Makaleyi paylaş
seçici ve hassas tespit, geniş bir yelpazedeki analitlerin hızlı kantitatif tayini, tanı aracı, yeni metodolojilerin ve sensörlerin geliştirilmesi vb. [3].
İki iyi bilinen analitik teknik olan elektrokimya ve spektroskopinin birleşimi, yerleşik bir bilimsel metodoloji olan spektroelektrokimyayı (SEC) ortaya çıkarır. Bu hibrit teknoloji, araştırmacılara yeni veriler elde etmek için aynı anda hem optik hem de elektrokimyasal bir sinyali kaydedebilme olanağı sunarak her iki dünyanın da en iyisini sunar [1]. Bu blog makalesi spektroelektrokimyanın tanımıyla başlayarak, araştırmadaki avantajlarını sergilemekte ve ardından çok sayıda spektroelektrokimya uygulamasında çalışmayı kolaylaştıran yeni sistemler ve çözümlerle ilgili bilgi sunmaktadır.
Spektroelektrokimya nedir?
Spektroelektrokimyasal yöntemler çoklu yanıt yöntemleridir. Elektrokimyasal reaksiyonların sürecini eş zamanlı olarak optik izleme ile inceler. Spektroelektrokimya, tek bir deneyden iki ayrı sinyal sağlar; bu, incelenen sistem hakkında kritik bilgi elde etmek için çok güçlü bir özelliktir. Dahası, spektroelektrokimyanın otomatik olarak doğrulanmış karakteri, iki farklı yolla elde edilen sonuçları doğrulamaktadır.
Bu konu hakkında daha fazla bilgi edinmek için aşağıdaki ücretsiz Uygulama Notumuzu indirebilirsiniz.
Spektroelektrokimyanın prensibi, elektromanyetik radyasyon demeti ile elektrokimyasal reaksiyonlara katılan bileşikler arasındaki etkileşimin incelenmesine dayanır. Optik ve elektrokimyasal sinyallerdeki değişimler, elektrot süreçlerinin ilerleyişi hakkında fikir verir.
Bu analitik teknik, Profesör Theodore Kuwana'nın, bir ışık demeti elektrottan geçtiğinde yükü ve emilimi (eş zamanlı olarak) ölçen eş zamanlı bir süreci incelemek için şeffaf elektrotlarla çalıştığı 1960'larda geliştirilmiştir [2]. Bu belirtilen "optik olarak şeffaf elektrotlar" (OTE'ler) , optik ve elektrokimyasal kombine deneyleri gerçekleştirmek için geliştirilmiştir. Ancak, tüm spektroelektrokimyasal konfigürasyonlar şeffaf elektrotlar gerektirmez.
Spektroelektrokimya üzerine ilk yayınlanan makalenin 1964'te yayınlanmasından bu yana [2], bu tekniğe dayalı çalışma ve araştırmaların sayısı giderek artmıştır (Şekil 1).
Şekil 1.
Spektroelektrokimya yayınları, tekniğin 1960'larda keşfedilmesinden bu yana önemli ölçüde artmıştır (Ocak 2025 itibarıyla Scopus'ta «Spektroelektrokimya*» teriminin aranma sonuçları .
Spektroelektrokimya, araştırmacıların elektron transfer süreçlerinde yer alan reaktanlardan, ara maddelerden ve/veya ürünlerden moleküler, kinetik ve termodinamik bilgi toplamasına olanak tanır. Böylece biyolojik kompleksler, polimerizasyon reaksiyonları, nanomalzeme karakterizasyonu, analit tespiti, korozyon mekanizmaları, elektrokimyasal kataliz, çevresel prosesler, bellek cihazlarının karakterizasyonu ve daha birçok alanda geniş bir yelpazede molekül ve farklı prosesler üzerinde spektroelektrokimyasal çalışmalar yapmak mümkün hale gelmektedir.
Seçebileceğiniz bir dizi spektroelektrokimyasal teknik: SEC türler
Kullanılan spektral aralığa bağlı olarak farklı türde bilgiler elde edilmektedir. Aşağıdaki grafik (Şekil 2), farklı elektrokimyasal ve spektroskopik yöntemlerin kombinasyonuna göre sınıflandırılmıştır. Genel sınıflandırma spektroskopik tekniğe dayanmaktadır: ultraviyole (UV), görünür (Vis), fotolüminesans (PL), kızılötesi (IR), Raman, X-ışını, nükleer manyetik rezonans (NMR) ve elektron paramagnetik rezonans (EPR).
Şekil 2.
Spektroelektrokimya (SEC), spektroskopi ve elektrokimyanın birleşimidir ve burada bu iki teknik arasındaki örtüşme olarak gösterilmiştir.
Örneğin, UV/VIS spektroskopisi moleküllerin elektronik seviyeleriyle ilgili moleküler bilgiler sağlar, NIR bölgesi titreşim seviyeleriyle ilişkili veriler sağlar ve Raman spektrumu bu tekniğin parmak izi özelliklerinden dolayı numunenin yapısı ve bileşimi hakkında çok özel bilgiler sağlar (Şekil 3).
Şekil 3.
Elektromanyetik spektrumun diyagramı.
Spektroelektrokimyasal tekniklerin başlıca avantajları aşağıda özetlenmiştir:
- aynı anda tek bir deneyde iki farklı teknikle (elektrokimya ve spektroskopi) elde edilen bilgileri sağlarlar
- nitel çalışmalar ve nicel analizler yapılabilir
- yüksek seçicilik ve hassasiyet
- spektroelektrokimya çok yönlülüğü nedeniyle birçok farklı alanda kullanılmaktadır
- yeni konfigürasyonlar spektroelektrokimyasal deneylerin yapılmasını kolaylaştırarak zamandan, numunelerden, maliyetlerden vb. tasarruf sağlar
Son yıllarda spektroelektrokimyasal tekniklerle çalışmak için cihazların tasarımı, geliştirilmesi ve sunduğu olanaklar konusunda önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Ayrıca, bu cihazın kullanımını kolaylaştıran montajlar ve ürünler ile aksesuarlar arasındaki bağlantılar iyileştirilmiş ve bu alandaki araştırma ve deneylerin daha kolay ve daha uygun fiyatlı olmasına katkıda bulunulmuştur.
Spektroelektrokimyasal cihazların evrimi
Geleneksel olarak, spektroelektrokimyasal analiz için yapılandırma iki cihazdan oluşur: biri spektroskopik cihaz ve diğeri elektrokimyasal analiz için cihaz (Şekil 4). Her iki cihaz da aynı spektroelektrokimyasal hücreye bağımsız olarak bağlıdır ve genellikle senkronize değildirler. Ayrıca her bir enstrüman farklı (ve özel) bir yazılım tarafından kontrol edildiğinden, her bir sinyali yorumlamak için iki programa ve bu iki programla elde edilen verileri işleyip analiz etmek için de harici bir yazılıma ihtiyaç duyulmaktadır. Son olarak, senkronizasyonun garanti edilmediği, bu konfigürasyonla yapılacak deneylerin ve testlerin yavaş, karmaşık ve maliyetli olacağı dikkate alınmalıdır.
Şekil 4.
Bu ayrı spektroelektrokimyasal kurulum, kullanılan yazılım ve programların karmaşıklığını ortaya koyarak, farklı sistemlerin gerçek senkronize elektrokimyasal ölçümler ve veriler elde edemediğini göstermektedir.
Metrohm DropSens, daha önce var olmayan bir şeyi yaratma fırsatını değerlendirdi ve son teknoloji spektroelektrokimyayı devrim niteliğinde değiştirdi: SPELEC cihaz serisi (Şekil 5). Bunlar araştırmacılara çok daha fazla çok yönlülük sunan, tam entegre, senkronize çözümlerdir. Cihazlar, spektroelektrokimyasal tekniklerle çalışmak için ihtiyaç duyulan tüm bileşenleri basit bir şekilde ve tek bir sistemde, (bi)potansiyostat/galvanostat, ışık kaynağı ve spektrometre (seçilen spektral aralığa bağlı olarak) ile birlikte içermektedir.
Şekil 5.
Metrohm DropSens'in SPELEC sistemleri tek bir cihaz ve tek bir yazılımdan oluşmaktadır; araştırmacılar için tam entegre, kullanımı kolay ve pratik bir SEC kurulumu.
Bu tasarımlar ve prosesler, yalnızca tek bir sistem ve tek bir yazılıma ihtiyaç duyulduğu için işi, süreçleri ve spektroelektrokimyasal ölçümleri de basitleştirmektedir. SPELEC çözümünde, gelişmiş özel yazılımı (DropView SPELEC), cihazı kontrol eden, elektrokimyasal ve spektroskopik sinyalleri aynı anda elde eden ve ayrıca kullanıcıların verileri tek bir adımda birlikte işlemesine ve analiz etmesine olanak tanıyan özel bir programdır. Gerçekten bu kadar basit!
Spektroelektrokimyanın geleceği: SPELEC sistemleri ve yazılımları
Tek cihaz ve tek yazılım: Metrohm DropSens SPELEC, spektroelektrokimya deneyleriniz için ihtiyacınız olan her şeyi sunarken, değerli zamanınızdan ve laboratuvar alanınızdan tasarruf etmenizi sağlar. SPELEC cihazları, elektrokimya ve UV-Vis, Vis-NIR veya hatta Raman spektroskopisinin kombinasyonlarını tek bir ölçümde sunar ve çeşitli cihaz seçenekleri mevcuttur (aşağıya bakınız). Her şey entegredir, bu da daha az zamanda daha fazla test yapılmasına, çoklu spektrumlara, geniş aksesuar yelpazesine ve sunulan farklı konfigürasyonlarla araştırma esnekliğine olanak tanımaktadır.
İhtiyaç duyulan spektral aralığa bağlı olarak birden fazla seçenek mevcuttur:
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, veya 532 nm lazer
DropView SPELEC ölçüm, veri işleme ve işlemeyi kolaylaştıran özel ve sezgisel bir yazılımdır. Bu programla, elektrokimyasal eğrileri ve spektrumları gerçek zamanlı olarak görüntüleyebilir ve deneylerinizi sayımlar (counts), karanlık arındırılmış (counts minus dark) sayımlar, emilim (absorbans), geçirgenlik, yansıma veya Raman kayması olarak takip edebilirsiniz. Veri işleme söz konusu olduğunda, DropView SPELEC grafik çakıştırması, pik entegrasyonu ve ölçümü, 3D çizim, spektral film ve daha fazlası dahil olmak üzere çok çeşitli işlevler sunmaktadır.
Metrohm DropSens'in entegre SPELEC sistemine ilişkin Burgos Üniversitesi'nden gelen referans.
SPELEC cihazları çok yönlüdür ve özel spektroelektrokimyasal cihazlar olmalarına rağmen elektrokimyasal ve spektroskopik deneyler için de kullanılabilmektedirler. Herhangi bir elektrot türüyle (örneğin, yüzey baskılı elektrotlar, geleneksel elektrotlar, vb.) ve farklı spektroelektrokimyasal hücrelerle kullanılabilirler. Gerçek zamanlı/operando/dinamik konfigürasyonda optik ve elektrokimyasal bilgiler elde edilmektedir.
Daha fazla bilgi için blog yazımızı okuyabilirsiniz.
Sezgisel ve kullanıcı dostu hücrelerle spektroelektrokimya kurulumlarını basitleştirme
Çeşitli spektroelektrokimya uygulamaları
Spektroelektrokimyanın özellikleri, birçok farklı alanda yeni uygulamaların sürekli geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Bu tekniğin yeteneklerini keşfetmek için aşağıyı okumaya devam edin (her bölümü genişletmek için tıklayın).
farklı bileşiklerin özelliklerinin ve yapılarının incelenmesi, kinetik reaksiyonların analizi, elektron transfer kapasitesinin belirlenmesi vb. [4].
koruyucu filmlerin korozyon inhibitörü olarak değerlendirilmesi, elektrot kararlılığının ve geri dönüşümünün belirlenmesi, tabaka ve alt kafes oluşumunun izlenmesi, kaplama malzemelerinin koruyucu özelliklerinin iyileştirilmesi vb.
değişim ve deşarj döngülerinin izlenmesi, oksidasyon/redüksiyon düzeylerinin belirlenmesi, piller için yeni elektrolitlerin karakterizasyonu, güneş pillerinde doping ve ayrışma süreçlerinin anlaşılması vb.
farklı katalizörlerin elektrokatalitik aktivitelerinin karakterizasyonu ve karşılaştırılması, ara türlerin ve yapısal değişimlerinin tanımlanması, reaksiyon mekanizmasının aydınlatılması vb. [5].
biyolojik süreçlerin incelenmesi, biyoteknoloji, biyokimya veya tıpta kullanılan moleküllerin karakterizasyonu, antioksidan aktivitenin belirlenmesi vb.
pestisitlerin, boyaların ve kirleticilerin tanımlanması ve miktarlarının belirlenmesi, bozunma ve filtrasyon süreçlerinin izlenmesi vb. [6].
hafıza aygıtları için yeni malzemelerin karakterizasyonu, minerallerin karşılaştırılması, pigmentlerin, yağların ve macunların tanımlanması vb.
Ücretsiz Uygulama Kitabımızı indirerek spektroelektrokimya uygulama olanakları hakkında daha fazla bilgi edinin.
Bilgi birikiminiz
SPELEC hakkında daha fazla bilgi edinin
Spektroelektrokimya Uygulama Kitabı
İsteğe bağlı webinar: Spektroelektrokimya eylemde: Canlı deneyler
References
[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
Yazar
