Sự kết hợp của hai kỹ thuật phân tích nổi tiếng, điện hóa và quang phổ, tạo nên Quang điện hóa (spectroelectrochemistry - SEC) – một phương pháp khoa học đã được thiết lập. Công nghệ lai này mang đến cho các nhà nghiên cứu những lợi ích vượt trội từ cả hai lĩnh vực bằng cách ghi lại đồng thời tín hiệu quang và tín hiệu điện hóa để thu được dữ liệu mới [1]. Bài viết này bắt đầu bằng định nghĩa về Quang điện hóa và trình bày những lợi ích của nó trong nghiên cứu, tiếp theo là các hệ thống và giải pháp mới giúp việc ứng dụng Quang điện hóa trở nên dễ dàng hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Quang điện hóa là gì?

Các phương pháp Quang điện hóa là phương pháp phản hồi đa tín hiệu. Chúng nghiên cứu quá trình phản ứng điện hóa với quang học đồng thời. Quang điện hóa cung cấp hai tín hiệu riêng biệt từ một thí nghiệm duy nhất, đây là một đặc điểm mạnh  mẽ giúp thu được thông tin quan trọng về hệ thống đang nghiên cứu. Hơn nữa, tính tự xác nhận của Quang điện hóa giúp xác thực kết quả thu được từ hai phương pháp khác nhau.
 

Tìm hiểu thêm về chủ đề này trong Tài liệu Ứng dụng của chúng tôi.

Spectroelectrochemistry: an autovalidated analytical technique – Confirm results via two different routes in a single experiment

Nguyên lý của Quang điện hóa dựa trên việc phân tích sự tương tác giữa chùm bức xạ điện từ và các hợp chất tham gia vào phản ứng điện hóa. Sự thay đổi trong các tín hiệu quang và điện hóa    cung cấp thông tin sâu hơn về quá trình xảy ra tại điện cực.

Kỹ thuật phân tích này được phát triển vào những năm 1960 khi Giáo sư Theodore Kuwana làm việc với các điện cực trong suốt để nghiên cứu một quá trình đồng thời – đo điện tích và độ hấp thụ (cùng lúc) khi một chùm ánh sáng đi qua điện cực [2]. Các điện cực này được gọi là “điện cực trong suốt quang học” (optically transparent electrodes - OTE), được phát triển để thực hiện các thí nghiệm kết hợp quang học và điện hóa. Tuy nhiên, không phải tất cả cấu hình Quang điện hóa đều yêu cầu điện cực trong suốt.

Kể từ khi bài báo đầu tiên về Quang điện hóa được công bố vào năm 1964 [2], số lượng các nghiên cứu và ứng dụng dựa trên kỹ thuật này đã không ngừng gia tăng (Hình 1).

Quang điện hóa cho phép các nhà nghiên cứu thu thập thông tin phân tử, động học và nhiệt động học từ các chất phản ứng, chất trung gian và/hoặc sản phẩm tham gia vào quá trình chuyển electron. Do đó, có thể thực hiện các nghiên cứu Quang điện hóa trên nhiều loại phân tử và quy trình khác nhau như phức chất sinh học, phản ứng trùng hợp, đặc trưng vật liệu nano, phát hiện chất phân tích, cơ chế ăn mòn, điện xúc tác, các quá trình môi trường, đặc trưng thiết bị nhớ và nhiều ứng dụng khác.

Danh mục các kỹ thuật Quang điện hóa để lựa chọn: các loại SEC

Các loại thông tin khác nhau có thể thu được tùy thuộc vào dải quang phổ được sử dụng. Đồ họa sau (Hình 2) được phân loại dựa trên sự kết hợp giữa các phương pháp điện hóa và quang phổ khác nhau. Phân loại chung dựa trên kỹ thuật quang phổ: tử ngoại (UV), khả kiến (Vis), phát quang (PL), hồng ngoại (IR), Raman, tia X, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và cộng hưởng từ điện tử (EPR).

Ví dụ, quang phổ UV/VIS cung cấp thông tin phân tử liên quan đến các mức năng lượng điện tử của phân tử, vùng NIR cung cấp dữ liệu liên quan đến các mức dao động, và phổ Raman cung cấp thông tin rất đặc hiệu về cấu trúc và thành phần của mẫu nhờ vào đặc điểm vân tay của kỹ thuật này (Hình 3).

Những ưu điểm chính của các kỹ thuật Quang điện hóa được tóm tắt dưới đây:

• cung cấp đồng thời thông tin thu được từ hai kỹ thuật khác nhau (điện hóa và quang phổ) trong một thí nghiệm duy nhất
• có thể thực hiện các nghiên cứu định tính và phân tích định lượng
• độ chọn lọc và độ nhạy cao
• quang điện hóa được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ tính linh hoạt
• các cấu hình mới giúp dễ dàng thực hiện các thí nghiệm quang điện hóa, tiết kiệm thời gian, mẫu thử, chi phí, v.v.

Trong những năm gần đây, đã có những tiến bộ đáng kể trong thiết kế, phát triển và khả năng mà các thiết bị dành cho kỹ thuật Quang điện hóa mang lại. Ngoài ra, sự lắp ráp và kết nối giữa các sản phẩm và phụ kiện đã được cải tiến, giúp việc sử dụng thiết bị trở nên dễ dàng hơn, từ đó hỗ trợ cho nghiên cứu và thí nghiệm trong lĩnh vực này hiệu quả và tiết kiệm hơn.

Sự phát triển của thiết bị Quang điện hóa

Thông thường, cấu hình cho phân tích Quang điện hóa bao gồm hai thiết bị: một thiết bị quang phổ và một thiết bị phân tích điện hóa (Hình 4). Cả hai thiết bị được kết nối riêng biệt với cùng một cell đo Quang điện hóa và thường không được đồng bộ. Ngoài ra, mỗi thiết bị được điều khiển bằng phần mềm khác nhau (và chuyên biệt), vì vậy cần hai chương trình để diễn giải từng tín hiệu, cũng như một phần mềm bên ngoài khác để xử lý và phân tích dữ liệu thu được từ hai chương trình đầu tiên. Cuối cùng, cần lưu ý rằng việc đồng bộ không được đảm bảo, khiến việc thực hiện các thí nghiệm với cấu hình này trở nên chậm, phức tạp và tốn kém.

Metrohm DropSens đã tận dụng cơ hội này để tạo ra một giải pháp chưa từng có trước đây — cách mạng hóa lĩnh vực Quang điện hóa hiện đại: dòng thiết bị SPELEC (Hình 5). Đây là các giải pháp tích hợp hoàn toàn và được đồng bộ hóa, mang lại cho các nhà nghiên cứu sự linh hoạt vượt trội. Các thiết bị này bao gồm tất cả các thành phần cần thiết để làm việc với kỹ thuật Quang điện hóa một cách đơn giản và trong một hệ thống duy nhất, bao gồm máy đo điện hóa (bi)potentiostat/galvanostat, nguồn sáng và máy quang phổ (tùy thuộc vào dải quang phổ được chọn).

Các thiết kế và cấu hình này cũng đơn giản hóa công việc, các quy trình và phép đo Quang điện hóa vì chỉ cần một hệ thống duy nhất và một phần mềm duy nhất. Trong trường hợp của SPELEC, phần mềm chuyên dụng tiên tiến DropView SPELEC là một chương trình chuyên biệt giúp điều khiển thiết bị, thu thập các tín hiệu điện hóa và quang phổ đồng thời, cho phép người dùng xử lý và phân tích dữ liệu cùng một lúc trong một bước duy nhất. Thật đơn giản như vậy!

Tương lai của Quang điện hóa: Hệ thống và phần mềm SPELEC

Một thiết bị và một phần mềm: Metrohm DropSens SPELEC có tất cả những gì bạn cần cho các thí nghiệm Quang điện hóa, đồng thời tiết kiệm thời gian quý báu và không gian phòng thí nghiệm của mình. Các thiết bị SPELEC cung cấp sự kết hợp giữa điện hóa và quang phổ UV-Vis, Vis-NIR, hoặc thậm chí quang phổ Raman trong một phép đo duy nhất với nhiều lựa chọn thiết bị khác nhau có sẵn (xem bên dưới). Mọi thứ đều được tích hợp giúp thực hiện nhiều thí nghiệm hơn trong thời gian ngắn hơn, nhiều phổ hơn, đầy đủ các phụ kiện và tính linh hoạt trong nghiên cứu với các cấu hình khác nhau được cung cấp.

Nhiều lựa chọn có sẵn tùy thuộc vào dải quang phổ cần thiết:

SPELEC: 200–900 nm (UV-VIS)

Download the SPELEC brochure

SPELEC 1050: 350–1050 nm (VIS-NIR)

Download the SPELEC 1050 brochure

SPELEC NIR: 900–2200 nm (NIR)

Download the SPELEC NIR brochure

SPELEC RAMAN: 785 nm, 638 nm, or 532 nm laser

Download the SPELEC RAMAN brochure

DropView SPELEC là phần mềm chuyên dụng và trực quan giúp đơn giản hóa việc đo lường, xử lý và phân tích dữ liệu. Với chương trình này, bạn có thể hiển thị đồ thị điện hóa và quang phổ trong thời gian thực và theo dõi các thí nghiệm của mình dưới dạng counts, counts minus dark, absorbance, transmittance, reflectance, or Raman shift. Về xử lý dữ liệu, DropView SPELEC cung cấp nhiều chức năng bao gồm chồng đồ thị (overlay), phân tích và đo đỉnh, vẽ đồ thị 3D, phim phổ, và nhiều hơn nữa.

Các thiết bị SPELEC rất linh hoạt, và mặc dù chúng là thiết bị Quang điện hóa chuyên dụng, chúng cũng có thể được sử dụng cho các thí nghiệm điện hóa và quang phổ riêng lẻ. Chúng có thể được sử dụng với bất kỳ loại điện cực nào (ví dụ, điện cực in, điện cực thông thường, v.v.) và với các cell đo quang điện hóa khác nhau. Thông tin quang và điện hóa được thu thập trong cấu hình thời gian thực/operando/dynamic.

Tìm hiểu thêm trong bài đăng blog của chúng tôi.

Simplifying spectroelectrochemistry setups with intuitive and user-friendly cells

Nhiều ứng dụng của Quang điện hóa

Các đặc điểm của Quang điện hóa cho phép phát triển liên tục các ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hãy đọc tiếp bên dưới để khám phá khả năng của kỹ thuật này (nhấp để mở rộng từng phần).

Your knowledge take-aways

Find out more about SPELEC

Catalog: SPELEC line portfolio

Blog post: Simplifying spectroelectrochemistry setups with intuitive and user-friendly cells

Application Note: Spectroelectrochemistry: an autovalidated analytical technique – Confirm results via two different routes in a single experiment

Application Note: Gathering information from spectroelectrochemical experiments – Calculation of electrochemical parameters from data

Spectroelectrochemistry Application Book

On-demand webinar: Spectroelectrochemistry in action: Live experiments

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