Spettroelettrochimica intuitiva: come le celle user-friendly rendono l'analisi ancora più semplice

18 set 2023

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La spettroelettrochimica (SEC) è attualmente una delle tecniche analitiche emergenti più promettenti. Sebbene il suo potenziale non sia mai stato messo in dubbio, le varie attrezzature necessarie per eseguire misurazioni, l’uso di un massimo di tre computer per l’elaborazione dei dati e la complessità delle configurazioni delle celle hanno scoraggiato molti ricercatori dall’utilizzare la SEC per le loro ricerche nonostante i suoi vantaggi. L’introduzione della linea di strumenti all’avanguardia SPELEC – completamente integrati, perfettamente sincronizzati e controllati da un unico software – ha colmato questa lacuna, rendendo SEC ancora più accessibile. Tuttavia, un requisito chiave ancora necessario affinché il SEC sia adatto a tutti i laboratori è la disponibilità di celle facili da usare per diverse configurazioni: condizioni di trasmissione, riflessione e flusso. Questo articolo descrive in dettaglio questi diversi tipi di celle SEC.

Affrontare la necessità di superare i limiti

Si riscontrano ancora limitazioni strumentali, ad esempio, nello sviluppo di celle SEC. Alcuni dispositivi spettroelettrochimici presentano inconvenienti quali: specifiche di progettazione rigorose (forma, dimensione e materiale dell'elettrodo) per le quali non è possibile utilizzare opzioni più convenzionali, i dispositivi richiedono volumi maggiori di soluzione campione, le celle sono costituite da molti pezzi che richiedono un assemblaggio complesso e noioso/ protocolli di smontaggio, ecc.

Per facilitare l'adozione di questa tecnica, sono state sviluppate nuove e innovative celle SEC con configurazioni aggiornate. Questi dispositivi offrono diversi vantaggi:

maneggevolezza
versatilità per lavorare con diversi elettrodi
resistenza chimica a diversi mezzi
montaggio e smontaggio semplice e veloce
bassa resistenza alle cadute ohmiche
e altro ancora!

Inoltre, le celle opache e chiuse eliminano le interferenze ambientali. Funziona anche come caratteristica di sicurezza quando si utilizza un laser come sorgente luminosa, poiché al raggio viene impedito di uscire dai confini della cella.

Figure 1. Illustration of the Raman scattering effect.

Raman SEC: una tecnica fingerprint con il setup corretto della cella

La spettroelettrochimica Raman è una tecnica combinata che studia la diffusione anelastica (o diffusione Raman) della luce monocromatica correlata ai composti chimici coinvolti in un processo elettrochimico. Questa tecnica fornisce informazioni sulle transizioni energetiche vibrazionali delle molecole utilizzando una sorgente di luce monocromatica (solitamente un laser) che deve essere focalizzata sulla superficie dell'elettrodo contemporaneamente alla raccolta dei fotoni dispersi (Figura 1).

Quando lo scattering è elastico il fenomeno viene chiamato scattering Rayleigh, mentre quando è anelastico si parla di scattering Raman. Questo concetto è illustrato nella Figura 2.

La spettroelettrochimica Raman sta rapidamente diventando una delle tecniche di analisi più promettenti grazie alle sue proprietà intrinseche di fingerprint che consentono l'identificazione e la differenziazione delle specie chimiche presenti nel sistema in studio. Pertanto, l'ottimizzazione delle condizioni di configurazione del sistema è un fattore importante per ottenere i risultati desiderati. Ad esempio, per ottenere la massima intensità Raman è necessario regolare la distanza tra la sonda e il campione (in base alle proprietà ottiche della sonda).

Le seguenti celle Raman di Metrohm hanno un design migliorato e semplificato che migliora l'usabilità e facilita l'ottimizzazione della misurazione (vai direttamente a ciascun tipo di cella facendo clic di seguito):

Celle Raman per elettrodi convenzionali
Celle Raman per elettrodi screen-printed (SPEs)
Celle Raman per elettrodi screen-printed electrodes in condizioni di flusso

Celle Raman per elettrodi convenzionali

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

Figure 3. Configurazione spettroelettrochimica Raman utilizzando la cella Raman per elettrodi convenzionali (presentati qui: SPELECRAMAN, RAMANPROBE, RAMANCELL-C e CABSTAT).

Una nuova cella nera con un semplice sistema magnetico di apertura e chiusura viene utilizzata per eseguire esperimenti spettroelettrochimici in solventi acquosi e organici (Figura 3). Questa cella è composta da due pezzi in PEEK (polietere etere chetone). La parte superiore contiene un foro centrale per l'introduzione della punta della sonda Raman e quattro rientranze con diverse profondità (1, 1,5, 2 e 2,5 mm) per ottimizzare la distanza focale tra la sonda e l'elettrodo di lavoro (WE). Inoltre, è dotato di quattro fori per CE (controelettrodo), RE (elettrodo di riferimento) e flusso d'aria in ingresso e in uscita, ma questi possono anche essere chiusi con tappo.

Diagramma schematico che mostra la vista interna della cella Raman per elettrodi convenzionali. Le posizioni 1–4 corrispondono a rientranze con diverse profondità (rispettivamente 1, 1,5, 2 e 2,5 mm) per una distanza focale ottimale tra la sonda e il WE.

Figure 4. Diagramma schematico che mostra la vista interna della cella Raman per elettrodi convenzionali. Le posizioni 1–4 corrispondono a rientranze con diverse profondità (rispettivamente 1, 1,5, 2 e 2,5 mm) per una distanza focale ottimale tra la sonda e il WE.

La parte superiore del fondo ha uno scomparto per aggiungere 3 ml di soluzione. Questo volume garantisce il corretto contatto di WE, RE e CE con la soluzione prevenendo anche l'immersione della sonda Raman. La parte inferiore del pezzo inferiore contiene una piccola rientranza per posizionare un O-ring che impedisce perdite. Inoltre il WE viene fissato mediante filettatura nel pezzo di bloccaggio. Infine, viene utilizzato un supporto per mantenere la stabilità della cella e migliorare le prestazioni delle misurazioni. La Figura 4 offre una panoramica delle varie parti di questa cella spettroelettrochimica Raman.

Scopri di più sulle celle spettroelettrochimiche Raman per elettrodi convenzionali qui.

Celle Raman per elettrodi screen-printed (SPEs)

Progettata in PEEK nero, questa cella è composta solo da due parti. La parte inferiore viene utilizzata per posizionare l'SPE, mentre la parte superiore presenta un foro designato per introdurre la sonda Raman (Figura 5). La distanza focale della sonda può essere facilmente modificata utilizzando distanziatori di vario spessore (0,5, 1 e 1,5 mm).

Figure 6. Uno sguardo interno alla cella Raman per la caratterizzazione di campioni solidi.

Il facile assemblaggio della cella combinato con il volume ridotto richiesto (60 µL) rende questa configurazione ideale per utenti inesperti. Inoltre, questa cella è dotata di un piccolo supporto per crogiolo per facilitare la caratterizzazione ottica precisa di campioni solidi e liquidi senza richiedere l'elettrochimica (Figura 6).

Scopri di più sulle celle spettroelettrochimiche Raman per elettrodi Screen-Printed qui.

Celle Raman per elettrodi screen-printed in condizioni di flusso

La spettroelettrochimica di flusso può essere facilmente eseguita grazie allo sviluppo di elettrodi serigrafati a cella di flusso a strato sottile con un elettrodo di lavoro circolare (TLFCL-CIR SPE). Il design di questi SPE consente a un canale (altezza 400 µm, volume 100 µL) di trasportare la soluzione attraverso WE, CE e RE (Figura 7).

L'assemblaggio della cella Raman consiste in due semplici passaggi. Innanzitutto posizionare l'SPE nella posizione definita del pezzo inferiore. Quindi, è sufficiente posizionare la parte superiore e la cella è pronta per l'uso. La parte superiore della cella presenta un foro appositamente studiato per introdurre la sonda Raman e focalizzare il laser sulla superficie WE.

This system overcomes any leakage of the sample solution since liquids are only located in the channel of the electrode.

Riflettono o trasmettono la luce con celle spettroelettrochimiche UV-Vis e NIR

Quando si studia un processo chimico, la registrazione simultanea dell'evoluzione degli spettri UV-Vis (200–800 nm) e del vicino infrarosso (800–2500 nm) insieme alla reazione elettrochimica consente ai ricercatori di ottenere informazioni relative alla trasmissione elettronica (UV -Vis) e vibrazionale (NIR) delle molecole coinvolte. Lo sviluppo di nuove celle spettroelettrochimiche a questo scopo ha consentito l'espansione di questa tecnica combinata in diversi settori industriali.

A seconda dell'applicazione finale, la spettroelettrochimica UV-Vis e NIR può essere eseguita in diverse configurazioni di installazione (fare clic di seguito per passare direttamente a ciascun argomento):

Configurazione di riflessione
Configurazione di trasmissione

Configurazione di riflessione

Quando si lavora con una configurazione con cella di riflessione, il raggio di luce viaggia in direzione perpendicolare alla superficie dell'elettrodo di lavoro su cui avviene la riflessione (Figura 8, a sinistra). La luce riflessa viene raccolta per essere analizzata nello spettrometro (Figura 8, a destra). È però possibile lavorare anche con altri angoli di incidenza e raccolta. Questa configurazione è utile per gli elettrodi non trasparenti.

Schematic diagram of the transmission cell configuration.

Figura 12. Rappresentazione schematica della configurazione della cella di trasmissione.

Configurazione di Trasmissione

Gli esperimenti di trasmissione richiedono che il raggio di luce passi attraverso un elettrodo otticamente trasparente (Figura 12). Raccoglie informazioni sui fenomeni che avvengono sia sulla superficie dell'elettrodo che nella soluzione ad esso adiacente. Gli elettrodi in questa configurazione devono essere composti da materiali che abbiano una grande conduttività elettrica e un'adeguata trasparenza ottica nella regione spettrale di interesse.

Sommario

Lo sviluppo delle nuove celle presentate rende le misurazioni spettroelettrochimiche ancora più facili da eseguire. La loro configurazione chiusa e la realizzazione in materiale opaco e inerte evitano interferenze e superano i problemi di sicurezza. Non sono richiesti protocolli complessi per l'assemblaggio, lo smontaggio o la pulizia delle celle. Infine, la loro semplicità e facilità d'uso ne facilitano l'utilizzo, il che, in combinazione con le soluzioni integrate SPELEC, rende la spettroelettrochimica più accessibile a un pubblico più ampio.