VERFAHREN ZUR ELEKTROCHEMISCHEN ANALYSE
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Analyse von Lösungen, wie es z. B. in der chemischen Analytik oder für Kontrollzwecke im Industrie- und Umweltbereich einsetzbar ist.
Der Nachweis einzelner Substanzen, wie z. B. von Schwermetallen, erfolgt über deren Anreicherung auf Elektroden durch Abscheidung und nachfolgende Detektion der abgeschiedenen Substanzen. Die Abscheidung kann beispielsweise durch Reduktion an Elektroden aus Quecksilber, anderen Metallen oder aus Kohle erfolgen, die Detektion durch nachfolgende Oxidation der abgeschiedenen Substanz.
Aus W. R. Mattson, et al., Anal. ehem. 3.7., 1594 (1965) ist ein nach diesem Prinzip arbeitendes Verfahren zum Nachweis von Schwermetallen bekannt, bei dem eine Quecksilberfilmelektrode verwendet wird. Zahlreiche auf dieser Veröffentlichung beruhende Applikationen sind unter dem Begriff "Stripping Analyse" in der Literatur zu finden. So wird z. B. in Florence, T. M., J. Electroanal. Chem. 1970, 27, 273 die Abscheidung eines dünnen Quecksilberfilms auf Glas-Kohlenstoff zur Stripping-Analyse beschrieben. In Y. Shao et al., 44th ISE-Meeting-abstracts, S. 560 (1993) ist ferner die Möglichkeit der Strukturierung einzelner Elektroden zu untereinander leitend verbundenen Mikroelektroden beschrieben.
Bei den bekannten Verfahren wird jedoch jeweils nur eine (Arbeits-) Elektrode eingesetzt, an der durch Anlegen eines entsprechend hohen Potentials mehrere Substanzen abgeschieden werden. Der Nachweis der abgeschiedenen Substanzen erfolgt durch Abtasten eines großen Potentialbereichs, innerhalb dessen die einzelnen Substanzen nacheinander reoxidiert und dadurch nachgewiesen werden. Durch das Abscheiden vieler Substanzen an einer Elektrode können zum einen Wechselwirkungen zwischen diesen Substanzen (z. B. intermetallische Wechselwirkungen, wie Legierungsbildung) auftreten, die das spätere Meßergebnis verfälschen. Zum anderen wird mit wachsender Anzahl der nachzuweisenden Substanzen die Meßzeit deutlich verlängert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur elektrochemischen Analyse anzugeben, mit dem die Meßzeit deutlich verkürzt und die Gefahr von Fehlmessungen aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den nachzuweisenden Substanzen auf den Elektroden deutlich verringert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Nutzung einer Mehrfachanordnung von Elektroden, die als Volumenmaterial oder im Dünnfilm vorliegen. Der Nachweis einzelner Substanzen beruht auf ihrer Anreicherung auf den Elektroden durch Abscheidung, z. B. durch Reduktion an Metallen oder Kohlenstoffen, sowie deren nachfolgender Detektion, z. B. durch Oxidation. Mit dem Verfahren sind alle chemischen Substanzen, die reversibel bei einem elektrochemischen Potential abgeschieden und bei einem anderen wieder in Lösung gebracht werden können, erfaßbar.
Erfiπdungsgemäß wird eine Mehrzahl von Elektroden z. B. in array-förmiger Anordnung mit der zu analysierenden Lösung in Kontakt gebracht. Die nachzuweisenden Substanzen werden simultan auf den einzelnen Elektroden abgeschieden, wobei jede Elektrode mit einer anderen Substanz oder einem anderen Substanzgemisch belegt wird. Dies ist beispielsweise dadurch zu erreichen, daß die unterschiedlichen Elektroden zeitgleich mit unterschiedlichen
Potentialen beaufschlagt werden (Anspruch 2). Die Potentiale an den einzelnen Elektroden werden so gewählt, daß an jeder Elektrode gerade die mit dieser Elektrode nachzuweisende Substanz abgeschieden wird. Der Nachweis der abgeschiedenen Substanzen erfolgt z. B. durch zeitgleiches Abtasten der verschiedenen Elektroden in unterschiedlichen Potentialfenstern oder Potentialbereichen (Anspruch 3). Diese Potentialfenster werden ebenfalls so gewählt, daß mit ihnen der Nachweis der gerade an der jeweiligen Elektrode abgeschiedenen Substanz möglich ist.
Mit der selektiven Belegung einzelner Elektroden mit einem Quecksilberfilm und einer freibleibenden Edelmetallelektrode (z. B. einer Goldelektrode) gelingt der Nachweis von Quecksilber neben anderen Schwermetallen. Durch das zeitgleiche Anlegen unterschiedlicher Potentiale an die einzelnen Elektroden erfolgt das selektive Abscheiden von Metallen oder anderen Molekülen an den einzelnen Elektroden. Damit wird in vorteilhafter Weise die Störung des Analyseverfahrens durch intermetallische Wechselwirkungen gleichzeitig abgeschiedener Spezies auf den Elektroden verhindert. Der Nachweis je einer Substanz an je einer Elektrode wird durch das Abtasten unterschiedlicher Potentialbereiche an diesen Elektroden möglich. Dieses Verfahren der Potentialbereichsabtastung erfolgt annähernd zeitgleich, so daß dadurch die Analysezeit deutlich verkürzt wird. Das Verfahren gestattet somit in vorteilhafter Weise die schnelle parallele (gleichzeitige) Detektion mehrerer Substanzen.
Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 2 wird an die einzelnen Elektroden zeitgleich ein unterschiedliches Potential angelegt. Durch die Wahl des jeweiligen Elektrodenpotentials kann die Abscheidung bestimmter Substanzen (z. B. Metalle) an einer Elektrode verhindert, an einer anderen Elektrode aber gefördert werden.
Gemäß Anspruch 3 wird zum Nachweis der abgeschiedenen Substanzen jede Elektrode annähernd zeitgleich in einem bestimmten Potentialbereich abgetastet. Dies kann z. B. mittels einer Potentialrampe erfolgen, der
Potentialimpulse oder Wechselspannungen überlagert sind. Durch die Wahl der Potentialbereiche der Potentialrampen, die zeitgleich an den einzelnen Elektroden abgetastet werden, wird erreicht, daß an je einer Elektrode je ein Metall oder eine andere Substanz reoxidiert wird. Dadurch wird zeitlich simultan an je einer Elektrode je eine Substanz (z. B. ein Metall) detektiert.
Bei einer besonderen Ausführungsform nach Anspruch 5 werden Elektroden eingesetzt, die volumenförmig (z. B. kugel- oder zylinderförmig) oder planar ausgebildet sind. Die einzelnen Elektroden können jeweils aus einzelnen, gebündelten (z. B. Kohlenstoff-Fasern) oder planar netzartigen Mikroelektroden gebildet sein. Durch diese Strukturierung der einzelnen Elektroden werden die Elektrodenreaktionen unabhängig vom Massetransport. Außerdem wird die Abscheidung eines homogenen Quecksilberfilms auf den Mikroelektroden möglich.
Die Elektroden, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Verwendung finden, können gemäß Anspruch 6 beispielsweise aus Metall, Metalloxid oder Kohle bestehen. In Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 werden bei den Verfahren Elektroden aus unterschiedlichen Materialien (mehrere Elektrodenarten) verwendet. Damit kann durch die Wahl des Elektrodenmaterials bereits eine Selektivität bezüglich des auf dieser Elektrode abgeschiedenen Materials erreicht werden.
Nach Anspruch 8 kann variabel auf einer oder mehreren Elektroden ein Quecksilberfilm erzeugt werden. Dadurch ist es möglich die nachzuweisenden Substanzen oder Ionen wahlweise durch Amalgamierung oder Filmbildung anzureichern.
Die einzelnen Elektroden können gemäß Anspruch 9 in einer Durchflußeinrichtung, z. B. array-förmig in einem Durchflußkanal, angeordnet sein. Durch die Durchflußeinrichtung wird das Beschicken des Elektrodenarrays mit unterschiedlichen Analyten und Lösungen ermöglicht.
Zum Belegen der einzelnen Elektroden mit einem Quecksilberfilm oder zum späteren Ablösen desselben werden die Elektroden mit einem quecksilberhaltigen Elektrolyten in Kontakt gebracht (Anspruch 10).
Bei Verwendung einer Durchflußanordnung lassen sich gemäß Anspruch 11 zwei getrennte Kreisläufe, ein erster mit dem quecksilberhaltigen Elektrolyten und ein zweiter mit der zu analysierenden Lösung, einsetzen. Dadurch kann der zu messende Elektrolyt am Elektrodenarray vorbeigeführt werden, ohne daß er mit dem zur Erzeugung des Quecksilberfilms verwendeten Elektrolyten in Berührung kommt.
Insgesamt bestehen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß mehrere Elektroden z. B. in Form eines Elektrodenarrays zur simultanen Detektion mehrerer Substanzen (z. B. Schwermetalle) genutzt werden. Dadurch wird gegenüber herkömmlichen Stripping-Analyse-Verfahren eine qualitative Verbesserung und Verkürzung der Meßzeit erreicht. Weiterhin wird die Störung der Messung durch Wechselwirkung der angereicherten Substanzen untereinander verhindert. Dies wird durch die selektive Abscheidung der unterschiedlichen Substanzen auf unterschiedlichen Elektroden erreicht. Die Strukturierung der einzelnen Elektroden als Mikroelektroden erlaubt in vorteilhafter Weise konvektionsunabhängiges Arbeiten und besonders homogenes Abscheiden von Quecksilberfilmen. Das Verfahren gestattet außerdem die Nutzung von mit Quecksilber beschichteten und quecksilberfreien Metallelektroden, so daß der parallele Nachweis von Quecksilber neben anderen Schwermetallen möglich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und des Ausführungsbeispieles weiter erläutert.
Dabei zeigt die Figur beispielhaft eine Ausführungsform eines Elektrodenarrays zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Elektrodenarray ist als planares Multielektrodenarray in Siliziumtechnologie ausgeführt. Auf einem Siliziumchip (1) mit Oxidationsschicht (5) sind vier Elektroden (3) neben einer Referenzelektrode (6) array-förmig angeordnet. Die einzelnen Elektroden (3, 6) sind mit den zugehörigen Kontaktflächen (2) leitend verbunden. Die einzelnen Elektroden (3) sind wiederum mikrostrukturiert. Sie bestehen aus einer Vielzahl von einzelnen planar netzartig angeordneten Mikroelektroden (4).
Im Ausführungsbeispiel wird die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur simultanen Bestimmung der Metalle Wismut, Kupfer, Blei und Kadmium in einer Lösung gezeigt.
Dabei wird die in der Figur dargestellte Anordnung eingesetzt. Die vier einzelnen Elektroden (3) bestehen jeweils aus 32 Platinelektroden (4) der Fläche 25 μm2. Jede Elektrode (3) wird zum Nachweis eines der vier zu detektierenden Metalle verwendet. Die Silberchloridelektrode (6) dient zur Festlegung des Referenzpotentials.
Vor Durchführung des Verfahrens wird der Siliziumchip (1) verkappt, d. h. gegen Fiüssigkeitseinflüsse an den Chipableitungen geschützt. Danach wird die Anordnung in eine Lösung mit den zu bestimmenden Metallen getaucht und mit einem Multipotentiostate, der durch einen Mikroprozessor gesteuert wird, verbunden. Der Multipotentiostats prägt den Elektroden ein individuelles Potential auf und kann den resultierenden Strom erfassen. Anhand eines rechnergestützten Programmes wird für die erste Elektrode ein Abscheidungspotential von -0,2 V für Wismut, für die zweite Elektrode ein Abscheidungspotential von -0,4 V für Kupfer, für die dritte Elektrode -0,6 V für Blei und für die vierte Elektrode -0,8 V für Kadmium vorgegeben. Durch Applizieren dieser jeweiligen Potentiale für 60 Sekunden an den Elektroden (3) scheiden sich durch Reduktion aus der Lösung die Metallionen als Metalle auf den aktiven Elektrodengebieten ab. Im nachfolgenden Detektionsvorgang wird jede Elektrode vom Abscheidungspotential ausgehend 0,2 V nach positivem Potential abgetastet, und zwar nach dem Verfahren der sogenannten Differenz- Puls Polarographie. Dies ist ein Standardverfahren, bei dem der Oxidationsstrom
für das jeweilige Metall auf der entsprechenden Elektrode durch treppenförmige Pulse und Messungen am Anfang und am Ende eines solchen Pulses sehr genau bestimmt werden kann. Dieser Oxidationsstrom ist proportional der in der Lösung vorhandenen Metallkonzentration. Die Konzentration der Metalle in der unbekannten Lösung wird dadurch bestimmt, daß man den Meßvorgang mit einer Lösung der vier Metalle bekannter Konzentrationen wiederholt und damit die Messung kalibriert.