Elektrochemie

Die Elektrochemie ist der Zweig der Chemie, der sich mit dem Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und chemischen Reaktionen befasst. Die im Labor verwendeten elektrochemischen Messverfahren sind hauptsächlich die klassische Potentiometrie, Coulometrie, Voltammetrie und Polarographie. In jüngster Zeit wurden zusätzlich zahlreiche weitere Techniken entwickelt, die ebenfalls elektrische Signale oder die dadurch induzierten Effekte nutzen. Dazu zählen beispielsweise die SECM und die ECL.

Wie funktioniert Elektrochemie?

Bei der Potentiometrie wird die Differenz des Elektrodenpotentials zwischen einem Elektrodenpaar in der Probelösung gemessen. Dies dient zur Durchführung von Titrationen oder als direkte Konzentrationsbestimmung, z.B. mit ionenselektiven Elektroden (ISE).

Ionenselektive Elektroden sind Membranelektroden, die abhängig von der Aktivität der in einer Lösung gelösten Ionen ein elektrisches Potential erzeugen. Das Potential kann mit einem pH-Meter oder einem Voltmeter gemessen werden. Die pH-Elektrode ist die am häufigsten verwendete ISE. Sie enthält eine dünne Glasmembran, die empfindlich auf die H+-Konzentration in einer Lösung reagiert. Enzymelektroden verwenden eine spezielle Membran, die eine ISE bedeckt: ein Enzym reagiert mit einer bestimmten Substanz und die ISE weist das Produkt dieser Reaktion nach.

Bei der Coulometrie wird die während einer Elektrolysereaktion umgewandelte Stoffmenge durch Messung der verbrauchten oder produzierten Elektrizitätsmenge (in Coulomb) bestimmt.

Bei der Voltammetrie wird ein elektrisches Potential, das an eine Arbeitselektrode angelegt ist, variiert und der resultierende Strom aufgezeichnet. Die Übertragung eines Elektrons zwischen einer oxidierten und einer reduzierten Spezies erfolgt bei einem analyten-spezifischen Potential an der Grenzfläche Elektrode/Lösung. Die Empfindlichkeit kann mit einem Elektrolyseschritt stark erhöht werden, der die betrachteten Spurenkomponenten vor der Analyse auf der Elektrode konzentriert (Stripping). Die Arbeitselektrode ist oft ein glasartiger Kohlenstoff, der von einer dünnen Schicht Gold oder Quecksilber bedeckt ist. In der Polarographie wird ein Quecksilbertropfen verwendet.

Es gibt noch eine breite Palette anderer Methoden, die elektrische Signale oder die dadurch induzierten Effekte nutzen, wie z.B. die elektrochemische Rastermikroskopie (SECM) und die elektrogenerierte Chemilumineszenz (ECL). 

SECM ist eine Technik aus der Klasse der Rastersondenmikroskopie (SPM). Sie wird verwendet, um das lokale elektrochemische Verhalten von Grenzflächen mit sehr hoher Auflösung zu messen. SECMs werden in der Mikrofabrikation, Oberflächenstrukturierung und Mikrostrukturierung verwendet.

Bei der ECL erzeugen elektrochemisch erzeugte Zwischenprodukte einen elektronisch angeregten Zustand, der dann bei der Relaxation zu einem niedrigeren Zustand Licht emittiert. Diese Methode hat breite Anwendung bei Sensoren für biobezogene Anwendungen gefunden, z.B. in Ru-markierten Antikörper-basierten Immunoassays, Ru-markierten DNA-Sonden für PCR etc., NADH- oder H2O2-Generation-basierte Biosensoren zum Nachweis von Oxalat und organischen Aminen. ECL wird kommerziell für viele klinische Laboranwendungen verwendet.

Wozu dient die Elektrochemie?

Auf Elektrochemie basierende Analysetechniken werden verwendet, um die Konzentrationen von elektroaktiven Spezies in Lösung zu messen. Dazu gehören viele Kationen wie Quecksilber, Nickel, Kobalt, Eisen und Arsen sowie Anionen und Kationen mit ISEs, pharmazeutische Verbindungen wie Aspirin und Koffein oder Neurochemikalien, die Oxidationsreaktionen eingehen können. Letztere beinhalten auch Neurotransmitter wie Serotonin und die Katecholamine (z.B. Adrenalin, Noradrenalin und Dopamin).

Warum sollten Sie Elektrochemie einsetzen?

Die Stärken elektrochemischer Verfahren liegen in ihren geringen Kosten, ihrer guten Empfindlichkeit, ihrer Eignung für die direkte Messung von Spezies in schwierigen Matrizen wie Meerwasser, und den Möglichkeiten, die sie für die direkte Speziation bieten, z.B. As(III) und AS(V) und Se(IV), Selenocystin und Dimethyldiselenid.