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8/15/2019 Clase 2 Técnicas ElectroquÃ-micas Rubianes 2016
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TÉCNICAS ELECTROANALÍTICAS
Parámetros eléctricos ↔ químicos
AplicacionesDeterminaciones
ambientalesControl de calidad
Análisis clínicosAnálisis de alimentosAnálisis de fármacos
Bioterrorismo….
VentajasEquipamiento más económico y
simples de usarMínimo mantenimiento
Alta sensibilidadAlta selectividad
Excelentes límites de detecciónBajos volúmenes de muestra μL
Miniaturización-PortabilidadSensores implantables
Medición de corriente, potencial, conductividad,resistencia o carga
Técnicas electroanalíticas
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Clasificación de las técnicas electroanalíticas
según que variable se controla
Potenciostáticas Galvanostáticas
Voltamperometrías de pulso: Normal Diferencial
Onda Cuadrada
Barrido de potencial: Voltamperometría
de barrido lineal Voltamperometría
cíclica
Perturbación periódica(sinusoidal):
Espectroscopía deImpedancia
Electroquímica
Pulso o salto de potencial Polarografía
Cronoamperometría Amperomatría
Clasificación de las técnicas electroanalíticassegún la característica de la perturbación aplicada
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Conductimétricasconductividad=f(C)
Clasificación de las técnicas electroanalíticas
según la naturaleza de la medida
PotenciométricasE=f(log C)
Amperométricasi=f(C)
Voltamperométricasi=f(E)
CoulombimétricasQ=f(t)
Clasificación de las técnicas electroanalíticassegún el régimen de difusión
Régimen de difusión estacionario:perfil constante de C e
independiente del tiempo cte
Régimen de difusión no estacionaria:o difusión puro cte
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Variables que afectan la velocidad de una reacción de electrodo
Variables del electrodo Variables externas
Variables eléctricas
Variables de la solución
Variables de transferenciade masa
Temperatura (T)Presión (P)Tiempo (t)
Potencial (E)Corriente (i)Cantidad deelectricidad (Q)
Concentración de especies electroactivas en solución (CO, CR)Concentración de otras especies (electrolitos, pH,….)Solvente
Modo (difusión, convección, …)Concentración superficial
Adsorción
MaterialÁrea superficial (A)GeometríaCondiciónsuperficial
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Voltamperometrías
Voltamperometrías basadas en programas depotencial lineales
Voltamperometríasen régimen dedifusión pura
Voltamperometríascon convección
forzada
Voltamperometría debarrido lineal
Voltamperometríacíclica
Voltamperometríahidrodinámica
Electrodo de discorotatorio
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Voltamperometrías basadas en programas de
potencial lineal
Voltamperometrías en régimen dedifusión pura
Voltamperometría de
barrido lineal
Voltamperometríacíclica
Técnicas electroanalíticas muy útiles para estudios mecanísticosde las reacciones electroquímicas
La característica compartida es que en ambos casos se trabaja
sin agitación
El transporte de masa ocurre por difusión
Voltamperometría de barrido lineal
Voltamperometría cíclica
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Voltamperometría de barrido lineal
El potencial aplicado varíalinealmente con el tiempo desdeun potencial inicial (Ei) a uno final(Ef ) a una velocidad constante (v).
Al potencial inicial no debe ocurrir ni oxidación ni reducción del analito.
La dirección del barrido (positivo o negativo) se selecciona de acuerdo con
la respuesta que se espera obtener.
El registro obtenido se llama voltamperograma que tiene forma de pico yes una medida de la corriente en función del potencial aplicado.
Perturbación: Rampa de potencial
Voltamperograma de barrido lineal
Perfiles de concentración de Fe3+
y Fe2+
con la distancia
Ei ab
c
d
e
f
g Ef
Fe2+ → Fe3+ + e-Perturbación Respuesta
Pendiente perfiles C vs x
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C o r r i e n t e
Potencial
ipEp
Ep/2
E1/2
Voltamperograma de barrido lineal
Ecuación de Randles-Sevcik
ip expresada en Amperiosn es el número de electrones A es el área del electrodo en cm2
D es el coeficiente de difusión en cm2 s-1
C es la concentración de la especie en mol cm-3
v es la velocidad de barrido en Vs-1
Para un sistema reversible:Ep es independiente de vIp es proporcional a v1/2
Voltamperometría cíclicaPerturbación: barrido lineal de potencial
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Permite obtener información sobre:
La termodinámica de los procesos rédox
La cinética de la transferencia de carga
La existencia de reacciones químicas acopladas
La existencia de procesos de adsorción
Voltamperometría cíclica
a b c d
e f g h
Epa
Epc
ipa
ipc
Icatódica
I a n ó
d i c a
Voltamperograma cíclico
Perfiles de C con ladistancia al electrodo
IoxidIanódica
IredIcatódica
Respuesta
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REVERSIBLE CUASI-REVERSIBLE IRREVERSIBLE
Catecol sobre carbono vítreo
Catecol sobre carbonovítreo modificado
Guanina sobre carbono vítreo
Criterios diagnósticoPara un sistema reversible:
Ep independiente de v
ipa/ipc= 1
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Para un sistema irreversible:
E p - E1/2 = 48/αn mV
Para un sistema cuasi-reversible:
La corriente está controlada por la transferencia de carga y porel transporte de masa:
Dependiendo de
El sistema podrá ser reversible o irreversible
Estudio de la velocidad de barrido
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Estudio de la velocidad de barrido
Transición desde un sistema reversible a una irreversible amedida que aumenta la velocidad de barrido.
Sistemas de multicomponentes
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-0 .8 00 - 0. 600 - 0. 40 0 - 0. 20 0 0 .0 00
-80
-40
0
40
80
C o r r i e n t e ( A )
Potencial (V)
Δep = 0,021 VE0´= -0,490 V,Kct = (2.9 ± 0.1) s-1.Γtotal = 1.02 x 10-10 mol cm-2
v= 100 mV/s, FAD
0.000 0.150 0.300 0.450
0.0
15.0
30.0
45.0
60.0
C o r r i e n t e ( A )
Potencial (V)
Actividad biocatalítica de glucosa oxidasa (GOx)
Cupla FAD/FADH2 Respuesta CV de ferrocenometanol
V = 5,0 mV/s, FeMOH 0.50 mM, en “buffer”fosfato 0.100 M pH 7.4; en ausencia de O2
-0.100 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
C o r r i e n t e
A )
Potencial (V)
VC para soluciones de Dopamina de distintas concentraciones sobre CPE a 0,100 V/s
0.00 1.50x10-4
3.00x10-4
4.50x10-4
6.00x10-4
0
2
4
6
8
10
12
14
16
C O R R I E N T E / A
CONCENTRACION/M
Estudio de especias adsorbidas CuantificaciónOtras aplicaciones de VC
ip=K C
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Voltamperometríascon convección forzada
Voltamperometría hidrodinámicaSe aplica un potencial y se registra el cambio de corriente mientras seagita la solución.
Perturbación: salto de potencial Respueta: corriente vs. tiempoInyección del analito
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Soluciónno agitada
Soluciónagitada
Se aplica un potencial y se registra el cambio de corriente mientras seagita la solución.
E más positivo que E0
COS/CR
S > 1000
E = E0
COS/CR
S = 1E más negativo que E0
COS/CR
S < 1000
Sólo la especie O se encuentra presente a t= 0
Voltamperometría hidrodinámica
it = nFADo( Co/ x)x=0,tAproximando x a δ y reemplazando Co por Co – C0
s
En condiciones en que C0s se hace cero,
c a t ó d i c o
a n ó d i c o
Sólo la especie O seencuentra presentea t = 0
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Respuesta:Curva i-E en estado estacionario
Variación de C(x=0) en función de E
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
-1.4
-0.7
0.0
0.7
1.4
2.1
2.8
3.5
CPE CNTPE
C o r r i e n t e ( A )
Potencial (V)
Respuesta: Voltamperogramas hidrodinámicos
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Polarografía
Electrodo: capilar de vidrio unidopor un tubo flexible de plástico aun depósito de Hg fijado a ciertaaltura (30 cm).
El Hg fluye a una cierta v,produciendo minúsculas gotasesféricas a una frecuencia deformación de 2 a 7 seg., según laaltura del depósito de Hg y lascaracterísticas del capilar.
El mantenimiento del tubo capilar del electrodo es muy importante.
reservorio de Hg
Tubo flexible
contacto
capilar
columnade Hg
Electrodo gotero de mercurio
Polarografía: es una subclase de Voltamperometría en la cual elelectrodo de trabajo es un “ELECTRODO GOTERO DE MERCURIO”
Heyrovsky en Checoslovaquia en 1922: hito en el desarrollo de la EQ.
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Ventajas: superficie renovable. No hay efectos de memoria.
Límites de potencial:Elevado sobrepotencial para la reducción de H+, se pueden estudiarnumerosos procesos de reducción sin interferencia de la reacción:
2H+(ac) + 2e- → H2 (g)
El Hg se oxida fácilmente, por lo tanto el límite anódico es bajo, 0,40 V.
Gran desventaja: Hg es tóxico y ligeramente volátil.
ELECTRODO GOTERO DE MERCURIO
Perturbación:
id: corriente límite de difusión (al final de la gota)m: es el flujo de mercuriom2/3t1/6: constante del capilar
Polarograma para Cd2+ 4,0 x 10-4 M en HCl 1,0 M
Corriente límite
Corriente residual
Corriente límite
Cd2+ + 2e Cd(Hg)
C o r r i e n t e ( µ A )
Potencial (V)Ecuación de Ilkovic
Respuesta:
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Cambio de la corriente durante 3 gotas sucesivas
C o r r i e n t e ( µ A )
Tiempo (seg)
La corriente de difusiónaumenta con el tiempo,
mientras que la de
cargado, disminuye.
idifusión
icargado
Corriente residualDebida a:#La corriente de cargado de la doble capa eléctrica.#Reacciones rédox de impurezas, del solvente o electrodo.
Es un factor importante porque limita los niveles de detección.
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Cuando i = í límite/2 E = E1/2
Dado que los coeficientes de difusión son similares, E1/2 se aproximaa E0 y es característico para una sustancia en esas condicionesexperimentales.
UTILIDAD ANALÍTICAEfecto de la concentración
I (A)
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Resolución de una mezcla de analitos
Los E1/2 deben diferir en por lo menos 0,240/n V
Pb2+
Cd2+
Zn2+
Potencial (V)
C o r r i e n t e ( µ A )
Pb2+ 0,20 mM +Cd2+ 0,20 mM +
Zn2+ 0,20 mM enKCl 0,050 M
Técnicas voltamperométricas de pulso
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La corriente de difusión aumenta con el tiempo, mientras que la de
cargado, disminuye:
idifusión
icargado
Objetivo de las técnicas voltamperométricas de pulso
Disminuir el aporte de la corriente no faradaicaMejorar los límites de detección
Voltamperometría de pulso normal
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Voltamperometría de pulso normal
Consiste en aplicar pulsos de amplitud creciente .
Entre pulsos el potencial se mantiene a un valor constante donde noocurre reacción faradaica.
La corriente se mide 40 ms después de aplicar el pulso, cuando lacontribución de la corriente de cargado es mínima
Perturbación
Programa de potencial
E durante la vida de la gota
’
Voltamperometría depulso normal
Gota 1 Gota 2 Gota 3
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Programa de potencial y respuesta obtenida
Límite de detección: entre 10-6 M y 10-7 MLa escala de tiempo es bastante menor
que en la polarografía clásica (50 ms
versus 2-4s) por lo que un sistema puedemostrar un comportamiento reversible en
polarografía clásica y cuasi-reversible oirreversible en NPV.
Cd2+ 1,0 x 10-5 M en HCl 0,010 M
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Voltamperometría de pulso diferencial
Se aplican pulsos de magnitud fija superpuestos sobre una rampa de barrido
lineal
La corriente se mide dos veces, justo antes de la aplicación del pulso (1) yaproximadamente 40 ms después de aplicado (2).
La primera corriente se sustrae instrumentalmente de la segunda y esadiferencia de corriente se grafica en función del potencial aplicado.
Perturbación en DPV
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Voltamperometría de pulso diferencial
caídade la gota
caídade la gota
caídade la gota
tiempo
Respuesta
Perturbación
(∆E es la amplitud del pulso: E2(al final)-E1(al comienzo).
El límite de detección mejora notablemente (hasta 10-8 M).
Ip aumenta con ΔE, pero también aumenta el ancho de pico.
(i)max=
( - ’)
tiempo
La selección de la amplitud del pulso y la velocidad de barrido depotencial surge de un compromiso entre sensibilidad, resolución y velocidad.
Generalmente se emplea una amplitud de 25-50 mV, siendo 50 mV unvalor típico y una velocidad de 5 mV/s
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Al comienzo del experimento, cuando Ebase>> E0, la reducción no
ocurre, no fluye corriente faradaica y al aplicar un pulso pequeño, elincremento en el potencial no es suficiente para que la reducción ocurra.
A potenciales E > E0 E
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Diferencias entre la voltamperometría de pulso diferencial (DPV) y la
de pulso normal (NPV)
El potencial de base aplicado durante la mayor parte de tiempo devida de la gota no es constante de una gota a otra.
La amplitud del pulso es 10-100 mV y se mantiene constanterespecto del potencial de base.
La corriente se muestrea dos veces durante el tiempo de vida de lagota, una inmeditamente antes del pulso y la otra justo antes de lacaída de la gota.
El voltamperograma consiste en el gráfico de la diferencia decorrientes versus el potencial de base.
DPV
NPV
Cd2+ 1,00 x 10-6 M en HCl 0,0100 M
ii
E /V
E /V
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Polarogramas para cloranfenicol 1,3 x 10-5 M
Polarografía DPV
E /V E /V
i i
El límite de detección mejora notablemente.
Voltamperometría de onda cuadrada
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Voltamperometría de onda cuadrada
Se aplica una onda cuadrada superpuesta a una rampa de potencial enforma de escalera.La corriente es medida 2 veces durante cada ciclo de onda cuadrada,
al final del pulso directo y al final del pulso inverso, y en cada pulsoinverso se produce la reacción inversa.
Esw = amplitud de la onda cuadradaΔE = variación del potencial de un ciclo a otro
ζ = período (t de repetición del pulso)
Muestreo 1
Muestreo 2
P o t e n c i a l
tiempo
Muestreo 1
Muestreo 2
∆Ep (Esw) = amplitud del pulso (50/n mV)tp = ancho del pulso (1-500s) (expresado en función de la frecuencia dela onda cuadrada: f = 1/2tp)∆Es = variación del potencial de un ciclo a otro (10/n mV)v= ∆Es /2tp; v = ∆Es f Si ΔEs es 10 mV y f 50 Hz, la velocidad de barrido efectiva es 0,500 Vs-1
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Ψ1 (punto 1)
Ψ2 (punto 2)
ΔΨ = i1-i2
i = [nFAD1/2 C/ (πtp)1/2] ψ (ΔEs, Ew)
tp es el ancho del pulso (mitad del período de la escalera)
Ψ es una función de corriente adimensional que depende de laaltura del escalón y de la amplitud de la onda cuadrada
Señal simétrica alrededor del E1/2
Altura de pico proporcional a la C
Ψ
n(E – E1/2) mV
Para un sistema reversible:
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La gran ventaja de SWV es la velocidad de obtención delvoltamperograma: un barrido puede obtenerse en pocossegundos
La amplitud de la modulación de la onda cuadrada (Esw) es tangrande que para la conversión de O en R, el impulso inversocausa la reoxidación de R generado en el pulso directo.
La sensibilidad y la resolución óptimas se obtienen para Esw =50/n mV para un proceso reversible.
0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
e
a
b
c
C u r r e n t ( A )
Potential (V)
d
A
Interacción aptámero-lizozimaf = 25.0 Hz, amplitud = 25.0 Hz, escalón de potencial: 0.010 V.
Lisozima
Guanina
Adenina
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Fig. 3. Voltammogramsof Pseudomonas aeruginosa azurin. (A) CVs for azurin adsorbed at gold-SAM electrodes prepared using two different procedures—I and II(scan rate: 100mVs−1; 0.02MNaOAc, 0.1MNa2SO4; pH 4.0) (see explanaon in detail in Armstrong et al., 2004). Reprinted from Armstrong et al. (2004), copyright(2004), with permission from The Royal Society of Chemistry. (B) CVs of azurin immobilised on a pyrolytic graphite electrode (scan rate: 10mVs−1;2.0MNaCl;pH4.0). Reprinted from Jeukenet al. (2002), copyright (2002), with permission from The American Chemical Society. (C) SWVs of azurin immobilised on a1-decanol-modified gold electrode (E amp = 150mV; f = 793 Hz; 0.1M Na2SO4; pH 4.0).
Azurina
NPV DPV SWV
COMPARACIÓN VOLTAMPEROMETRÍAS DE PULSO
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Señales de potencial de exitación utilizadas en Voltamperometrías
Barrido lineal
Barrido triangular
Forma de la señal Tipo de voltamperometría
PolarografíaVoltamperometría debarrido lineal
Voltamperometríacíclica
Pulso normal
Pulso diferencial
Onda cuadrada
Voltamperometría depulso normal
Voltamperometría depulso diferencial
Voltamperometríaonda cuadrada
Tipo de voltamperometríaForma de la señal
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Técnicas de salto de potencial
Cronoamperometría
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Solución estática; Electrodo planoE aplicado tal que O se reduzcacompletamente
Los perfiles I vs t surgirán de los perfiles Cvs t.
Como O se agota en la superficie delelectrodo al potencial de trabajo, se
establecerá un gradiente deconcentración.
A medida que transcurre el tiempo elgradiente de C disminuye.
Perturbación: salto de potencial
Respuesta
O + ne- R
A t = 0
A partir de la ley de Fick
Sustituyendo en
ECUACIÓN DE COTTRELL
A t > 0
C(b)C
Distancia desde la sup. del electrodo
t3> t2 >t1
t3
t1t2
x=0
Co(x, 0)= Co (b)
Co(0, t)= 0 para t0
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Amperometría
Se aplica un potencial y se registra el cambio de corriente mientras seagita la solución.
Amperometría
Perturbación: salto de potencial Respuesta: monitoreo la corriente enfunción de el tiempo
O + ne- R
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La especie electroactiva no se encuentra presente a t= 0.
Una vez alcanzada la corriente estacionaria mantenida por el electrolitosoporte se comienzan a agregar sucesivamente concentraciones conocidas ycrecientes la especie electroactiva .
Una vez construida la curva de calibración se realiza otro experimento eniguales condiciones agregando un volumen conocido de la muestra problema
Perfiles de concentración
Se agrega la especie O
Perturbación: salto de potencial
Respuesta: perfil estacionario, i Cs
Solución agitada
0 50 100 150 200 250 300 350
0
100
200
300
400
C o r r i e n t e ( A )
Tiempo (seg)
0.0 2.0x10-3
4.0x10-3
6.0x10-3
8.0x10-3
1.0x10-2
0
60
120
180
240
300
360
420
480
C o r r i e n
t e ( A )
Concentración (M)
Curva decalibración