Stripping de adsorción con detección por DP

Una estrategia para mejorar la sensibilidad y el límite de detección es la utilización de una etapa de pre-concentración de manera de acumular la/s especie/s electroactiva/s sobre la superficie del electrodo. Este paso puede realizarse con control de la corriente o el potencial aplicado o sin aplicar perturbaciones, al potencial de circuito abierto (o.c.p.). Esta metodología se conoce como stripping de adsorción, cuyas etapas se muestran a modo ilustrativo en la figura 2.4.

La metodología de stripping de adsorción generalmente consta de tres pasos [9]:

 Etapa de pre-concentración: adsorción de la/s especie/s en la superficie del electrodo durante un determinado tiempo. Este paso se realiza bajo convección forzada y aplicando una corriente o un potencial o bien a o.c.p. (figura 2.4 a).

 Enjuague del electrodo modificado con la/s especie/s adsorbidas, en una solución adecuada durante un tiempo determinado (figura 2.4 b).

E_f E_i

A

_E amp 2 E/V Tiempo 1



t_int E_step 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 20 40 60

B

 i/  A E/V

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 Reducción u oxidación de la/s especie/s acumulada/s (adsorbida/s) sobre la superficie del electrodo (figura 2.4 c).

Figura 2.4. Representación esquemática de los pasos involucrados en la determinación de un compuesto electroactivo mediante stripping de adsorción: a) pre-concentración a un potencial constante, b) enjuague en buffer y transferencia de medio, y c) detección electroquímica mediante DPV del compuesto adsorbido sobre el electrodo.

En el presente trabajo de Tesis se utiliza DPV para la detección electroquímica mediante la metodología de stripping pero se puede emplear cualquier otra técnica electroquímica para la determinación de la/s especie/s pre-concentradas.

Dado que el paso de detección se realiza en ausencia de la muestra en la que se encuentra/n la/s especie/s a determinar, la gran ventaja del “cambio de medio” en el stripping de adsorción es que se evitan posibles interferencias de otros compuestos presentes en una matriz real. Por lo tanto, además de mejorar la sensibilidad debido a la etapa de pre-concentración, esta estrategia permite la determinación analítica de compuestos redox sin el efecto matriz.

La amperometría consiste en aplicar un potencial al electrodo de trabajo desde un valor en el que no ocurre la reacción faradaica a un valor de potencial en el que la concentración de R en x = 0 es nula. Como el transporte de masa en estas condiciones es sólo por difusión, la curva corriente-tiempo registrada refleja el cambio en el gradiente de concentración en la superficie del electrodo (ver ecuación 2.1). Esto involucra una expansión gradual de la capa de difusión (aumento de ) asociada con el consumo de R en la vecindad de x = 0 y, por consiguiente, la corriente cae con el tiempo según la ecuación de Cottrell (ecuación 2.6), como lo muestra la figura 2.5 A[1].

𝑖(𝑡) = 𝑛 𝐹 𝐴 𝐶𝑅 𝐷𝑅

1/2

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Desde el punto de vista analítico, las determinaciones de compuestos con esta técnica suelen tener baja sensibilidad debido a la limitación por difusión del analito. Una manera de mejorar el límite de detección es agitando la solución mediante convección controlada, la cual provoca que la capa de difusión  no cambie con el tiempo [4]. El espesor de  estará dado por la viscosidad de la solución y la velocidad de agitación. Así, el gradiente de concentración de R en x = 0 será constante por lo que se alcanza una corriente de estado estacionario (iee), la cual es independiente de t (ecuación 2.7).

Figura 2.5. A Registro amperométrico para un agregado de compuesto electroactivo, marcado con una flecha roja. B Registro amperométrico con convección forzada para sucesivos agregados de compuesto electroactivo, marcados con flechas rojas. El inset muestra la curva de calibración correspondiente.

𝑖𝑒𝑒 =

𝑛 𝐹 𝐴 𝐶𝑅 𝐷𝑅

𝛿 Ecuación 2.7

El agregado del analito a la celda produce un aumento en la CR en la superficie del electrodo y el consecuente incremento de iee, figura 2.5 B.La determinación de iee en función de t se conoce como registro amperométrico y permite conocer la concentración de analito en una solución problema y la sensibilidad con que el mismo es detectado en el electrodo [8], a partir de una curva de calibración como se muestra en el inset de la figura 2.5 B.

En un experimento en el que se aplica un pulso de potencial al electrodo, la mayor contribución de la corriente a tiempos cortos (t < 50 ms) se debe al cargado de la doble capa eléctrica, la cual es proporcional al área electroactiva del electrodo [1]. En el caso de electrodos con películas porosas, como los utilizados en este trabajo de Tesis, dicha contribución es muy grande dado que su A es elevada. Una manera de superar

i/  A Tiempo/s

A

B

i/  A Tiempo/s i_ee i ee

/



A

Concentración

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esto es integrar la corriente del registro para obtener la carga, la cual varía con el tiempo según la ecuación 2.8,

𝑄(𝑡) = 2 𝑛 𝐹 𝐴 𝐶𝑅 𝐷𝑅

1/2

𝜋1/2 𝑡1/2 + 𝑄𝑑𝑐 + 𝑄𝑎𝑑𝑠 Ecuación 2.8

donde Qdc y Qads corresponden a la carga debido al cargado de la doble capa y la oxidación de especies adsorbidas. De esta manera, a partir de la pendiente de un registro Q vs t1/2 _{se obtiene la contribución del transporte por difusión (de donde se} puede calcular A ó DR) y a partir de la ordenada al origen se pueden determinar las contribuciones del cargado de la doble capa y adsorción.

Si bien esta técnica tiene poca utilidad desde el punto de vista analítico, en el presente trabajo de Tesis se la implementó para realizar la determinación de las áreas electroactivas de las plataformas y/o los coeficientes de difusión de las especies redox.

Las técnicas voltamperométricas o la aplicación de pulsos de potencial involucran, por lo general, la aplicación de perturbaciones que llevan al electrodo de trabajo a condiciones alejadas del equilibrio. En contraste, la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIE) se basa en perturbar al electrodo de trabajo con una señal alterna de pequeña magnitud tal que si dicha perturbación es lo suficientemente pequeña, se puede considerar que el sistema se encuentra prácticamente en condiciones de equilibrio [2,4].

Figura 2.6. Señales de la perturbación en potencial (

—

) y su respuesta en corriente (

—

). La perturbación consiste en aplicar un potencial sinusoidal de amplitud Eac muy pequeña

E(t) = E

ac

sen( t)

superpuesto a uno constante Edc. Esto produce una respuesta en corriente que también posee una componente constante idc y una

2 3/2  P ot encial / Corri ent e /2

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sinusoidal i(t) = iac sen( t + ), la cual se encuentra desfasada del potencial en una magnitud . La representación de la perturbación de E y la respuesta en i se muestran en la figura 2.6.

De la misma forma que la ley de Ohm para circuitos continuos, la impedancia Z se define como la relación entre el potencial y la corriente (ecuación 2.9):

𝑍(𝜔) =𝐸(𝜔)

𝑖(𝜔) Ecuación 2.9

Similarmente se la puede definir mediante notación compleja, como lo muestra la

ecuación 2.10,

𝑍 = |𝑍0| (cos 𝜙 + 𝑗 𝑠𝑒𝑛 𝜙) = 𝑍′+ 𝑗 𝑍′′ Ecuación 2.10

donde|Z0|es la magnitud,  es la fase, j es el número imaginario √−1, Z’ es la parte real, y Z’’ la parte imaginaria de la impedancia [10].

De esta manera, las mediciones de EIE consisten en definir Edc y Eac y estudiar el comportamiento impedimétrico en un dado rango de frecuencias ƒ =  / 2 de manera de analizar los procesos de electrodo en relación a las contribuciones de la difusión, transporte de carga, procesos capacitivos, entre otros. Las dos maneras más comunes de presentar los resultados son mediante el gráfico de Nyquist (-Z’’ vs Z’) y el gráfico de Bode (|Z0| y  vs ƒ) [10,11].

In document Electrodos modificados con nanotubos de carbono y grafeno : caracterización y desarrollo de biosensores electroquímicos y plasmónicos para la detección de biomarcadores de relevancia (página 51-55)