz.

Akış koşullarında yüzey baskı elektrotlar için Raman hücresi

Akış spektroelektrokimyası, dairesel çalışma elektrotlu (TLFCL-CIR SPE'ler) ince katmanlı akış hücreli yüzey baskı elektrotların geliştirilmesi sayesinde kolaylıkla gerçekleştirilebilmektedir. Bu SPE'lerin tasarımı, bir kanalın (yükseklik 400 μm, hacim 100 μL) çözeltiyi WE, CE ve RE (Şekil 7) içinden taşımasına olanak tanımaktadır.

Raman hücresinin montajı iki kolay adımdan oluşmaktadır. İlk olarak SPE'yi alt parçanın tanımlı konumuna yerleştirin. Daha sonra üst parçayı takın ve hücre kullanıma hazır hale gelmektedir. Hücrenin üst kısmında Raman probunu yerleştirmek ve lazeri WE yüzeyine odaklamak için özel olarak tasarlanmış bir delik bulunmaktadır.

Bu sistem, sıvıların yalnızca elektrot kanalında bulunması nedeniyle numune çözeltisindeki herhangi bir sızıntının üstesinden gelmektedir.

UV-Vis ve NIR spektroelektrokimyasal hücrelerle ışığı yansıtın veya iletin

Kimyasal bir süreç incelenirken, UV-Vis (200–800 nm) ve yakın kızılötesi (800–2500 nm) spektrumlarının gelişiminin elektrokimyasal reaksiyonla birlikte eşzamanlı olarak kaydedilmesi, araştırmacıların ilgili moleküllerin elektronik (UV-Vis) ve titreşim (NIR) seviyeleri ile ilgili bilgi elde etmesine olanak tanımaktadır. Bu amaç için yeni spektroelektrokimyasal hücrelerin geliştirilmesi, bu hibrit tekniğin çeşitli endüstriyel sektörlerde genişlemesine olanak sağlamıştır.

Nihai uygulamaya bağlı olarak UV-Vis ve NIR spektroelektrokimyası farklı kurulum konfigürasyonlarında gerçekleştirilebilir (her bir konuya doğrudan gitmek için aşağıya tıklayın):

Yansıma konfigürasyonu
Transmisyon konfigürasyonu

Yansıma konfigürasyonu

Bir yansıma hücresi kurulumuyla çalışırken, ışık huzmesi yansımanın meydana geldiği çalışma elektrotu yüzeyine dik bir yönde hareket etmektedir (Şekil 8, sol). Yansıyan ışık, spektrometrede analiz edilmek üzere toplanmaktadır (Şekil 8, sağ). Ancak diğer geliş ve toplanma açılarıyla da çalışmak mümkündür. Bu konfigürasyon şeffaf olmayan elektrotlar için kullanışlıdır.

Schematic diagram of the transmission cell configuration.

Şekil 12. Transmisyon hücresi konfigürasyonunun şematik diyagramı.

Transmisyon konfigürasyonu

Transmisyon deneyleri, ışık ışınının optik olarak şeffaf bir elektrottan geçmesini gerektirmektedir (Şekil 12). Bu durum, hem elektrotun yüzeyinde hem de ona bitişik çözeltide meydana gelen olaylar hakkında bilgi toplamaktadır. Bu konfigürasyondaki elektrotlar, büyük elektrik iletkenliğine ve ilgili spektral bölgede yeterli optik şeffaflığa sahip malzemelerden oluşmalıdır.

Özet

Sunulan yeni hücrelerin geliştirilmesi, spektroelektrokimyasal ölçümlerin gerçekleştirilmesini daha da kolaylaştırmaktadır. Kapalı konfigürasyonları ve opak, inert malzemeden üretilmiş olmaları, parazitleri önlemekte ve güvenlik sorunlarının üstesinden gelmektedir. Hücrelerin montajı, demontajı veya temizliği için karmaşık protokollere gerek yoktur. Son olarak, basitlikleri ve kolay kullanımları çalışmaları kolaylaştırmakta ve bu da SPELEC entegre çözümleri ile birlikte spektroelektrokimyayı daha geniş bir kitle için daha erişilebilir hale getirmektedir.