Organická analýza - Elektroanalytické metody - Voltametrická analýza

9 ELEKTROANALYTICKÉ METODY

9.2 Voltamerická analýza

• 9.2.1 Princip metody
• 9.2.2 Instrumentace
• 9.2.3 Pracovní elektrody
  • 9.2.3.1 Rotující disková elektroda
  • 9.2.3.2 Mikroelektrody a jejich soubory
• 9.2.4 Další komponenty voltametrické cely
• 9.2.5 Varianty voltametrických měření
  • 9.2.5.1 Diferenční pulsní voltametrie
  • 9.2.5.2 Elektrochemická rozpouštěcí voltametrie
• 9.2.6 Nové trendy ve voltametrické analýze
  • 9.2.6.1 Netradiční elektrodové materiály
  • 9.2.6.2 Voltametrické DNA biosenzory

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Voltamerická analýza

Voltametrie je elektroanalytickou metodou, při níž se sleduje závislost elektrického proudu tekoucího pracovní elektrodou ponořenou v analyzovaném roztoku na jejím potenciálu, který se s časem mění, zpravidla lineárně s časem roste či klesá. V případě, že v roztoku u pracovní elektrody není látka, která by se redukovala či oxidovala, teče jí pouze nabíjecí (kapacitní) proud potřebný na změnu jejího potenciálu. Je-li u elektrody látka (analyt), která se při určitém potenciálu oxiduje nebo redukuje, teče jí elektrolytický (faradayický) proud a látka může být z hodnoty příslušného limitního proudu stanovena. Jde o metodu komparativní, pro stanovení je nutno použít některou z kalibračních technik.

Princip metody

Základní variantou voltametrické analýzy je tzv. DC (direct current) voltametrie. Její princip je zřejmý z obr. níže a její experimentální uspořádání a vlastnosti jsou obsahem následujících odstavců. Předpokládejme, že na elektrodu je vkládán potenciál lineárně s časem rostoucí do negativních hodnot (obr. A), analyzovaný roztok se míchá, tj. dominantním transportním mechanismem analytu z hloubi roztoku k elektrodě je konvekce, a elektroda je považována za elektrodu planární.

Polarizační křivka v roztoku indiferentního (základního) elektrolytu, tj. neobsahujícího analyt, je na obr. B vyznačena čárkovaně, elektrodou teče pouze kapacitní proud. Vzrůst proudu v místech označených X a Y je způsoben oxidací či redukcí látek obsažených v základním elektrolytu či oxidací materiálu elektrody (viz dále). Potenciálové okno mezi body X a Y představuje tzv. oblast využitelných potenciálů pro stanovení látek, které se v této oblasti potenciálů mohou na elektrodě redukovat nebo oxidovat.

2 THETA: Princip voltametrické analýzy. (A) – časový průběh potenciálu vkládaného na pracovní elektrodu; (B) – polarizační křivka registrovaná v roztoku neobsahujícím analyt (čárkovaná křivka) a v roztoku obsahujícím dva analyty, A a C (plná křivka); (C) – průběh koncentrace analytu A v blízkosti elektrodového povrchu při čtyřech různých potenciálech (pro látku C je průběh koncentrace obdobný).

Polarizační křivka v roztoku obsahujícím dvě látky, A a C, které se redukují při dvou různých potenciálech, je na obr. B zakreslena plnou čarou. Při potenciálu E₁ se ještě žádná látka v roztoku neredukuje, rychlostní konstanta příslušné elektrodové reakce je příliš malá, koncentrace látek u povrchu elektrody, c(A)⁰, c(C)⁰, je rovna jejich koncentracím v hloubi roztoku, c(A)⁰ = c(A), c(C)⁰ = c(C). Dosáhne-li potenciál elektrody hodnoty E₂, začíná se redukovat látka A (na produkt B) a elektrodou může téci proud. V důsledku této redukce koncentrace látky A u povrchu elektrody klesá, c(A)⁰ < c(A), a od elektrodového povrchu do hloubi roztoku se rozšiřuje koncentrační gradient (c(A) - c(A)⁰ )/σ, obr. C. Tento koncentrační gradient generuje tok analytu k povrchu elektrody, rov. (9.13), s nímž je spojen elektrolytický proud, rov. (9.14).

S růstem potenciálu do negativních hodnot (při redukci) exponenciálně roste rychlostní konstanta elektrodové reakce, takže stále více látky A se na elektrodě zredukuje, čímž se zvětšuje koncentrační gradient (viz např. potenciál E₃) a proud roste. Při potenciálu E₄ je již rychlost reakce tak vysoká, že veškerá látka A, která se dostane k elektrodě, je zredukována, takže její koncentrace na povrchu elektrody je nulová, c(A)⁰ = 0, a proud již s dalším zvyšováním potenciálu nemůže růst. Dosahuje své limitní hodnoty, a protože jeho velikost je řízena difúzí látky A v difúzní vrstvě, nazývá se limitní difúzní proud; platí pro něj rov. (9.15). Jak je vidět z obr. B, má závislost redukčního proudu na potenciálu tvar vlny. Tato voltametrická vlna je charakterizována jednak velikostí limitního difúzního proudu (kvantitativní údaj) a jednak hodnotou tzv. půlvlnového potenciálu, E1/2, tj. potenciálu v bodě, kdy I = Ilim/2. V tomto bodě je v případě reverzibilní reakce A + ne → B poměr c⁰ (A)/c⁰ (B) = 1 (viz křivka u potenciálu E₃ na obr. C). Půlvlnový potenciál má proto blízký vztah k standardnímu (formálnímu) redoxnímu potenciálu redoxní reakce, která na elektrodě probíhá; půlvlnový potenciál je údajem kvalitativním.

Poznámka. V porovnání půlvlnového a formálního potenciálu lze spatřovat určitou konzistentnost elektrochemických reakcí. Ponoříme-li platinovou elektrodu do roztoku, v němž nastavíme poměr redukované a oxidované formy určitého redoxního systému c(Red)/c(Ox) = 1, pak je dle Nernstovy rovnice její potenciál roven formálnímu redoxnímu potenciálu tohoto systému. Pakliže na tutéž platinovou elektrodu vložíme externí potenciál rovný formálnímu redoxnímu potenciálu téhož redoxního systému, proběhne elektrodová reakce tak, aby poměr koncentrací obou redoxních forem na povrchu elektrody byl roven jedné.

Při dosažení potenciálu, při kterém se redukuje další látka v roztoku (zde látka C), proud opět počne růst až dosáhne hodnoty limitního proudu odpovídajícímu koncentraci této látky. Příslušný půlvlnový potenciál je charakteristický pro tuto látku

Obdobné voltametrické vlny jako při redukci (katodické vlny) se registrují i v případě, že se látky na elektrodě oxidují (anodické vlny). Anodický proud má opačný směr než proud katodický a roste s potenciálem elektrody zvyšujícím se do pozitivnějších hodnot. Jsou-li v roztoku obě redoxní formy určité látky, lze zaznamenat anodicko-katodickou vlnu. Charakter anodicko-katodické vlny závisí na tzv. elektrochemické reverzibilitě redoxního systému, viz obr. Voltametrií lze stanovovat nejrůznější látky anorganické i organické. Je takto možno současně stanovit i více látek v roztoku, pokud se dostatečně liší hodnotami svých půlvlnových potenciálů.

Instrumentace

Elektrochemický článek pro voltametrická měření – voltametrická cela, obsahuje kromě pracovní elektrody ponořené do analyzovaného roztoku ještě referentní elektrodu spojenou s analyzovaným roztokem solným můstkem (dvouelektrodové uspořádání), případně ještě třetí, pomocnou elektrodu (tříelektrodové uspořádání); schéma je na obr. níže. Nevýhodou dvouelektrodového uspořádání voltametrického článku je, že není znám přesně potenciál pracovní elektrody, ale pouze napětí na elektrody vložené; rozdělení napětí na jednotlivé elektrody závisí na odporu v roztoku a proudu procházejícím článkem.

2 THETA: Schéma zapojení obvodu pro voltametrická měření v dvouelektrodovém (A) a tříelektrodovém (B) uspořádání elektrochemického článku a příklad realizace voltametrické nádobky (C) pro měření v tříelektrodovém uspořádání; pracovní elektrodou je zde rotující disková elektroda (viz dále). a – pomocná elektroda, r – referentní elektroda, w – pracovní elektroda.

V případě, že je nutno potenciál pracovní elektrody znát přesně, použije se tříelektrodového zapojení voltametrického článku. Proud teče pouze mezi pomocnou a pracovní elektrodou a skutečný potenciál pracovní elektrody se měří mezi pracovní a referentní elektrodou za bezproudového stavu. Elektrochemické reakce, které probíhají při průchodu proudu na pomocné elektrodě, se nesledují, bývá to často oxidace vody či redukce vodíkového iontu. Zdrojem napětí v tříelektrodovém zapojení je elektronický potenciostat. Potenciostat je přístroj, který udržuje potenciál pracovní elektrody na požadované hodnotě tím, že nastavený požadovaný potenciál neustále porovnává s aktuálním změřeným potenciálem, a případný rozdíl, způsobený např. úbytkem napětí na odporu roztoku, automaticky vyrovnává změnou napětí na pomocné elektrodě. Časový průběh požadovaného potenciálu a měření proudu řídí v moderních přístrojích počítač.

Pracovní elektrody

Pracovní elektrody ve voltametrii bývají rtuťové nebo z tuhých materiálů. V současnosti jsou rtuťové elektrody používány v praxi velice zřídka. Pro elektrochemickou rozpouštěcí analýzu (viz dále) především při stanovení stopových koncentrací kovů tvořících amalgam, se lze setkat se rtuťovou filmovou elektrodu (MFE). Ta se připravuje zpravidla elektrolytickým vyloučením malého množství rtuti z roztoku jejích solí na povrchu tuhé elektrody, často uhlíkové; vyloučená rtuť ve skutečnosti není spojitým filmem, ale vytváří na povrchu nosiče soubor mikroskopických kapiček. Stanovovaný kov se vylučuje do velice malého objemu rtuti, takže jeho koncentrace ve rtuti je relativně vysoká ve srovnání s vylučováním do standardní rtuťové kapky. To se v rozpouštěcím kroku projevuje vyššími proudy, což má za následek dosažení nižších limitů detekce. Pro redukce, pokud je to nutné, se rtuťové elektrody nahrazují elektrodami amalgámovými (viz dále).

Elektrodami z tuhých materiálů jsou v podstatě všechny elektrody jiné než rtuťové. Nejběžnějšími tuhými elektrodovými materiály jsou platina, zlato a různé formy uhlíku. Platina je kovem s výraznými elektrokatalytickými účinky, elektrochemické reakce na ní probíhají zpravidla rychle. Zlato má obecně menší elektrokatalytické účinky, a je tudíž méně náchylné k otravě katalytickými jedy. Z tohoto důvodu je někdy v praktické voltametrii dávána přednost zlatým elektrodám před platinovými. Elektrody z jiných kovů se používají pouze pro speciální účely, kdy se využívá určitých specifických vlastností materiálu, např. jiných platinových kovů, stříbra, wolframu, mědi atd.

Uhlíkové elektrody se ve srovnání s kovovými elektrodami vyznačují nižším zbytkovým proudem, jsou méně náchylné k oxidaci povrchu a jsou levné. Jak již bylo zmíněno výše (viz kniha, kde je celý text), mají uhlíkové elektrody (především skelný uhlík) velký význam i pro elektrochemickou rozpouštěcí analýzu jako nosiče rtuťového filmu; uhlík, na rozdíl od kovových elektrod, netvoří se rtutí intermetalické sloučeniny a ani se v ní nerozpouští. V poslední době se uhlíkové elektrody používají i jako nosiče pro bismutové elektrody (viz dále), které mohou vzhledem k svým příznivým elektrochemickým vlastnostem v některých případech úspěšně nahradit rtuť.

Voltametrie s tuhými elektrodami je proto experimentálně náročnější než voltametrie či polarografie s elektrodami rtuťovými. K dosažení reprodukovatelných a spolehlivých výsledků je nutné dodržovat určité postupy a žádoucí je i jistá zkušenost jejich uživatele.

ROTUJÍCÍ DISKOVÁ ELEKTRODA

Pro přímá voltametrická měření je nejvýhodnějším a nejčastěji používaným typem elektrody rotující disková elektroda (RDE). Prakticky zcela vytlačila v minulosti často používané rotující nebo vibrující drátkové elektrody či elektrody plíškové a další.

2 THETA: Příklady konstrukčního uspořádání voltametrických elektrod. Rotující disková elektroda (A), vláknová mikroelektroda jako příklad prostorové (zde válcové) elektrody (B), soubor mikroelektrod jako příklad planárních elektrod (C): periodické soubory diskových (a, b) či páskových (c) elektrod stejných rozměrů, náhodné soubory tvořené diskovými elektrodami různých rozměrů (d) či elektrodami obecných tvarů (e), prstové (interdigitální) mikroelektrody (f).

MIKROELEKTRODY A JEJICH SOUBORY

Charakteristický rozměr elektrochemicky aktivní části elektrod pro klasickou voltametrii, např. poloměr disku diskové elektrody, je řádu jednotek mm. Elektrody velmi malých geometrických rozměrů, řádově desítek až jednotek μm, jsou nazývány mikroelektrodami. Jsou v elektroanalytické chemii využívány nejen pro své malé rozměry, ale i pro své specifické elektrochemické chování, které do značné míry závisí na charakteristickém transportu látky, odlišném od látkového transportu k elektrodám „normálních“, tj. milimetrových rozměrů.

Mikroelektrodou je v principu jakákoli elektroda, jejíž charakteristický rozměr je za aktuálních experimentálních podmínek menší než tloušťka difúzní vrstvy. V případě běžných voltametrických elektrod rozměrů řádu mm je po celou dobu elektrolýzy tloušťka difúzní vrstvy podstatně menší než rozměr elektrody, tj. chování elektrody odpovídá modelu lineární difúze po celou dobu měření. Avšak u elektrod rozměrů řádu μm tloušťka difúzní vrstvy podstatně převýší rozměr elektrody již po velmi krátké době od počátku elektrolýzy a transport látky k elektrodě se řídí sférickou difúzí. Hranice mezi makro- a mikroelektrodami proto není určována jen rozměrem geometrickým (velikostí elektrody), ale má i rozměr časový (dobu elektrolýzy).

Mikroelektrody mají i speciální využití v tzv. skenovacím elektrochemickém mikroskopu – Scanning Electrochemical Microscopy (SECM). Jde o zařízení patřící do rodiny specializovaných přístrojů umožňujících mapovat povrchy a vlastnosti látek v mikro- a nanoměřítku, jako např. AFM (Atomic Force Microscope), STM (Scanning Tunneling Microscope). SECM umožňuje pozorovat a zkoumat lokální elektrochemické chování vybraných oblastí na povrchu testovaných materiálů a tím povrch těchto látek charakterizovat.

Další komponenty voltametrické cely

Referentními elektrodami bývají elektrody II. druhu, především elektroda kalomelová či argentochloridová. Pomocné elektrody bývají z inertního materiálu (Pt, C) a ve srovnání s pracovní elektrodou mívají podstatně větší povrch. Bývají od analyzovaného roztoku oddělovány fritou, aby se zabránilo kontaminaci roztoku případnými produkty elektrochemických reakcí, které na ní při průchodu proudu probíhají. Analyzované roztoky bývají nejčastěji vodné, lze však analyzovat látky i v nevodném prostředí, např. v prostředí acetonitrilu, dimethylsulfoxidu nebo dimethylformamidu. Analyzovaný roztok (pokud se nepracuje s mikroelektrodami) musí být dostatečně vodivý, proto se do něj přidává indiferentní (základní) elektrolyt. Pro vodná prostředí se používají např. minerální kyseliny, hydroxidy či pufry, pro nevodná prostředí kvartérní amoniové báze, často chloristany, R₄NClO₄. Na materiálu pracovní elektrody, rozpouštědle a použitém základním elektrolytu závisí velikost potenciálového okna, které lze analyticky využít.

2 THETA: Přibližné využitelné potenciálové rozsahy platinových, rtuťových a uhlíkových (včetně borem dopovaných diamantových, BDD) elektrod ve vodných roztocích a v případě platinové elektrody i v roztoku nevodném. Potenciály jsou uvedeny proti nasycené kalomelové elektrodě (SCE).

Varianty voltametrických měření

Právě diskutovaná DC voltametrie je základem celé řady modifikovaných metod. Lze jmenovat cyklickou voltametrii, mající význam především při studiu mechanismu elektrodových reakcí. Pro elektroanalytická měření jsou k dispozici střídavé, AC a SW (square-wave) voltametrie, pulzní metody a elektrochemická rozpouštěcí voltametrie, které vedou ke zlepšení poměru S/N a zvýšení citlivosti. Pro praktickou elektroanalytickou chemii má největší význam diferenční pulzní polarografie (DPP) a voltametrie (DPV) a elektrochemická rozpouštěcí (stripping) voltametrie (analýza) (ERA) jako metoda pro stanovení ultrastopových koncentrací látek, především kovů. Zavedení DPP do praxe bylo někdy nazýváno „renesancí polarografie“; bylo podmíněno vývojem nových elektronických prvků, především paměťových obvodů. V současnosti jsou nejrůznější varianty voltametrických metod k dispozici formou software pro počítačem řízené aparatury.

DIFERENČNÍ PULZNÍ VOLTAMETRIE

Při DPV je lineárně s časem se měnící potenciál vkládaný na elektrodu překládán napěťovými pulzy o amplitudě 10 až 100 mV a době trvání řádově desítek ms. Registruje se rozdíl proudů změřených těsně před vložením pulzu a na jeho konci, doba měření bývá 10 až 100 ms. Mezi jednotlivými periodami měření je poslední registrovaný rozdíl proudů držen v paměti přístroje. Závislost rozdílu proudů na potenciálu prochází maximem, má tvar píku (obr. níže). Potenciál vrcholu píku je blízký E1/2, jeho výška závisí na koncentraci analytu.

2 THETA: Charakter vkládaného potenciálu, způsob měření proudu a registrovaná polarizační křivka při DPV

ELEKTROCHEMICKÁ ROZPOUŠTĚCÍ VOLTAMETRIE

Vedle speciálního potenciálového programu a způsobu měření proudu v pulzních metodách lze v elektrochemické analýze zlepšit poměr S/N předběžným nakoncentrováním analytu z roztoku na pracovní elektrodě. Tím se jeho koncentrace na elektrodě několikařádově zvýší oproti koncentraci v roztoku, takže při jeho následném rozpouštění z povrchu elektrody zpět do roztoku je měřený signál – proud, též příslušně vyšší. V praxi se využívá dvojího způsobu nakoncentrování analytu – potenciostatickou elektrolýzou (tzv. předběžnou elektrolýzou) nebo adsorpcí.

Základní varianty elektrochemické rozpouštěcí voltametrie s elektrolytickým nakoncentrováním analytu jsou v podstatě dvě:

1. Kation kovu, Mn⁺ , se katodicky vylučuje ve formě kovu, M⁰ , který tvoří buď amalgam se rtuťovou elektrodou, nebo film na elektrodovém povrchu. Předběžná elektrolýza probíhá při konstantním depozičním potenciálu, Edep, který se volí z oblasti limitního proudu stanovovaných iontů kovů. Její trvání závisí na koncentraci kovu v roztoku vzorku, zpravidla se elektrolyzuje řádově jednotky až desítky minut. Elektrolýza se provádí za míchání roztoku. Po určité době se předběžná elektrolýza přeruší a vyloučený kov se anodicky rozpouští (oxiduje) z elektrody zpět do roztoku.

Při rozpouštění se potenciál elektrody mění lineárně s časem od hodnoty Edep do pozitivnějších hodnot. Rozpouštění se provádí obvykle do roztoku klidného. Toto je v praxi nejčastěji využívaná varianta, tzv. anodická rozpouštěcí voltametrie, ASV – anodic stripping voltammetry.

2. Stanovovaný ion kovu, M n⁺ , je při předběžné elektrolýze anodicky převeden do vyššího oxidačního stavu, M (n+m)⁺, tvořícího s některou složkou v roztoku, A¯ , nerozpustnou sloučeninu, MA n+m, která se deponuje na elektrodovém povrchu. Depozit je poté katodicky rozpuštěn zpět do roztoku. V tomto případě jde o tzv. katodickou rozpouštěcí voltametrii, CSV – cathodic stripping voltammetry.

Elektrochemická rozpouštěcí analýza (na rozdíl od atomové absorpční spektrometrie (AAS), s níž bývá často srovnávána) umožňuje za určitých podmínek provést speciační stanovení, tj. lze diferencovat např. mezi obsahem hydratované formy iontu kovu a jiných forem téhož kovu vázaného v různých komplexech. Elektrochemickou rozpouštěcí analýzu lze provádět vsádkově, tj. analyzovat jednotlivé diskrétní vzorky, ale i v průtoku, čímž se zvýší efektivnost analýzy. Dalšího zlepšení poměru S/N lze dosáhnout kombinací DC předběžného nakoncentrování analytu a pulzních metod při jeho rozpouštění.

Kromě elektrolytického nakoncentrování lze analyt nakoncentrovat na povrchu elektrody adsorpcí; metoda je známa jako adsorptivní rozpouštěcí voltametrie, AdSV – adsorptive stripping voltammetry. Je použitelná pro stanovení takových látek, které se při určitém potenciálu adsorbují na elektrodovém povrchu. Pokud jsou elektrochemicky aktivní, lze je po jejich nakoncentrování stanovit z výšky píku při jejich redukci či oxidaci (obdobně jako při ASV či CSV). Pokud jsou elektrochemicky neaktivní, mohou se při dosažení určitého potenciálu desorbovat, což se projeví tzv. tenzametrickým píkem, který lze analyticky využít. Hlavní význam má tento způsob nakoncentrování pro stanovování stopových koncentrací organických látek. Lze ho však použít i pro stanovení iontů kovů, s výhodou těch, které nelze nakoncentrovat elektrolyticky; ionty kovů se před akumulací převádí do vhodných komplexů s organickými ligandy. Detekční limity základních voltametrických metod jsou uvedeny v tabulce.

2 THETA: Detekční limity a rozdíl v půlvlnových potenciálech/potenciálech píků, ∆E, potřebný pro rozlišení dvou analytů při některých polarografických či voltametrických technikách.

Nové trendy ve voltametrické analýze

Zdá se však, že hlavní překážkou dalšího rozšíření elektroanalytických metod, zejména pak voltametrických, jsou problémy související s používanou pracovní elektrodou. Ta totiž rozhoduje o kvalitě celého systému, jeho spolehlivosti, robustnosti, citlivosti i selektivitě. Navzdory přehnaným obavám z toxicity kovové rtuti, které podstatně komplikují používání rtuťových elektrod, představuje klasická rtuťová kapající elektroda či její moderní varianta – visící rtuťová kapková elektroda – nejlepší pracovní elektrodu pro stanovení elektrochemicky redukovatelných látek vzhledem k atomicky hladkému povrchu, širokému potenciálovému oknu v katodické oblasti a zejména vzhledem ke snadné obnovitelnosti povrchu, což minimalizuje většinu problémů souvisejících s pasivací elektrody. Právě pasivace pracovní elektrody, ať už produkty elektrodové reakce či interferujícími složkami analyzovaného roztoku, je zřejmě největší překážkou většího rozšíření voltametrických metod a příčinou rostoucí popularity „bezkontaktních“ elektroanalytických měření. Problematika pasivace pracovních elektrod je neustále velmi aktuální navzdory značnému pokroku v oblasti jejich reaktivace mechanickým broušením a leštěním, chemickým či elektrochemickým čištěním nebo čištěním teplem, ultrazvukem, laserem, elektrickým výbojem či radiofrekvenčními výboji. Jedním z hlavních směrů dalšího rozvoje elektroanalytických metod je právě hledání nových elektrodových materiálů odolnějších vůči pasivaci a materiálů umožňujících vhodnou modifikaci elektrod a jejich použití pro konstrukci nových typů voltametrických senzorů.

NETRADIČNÍ ELEKTRODOVÉ MATERIÁLY

Klasické a osvědčené elektrodové matriály (rtuť, platina, skelný uhlík) mají pochopitelně i některé nevýhody, mezi něž patří malá mechanická stálost a omezené anodické potenciálové okno u rtuti a obtížná obnovitelnost povrchu u kovových či uhlíkových elektrod.

Proto jsou systematicky vyhledávány nové elektrodové materiály vykazující širší potenciálové okno, nižší šum a zbytkový proud, použitelné v různých rozpouštědlech, odolné vůči pasivaci, s vyšší mechanickou stabilitou umožňující jejich kompatibilitu s měřením v průtokových systémech. Významná je i jejich kompatibilita se „zelenou“ analytickou chemií, která požaduje minimální toxicitu elektrodových materiálů a minimální odpad při analýzách (elektrody na jedno použití nejsou z tohoto hlediska příliš ohleduplné k životnímu prostředí).

Problémy s pasivací elektrody lze do jisté míry eliminovat mechanickým obnovováním povrchu elektrody (broušení, leštění, otření povrchu pastové elektrody), elektrochemickou předúpravou elektrody (např. vložením vhodných potenciálových pulzů) či použitím elektrodového materiálu, na němž se minimálně zachycují produkty elektrodové reakce či interferující látky. Volba elektrodového materiálu je často rozhodující pro úspěch stanovení nejen z hlediska pasivace elektrody, ale i z hlediska dostupného potenciálového okna, šumu, velikosti a reprodukovatelnosti signálu atd. V následujícím textu je věnována pozornost vybraným netradičním elektrodovým materiálům, které jsou obecně považovány za perspektivní z hlediska moderních voltametrických metod:

• Amalgámové elektrody
• Bismutové filmové elektrody
• Diamantové filmové elektrody
• Elektrody na bázi dalších uhlíkových materiálů
• Sítotiskové elektrody
• Chemicky modifikované elektrody

VOLTAMETRICKÉ DNA BIOSENZORY

Výzkum vzájemných interakcí malých molekul s nukleovými kyselinami se již před několika desítkami let dostal do popředí zájmu celosvětové vědy. Studium těchto supramolekulárních interakcí v módu in vitro je klíčové pro jejich detailní pochopení, především pak z hlediska možného poškození struktury DNA (deoxyribonukleové kyseliny) – nositelky základní genetické informace u většiny živých organismů – způsobeného různými cizorodými látkami. Je známo mnoho sloučenin schopných reverzibilní interakce s dvouvláknovou DNA prostřednictvím následujících tří interakčních módů:

• sterické interakce molekuly v místě malého či velkého žlábku DNA,
• interkalace (vmezeření) molekuly mezi páry bází DNA
• elektrostatické interakce kladně nabité části molekuly se záporně nabitou cukr-fosfátovou kostrou DNA.

Analýza vzájemných molekulárních interakcí mezi léčivy cílenými na DNA a samotnou DNA hraje důležitou roli při plánování vývoje nových chemoterapeutik a testování jejich účinků. Interakce protinádorových léčiv s nukleovými kyselinami byly studovány řadou fyzikálních a biochemických technik. Při výzkumu těchto interakcí (vyšetřování vazebných módů, afinity a selektivity studovaného léčiva vůči nukleovým kyselinám) byly použity např. nukleární magnetická rezonance, spektrofotometrie, vibrační spektrometrie (infračervená a Ramanova spektrometrie), studium rozptylu světla, povrchová plazmonová rezonance, měření viskozity, lineární a cirkulární dichroismus či kapilární elektroforéza.

Voltametrické DNA biosenzory mohou být použity nejen k detekci poškození DNA, ale rovněž k jeho vyvolání a kontrole. Na povrchu biosenzoru lze elektrochemicky generovat poškozující (většinou radikálové) sloučeniny, které okamžitě interagují s okolní DNA. Takto bylo studováno poškození DNA sekundárně vyvolané některými chemickými karcinogeny a léčivy (nitroderiváty polycyklických aromatických uhlovodíků, adriamycinem, niklosamidem či nitrofurazonem).