Chia sẻ bài viết
Quang điện hóa (SEC) là một trong những kỹ thuật phân tích mới đầy tiềm năng. Mặc dù các thiết bị quang điện hóa thương mại đã được phát triển để hỗ trợ thực hiện các thí nghiệm SEC, nhưng việc thiếu các cell dễ sử dụng đã kìm hãm sự phát triển của kỹ thuật này cho đến nay. Bài viết này mô tả chi tiết các loại cell SEC khác nhau.
CNhấp để đi trực tiếp đến chủ đề:
Quang điện hóa (SEC) là gì?
Quang điện hóa là một kỹ thuật phân tích kết hợp giữa quang phổ và điện hóa để nghiên cứu các phản ứng hóa học và quá trình xảy ra trên bề mặt điện cực. Kỹ thuật này cung cấp thông tin đồng thời, theo thời gian và tại chỗ về các tính chất quang học và điện hóa của các hợp chất. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng, tính chất vật liệu và quá trình chuyển electron.
Tìm hiểu thêm về chủ đề này trong bài viết blog liên quan của chúng tôi.
Kiến thức cơ bản về Quang điện hóa
Thiết lập quang điện hóa truyền thống theo kiểu tách biệt đòi hỏi hai thiết bị riêng biệt và đến ba máy tính. Điều này khiến nhiều nhà nghiên cứu ngần ngại sử dụng SEC cho công trình của mình, mặc dù kỹ thuật này có nhiều ưu điểm. Sự ra đời của dòng thiết bị SPELEC hiện đại – tích hợp hoàn toàn, đồng bộ hoàn hảo và điều khiển bằng một phần mềm duy nhất – đã lấp đầy khoảng trống đó, giúp SEC trở nên dễ tiếp cận hơn bao giờ hết.
Khắc phục những hạn chế của SEC
Việc phát triển cell SEC đã gặp phải nhiều hạn chế về mặt thiết bị. Nhiều thiết bị quang điện hóa có các yêu cầu thiết kế nghiêm ngặt (ví dụ: hình dạng, kích thước và vật liệu điện cực), điều này giới hạn việc sử dụng các lựa chọn thông thường hơn. Ngoài ra, những thiết bị này thường yêu cầu thể tích mẫu lớn hơn và bao gồm nhiều thành phần, dẫn đến quy trình lắp ráp và tháo rời phức tạp, tốn nhiều thời gian.
Nhằm thúc đẩy việc ứng dụng kỹ thuật này, các loại cell mới và cải tiến với thiết kế quang điện hóa hiện đại đã được phát triển. Một thiết lập cell SEC tiêu chuẩn cần có các ưu điểm sau:
- dễ sử dụng
- linh hoạt khi làm việc với nhiều loại điện cực khác nhau
- kháng hóa chất ở các môi trường khác nhau
- lắp ráp và tháo rời đơn giản, nhanh chóng
- điện trở sụt áp ohmic thấp
Ngoài ra, các cell kín và không trong suốt giúp loại bỏ nhiễu từ môi trường bên ngoài. Điều này cũng đóng vai trò là một tính năng an toàn khi sử dụng laser làm nguồn sáng, vì tia laser sẽ không thoát ra ngoài phạm vi cell.
Raman SEC: kỹ thuật dấu vân tay với thiết lập cell phù hợp
Quang điện hóa Raman là một kỹ thuật kết hợp dùng để nghiên cứu hiện tượng tán xạ không đàn hồi (hay còn gọi là tán xạ Raman) của ánh sáng đơn sắc liên quan đến các hợp chất hóa học trong một quá trình điện hóa. Kỹ thuật này cung cấp thông tin về sự chuyển trạng thái năng lượng dao động của phân tử bằng cách sử dụng một nguồn sáng đơn sắc (thường là laser), cần được hội tụ vào bề mặt điện cực đồng thời với việc thu nhận các photon bị tán xạ (Hình 1).
Khi hiện tượng tán xạ là đàn hồi, nó được gọi là tán xạ Rayleigh, còn khi là không đàn hồi thì được gọi là tán xạ Raman. Khái niệm này được minh họa trong Hình 2.
Tìm hiểu thêm về quang phổ Raman trong bài viết trên blog này.
Quang Phổ Raman là gì? Và những câu hỏi thường gặp về lý thuyết và cách sử dụng
Quang điện hóa Raman đang nhanh chóng trở thành một trong những kỹ thuật phân tích đầy hứa hẹn nhờ đặc tính “vân tay” vốn có, cho phép nhận diện và phân biệt các chất hóa học có mặt trong hệ đang được nghiên cứu. Do đó, việc tối ưu hóa các điều kiện thiết lập quang điện hóa là yếu tố quan trọng để đạt được kết quả mong muốn. Ví dụ, cần điều chỉnh khoảng cách giữa đầu dò và mẫu (dựa trên các đặc tính quang học của đầu dò) để thu được cường độ Raman cao nhất.
Các cell quang điện hóa Raman
Các cell Raman sau đây từ Metrohm có thiết kế cải tiến và đơn giản hóa, giúp nâng cao khả năng sử dụng và tối ưu hóa quá trình đo lường (bạn có thể nhấp trực tiếp vào từng loại cell bên dưới):
Một loại cell màu đen mới với hệ thống nam châm đóng-mở dễ dàng được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm quang điện hóa trong dung môi nước và hữu cơ (Hình 3). Cell này gồm hai phần làm từ PEEK (polyether ether ketone). Phần trên cùng có một lỗ trung tâm để đưa đầu dò Raman vào, cùng với bốn rãnh có độ sâu khác nhau (1, 1.5, 2 và 2.5 mm) nhằm tối ưu khoảng cách tiêu cự giữa đầu dò và điện cực làm việc (WE). Ngoài ra, cell còn có bốn lỗ để gắn điện cực đối (CE), điện cực tham chiếu (RE), và các đầu vào/ra của luồng khí, nhưng cũng có thể bịt kín các lỗ này lại nếu không sử dụng.
Phần trên của bộ phận đáy có một ngăn để thêm 3 mL dung dịch. Thể tích này đảm bảo điện cực làm việc (WE), điện cực tham chiếu (RE), và điện cực đối (CE) tiếp xúc đầy đủ với dung dịch, đồng thời ngăn không cho đầu dò Raman bị ngập trong dung dịch. Mặt dưới của bộ phận đáy có một rãnh nhỏ để đặt vòng đệm O-ring giúp ngăn rò rỉ. Ngoài ra, điện cực làm việc (WE) được cố định bằng cách vặn vào bộ phận kẹp. Cuối cùng, một giá đỡ được sử dụng để giữ cho cell ổn định và cải thiện hiệu quả đo lường. Hình 4 cung cấp cái nhìn tổng quan về các bộ phận khác nhau của buồng quang phổ điện hóa Raman.
Cell Raman cho điện cực in (SPE)
Được thiết kế bằng vật liệu PEEK màu đen, cell này chỉ bao gồm hai phần. Phần dưới dùng để đặt điện cực in (SPE), trong khi phần trên có một lỗ để đưa đầu dò Raman vào (Hình 5). Khoảng cách tiêu cự của đầu dò có thể dễ dàng điều chỉnh bằng các miếng đệm có độ dày khác nhau (0.5, 1 và 1.5 mm).
Việc lắp ráp dễ dàng cùng với thể tích mẫu nhỏ (60 µL) khiến thiết lập này trở nên lý tưởng cho người dùng chưa có kinh nghiệm. Ngoài ra, cell này còn có giá đỡ nhỏ cho chén nung giúp dễ dàng thực hiện các phép đo quang chính xác cho mẫu rắn và lỏng mà không cần điện hóa (Hình 6).
Cell Raman cho điện cực in trong điều kiện dòng chảy
Quang điện hóa dòng chảy có thể được thực hiện dễ dàng nhờ sự phát triển của điện cực in cho cell dòng chảy lớp mỏng (thin-layer flow-cell screen-printed electrodes) với điện cực làm việc hình tròn (TLFCL-CIR SPEs). Thiết kế của các điện cực in này cho phép một kênh dẫn (cao 400 µm, thể tích 100 µL) dẫn dung dịch đi qua điện cực làm việc (WE), điện cực đối (CE), và điện cực tham chiếu (RE) (Hình 7).
Việc lắp ráp cell Raman chỉ gồm hai bước đơn giản. Trước tiên, đặt điện cực in vào đúng vị trí trong phần đáy của cell. Sau đó, chỉ cần đặt phần trên vào là cell đã sẵn sàng để sử dụng. Phần trên của cell có một lỗ được thiết kế riêng để đưa đầu dò Raman vào và hội tụ tia laser lên bề mặt điện cực làm việc. Hệ thống này ngăn chặn rò rỉ dung dịch mẫu vì chất lỏng chỉ nằm trong kênh dẫn của điện cực.
Các cell quang điện hóa UV-Vis và NIR
Khi nghiên cứu một quá trình hóa học, việc ghi lại đồng thời phổ UV-Vis (200–800 nm) và cận hồng ngoại (800–2500 nm) cùng với phản ứng điện hóa giúp các nhà nghiên cứu thu được thông tin liên quan đến mức năng lượng điện tử (UV-Vis) và dao động (NIR) của các phân tử tham gia. Việc phát triển các loại cell quang điện hóa mới cho mục đích này đã thúc đẩy sự mở rộng của các kỹ thuật kết hợp trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau.
Tùy theo ứng dụng cuối, quang điện hóa UV-Vis và NIR có thể được thực hiện trong các cấu hình thiết lập khác nhau (bạn có thể nhấp vào từng phần bên dưới để xem chi tiết):
Cấu hình phản xạ
Khi sử dụng thiết lập cell dạng phản xạ, chùm sáng truyền theo phương vuông góc đến bề mặt điện cực làm việc – nơi xảy ra hiện tượng phản xạ (Hình 8, bên trái). Ánh sáng phản xạ được thu lại để phân tích trong máy quang phổ (Hình 8, bên phải). Tuy nhiên, cũng có thể thực hiện với các góc chiếu sáng và thu nhận khác nhau. Cấu hình này đặc biệt hữu ích đối với các điện cực không trong suốt.
Cell quang điện hóa UV-Vis này được chế tạo từ PEEK màu đen và có thể sử dụng với cả dung môi nước và dung môi hữu cơ (Hình 9). Phần trên được thiết kế để đặt điện cực tham chiếu và điện cực đối một cách tối ưu, đồng thời có chỗ dành cho sợi quang. Bộ phận kẹp giúp tối ưu khoảng cách giữa sợi quang và điện cực làm việc. Ngoài ra, phần trên của cell còn có các kênh vào và ra để dẫn dung dịch.
Phần đáy có một ngăn riêng để thêm 3 mL dung dịch, cũng là nơi đặt điện cực làm việc. Hệ thống nam châm đóng-mở loại bỏ nhu cầu dùng ốc vít và giúp việc lắp ráp cell trở nên đơn giản.
Thực hiện quang điện hóa với điện cực in (SPE) đòi hỏi một thiết lập thí nghiệm đơn giản, giúp kỹ thuật phân tích này có thể áp dụng trong phân tích thường quy. Cell này gồm hai phần — phần dưới có rãnh nhỏ để đặt điện cực in, và phần trên giữ sợi quang đồng thời duy trì khoảng cách tiêu cự tối ưu (Hình 10).
Cell UV-Vis quang điện hóa này rất có lợi cho nhiều dự án vì cung cấp lượng lớn thông tin từ thể tích mẫu nhỏ (< 100 µL). Cell được trang bị hệ thống nam châm đóng-mở sáng tạo (không cần ốc vít) giúp thay thế cảm biến dễ dàng, hỗ trợ hiệu quả cho các thí nghiệm quang điện hóa UV-Vis và NIR.
Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về cell phản xạ cho điều kiện in.
Cell này là sự hỗ trợ phù hợp cho các phép đo quang điện hóa trong điều kiện dòng chảy sử dụng điện cực in TLFCL-CIR SPEs. Thiết kế đơn giản của nó có một lỗ để đặt đầu dò phản xạ đúng vị trí phục vụ phân tích phản ứng điện hóa (Hình 11).
Điện cực in TLFCL SPEs phù hợp cho các phép đo quang điện hóa. Nhờ nắp trong suốt định hình một kênh (chiều cao 400 µm, thể tích 100 µL), một lớp mỏng được tạo ra trên cell điện hóa. Nhờ nắp trong suốt định hình một kênh (chiều cao 400 µm, thể tích 100 µL), một lớp mỏng được tạo ra trên cell điện hóa.
Cấu hình truyền qua
Thí nghiệm truyền qua yêu cầu chùm sáng phải đi xuyên qua điện cực trong suốt về mặt quang học (Hình 12). Điều này giúp thu thập thông tin về các hiện tượng xảy ra cả trên bề mặt điện cực và trong dung dịch tiếp giáp với nó. Điện cực trong cấu hình này phải được làm từ vật liệu có độ dẫn điện cao và độ trong suốt quang học phù hợp trong vùng phổ quan tâm.
Điện cực trong suốt quang học (OTEs) cho phép người dùng thực hiện đồng thời các phép đo phổ và điện hóa trực tiếp qua điện cực làm việc. Các kỹ thuật quang điện hóa có thể được sử dụng để thu phổ một cách dễ dàng qua các lớp dẫn điện trong suốt đồng thời với quá trình thực hiện thí nghiệm điện hóa.
Cell truyền qua cho SPE gồm hai phần, trong đó phần đáy có một thấu kính (Hình 13). Thấu kính này hội tụ chùm sáng đến từ nguồn sáng thông qua một sợi quang truyền qua. Điện cực trong suốt (OTE) được đặt trên phần đáy, cho phép ánh sáng truyền qua. Ánh sáng truyền qua được thu lại bởi một sợi quang phản xạ đặt trong phần trên của cell, giúp thu thập thông tin về các quá trình diễn ra trên bề mặt điện cực. Thể tích mẫu nhỏ (100 µL) và cell dễ lắp ráp giúp thuận tiện cho việc thực hiện các thí nghiệm quang điện hóa UV-Vis và NIR theo cấu hình truyền qua.
Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về Cell truyền qua cho điện cực in trong suốt.
Quang điện hóa truyền qua có thể dễ dàng thực hiện bằng cách sử dụng cuvette thạch anh truyền thống với chiều dài đường đi quang học 1 mm, như minh họa ở Hình 14. Bộ kit cell quang điện hóa còn bao gồm điện cực làm việc dạng lưới bạch kim (WE), điện cực đối dây bạch kim (CE), và điện cực tham chiếu Ag/AgCl (RE). Ngoài ra, giá đỡ cuvette chắc chắn và dễ thao tác giúp thực hiện các phép đo hấp thụ và phát quang (góc 90°) với độ chính xác cao và lặp lại tốt.
Tóm tắt
Việc phát triển các loại cell mới được trình bày giúp việc thực hiện các phép đo quang điện hóa trở nên dễ dàng hơn. Cấu hình kín và được chế tạo từ vật liệu không trong suốt, trơ giúp tránh nhiễu và đảm bảo an toàn. Không cần các quy trình phức tạp để lắp ráp, tháo rời hoặc vệ sinh cell. Cuối cùng, sự đơn giản và dễ sử dụng của các cell này, kết hợp với giải pháp tích hợp SPELEC, giúp quang điện hóa trở nên dễ tiếp cận hơn với đông đảo người dùng.
Your knowledge take-aways
Blog post: Basics of spectroelectrochemistry
Blog post: Raman spectroelectrochemistry from India to Spain: History and applications
Application Note: Spectroelectrochemistry: an autovalidated analytical technique
Application Note: UV-Vis spectroelectrochemical cell for conventional electrodes
Application Note: UV/VIS spectroelectrochemical monitoring of 4-nitrophenol degradation
Application Note: New strategies for obtaining the SERS effect in organic solvents
Application Note: Enhancement of Raman intensity for the detection of fentanyl
Spectroelectrochemistry Application Book
Shedding light, in the literal sense of the phrase, on electrochemical knowledge and procedures. Spectroelectrochemistry offers analysts more information by being able to record both an optical and an electrochemical signal at the same time to obtain new data.
