SnFE względem dominujących MFE i BiFE jednak podobny stosunek sygnału do szumu powoduje uzyskanie zbliżonych wartości limitów detekcji do wymienionych elektrod. Niewątpliwą zaletą SnFE jest nieobecność na woltamogramach (w określonych warunkach) piku pochodzącego od utleniania cyny co m.in. stwarza możliwość rejestracji sygnału ołowiu który teoretycznie powinien nakładać się z pikiem cyny [102], której potencjał utleniania jest nieznacznie bardziej ujemny. Badania nad rozszerzeniem anodowego zakresu potencjału, podejmowane również dla BiFE i SbFE każą spojrzeć inaczej na klasyfikację elektrod ze względu na potencjał utleniania metalu tworzącego elektrodę filmową, który przedstawia się następująco: MFE>BiFE>SbFE>SnFE. Obiecujące rezultaty uzyskano również dla cynowej elektrody błonkowej osadzanej na węglu szklistym którego powierzchnia została uprzednio zmodyfikowana filmem wielościennych nanorurek węglowych osadzonych z roztworu benzenosulfonianu sodowego (Sn(MWCNTs/GCE)FE). Dla kadmu i cynku uzyskano wzrost sygnałów prądowych w porównaniu z niezmodyfikowaną elektrodą SnFE przy niewielkim wzroście prądów tła [104].
2.1. Elektrody amalgamatowe
Wspomniane wcześniej kłopoty z bezpiecznym stosowaniem płynnej rtęci w sensorach elektrochemicznych były powodem opracowania elektrod wykorzystujących stałe amalgamaty rtęci z różnymi metalami. Na przełomie XX i XXI wieku pojawiły się prace Yosypchuka [105, 106] i Mikkelsena [107] w których elektrody zostały wykonane z amalgamatów proszków metalicznych [106], tzw. srebrne stałe elektrody amalgamatowe (AgSAE). Materiał tej elektrody jest zbliżony swym składem do amalgamatu dentystycznego [107].
Amalgamat w zależności od proporcji rtęć – metal, może występować w stanie stałym, ciekłym lub w formie pastowej, Podział wykorzystujących amalgamat elektrod oraz liczne możliwe modyfikacje prezentuje rysunek 3.
27 Rysunek 3. Klasyfikacja elektrod amalgamatowych [108]
Ciekły amalgamat jest używany w polarografii i woltamperometrii od dziesięcioleci i nie różni się w praktycznym zastosowaniu od ciekłej elektrody rtęciowej. Należy również wspomnieć, iż w przypadku błonkowych bądź meniskowych elektrod rtęciowych wykonanych na podłożu stałego amalgamatu dochodzi do szybkiego przekształcenia rtęci w jej amalgamat z metalem zawartym w podłożu.
Wśród grupy elektrod opartych na stałym amalgamacie ważne miejsce zajmują polerowane stałe elektrody amalgamatowe (p-MeSAE). Zawierają one relatywnie duża ilość metalu, np. dla elektrod na bazie srebra – AgSAE, zawartość Ag wynosi
28 20% [108]. Przygotowanie AgSAE poprzez zmieszanie odpowiednich ilości rtęci i proszku srebrnego nie sprawia większych trudności praktycznych, szczególnie gdy odbywa się to przy wykorzystaniu aparatury dentystycznej używanej do sporządzania wypełnień ubytków zębnych amalgamatem. Mikkelsen i Schroeder proponują w tym celu zmieszanie w jednej części, dentystycznego proszku srebrnego (cząstki <50µm) z jedną częścią rtęci o czystości cz.d.a. Mieszanie może odbywać się w moździerzu [107] lub mikserze dentystycznym [109]. Niezwłocznie po wymieszaniu amalgamat jest umieszczany w tubie ceramicznej [107] bądź polieteroeteroketonowej (P.E.E.K.) [109, 110] o średnicy 6 – 10 mm. Następnie elektroda jest polerowana z użyciem drobnoziarnistego papieru ściernego. Tak przeprowadzona procedura niesie ze sobą niebezpieczeństwo uzyskania porowatej elektrody, więc zgodnie z zaleceniami Mikkelsena i Schroedera należy zwrócić szczególną uwagę na etap mieszania, tak by uzyskać możliwie jednorodną masę, pozbawioną przestrzeni wypełnionych powietrzem. Aby uniknąć powyższych niebezpieczeństw, Yosypchuk i Novotny zalecają umieścić drobnoziarnisty proszek metaliczny (np. Ag, Cu, Au) wraz z platynowym przewodem umieścić w górnej części, zwężającej się ku dołowi tuby, stanowiącej zewnętrzną część elektrody. Następnie przeciskając proszek w dolną część tuby o średnicy 0.1 – 0.8 mm utworzyć złoże o wysokości 5 – 6 mm. Po umieszczeniu dolnego końca tuby w ok. 0.5 – 1 ml rtęci należy odczekać do całkowitego zwilżenia przez rtęć całego złoża proszku metalicznego (z reguły kilka minut). Następnie należy pozostawić elektrodę na 10 – 12 h dla ukończenia procesu amalgamacji i utwardzenia amalgamatu. Ostatecznie elektroda jest poddawana polerowaniu drobnoziarnistym papierem ściernym oraz proszkiem Al2O3 (cząstki o uziarnieniu 0.3µm) [105]. Według Yosypchuk’a i Novotny’ego, tak przygotowana elektroda AgSAE nie zmienia swych właściwości przynajmniej przez 10 lat. Jak dowiedli oni, amalgamat tej elektrody posiada krystaliczną strukturę, której powierzchnia zbudowaną jest jedynie z pozbawionej porów fazy Ag2Hg3. Nie zaobserwowano obecności płynnej rtęci w amalgamacie ani odparowania rtęci z powierzchni. W przypadku innych metali (Cu, Bi, Pt) z reguły ich powierzchnia pokryta jest warstwą tlenków które muszą być usunięte przed nasyceniem
29 proszku metalicznego rtęcią. Z kolei dla metali o dużej tj. wynoszącej kilka lub więcej procent rozpuszczalności w Hg (np. Cd, Ga, In, Tl) Yosypchuk i Barek proponują utworzenie swego rodzaju ‘szkieletu’ z proszku srebrnego który następnie jest nasycany amalgamatem danego metalu. Jakkolwiek elektroda taka będzie zawierać w swym składzie również srebro, to jednak o jej właściwościach w głównej mierze będą decydować cechy metalu o większej aktywności [108].
Powierzchnia tak przygotowanej MeSAE oprócz funkcji samodzielnej elektrody może również służyć jako podłoże do osadzania filmu rtęci (MF-MeSAE). Stały amalgamat jest dobrze zwilżany przez rtęć i w efekcie możliwe do uzyskania są gładkie i homogeniczne powierzchnie. Takie podłoże takie wykazuje przewagę względem np. podłoży węglowych typu glassy carbon. Osadzając elektrochemicznie rtęć z 0.01M HgCl2 w 1M roztworze KI (Eacc = -200 mV vs SCE) uzyskamy film którego grubość będzie zależna od powierzchni elektrody i czasu osadzania. Dla ilustracji tej zależności można podać przykład elektrody o średnicy ϕ = 0.5 mm dla której przy czasie zatężania tacc = 60s otrzymamy film grubości około 1 µm. Czas użytkowania elektrody MF-MeSAE zależy od warunków jej użytkowania i analiz w których jest wykorzystywana, jednak jej żywotność nie przekracza jednego dnia [108].
Powody dla których zostały podjęte prace nad modyfikacjami MeSAE poprzez pokrycie filmem rtęci, są następujące [111]:
powiększenie zakresu dostępnych potencjałów poprzez zwiększenie nadpotencjału wydzielania wodoru;
zwiększenie rozdzielczości nakładających się na siebie pików uzyskiwanych techniką ASV;
uzyskanie elektrody o większej stabilności mechanicznej, mogącej być wykorzystanej przy oznaczeniach pierwiastków w warunkach polowych czy też przy wykorzystaniu adsorpcyjnej transferowej woltamperometrii stripingowej (AdTSV) [112];
ograniczenie ryzyka związanego z używaniem płynnej rtęci.
Jak już wspomniano elektrochemiczne osadzanie filmu rtęci wymaga użycia toksycznych roztworów takich jak roztwór HgCl2. Aby zminimalizować ilość
30 zużywanego roztworu rtęci Barek i Yosypchuk [111] zaproponowali procedurę w której za anodę służy amalgamatowa elektroda pastowa z której podczas elektrolitycznego osadzania filmu rtęci uwalniane są jony Hg2+ w ilości odpowiadającej jonom osadzonym na katodzie. Zapewnia to stabilne warunki procesu osadzania dzięki stałej wartości stężenia jonów rtęciowych w roztworze oraz pozwala na prowadzenie procesu przy użyciu jedynie 0.2 ml toksycznego roztworu HgCl2 o stężeniu 0.01mol/L [111].
Kolejną modyfikację elektrod MeSAE stanowi elektroda MeSAE pokryta warstwą płynnej rtęci poprzez krótkotrwałe zanurzenie p-MeSAE w rtęci. Chociaż powierzchnia takiej elektrody (m-MeSAE) nie wykazuje tendencji do zmian przez okres kilku miesięcy, to jednak Yosypchuk i Barek zalecają ‘regenerację’ elektrody raz w tygodniu [108]. Proponują oni umieszczenie końcówki elektrody p-MeSAE w rtęci i intensywne wstrząsanie przez ok 15s. Oczywistym jest przeprowadzanie takiej czynności z zachowaniem zasad bezpieczeństwa, tj. użycie niewielkiej ilości Hg w naczyniu w którym jest ona dodatkowo przykryta warstwą wody. Kontrolę skuteczności pokrycia elektrody amalgamatowej rtęcią można dokonać prostą metodą optyczną przy użyciu szkła powiększającego. Właściwości tak otrzymanej elektrody m-MeSAE są najbardziej zbliżone do elektrod HMDE. Jakkolwiek elektroda ta nie gwarantuje stabilności sygnałów prądowych w stosunku do poprzedniej warstwy rtęci. Zjawisko to można wytłumaczyć możliwą pasywacją poprzedniej warstwy Hg oraz zmianą wielkości powierzchni elektrody. Te cechy elektrody powodują konieczność stosowania technik kompensujących, jak np. metody dodatku wzorca w oznaczeniach ilościowych.
Kolejnym typem elektrod w których można wykorzystać stały amalgamat srebra są elektrody złożone (CE). Elektrodę złożoną definiuje się jako składającą się z przynajmniej jednej fazy przewodzącej i izolującej. Powierzchnia CE może być wynikiem przypadkowego lub uporządkowanego ułożenia faz przewodzących oddzielonych izolatorem. W porównaniu do innych elektrod stałych składających się z pojedynczej fazy przewodzącej (np. metalicznych lub typu glassy carbon) elektroda taka oferuje często niższy koszt, mniejszą masę, wyższy wskaźnik sygnał/szum, szerszą możliwość modyfikacji chemicznych dzięki możliwości
31 zmian zarówno fazy przewodzącej jak i izolatora [113]. Ponadto mają one inne korzystne właściwości np. są wysoce wytrzymałe i odporne mechanicznie oraz mogą być łatwo polerowane.
Stały amalgamat srebra może być względnie łatwo sproszkowany i użyty jako faza przewodząca w CE. Według Yosypchuka [108] optymalna procedura otrzymania elektrody CE z wykorzystaniem stałego amalgamatu srebra (AgSA-CE) wymaga sproszkowania w moździerzu agatowym amalgamatu srebra uzyskanego przez zmieszanie proszku srebrnego (cząstki wielkości 5 – 10µm) z płynną rtęcią. Rozdrobnienie należy podzielić na dwie fazy, po wstępnym sproszkowaniu zaleca się pozostawić amalgamat na jeden dzień i dopiero w drugim etapie doprowadzić amalgamat do miałkiej postaci [114]. Następnie odpowiednia ilość amalgamatu jest dodawana do żywicy epoksydowej i dokładnie ujednorodniania. Elektroda składająca się z kompozytu zawierającego mniej niż 70% fazy amalgamatowej charakteryzuje się zbyt dużą opornością, stąd zaleca się użycie ilości amalgamatu przewyższającego podaną wartość. Navrátil i współpracownicy stosowali mieszaniny zawierającej 80 % m/m amalgamatu srebra [114]. Mieszanina ta jest umieszczana w korpusie elektrodowym (szklana tuba: 9cm długości, 2.9 mm średnicy) do wysokości złoża 8 – 10mm. W następnym etapie powierzchnia elektrody jest polerowana papierem ściernym oraz proszkiem Al2O3 i tak przygotowana może podlegać identycznym modyfikacjom jak to opisano powyżej dla AgSAE, czyli AgSA-CE może być pokrywana dodatkowo filmem rtęci: MF-AgSA-CE, lub zanurzana w rtęci w celu pokrycia powierzchni warstwą rtęci: m-AgSA-CE. Yosypchuk i Barek oceniali jaki jest udział na powierzchni fazy przewodzącej i nieprzewodzącej matrycy poprzez osadzenie filmu rtęci na powierzchni i następującej analizy mikroskopowej. Stwierdzili oni, że aktywne centra tzn. amalgamat srebra, są na powierzchni elektrody rozłożone niejednolicie. Różna ilość osadzonego filmu rtęci lub jej całkowity brak w miejscach występowania formy nieprzewodzącej, wskazywały na zróżnicowaną wielkość tych aktywnych centrów. Z wielkości aktywnych centrów na powierzchni elektrody AgSA-CE wynika ponadto fakt, że częściowo może się ona zachowywać jako zbiór wielu mikroelektrod z wszystkimi tego konsekwencjami. Wysuwanie
32 takich stwierdzeń uzasadnia eksperyment opisany przez Navrátil’a w którym analizowano wpływ mieszania badanego roztworu podczas zatężania analitu na wysokość uzyskiwanych sygnałów techniką ASV [114]. Jak wiadomo bowiem, w zależności od skali wielkości elektrody o wartości sygnału analitycznego decyduje dyfuzja albo konwekcja.
Wykorzystanie sproszkowanego amalgamatu srebra nie ogranicza się do elektrod typu AgSA-CE. Może on stanowić podstawowy składnik elektrod należących do szerokiej grupy elektrod pastowych (AgSA-PE). Podobnie jak w wypadku elektrod CPE drugim składnikiem jest osnowa (olej mineralny, silikonowy, parafinowy fosforantrójkrezylu), jednakże w elektrodach tych stosunek AgSA do osnowy wynosi 20:1 czyli ok. 20 razy większy aniżeli w przypadku elektrod CPE. Sposób obsługi i odnawiania powierzchni elektrod AgSA-PE jest taki sam jak dla elektrod CPE. Odnowienie powierzchni elektrody następuje gdy pasta jest ‘wyciskana’ z korpusu elektrodowego a jej nadmiar jest usuwany, odsłaniając nową, czystą powierzchnię.
Ponieważ hydrofobowa natura lepiszcza czasem może ujemnie wpływać na reakcje elektrodowe, możliwe jest użycie samego amalgamatu srebra o tak dobranych proporcjach proszku srebra i rtęci aby ich mieszanina miała konsystencję pasty. Amalgamaty zawierające powyżej 15% Ag dość szybko ulegają utwardzeniu, natomiast te w których stężenie Ag jest mniejsze niż 10% występują w formie płynnej. Za optymalne uznano amalgamaty zawierające 10 – 12% srebra w mieszaninie pastowej [115]. Yosypchuk i Šestáková otrzymują amalgamatową pastę poprzez zmieszanie rtęci z dodatkiem 10 – 15% miałkiego proszku srebrnego (wielkość cząstek: 2 – 3.5 µm) i energiczną homogenizację w naczyniu dentystycznym stosowanym do przygotowywania amalgamatów dentystycznych. Tak otrzymany amalgamat umieszcza się w teflonowym korpusie elektrodowym z którego przed użyciem wyciska się niewielką ilość pasty amalgamatowej i usuwa jej nadmiar uzyskując powierzchnię gładką. Powierzchnia ta, w zależności od stopnia zawartości srebra prezentuje się jak film rtęci, lub amalgamat stały (dla zawartości srebra powyżej 12%). Dla pierwszego przypadku uzyskuje się lepsze wartości odtwarzalności rejestrowanego sygnału.
33 Kolejną możliwą modyfikacją elektrod wykonanych ze stałego amalgamatu jest pokrycie jej filmem polimerowym zawierającym przewodzące cząstki np. proszku grafitowego o cząstkach wielkości kilku do kilkunastu mikrometrów. W tym przypadku stały amalgamat stanowi jedynie przewodzące podłoże. Za przepływ prądu odpowiedzialne są mikrocząsteczki przewodzące rozproszone w matrycy polimerowej, które zapewniają kontakt pomiędzy analizowanym roztworem a amalgamatem. Elektrody takie mogą być uznane za analog elektrod złożonych (CE), w których właściwą warstwą elektrodową jest film który jest zbiorem wielu mikroelektrod lub homogeniczną elektrodą makro, w zależności od tego jaki jest stosunek części przewodzącej do nieprzewodzącej matrycy [116]. Jak wykazali Barek i in., zmodyfikowana w powyższy sposób elektroda pozwala na znaczące poszerzenie zakresu potencjałów od strony potencjałów anodowych. Przykładowo, elektroda wskaźnikowa sporządzona poprzez nałożenie na elektrodę p-AgSAE mieszaniny 0.01 g polistyrenu, 0.09 g proszku węglowego oraz 0.5 ml dichloroetanu, zhomogenizowanej ultradźwiękami i wytrząsaniem, może być stosowana do potencjału +1.4 V [116]. Warto zwrócić uwagę na stosunkowo łatwe i szybkie nakładanie nowego filmu. Po mechanicznym usunięciu starej warstwy końcówkę elektrody zanurza się na kilka sekund w przygotowanej mieszaninie, sporządzonej w sposób opisany powyżej.
Aby sensor elektrochemiczny dawał wiarygodne i powtarzalne wartości sygnałów analitycznych, powinny być zachowane następujące warunki
sporządzenie amalgamatu o składzie właściwym dla danej elektrody;
aktywacja powierzchni elektrody;
cykliczna regeneracja jej powierzchni.
Dla elektrod typu m-MeSAE oraz MeSA-CE, używanych bez przerw w pracy, amalgamacja powierzchni może się dokonywać w tygodniowych odstępach. Dla elektrod amalgamatowych modyfikowanych filmem rtęci MF-MeSAE wymagana jest częstsze elektrochemiczne osadzania nowego filmu. Równie często tj. na początku każdego dnia pomiarów niezbędne jest polerowanie elektrod typu p-MeSAE oraz odnawianie powierzchni pastowych elektrod amalgamatowych.
34 Aktywacja powierzchni elektrod na bazie stałego amalgamatu trwa ok. 5 minut i zaleca się jej wykonywanie na początku dnia pomiarowego. Polega ona na umieszczeniu sensora w nieodtlenionym roztworze 0.2M KCl oraz przyłożeniu potencjału -2.2 V przez czas wynoszący 300s. Podczas aktywacji usuwane są z powierzchni elektrody zaadsorbowane zanieczyszczenia, zwiększoną czułość i powtarzalność rejestrowanych sygnałów. Z kolei poprzedzająca każdy pomiar regeneracja powierzchni trwa około 30 sek. W większości przypadków wystarczające jest przyłożenie potencjału ok. 50-100 mV bardziej dodatniego niż potencjał wydzielania wodoru w danym elektrolicie podstawowym. Zachodzi wówczas redukcja obecnych na powierzchni elektrody tlenków rtęci lub innych metali oraz desorpcja zaadsorbowanych obcych cząsteczek [108]. Z drugiej strony może zachodzić niepożądane zjawisko zatężania na powierzchni elektrody wielu metali obecnych w roztworze. Aby temu przeciwdziałać można w ramach regeneracji zaprogramować kilkadziesiąt szybkich cykli zmian potencjału elektrody pomiędzy ujemnym oraz wystarczająco dodatnim potencjałem przy którym dojdzie do utlenienia zatężonych jonów metali. Dodatni potencjał powinien być tak dobrany by nie dochodziło do rozpuszczania materiału elektrody, tj. rtęci oraz aby anion elektrolitu podstawowego nie oddziaływał z elektrodą. Na przykład dla roztworu 0.4 M buforu octanowego (pH 4.6-5.0) wartości tych potencjałów mogą wynosić E1 = -1300 mV i E2 = 0 mV, czas cyklu 0.3 s [117].
Omawiane elektrody amalgamatowe bazują na materiale o podobnym składzie, jednakże ze względu na różnice w technice wytwarzania i liczne możliwe modyfikacje mogą wykazywać pewne różnice w istotnych parametrach analitycznych. Szczególnie istotnym jest nadnapięcie wodoru, które stanowi jedną z podstawowych zalet elektrod opartych na rtęci, umożliwiających stosowanie zakresu potencjałów o możliwie najbardziej rozszerzonej wartości. Tabela 1 przedstawia zakresy potencjałów wybranych typów elektrod amalgamatowych w porównaniu z elektrodą HMDE w różnych elektrolitach.
35 Tabela 1. Zakresy dostępnych potencjałów dla elektrod: HMDE, AgSAE, p-AgSAE, m-CuSAE and m-AuSAE. Dane otrzymane za pomocą woltamperometrii z liniową zmianą potencjału- LSV, elektroda odniesienia: SCE; szybkość zmiany potencjału 0.02 V/s; średnice dysków dla: AgSAE = 0.70 mm, CuSAE = 0.48, AuSAE = 0.40 mm. [118]
Elektrolit
podstawowy HMDE m-AgSAE p-AgSAE m-CuSAE m-AuSAE
0.1 M HClO4 -1.19 0.44 -1.08 0.43 -1.12 0.44 -1.17 0.06 -1.12 0.45 0.1 M HCl -1.27 0.11 -1.09 0.11 -1.12 0.11 -1.18 0.07 -1.11 0.12 0.2 M bufor octanowy; pH 4.8 -1.70 0.31 -1.44 0.21 -1.51 0.31 -1.44 0.03 -1.47 0.31 0.05 M Na2B4O7; pH 9.2 -1.98 0.15 -1.92 0.16 -1.88 0.16 -1.75 0.95 -1.90 0.16 0.1 M NaOH -1.97 -0.06 -1.94 -0.07 -1.96 -0.06 -1.86 -0.24 -1.91 -0.05
Jak widać zakresy dostępnych potencjałów dla elektrody p-AgSAE ustępują nieznacznie wartościom uzyskanym dla HMDE. Pozostałe elektrody charakteryzują się nieznacznie zmienionym zakresem dostępnych potencjałów w stosunku do wartości uzyskiwanych przez elektrody p-AgSAE. Stwierdzenie to jest również prawidłowe dla elektrod na bazie irydu i talu [119] oraz elektrod pastowych. Dla elektrod pastowych obserwuje się pogorszenie charakterystyki, szczególnie w roztworach alkalicznych, co przypisuje się możliwemu rozpuszczaniu się tlenu w osnowie lub jego adsorpcji na powierzchni amalgamatu [120].