Электроды, используемые в инверсионной вольтамперометрии

Глобальное техногенное и антропогенное загрязнение окружающей среды, сопровождающееся серьезными изменениями состава биосферы и генофонда живых организмов, ставит перед исследователями задачи развития и совершенствования эколого-аналитического мониторинга токсикантов, контроля качества и безопасности продуктов питания, продовольственного сырья. Для успешного решения этих задач используют современные высокоэффективные методы химического анализа, к числу которых также относится инверсионная вольтамперометрия (ИВ), достоинствами, которой является высокая чувствительность, селективность, широкий круг определяемых элементов, способность к распознаванию различных физико-химических форм веществ, элементов и простота техники измерений, надежность и низкая стоимость аппаратуры.

Тенденцией последних лет в области анализа объектов окружающей среды является переход от лабораторного анализа, удаленного от объекта исследования, к on-site анализу, максимально приближенному к месту отбора пробы. Особая роль в таком анализе, как известно, отводится электродам, не содержащим токсичных веществ, не требующим механической регенерации поверхности, позволяющим определять концентрации токсичных тяжелых элементов на уровне предела допустимых концентраций (ПДК) и ниже, а также используемым в портативных приборах и системах on-line для дистанционного мониторинга. Этим требованиям полностью не соответствует ни один из используемых в методе ИВ типов электродов. Ртутный капающий электрод, являющийся эталоном воспроизводимости его рабочей поверхности и полученных данных чрезвычайно токсичен и запрет на его применение охватывает все возрастающее число развитых стран.

При использовании твердофазных сенсоров возникает ряд проблем, связанных с регенерацией их поверхности, которая «помнит» загрязнения, обусловленные протеканием как электрохимических, так и адсорбционных процессов. Для полного стирания этой памяти, как правило, используют ручную многоступенчатую механическую обработку поверхности между измерениями. Указанная процедура ставит результаты анализа в зависимость от квалификации оператора и затрудняет полную автоматизацию вольтамперометрических, определений в особенности инверсионных измерений. Последнее обстоятельство существенным образом ослабляет конкурентоспособность ИВ в ряду современных автоматизированных методов следового анализа (ААС и ИСП МС). Для решения рассмотренных проблем и повышения конкурентоспособности ИВ метода необходимо создание новых нетоксичных электродов, сенсоров и датчиков, не требующих механической регенерации их поверхности способных функционировать без оператора в течение длительного периода времени.

Сигнал в индикаторной электрохимической системе формируется на границе фаз-электрод-раствор и зависит от состояния поверхности электрода, которая определяется природой материала, его дефектностью и неоднородностью. Модифицируя поверхность электрода, можно целенаправленно изменять его свойства и достигать необходимых аналитических и метрологических характеристик вольтамперометричес-кого определения. Накоплен определенный опыт по закреплению модификаторов на различных твердых матрицах. Однако до сих пор нет четких представлений о влиянии морфологии поверхности на электрохимическую активность модифицирующего слоя, характер протекания электродных процессов и аналитический сигнал. Решение этих вопросов позволит прогнозировать свойства и характер твердофазных сенсоров и управлять ими.

Перспективным направлением создания нового поколения электродов с широкими функциональными возможностями является формирование микрои наноструктурированных модифицирующих слоев. В электрохимических методах сделаны только первые шаги на пути использования ультрамикрои наночастиц металлов и биметаллов, уникальные свойства, которых проявляются в изменении потенциалов разряда-ионизации металлов, включении адсорбционных процессов и каталитических стадий в общий электродный процесс.

Главная проблема, с которой сталкиваются исследователи при использовании ультрамикрои наночастиц, заключается в их стабилизации и формировании устойчивых систем. Создание упорядоченных ансамблей ультрамикрои наноэлектродов традиционными методами представляет собой труднореализуемую задачу, поэтому основным принципом их построения должны стать принципы самосборки, самоорганизации и молекулярного дизайна из «кирпичиков» природы — атомов и молекул. Примером использования стратегии «снизу — вверх» может быть формирование нанокластеров металла из молекул металлсодержащего соединения, синтезированного или локализованного на индифферентной подложке и подвергнутого электрохимическому превращению.

Организованные наноструктуры могут быть получены также в нанопорах сетчатого полимера в которых, как в нанореакторах, с высокой скоростью протекают химические реакции. Большой интерес, как с теоретической, так и практической точки зрения, представляет изучение условий формирования и свойств ансамблей ультрамикрои наноэлектродов в модифицирующих слоях, на основе которых становится возможным создание высокочувствительных сенсоров, датчиков и микроэлектродов продуцирующих электрический отклик на концентрацию определяемого вещества в растворе.

Отсюда, со всей очевидностью, вытекает актуальность представленного методического пособия, посвященного развитию научных и методологических основ целенаправленного изменения состава и структуры паст и графитсодержащих поверхностей для создания высокочувствительных, селективных и нетоксичных электродов, датчиков и сенсоров информации, а также методик контроля состояния объектов окружающей среды и качества пищевых продуктов, а также других изделий, обеспечивающих проведение лабораторного, внелабораторного (полевого) и автоматического проточно-дискретного анализа.