Voltammetry là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa kỹ thuật voltammetry

Voltammetry là một nhóm kỹ thuật điện hóa dùng để xác định tính chất điện hóa và nồng độ của các chất trong dung dịch thông qua việc đo dòng điện phát sinh khi thay đổi điện thế áp vào hệ điện cực. Phương pháp này rất nhạy và có thể áp dụng cho cả phân tích định tính lẫn định lượng trong phạm vi từ mức ppm đến ppt.

Voltammetry được thực hiện bằng cách áp dụng một chương trình thay đổi điện thế giữa điện cực làm việc và điện cực chuẩn, trong khi dòng điện được ghi nhận giữa điện cực làm việc và điện cực đối. Sự thay đổi dòng điện phản ánh quá trình oxy hóa hoặc khử của các chất điện hoạt tại bề mặt điện cực.

Kỹ thuật này có thể dùng để phát hiện các chất hữu cơ, vô cơ, ion kim loại, hoặc thậm chí các phân tử sinh học, tùy thuộc vào điều kiện thí nghiệm và loại điện cực sử dụng. Điểm mạnh của voltammetry là độ nhạy cao, khả năng phát hiện nhiều chất cùng lúc và thiết bị gọn nhẹ.

Nguyên lý cơ bản

Nguyên lý của voltammetry dựa trên mối liên hệ giữa dòng điện phát sinh và thế điện cực được áp dụng cho một hệ ba điện cực. Dòng điện được tạo ra khi các phân tử hoặc ion trong dung dịch trao đổi electron tại bề mặt điện cực làm việc, dưới ảnh hưởng của thế điện cực được quét theo thời gian.

Phương trình liên quan giữa dòng điện và nồng độ chất điện hoạt là: $i = nFAkC$ trong đó:

• $i$: dòng điện đo được (A)
• $n$: số electron trao đổi
• $F$: hằng số Faraday
• $A$: diện tích bề mặt điện cực (cm²)
• $k$: hằng số tốc độ phản ứng
• $C$: nồng độ chất phản ứng (mol/L)

Quét điện thế có thể tuyến tính, xung vi sai, sóng vuông hoặc tuần hoàn, tùy theo loại voltammetry áp dụng. Từ đó, người phân tích có thể thu được đồ thị dòng–thế (i–E) đặc trưng, phản ánh cơ chế và mức độ phản ứng điện hóa.

Các loại kỹ thuật voltammetry phổ biến

Voltammetry có nhiều biến thể, được thiết kế để tối ưu hóa độ nhạy, giới hạn phát hiện hoặc khả năng phân tích đa thành phần. Mỗi biến thể sử dụng một chương trình quét điện thế khác nhau.

• Linear Sweep Voltammetry (LSV): quét điện thế tuyến tính một chiều, thích hợp cho nghiên cứu cơ bản.
• Cyclic Voltammetry (CV): quét điện thế hai chiều tuần hoàn, dùng để nghiên cứu thuận nghịch phản ứng oxy hóa–khử.
• Differential Pulse Voltammetry (DPV): áp dụng xung điện nhỏ trên điện thế nền, tăng độ nhạy và phân giải.
• Square Wave Voltammetry (SWV): cải tiến hơn DPV, thời gian phân tích ngắn hơn và giới hạn phát hiện tốt hơn.
• Anodic Stripping Voltammetry (ASV): tích tụ kim loại tại điện cực trước khi bóc tách, dùng để phân tích vết kim loại nặng.

Việc lựa chọn loại voltammetry phù hợp phụ thuộc vào chất phân tích, yêu cầu độ nhạy, cũng như mức độ phức tạp của nền mẫu.

Thành phần thiết bị voltammetry

Một hệ thống voltammetry tiêu chuẩn sử dụng hệ ba điện cực kết hợp với bộ điều khiển và phần mềm phân tích dữ liệu. Các thành phần chính bao gồm:

• Điện cực làm việc (WE): nơi xảy ra phản ứng oxy hóa–khử. Vật liệu thường dùng là than chì, vàng, bạch kim hoặc thủy ngân.
• Điện cực đối (CE): đảm bảo dòng điện được duy trì, thường là platinum hoặc carbon.
• Điện cực tham chiếu (RE): giữ điện thế ổn định, thông dụng nhất là Ag/AgCl hoặc calomel bão hòa (SCE).
• Potentiostat: bộ điều khiển điện thế giữa WE và RE, đồng thời đo dòng giữa WE và CE.
• Phần mềm: cho phép lập trình quét điện thế, ghi nhận và phân tích dữ liệu thời gian thực.

Sơ đồ nguyên lý của một hệ voltammetry ba điện cực:

Tài liệu tham khảo

1. Analytical Chemistry – Overview of Voltammetry Applications
2. Metrohm – Voltammetry Systems and Applications
3. ScienceDirect – Voltammetry Concepts
4. NCBI – Voltammetric Determination of Heavy Metals
5. ASTM D6560 – Standard for Voltammetric Analysis