Вольтамперометрия представляет собой электрохимический метод анализа, основанный на регистрации зависимости тока электродной реакции от приложенного потенциала. Основой метода является изучение электрохимических процессов окисления и восстановления веществ на рабочем электроде при контролируемом потенциале или токе. Ключевым параметром является вольтамперограмма — график, отражающий изменение тока в зависимости от потенциала.
Различают два основных режима вольтамперометрии: статическая и динамическая. В статических режимах потенциал изменяется ступенчато или импульсно с фиксацией тока после стабилизации. В динамических режимах потенциал изменяется непрерывно, что позволяет регистрировать пиковые токи и определять концентрации анализируемых компонентов с высокой чувствительностью.
1. Линейная вольтамперометрия (ЛВА) Принцип метода основан на линейном изменении потенциала рабочего электрода во времени. На кривой ЛВА наблюдается характерный токовый пик, величина которого пропорциональна концентрации активного вещества. Метод применяется для определения металлов, органических соединений и редких элементов в микро- и наноконцентрациях.
2. Полярография Особый случай вольтамперометрии с использованием капельного ртутного электрода. Полярографическая кривая характеризуется потенциалом начала восстановления или окисления вещества. Высокая чувствительность метода обусловлена непрерывным обновлением поверхности ртути, что предотвращает пассивацию и повышает воспроизводимость измерений.
3. Дифференциальная импульсная вольтамперометрия (ДИВ) Метод основан на наложении импульсов потенциала на линейно изменяющийся базовый потенциал. Регистрация тока производится в момент действия импульса, что позволяет существенно снизить фоновый ток и повысить предел обнаружения вещества до нано- и пикограммового уровня. ДИВ широко применяется в анализе тяжёлых металлов, органических веществ и биомолекул.
4. Квадратурная вольтамперометрия (КВ) Использует потенциал, изменяющийся по закону прямоугольных импульсов, и анализ гармоник тока. Метод позволяет выделять сигналы компонентов с близкими потенциалами окисления и восстановления, обеспечивая высокую селективность анализа сложных смесей.
Рабочие электроды в вольтамперометрии делятся на металлы (платина, золото, ртуть), углеродные (графит, стекловолокно) и модифицированные полимерными и наноструктурированными покрытиями. Выбор электрода определяется требуемой чувствительностью, диапазоном потенциалов и химической устойчивостью к исследуемой среде.
Вспомогательный электрод служит для замыкания цепи и поддержания постоянного потенциала рабочего электрода. Обычно применяется платиновая проволока или сетка. Сравнительный электрод (например, каломельный, серебряно-серебряный хлоридный) обеспечивает стабильный потенциал, необходимый для точного измерения вольтамперограммы.
Современные вольтамперометрические методы активно интегрируются с нанотехнологиями и микроэлектродными системами. Применение микроэлектродов и наноструктурированных покрытий позволяет значительно повысить чувствительность, уменьшить время анализа и снизить влияние конвекционных потоков. Автоматизация и компьютерная обработка данных обеспечивает точное выделение пикового тока и интегральный анализ сложных многокомпонентных систем.
Использование комбинированных методов, таких как вольтамперометрия с оптической регистрацией или масс-спектрометрией, расширяет аналитические возможности и позволяет проводить идентификацию и количественное определение компонентов в сложных матрицах, включая биологические и экологические объекты.
Вольтамперометрические методы применяются для:
Высокая чувствительность, селективность и возможность анализа малых объемов проб делают вольтамперометрию незаменимым инструментом современного аналитического химика.