UNIVERZITET U BEOGRADU Hemijski fakultet Dalibor M. Stanković Primena metil-3,5-bis[(di(2- pikolil)amino)metil]benzoata za modifikaciju elektrode od staklastog ugljenika Doktorska disertacija Beograd, 2012. godina UNIVERSITY OF BELGRADE Faculty of Chemistry Dalibor M. Stanković Application of methyl-3 ,5-bis [(di (2-pikolil) amino) methyl] benzoate for modification of glassy carbon electrode Doctoral Dissertation Belgrade, 2012 Mentor: vanredni profesor, dr Dragan Manojlović Hemijski fakultet, Univerzitet u Beogradu Članovi komisije: vanredni profesor, dr Goran Roglić Hemijski fakultet, Univerzitet u Beogradu redovni profesor, dr Rastko Vukićević Prirodno-matematički fakultet, Univerzitet u Kragujevcu Datum odbrane: Ova doktorska disertacija urađena je na Katedri za analitičku hemiju hemijskog fakulteta Univerziteta u Beogradu pod rukovodstvom dr Dragana Manojlovića, vanrednog profesora Hemijskog fakulteta u Beogradu. Ovom prilikom želim da se zahvalim: Vanr. prof. dr Draganu Manojloviću koji mi je omogućio da se bavim naučno-istrživačkim radom u oblasti elektroanalitičke hemije kao i na ukazanom poverenju, pomoći i podršci u svim fazama iztade ovog rada. Vanr. prof. dr Goranu Rogliću na aktivnom učešću u izradi ovog rada, mnogim korisnim savetima i velikoj pomoći na samom početku bavljenja mojim istraživačkim radom prilikom sinteze jonofore. Red. prof. dr Rastku Vukićeviću na korisnim savetima i sugestijama koji su omogućili da ovaj rad dobije svoj završni oblik. Veliku zahvalnost dugujem i mr Vojinu Krsmanoviću na velikoj pomoći prilikom pisanja radova. Svim kolegama iz laboratorije 538, Hiosu, Branku, Saletu, Bekiju, Bilji, Ivanu, Jeleni Mutić, Dejanu, Jeleni Nešić, Marijani, Sandri, Anđeliji, Milici Sentić, Milici Jović na svestranoj pomoći i mnogim korisnim sugestijama. Svojoj porodici na pomoći i podršci koju su mi pružili tokom trajanja izrade ove disertacije. Primena metil-3,5-bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoata za modifikaciju elektrode od staklastog ugljenika Cilj ove doktorske disertacije jeste razvoj novog tipa modifikovane elektrode na bazi staklastog ugljenika i njene optimizacije za odredjivanje sadržaja mikroelemenata u uzorcima iz životne sredine. Ova elektroda bi se bez prethodne pripreme koristila za određivanja sadržaja mikroelemenata u vodi, kao i u biološkim uzorcima i uzorcima zemljišta nakon mikrotalasne digestije.Razvoj ovakve elektrode unapredio bi današnje elektroanalitičke tehnike koje se zasnivaju na određivanju sadržaja mikroelemenata na visećoj kapi žive kao radnoj elektrodi, kao i na elektrodi od tankog živinog filma, iako ove imaju veoma nisku granicu detekcije i odličnu reproduktivnost. Zbog toksičnosti žive i njenih soli, elektrode od nje sve manje se koristi kao radne elektrode, a u nekim zemljama upotreba žive je potpuno zabranjena. Zbog toga se danas razvija veliki broj različitih tipova modifikovanih elektroda koje bi u budućnosti mogle da zamene živine electrode, a koje bi imale iste ili bolje karakteristike od ovih, što se pre svega odnosi na granicu detekcije, osetljivost i postizanje veće selektivnosti (zbog specifičnosti modifikovanih electroda). Najčešći primer modifikovanih elektroda predstavljaju elektrode modifikovane organskim jedinjenjima, koja mogu biti specifične i selektivne jonofore, ugrađene u polimernu matricu. Takve jonofore se mogu koristiti kao senzitivni elementi na radnim elektrodama prilikom elektroanalitičkih merenja. Na ovom principu razvijen je novi tip elektrode gde je kao polimerna matrica korišćen nafion a kao selektivna jonofora za modifikaciju kompleks metil-3,5-bis[(di(2- pikolil)amino)metil]benzoata sa bakrom (Cu-DPABA) na elektrodi od staklastog uglejnika (Cu-DPABA–NA/GCE). U cilju postizanja optimalnih rezultata, prvenstveno u pogledu granice detekcije i selektivnosti, ispitani su sledeći parametri: – debljina filma, – potencijal depozicije, – vreme depozicije i – pH opseg, elektrolit i stabilnost elektrode. Ključne reči: modifikovane elektrode, jonofora, nafion, ciklična voltametrija, metode sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem, bakar, olovo, kadmijum. Naučna oblast: hemija. Uža naučna oblast: analitička hemija Application of methyl-3 ,5-bis [(di (2-pikolil) amino) methyl] benzoate for modification of glassy carbon electrode The aim of this dissertation is the development of a new type of modified electrode based on glassy carbon, and its optimization for the determination of trace elements in environmental samples. This electrode would be used without prior preparation for the determination of trace elements in water, and in biological and soil samples prepared with microwave digestion. The development of such electrode would improve the present electroanalytical technique, which are based on the determination of trace elements on the hanging mercury drop as working electrode, and thin film of mercury electrode, although these electrodes have very low detection limit and excellent reproducibility. Because of the toxicity of mercury and its salts, mercury electrodes are less and less is use as working electrodes, and in some countries the use of mercury is completely forbidden. Now is a number of different types of modified electrodes in develop, that may eventually replace mercury electrode, and have the same or better performance, primarily related to the detection limit, sensitivity and greater selectivity (due to the specificificity of modified electrode). The most common example of modified electrodes are electrodes modified with organic compounds, which can be specific and selective ionophore, embedded in the polymer matrix. Such ionophores can be used as sensitive elements of the working electrodes in electroanalytical measurements. Based on this, a new type of electrode was developed. Nafion was used as polymer matrix, and as a selective ionophore for modification a complex methyl-3 ,5- bis [(di (2-pikolil) amino) methyl] benzoate with copper (Cu-DPABA) on a glassy carbon electrode was used (Cu-DPABA-NA/GCE). In order to achieve optimal results, especially in terms of detection limits and selectivity, following parameters were investigated: - Thickness of the film, - The potential of deposition, - Time of deposition, and - pH range, the electrolyte and electrode stability. Keywords: modified electrodes, ionophore, Nafion, cyclic voltammetry, methods of enrichment and successive dissolution, copper, lead, cadmium. Scientific field: Chemistry. Field of Academic Expertise: Analytical Chemistry i Sadržaj 1. Uvod 1 2. Opšti deo 3 2.1 Poreklo mikroelemenata u životnoj sredini 3 2.2 Biološka aktivnost i toksičnost pojedinih mikroelemenata (Pb, Cd, Cu) 4 2.3 Olovo 6 2.4 Kadmijum 8 2.5 Bakar 9 2.5.1 Bioloska uloga bakra 10 2.5.2 Potrebe u ishrani 11 2.6 Metode za određivanje sadržaja bakra, olova i kadmijuma u vodi 12 2.7 Elektrohemijski tehnike 13 2.8 Potenciometrija 19 2.9 Dinamička elektrohemija 26 2.10 Ciklična voltametrija 31 2.10.1 Istorijski razvoj 31 2.10.2 Reverzibilni (nernstovski) sistem 37 2.10.3 Ireverzibilni sistemi 45 2.10.4 Praktični aspekti CV 48 2.10.4.1 Elektrode i ćelije 48 2.10.4.2 Rastvarači i elektroliti 49 2.10.4.3 Eksperimentalna ograničenja 49 2.11 Pulsne tehnike 51 2.12 Diferencijalna pulsna polarografija 55 ii 2.13 Polarografija sa pravougaonim talasima (Square Wave Voltammetry, SWV) 59 2.14 Metode sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem 65 2.14.1 Anodna striping voltametrija 65 2.14.2 Adsorpciona striping voltametrija 68 2.14.3 Primeri upotrebe metoda sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem 71 2.14.4 Instrumentacija 73 2.15 Hemijski modifikovane elektrode 74 2.15.1 Polimerno modifikovane elektrode sa organskim molekulima 74 3. Eksperimentalni deo 80 3.1 Priprema elektrode 85 4. Rezultati i diskusija 86 4.1 Ispitivanje elektrohemijskog ponašanja modifikovane elektrode 86 4.2 Potenciometrijsko određivanje bakra 89 4.3 Određivanje bakra metodama sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem (anodnom striping voltametrijom) pomoću Cu-DPABA-NA/GCE 95 4.4 Primena nove elektrode za određivanje koncentracije bakra u realnim uzorcima DPASV i SWASV 102 4.5 Određivanje olova i kadmijuma metodama sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem (anodnom striping voltametrijom) pomoću Cu-DPABA-NA/GCE 106 4.6 Primena nove elektrode za određivanje koncentracije olova i kadmijuma u realnim uzorcima DPASV i SWASV 114 5. Zaključak 119 6. Literatura 121 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 1 1. Uvod Usled permanentne kontaminacije ţivotne sredine kao posledice antropogenih aktivnosti dolazi do stalnog povećanja fona toksiĉnih mikroelemenata u ţivotnoj sredini. Zbog toga se u većini zemalja u svetu, bez obzira na geografsku lokaciju, posvećuje posebna paţnja sadrţaju toksiĉnih mikroelemenata u akvatiĉnim sistemima, sedimentima, zemljištu, atmosferskim talozima, hrani i bioti. Pored odreĊivanja ukupnog sadrţaja toksiĉnih mikroelemenata od posebne vaţnosti je poznavanje njihovih biogeohemijskih ciklusa odnosno uslova pod kojima moţe doći do njihove mobilizacije iz relativno stabilnih zemljišnih i sedimentnih depoa, a samim tim i njihovog negativnog uticaja na ĉoveka. Zbog toga je veoma vaţno raspolagati pouzdanim, brzim i relativno jeftinim analitiĉkim metodama za njihovo odreĊivanje. Stalno izlaganje većim sadrţajima toksiĉnih metala, odnosno njihov unos u organizam putem vode i hrane, moţe da izazove niz ozbiljnih posledica po zdravlje, kao što su pigmentacija, hiperkeratoza, rak jetre, pluća, bubrega, bešike ili koţe, gastrointestinalna i oštećenja srca kao i hroniĉno trovanje [1]. Uprkos znaĉajnom metodološkom napretku, olovo, kadmijum i bakar ostaju elementi koje je teško analizirati savremenim instrumentalnim tehnikama uz prihvatljivu granicu detekcije, pouzdanost, preciznost, taĉnost, vreme trajanja analize i prihvatljivu cenu odreĊivanja po jediniĉnom odreĊivanju. U ove svrhe se ĉesto koriste voltametrijske metode analize koje prestavljaju kompromis izmeĊu cene instrumenata, vremena odreĊivanja i cene eksploatacije. Voltametrijski instrumenti su neuporedivo jeftiniji od ĉesto primenjivanih AAS, ICP i ICP-MS tehnika a kao osnovna ograniĉenja mogu se navesti vreme trajanja pojedinaĉne analize i relativno velike smetnje usled interferencije matriksa [2-8]. Za analizu tragova toksiĉnih elemenata u ţivotnoj sredini voltametrijskim metodama do sada su se veoma uspešno koristile radne elektrode od viseće ţivine kapi i elektroda od tankog ţivinog filma (obiĉno na staklastom ugljeniku) [9-11]. MeĊutim, zbog velike toksiĉnosti ţive kao i njenih soli, upotreba ţivinih radnih elektroda se sve više izbegava bez obzira na brojene analitiĉke prednosti koje one imaju. [12]. U ove svrhe se danas koristi veliki broj modifikovanih elektroda koje sa manje ili više uspeha zamenjuju elektrode na bazi ţive. Otuda, Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 2 poboljšanje već postojećih i razvoj novih modifikovanih elektroda, bez primene ţive, ima veliki znaĉaj za razvoj teorijskih osnova elektrohemije, ali i veoma vaţan praktiĉan znaĉaj jer bi omogućilo odreĊivanje toksiĉnih mikroelemenata u ţivotnoj sredini, sa istom selektivnošću i istim ili niţim granicama odreĊivanja u poreĊenju sa već pomenutim elektrodama na bazi ţive. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 3 2. Opšti deo 2.1 Poreklo mikroelemenata u životnoj sredini Mikroelementi mogu dospeti na dva naĉina u ţivotnu sredinu: prirodnim procesima (procesima površinskog raspadanja, fluvijalnim transportom, vulkanskom aktivnošću, atmosferskom depozicijom i erozijom) i kao rezultat aktivnosti ĉoveka. Sadrţaj ovih elemenata u ţivotnoj sredini predstavlja znaĉan indikator njenog kvaliteta [13]. Glavni izvor elemenata u prirodi je Zemljina kora. Deset makroelemenata - kiseonik, silicijuim, aluminijum, gvoţĊe, kalcijum, natrijum, kalijum, magnezijum, titan i fosfor - ĉine preko 99% ukupnog sadrţaja elemenata u Zemljinoj kori. Preostali elementi u periodnom sistemu nazivaju se elementi u tragovima ili mikroelementi i njihove pojedinaĉne koncentracije obiĉno ne prelaze 1000 mg/kg (0,1%), a za najveći broj elemenata koncentracije su manje od 100 mg/kg. Sa naglim nauĉno-tehnološkim razvojem u svim granama privrede, povećana je emisija toksiĉnih mikroelemenata, koji su na taj naĉin postali znaĉajni zagaĊivaĉi ţivotne sredine. Sa povećanjem emisije teških metala, povećavaju se i njihove koncentracije u sedimentima, zemljištu i vodi. Neki od znaĉajnih izvora zagaĊenja ovim elementima su atmosferski talozi, sagorevanje fosilnih goriva, upotreba mineralnih Ċubriva i pesticida, organskih Ċubriva, otpadne vode iz industrije, odlaganje i uništavanje urbanih i industrijskih otpadaka, metalurška industrija, rudnici i topionice obojenih metala (ispušteni otpaci koji dospevaju u vodotokove) i mnogi drugi [14]. Od hemijskih sredstava koji se koriste u biljnoj proizvodnji najznaĉajniji potencijalni zagaĊivaĉi okolne sredine su mineralna Ċubriva i pesticidi (herbicidi, insekticidi, fungicidi). Pesticidima i mineralnim Ċubrivima se u vodu, zemljište i biljke unose teški metali, koji potom dospevaju u organizam ţivotinja i ljudi. Urbano smeće i mulj iz otpadnih voda, kao i blizina industrijskih pogona za preradu ruda, Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 4 topionice metala (Zn, Cu, Pb) i fabrike mineralnih Ċubriva mogu biti znaĉajni zagaĊivaĉi okoline, preko vode, zemljišta ili vazduha (gasovi, dim, ĉaĊ, izduvni gasovi iz vozila). Rudarska aktivnost je jedan od mnogih zagaĊivaĉa prirodne sredine. Metali i metaloidi, kao što su Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Pb i Zn ĉesto se oslobaĊaju u velikim koliĉinama tokom ili nakon rudarske aktivnosti i mogu dovesti do destrukcije vodenih ekosistema [15]. Iako je većina teških elemenata u relativno nedostupnim formama, u interakciji jalovišta sa mikroorganizmima ili kompleksirajućim agensima metali mogu da budu mobilisani u ţivotnu sredinu. U blizini izvora kontaminacije, koncentracija metala moţe biti višestruko veća, a pH moţe opasti za nekoliko jedinica, u poreĊenju sa prirodnim vrednostima [15]. Rezultati analize raspodele i biodustupnosti metala iz zone starog olovnog jalovišta Belt koji je u blizini Velike reke u Misuriju, ukazali su da većina metala postaje bioloski dostupna kao rezultat interakcije jalovišta sa vodenom sredinom. Pokazano je takoĊe da se teški metali u reĉnom sistemu, koji najverovatnije potiĉu iz jalovišta aktivno transportuju rekom i akumuliraju u ţivotnoj sredini [14]. 2.2 Biološka aktivnost i toksičnost pojedinih mikroelemenata (Pb, Cd, Cu) Sa otkrićem da su metali jedan od najĉešćih uzroka bolesti koje se javljaju u ţivim organizmima sve više se obraća paţnja na njihovo odreĊivanje, pošto se dozvoljena donja granica njihove koliĉine u vodama, hrani i drugim stvarima koje imaju dodira sa ţivim svetom, prvenstveno ljudima, sniţava iz godine u godinu. Mehanizam toksiĉnosti metala moţe da bude razliĉit. Metali mogu da blokiraju razliĉite biološke funkcije odreĊenih grupa biomolekula (npr. proteina ili enzima), da zamenjuju esencijalne metalne jone kod biomolekula ili da modifikuju aktivnu formu biomolekula. Elektron-donori koji su najĉešće dostupni za vezivanje sa metalima su amino-, karboksilna- i sulfidna grupa (aktivna mesta najbitnijih enzima ukljuĉena u transport kiseonika i ćelijske energije). Sliĉnosti u toksiĉnosti metala mogu se objasniti u skladu sa klasifikacijom prema reaktivnosti: klasa A, grupa koja ima afinitet prema kiseoniku, klasa B grupa Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 5 koja ima afinitet prema azotu ili sumporu i meĊuklasa (Slika 1.). Prema toksiĉnosti najtoksiĉniji su joni klase B, zatim joni meĊuklase a najmanje toksiĉni su joni klase B. Najtoksiĉnija klasa B ima najširi spektar mehanizama toksiĉnosti. Najefikasniji su kod vezivanja za SH grupe (npr. cistein) i grupa koje sadrţe azot (lizin, histidin imidazol i sliĉni) na katalitiĉki aktivnim centrima enzima. Mogu izmestiti endogene jone u graniĉnoj grupi jona, na primer Zn2+ iz metaloenzima, uzrokujući inaktivaciju enzima kroz konformacione promene. Zajedno sa nekim od graniĉnih jona mogu formitati lipofilna organometalna jedinjenja ukljuĉujući Hg, As, Sn, Tl, Pb, sposobne da prodru kroz ćelijsku membranu i akumuliraju se u ćeliji ili organelama. Neki od njih su redoks aktivni u metaloproteinima (Cu 2+ /Cu +), što moţe da dovede do strukturnih i funkcionalnih promena ovih. Graniĉni joni mogu da izmeste druge endogene graniĉne jone ili jone iz klase A iz biomolekula. Toksiĉnost klase A je u vezi sa zamenom endogenih jona klase A drugim nestabilnim jonom iz iste klase. Procena ekološkog uticaja metala izvodi se u oblasti posmatranja vodenih sistema koji primaju vodu iz rudnika, mulj, industrijski otpad ili mulj sa visokim sadrţajem metala kojima se pripisuje toksiĉnost. Najinteresantniji su svakako Pb i Cd sa ekotoksikološkog aspekta. Oni nisu esencijalni, nemaju nikakvu poznatu metaboliĉku ulogu (njihovo prisustvo u organizmu je posledica iskljuĉivo kontaminacije), imaju visok odnos antropogenog i prirodnog unosa u organizam i oni su endokrini disruptori i imunosupresori. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 6 Slika 1. Klasifikacija metala prema toksiĉnosti 2.3 Olovo Olovo je toksiĉan metal koji moţe da ošteti nervne veze (naroĉito kod dece), a uzrok je poremećaja u krvi i mozgu. Trovanje olovom najĉešće je posledica konzumiranja hrane ili vode kontaminirane olovom, ali se moţe javiti i nakon sluĉajnog uzimanja kontaminirane prašine ili iz boja. Dugoroĉna izloţenost jedinjenjima olova (naroĉito dobro rastvorljivim, ili jakim oksidantima kao što je PbO2) moţe da izazove nefropatiju ili da dovedi do velikih bolova u stomaku. Dejstvo olova je isto bez obira da li ulazi u organizam kroz disajne organe ili gutanjem. Olovo moţe da deluje na sve organe i sisteme organa u ljudskom telu bez obzira da li je reĉ o odraslom ĉoveku ili detetu, a glavna meta mu je nervni sistem [16-18]. Dugotrajna izloţenost moţe da smanji performanse u nekim testovima koji mere funkciju nervnog sistema. To moţe da dovede do slabosti u prstima, zglobovima ili gleţnjevima. Izlaganje olovu moţe takoĊe da izazove malo povećanje krvnog pritiska Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 7 i da izazove anemiju, kod sredoveĉnih i starijih ljudi pre svih. Izlaganje većim koncentracijama dovodi do oštećenja mozga i bubrega kod odraslih i kod dece i na kraju da uzrokuje smrt. Kod trudnica visok nivo olova moţe da dovede do pobaĉaja. U ljudskom telu olovo inhibira porfobilinogen sintazu i ferohelatazu, spreĉava sintezu oba porfobilinogena i inkorporaciju gvoţĊa u protoporfirin IX, i na kraju sintezu hema. U sluĉaju da ne dolazi do pravilne sinteze hema moţe da doĊe do anemije. U niţim koncentracijama ponaša se kao analog kalcijumu i ometa provodljivost jona u nervnim kanalima. Akutno trovanje olovom leĉi se sa dinatrijum- kalcijum-EDTA [19-21]. Ovaj helatni agens ima veći afinitet prema olovu nego prema kalcijumu, što dovodi do izmene, a nakon toga se izluĉuje kroz urin ostavljajući bezopasni kalcijum u organizmu. Slika 2. Purbeovi dijagrami olova u nekompleksirajućoj vodenoj sredini (perhlorna kiselina/natrijum hidroksid) Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 8 2.4 Kadmijum Kadmijum nema poznatu korisnu ulogu kod viših organizama, ali je kadmijum-zavisna karbon-anhidraza pronaĊena kod nekih morskih organizama. Ovi organizmi ţive u oblasti sa veoma niskim sadrţajem cinka tako da kadmijum obavlja njegovu ulogu u razliĉitim anhidrazama. Ovo je otkriveno korišćenjem rendgenske fluorescentne spekroskopije. Najopasniji oblik izlaganja kadmijumu je udisanje prašine i isparenja koja ga sadrţe ili gutanje rastvorljivih soli. Inhaliranjem para koje sadrţe kadmijum dovodi do groznice, plućnog edema i na kraju do smrti. Kadmijum je takoĊe opasan i po ţivotnu sredinu. Glavni uzroci postojanja kadmijuma u ţivotnoj sredini su sagorevanje fosilnih goriva, fosfatnih Ċubriva, prirodni izvori, proizvodnja gvoţĊa i ĉelika, proizvodnja cementa, proizvodnja obojenih metala kao i spaljivanje komunalnog otpada. Do sada je poznato nekoliko sluĉajeva trovanja kadmijumom. Deceniju pred drugi svetski rat japanski rudnik je kontaminirao reku Janzu sa kadmijumom i drugim toksiĉnim metalima. Kao posledica toga kadmijum se akumulirao u usevima pirinĉa koji se nalaze duţ reke nizvodno od rudnika. Kod nekih ĉlanova lokalnih zajednica razvila se itai-itai bolest i došlo je do bubreţnih abnormalnosti, ukljuĉujući proteinuriju i glukozuriju. Ţrtve ovog trovanja su najviše ţene u menopauzi sa niskim sadrţajem gvoţĊa i drugih minerala. Upotreba kadmijuma je zabranjena Direktivom Evropske unije o opasnim supstancama, koja zabranjuje upotrebu kadmijuma u elektronskoj i elektriĉnoj industriji. Pušenje duvana je najvaţniji pojedinaĉni izvor izlaganja kadmijumu. Procenjeno je da se oko 10% kadmijuma iz cigareta udahne prilikom pušenja. Apsorpcija kadmijuma kroz pluća je mnogo efikasnija nego kroz creva, a ĉak 50% udahnutog kadmijuma preko duvanskog dima moţe da se apsorbuje [22-24]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 9 Slika 3. Purbeov dijagram kadmijuma u vodi. U proseku pušaĉima je 4 do 5 puta veći sadrţaj kadmijuma u krvi i 2 do 3 puta veći sadrţaj u bubrezima nego kod nepušaĉa. Uprkos visokom sadrţaju kadmijuma u duvanskom dimu postoji mala opasnost od izloţenosti kadmijumu kod pasivnog pušenja. Malo veći sadrţaj kadmijuma je otkriven kod dece prilikom izlaganja pasivnom pušenju. 2.5 Bakar Bakar(II) joni su rastvorljivi u vodi, a u malim koncentracijama deluju antibakterisjki, fungicidno i kao konzervansi drveta. U većim koncentracijama soli bakra su otrovne za više organizme, a u takvim uslovima potrebno je pratiti ishranu biljnog i ţivotinjskog sveta. Bakar se u ljudskom organizmu najĉešće nalazi u jetri, misićima i kostima. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 10 2.5.1 Bioloska uloga bakra Bogati izvori bakra ukljuĉuju ostrige, govedinu, jagnjetinu, brazilski orah, melasu, kakao i crni biber. Dobri izvori su jastozi, orasi, semenke suncokreta, zelene masline, avokado i pšeniĉne mekinje. Proteini koji imaju bakar u sebi imaju razliĉitu ulogu u organizmu u transportu elektrona i kiseonika, za procese koji se baziraju na lakom prelazu bakra(I) u bakar(II), tako da je biološka upotreba bakra krenula sa pojavom kiseonika u Zemljinoj kori. Protein hemocijanin je nosilac kiseonika i većini mekušaca i nekih zglavkara poput kraba. Hemocijanin je plave boje tako da ovi organizmi imaju plavu krv a ne crvenu kao kod organizama kod kojih ovu ulogu obavlja hemoglobin [24-26]. Bakar je takoĊe sastavni deo proteina koji su povezani sa obradom koseonika u organizmu. Bakar se takoĊe nalazi u većini superoksid dizmutaza, proteinima koji razgraĊuju superokside do kiseonika i vodonik-peroksida. 2 HO2 → H2O2 + O2 Neki proteini, kao što je “plavi bakarni protein”, ne reaguju direktno sa supstratom, prvenstveno što oni nisu enzimi. Ovi proteini oslobaĊaju elektrone u procesu koji se zove prenos elektrona. Fotosinteza funkcioniše na transportu elektrona unutar tilakoid membrane. Centralna karika u ovom lancu je plastocijanin, plavi bakarni protein. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 11 Slika 4. Purbeov dijagram bakra u vodi 2.5.2 Potrebe u ishrani Bakar je esencijalni mikroelement u biljkama i ţivotinjama ali ne i svim mikroorganizmima. Ljudsko telo sadrţi nivo bakra od 1,4 do 2,1 mg po kilogramu telesne teţine. Drugaĉije reĉeno, minimalno dnevno unošenje bakra za normalno funkvionisanje tela je 0,97 mg dnevno. Bakar se adsorbuje u crevima, a zatim se transportuje do jetre i veţe za albumin. Unosi se u organizam putem plazma proteina koji se zove ceruloplazmin gde se kontroliše njegov mehanizam i izluĉuje u ţuĉ [27]. Zbog svoje uloge u olakšanom uzimanju gvoţĊa, nedostatak bakra moţe da dovede do simtpoma sliĉnih anemiji, neutropeniji, abnormalnosti u koštanom sistemu, hipopigmantaciji, poremećaja u rastu, povećanu mogućnost infekcija, osteoporozu i abnormalnosti u metabolizmu glukoze i holesterola. Nasuprot tome akumulacija bakra u tkivima naziva se Vilsonova bolest. Razliĉite soli bakra su uzimane prilikom pokušaja samoubistava i ubistava da bi se proizvela akutna toksiĉnost kod ljudi, verovatno zbog njegove uloge u redoks Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 12 ciklusima u organizmu i generisanja reaktivnih kiseoniĉnih vrsta koje oštećuju DNK. Odgovarajuća koliĉina soli bakra koja je toksiĉna kod ţivotinja je 30 mg/kg. Minimalna koliĉina koja je potrebna za pravilan rast kunića je najmanje 3 ppm u ishrani. MeĊutim pokazano je da i veća koliĉina od ĉak 100, 200 i 500 ppm povoljno utiĉe na efikasnu proizvodnju, stopu rasta i razmnoţavanje [1, 28]. Hroniĉno trovanje bakrom se ne dešava kod ljudi ĉesto zbog njihovih transportnih sistema i regulisane adsorpcije i izluĉivanja. Autosomatske mutacije tranportnih proteina bakra mogu da onemoguće ove sisteme i dovedu do akumulacije bakra (Vilsonova bolest) i ciroze jetre što se javlja kod osoba koje su nasledile dva defektna gena. 2.6 Metode za određivanje sadržaja bakra, olova i kadmijuma u vodi Zbog štetnosti mikroelemenata za ţivotnu sredinu i ĉoveka, do danas su se razvile razne metode za detekciju njihovih niskih sadrţaja. Prema naĉinu i instrumentaciji po kojoj rade, ove metode moţemo podeliti u dve osnovne grupe: klasiĉne metode (volumetrijske tehnike, gravimetrija) i instrumentalne metode. Bakar se klasiĉnim postupcima najĉešće odreĊuje jodometrijskom metodom, koja se zasniva na oksido-redukcionoj reakciji bakra sa jodidom, a zatim nastalog joda sa natrijum-tiosulfatom [29]. Gravimetrijsko odreĊivanje ovih metala svodi se na gradjenje njihovih soli ili oksida i izraĉunavanje njihove koncentracije raĉunskim putem [30]. Veoma korisna klasiĉna metoda je kompleksometrijska titracija. Zbog svog trajanja i granice detekcije danas se sve više koriste instrumentalne metode koje omogućuju brţe, preciznije, a samim tim i jeftinije odreĊivanje. Spektrofotometrijski su bakar [31] i kadmijum [32] odreĊivali Jankiewicz i saradnici. Sem ove tehnike dosta korišćena je i metoda atomsko apsorpcione spektrometrije [33, 34], kao i indukovano kuplovane plazme sa optiĉkim emisionom spektrometrijom [35-37]. Od svih poznatih elektroanalitiĉkih tehnika danas se za odreĊivanje sadrţaja mikroelemenata najviše koriste metode sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 13 [37-39] i potenciometrija [40-43]. Pored ovih metoda postoji još veoma veliki broj naĉina za odreĊivanje sadrţaja ovih mikroelemenata u vodi i drugim matriksima. 2.7 Elektrohemijske tehnike Veliki napredak u razumevanju elektrohemijskih procesa dolazi sa razvojem tehnika i instrumentacije za prouĉavanje elektrohemijskih reakcija i reakcija ne površini elektrode. Jednostavne elektroanalitiĉke tehnike se mogu podeliti u tri grupe: potenciometrija, konduktometrija i voltametrijsko/amperometrijske tehnike. Najĉešća je upotreba trećeg tipa elektroanalitiĉkih tehnika, koje se generalno nazivaju i dinamiĉka elektrohemija, mada se sve ĉešće daje znaĉaj potenciometrisjkim analizama zbog sve većih napredaka na polju jon selektivnih elektroda (ion selective electrode, ISE) probijajući granicu detekcije ispod pikomolarnog (pM) nivoa [44, 45]. Sem toga potenciometrijske metode se koriste i u skenirajućoj elektrohemijskoj mikroskopiji (SECM) a pojedini biosenzori rade na potenciometrisjkom principu. Elektrohemija je široko polje i obuhvata one procese koji se dešavaju na granici izmeĊu dve faze. Transfer elektrona sa metalne elektrode na aktivne redoks vrste u rastvoru elektrolita, kao i transfer jona iz vodene faze u organsku fazu, primeri su elektrohemijske reakcije. Prvi sluĉaj je najĉešći primer elektrohemijske reakcije, meĊutim proces transfera jona je od velikog interesa za mnoga podruĉja ispitivanja, na primer u ćelijskim procesima [46] kao i u transferu elektrona u polimerom modifikovanim elektrodama [47]. Ispitivani sistem je generalno jedna faza ali je vaţno napomenuti da se takav sistem ne moţe ispitivati eksperimentalno. Potrebno je ispitati celu elektrohemijsku ćeliju koja ukljuĉuje nekoliko razliĉitih faza zajedno. U najjednostavnijem sluĉaju elektrohemijska ćelija ukljuĉuje dve elektrode uronjene u elektrolit. Razlika u elektrodnom potencijalu izmeĊu njih se meri obiĉno voltmetrima sa velikim otporom. Ukupni ćelijski potencijal predstavlja posebne promene potencijala koje se dešavaju prilikom svakog transfera naelektrisanja u ćeliji. U principu promenu potencijala jedne elektrohemijske ćelije kontrolišu i pravac i kinetika prenosa naelektrisanja. Iz toga sledi da je kontrola i merenje potencijala Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 14 elektrohemijske ćelije veoma vaţan aspekt u eksperimentima koji obuhvataju dinamiĉku elektrohemiju. Za dvoelektrodnu ćeliju, ukupnu reakciju ĉine dve polureakcije koje ukljuĉuju procese na dve elektrode. Obiĉno se jedan od ovih procesa dešava na radnoj (u dinamiĉkoj elektrohemiji) ili na indikatorskoj elektrodi (u potenciometriji). Druga elektroda, koja se naziva referentna elektroda, sluţi da obezbedi konstantan sastav tako što odrţava konstantan-referentni potencijal. Zasićena kalomelova elektroda (ZKE), prikazana na slici 5, u prošlosti je najĉesće primenjivana referentna elektroda za vodene rastvore. Slika 5. Zasićena kalomelova elektroda [47] Polureakcija koja se odvija na ovoj elektrodi predstavlja se ovako: Hg2Cl2 + 2e ↔ 2Hg + 2Cl - Upotreba zasićenog (i ĉvrstog) KCl u ovoj elektrodi obezbeĊuje da koncentracija Cl - ostaje konstantna. Redukcija Hg2Cl2, po gornjoj jednaĉini (s leva na desno) dovodi do proizvodnje Cl - , ali to ne utiĉe na njegovu koncentraciju, zbog Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 15 dodatog KCl. U istoj reakciji s desna na levo (oksidacija Hg i formiranje Hg2Cl2) dolazi do utroška Cl-, ali se to rešava sa rastvaranjem ĉvrstog KCl. Potrebno je napomenuti da i Hg2Cl2 i Hg imaju jediniĉnu aktivnost. Zbog ovoga je znaĉajno da se razviju notifikacije (oznake) za elektrohemijske ćelije i polućelije. Polućelija se, tada, šematski moţe prikazati na sledeći naĉin: Hg│Hg2Cl2│KCl (aq, zasićeni) Vertikalna linija ovde predstavlja granicu izmeĊu dve faze. Ako jedna od faza ima više komponenata onda se odvajaju zapetom. Danas se zbog toksiĉnosti ţive najĉešće primenjuje srebro/srebrohloridna elektroda. Srebro-srebrohloridna elektroda se šematski oznaĉava + - + -Ag/Ag Cl /K Cl ili -Ag/AgCl/Cl i sastoji se od srebrne ţice uronjene u rastvor AgCl (presvuĉene sa AgCl ), a kao elektrolit se obiĉno koristi zasićeni rastvor KCl . Slika 6. Srebro-srebrohloridna elektroda [85] Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 16 Osnovu srebro-srebrohloridne elektrode predstavlja srebrna ţica uronjena u rastvor srebrnih jona i njen potencijal u svakom sluĉaju zavisi od koncentracije ovih jona. MeĊutim, kako je u rastvoru prisutna i teško rastvorna so odnosno srebro-hlorid onda će koncentracija srebrnih jona zavisiti od proizvoda rastvorljivosti srebro- hlorida. Kada se Nernstova jednaĉina sredi dobija se da potencijal srebro- srebrohloridne elektrode zavisi od koncentracije hloridnih jona. + 0 + Ag /Ag E=E +0,059log[Ag ] , + -Ksp=[Ag ][Cl ] -10 - 10 E=0,80+0,059log [Cl ] -10 - AgClE =0,80+0,059log10 -0,059log[Cl ] 0 - AgCl AgClE =E -0,059log[Cl ] - AgClE =0,20-0,059log[Cl ] Kao što je već navedeno ova elektroda se uobiĉajeno koristi kao referentna elektroda pri potenciometrijskim merenjima. Referentna elektroda ima osobinu da ne menja svoj potencijal kada se optereti malim anodnim ili katodnim strujama. Ukoliko se ova elektroda optereti katodno malim gustinama struje (nametne joj se negativniji potencijal od ravnoteţnog) doći će do elektrohemijskog izdvajanja srebrnih jona iz rastvora na srebrnu ţicu što za posledicu ima smanjenje koncentracije (aktiviteta) srebrnih jona. Na osnovu Nernstove jednaĉine jasno je da ova promena moţe dovesti do promene potencijala elektrode. MeĊutim, kao odgovor na ovu promenu dolazi do rastvaranja nove koliĉine teško rastvornog srebro-hlorida i na taj naĉin se kompenzuje Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 17 smanjenje koncentracije srebrnih jona, odnosno elektroda odrţava konstantan potencijal. Sa druge strane, ako se elektroda optereti anodno malim gustinama struje (polarizuje se pozitivnijim potencijalom) dolazi do anodne oksidacije srebra odnosno do povećanja koncentracije srebrnih jona na šta elektroda reaguje taloţenjem nove koliĉine srebro-hlorida i na taj naĉin odrţava stalni potencijal [85]. Potrebno je znati da je internacionalna standardna referentna elektroda - standardna vodoniĉna elektroda (SVE), nekada pominjana kao normalna vodoniĉna elektroda (NHE), u kojoj sve komponente imaju jediniĉnu aktivnost ( a=1): Pt│H2 (a=1)│H + (aq, a=1) Korišćenje ove elektrode u praksi veoma je teško, ali je njenom potencijalu pripisana vrednost 0, pa se potencijal svih ostalih elektroda striktno daju prema njoj. Kada se konstruiše ćelija kombinacijom dve polućelije, prema konvenciji se uvek podrazumeva da se na elektrodi prikazanoj na desnoj strani odvija redukcioni (katoda), a na elektrodi prikazanoj na levoj strani oksidacioni proces (anoda). Primer toga je sledeća jednaĉina: Pt│H2 (a=1)│H + (aq, a=1) ││Ag+ (a=1) │Ag gde je desna strana redukcija srebra: Ag+ + e → Ag a leva strana oksidacija vodonika ½ H2 – e → H + U ovom sluĉaju, ćelijski potencijal je +0,799 V na 298 K. Ta vrednost predstavlja standardni potencijal Ag +/Ag para, tj., drugim reĉima, standardni potencijal redukcije Ag + do Ag je 0,799 V prema SVE. Sa druge strane, ako bi ćelija Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 18 bila napisana obrnuto, imala bi potencijal od -0,799V, što govori da je Ag elektroda negativna i da je -0,799 V prema SVE oksidacioni potencijal za prelazak Ag u Ag + . Iz toga sledi da potencijal svake ćelije (Ećelije) iznosi: Ećelije = EDRE – ELRE gde EDRE i ELRE predstavljaju desnu i levu stranu elektroda (katodu i anodu). Proces koji se spontano dešava u elektrohemijskoj ćeliji ima pozitivni potencijal. Ećelije definiše maksimum slobodne energije ΔG koji ćelija moţe da obezbedi: ΔG= - nFEćelije gde je n broj elektrona koji se razmenjuju u redoks procesu a F faradejeva konstanta (96485 Cmol -1 ). Pod standardim uslovima, kada sve supstance imaju jediniĉnu aktivnost: ΔG0= - nFE0ćelije gde je E 0 ćelije standardni ćelijski potencijal. Suprotno potenciometriji, gde se meri potencijal elektroda (bez prolaska struje), u dinamiĉkoj elektrohemiji potencijal radnih elektroda u većini sliĉajeva je kontrolisan prema referentnoj elektrodi i meri se rezultujuća struja. Ima izuzetaka u novijim metodama koje su se razvile, kao što je hronopotenciometrija [48], u kojoj se generiše konstantna struja a meri promena potencijala radne elektrode. Obzirom da je potencijal referentne elektrode stalan, da bi se saznalo šta se dešava sa promenom potencijala zadatog radnoj elektrodi - potrebno je poznavati strukturu energetskih nivoa same elektrode, tzv. Fermijeve nivoe. Na primer, zadavajući elektrodi negativan potencijal povećava se energija elektrona, a Fermijev nivo će biti postignut kada elektroni prelaze sa elektrode na upraţnjena mesta jona ili molekula, kao što se vidi sa slike 7a. To znaĉi da teĉe redukcioni proces. Suprotno, ako se elektrodi zada pozitivan potencijal situacija se menja i elektroni prelaze sa aktivnih mesta jona ili molekula iz Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 19 rastvora na elektrodu i tada teĉe proces oksidacije kao što se vidi na slici 7b. Elektrodni potencijal na kom se ovo dešava trebao bi striktno da bude definisan sa standardnim potencijalom redoks procesa koji se dešava, a dok bi struja koja teĉe trebalo da odgovara kinetici reakcije. Slika 7. Shema heterogenog elektron transfera za (a) redukcioni i (b) oksidacioni proces [48] 2.8 Potenciometrija Suprotno amperometrijskim metodama, u potenciometriji ne dolazi do promene analita. Glavna uloga potenciometrije je da meri ravnoteţnu koncentraciju (pravilnije aktivitet) ciljanog analita u skladu sa Nernstovom jednaĉinom, gde postoji Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 20 relacija izmeĊu ćelijskog potencijala i koncentracije (aktiviteta). Za ovu svrhu se uzima jednaĉina desne strane ćelije, sa SVE kao drugom elektrodom i taj proces se moţe napisati kao: υoO + ne ↔ υRR gde nam υi (i= O ili R) predstavljaju stehiometrijske koeficijente. Ukupna reakcija u ćeliji se definiše kao: υoO + (n/2)H2 ↔ υRR + n H + Slobodna energija ovog procesa je data sledećom jednaĉinom [49]: exp 2 nF E RT         Obzirom da je aktivitet H + i H2 u SVE jediniĉna iz prethodnih jednaĉina sledi: 0 ln R o R o aRT E E nF a     Nernstova jednaĉina, opisuje potencijal O/R para kao funkciju aktiviteta O i R. TakoĊe je moţemo napisati i u funkciji koncentracija:     0 ln ln R R oo R o RyRT RT E E nF y nF O      gde je γi (i = O ili R) koeficijent aktiviteta. U uslovima kada je aktivnostt konstantna (na primer u sistemima sa visokom koncentracijom pomoćnog elektrolita), moţemo da uvedemo formalni potencijal, E 0‟ O/R para: Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 21 '0 0 ln R o R o yRT E E nF y     što pojednostavljuje Nernstovu jednaĉinu:     '0 ln R o RRT E E nF O     koja moţe da se napiše i kao logaritamska zavisnost:     '0 10 2,303 log R o RRT E E nF O     Analizirajući prelogaritamski deo, vidimo da nam se potencijal ćelije menja sa koncentracijom ±59/n mV (na 298 K) za dekadnu promenu koncentracije bilo O ili R vrste ( za υO = υR = 1), što predstavlja osnovu analitiĉke potenciometrije. Praktiĉan primer jednog O/R para bi bio sistem Fe3+/Fe2+ u vodenom rastvoru. Da bi se snimio potencijal takvog sistema kao indikatorska elektroda se obiĉno koristi elektroda od nekog inertnog metala kao što je platina. Postoje brojni drugi primeri potenciometrijskih elektroda, ukljuĉujući metal u kontaktu sa rastvorom koji sadrţi odgovarajući metalni jon, kao što je sluĉaj sa Ag│Ag+ elektrodom. Ova elektroda, koja pripada prvom tipu (redu) elektroda, odgovara na koncentraciju jona Ag + u rastvoru. Elektrode drugog tipa imaju dve granice faza. Za njih se kao elektrolit uzima teško rastvorna so tog metala u nekom elektrolitu koji ima isti anjon kao i teško rastvorna so, a drugu vrstu katjona. Najpoznatiji primeri ove vrste elektroda su Ag│AgCl│Cl- elektroda, i već ranije pominjana zasićena kalomelova elektroda (ZKE). Najbolje izuĉene jon selektivne elektrode (ion-selective electrode, ISE) jesu pH elektrode [50, 51], kod kojih tanka staklena membrana (dimenzije 50 µm) odvaja unutrašnji rastvor poznatog pH od spoljašnjeg ĉiji se pH odreĊuje [52]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 22 Funkcionisanje ove elektrode je komplikovano, staklena membrana (njen sloj od 50nm) sa svake strane membrane uĉestvuje u razmeni protona sa jonima Na+, K+, Li+ [18,19] u zavisnosti od kog stakla je napravljena membrana i promena njihove koncentracije je proporcionalna vrednosti pH rastvora. Selektivna membrana moţe biti i pojedinaĉan kristal, kao sto je kod fluoridne elektrode [53, 54] primer kristala LaF3 dopovanog sa EuF2. Ova elektroda pokazuje odliĉnu selektivnost sa µM granicom detekcije, zasnovanu na veoma niskoj rastvorljivost LaF3 u vodi. Jedini ometajući supstrat moţe da bude OH - . Najsvestraniju klasu potenciometrijskih jon selektivnih elektroda zauzimaju elektrode sa polimernom i teĉnom membranom, prilagoĊene da selektivno reaguju na specifiĉan primarni jon [54-60]. Polimerne membrane se obiĉno zasnivaju na plastifikatoru polivinil-hloridu ili silikonskoj gumi. Kao i druge membrane one sluţe da odvoje jon od interesa konstantne koncentracije od spoljašnje teĉnosti koja sadrţi taj isti jon nepoznate koncentracije koju treba odrediti. Membranski materijal treba da se napravi tako da ima odgovarajuće predispozicije da reaguje selektivno sa jonom od interesa. Odgovorom ovakvih elektroda rukovode dve faze: kinetika i termodinamika vezivanja domaćina (jonofore) i gosta (ispitivanog jona) [57-60]. Aktivne komponente membrane mogu biti i jonoizmenjivaĉke membrane ili neutralni provodnici, kao što su makrocikliĉna jedinjenja. Razliĉiti aktiviteti kroz membranu proizvode slobodnu energiju a samim tim i potencijalsku razliku: int ln ext i m i i aRT E z F a  gde je ai ext i ai int aktivnost jona od interesa, i ( naelektrisanja zi) sa unutrašnje i spoljašnje strane membrane. Prepoznavanje ovog jona sa svake strane membrane generiše razliku potencijala koja se meri sa dve razliĉite referentne elektrode koje se nalaze sa obe strane membrane, kao što je shematski prikazano na slici 8. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 23 U praksi je aktivnost ispitivanog jona u unutrašnjem rastvoru ISE konstantna, tako da potenciometrijski odgovor ćelije poredeći korišćenu ISE i referentnu elektrodu se opisuje izrazon: ln( )extćelije i i RT E const a z F   Slika 8. Princip rada membranske ISE. Potencijalska razlika izmeĊu referentnih elektroda sa obe strane membrane se odreĊuje. U prikazanom sluĉaju jon koji se odreĊuje je katjon koji selektivno reaguje sa membranom [44]. Konstanta u prethodnoj jednaĉini obuhvata sve doprinose potencijala ćelije koji su invarijantni i ta vrednost je jedinstvena za svaku ćeliju. Ova jednaĉina predstavlja idealan sluĉaj u kome ISE daje selektivan odgovor na samo jedan jon. U praksi, ometajući joni, j (naelektrisanja zj) mogu da utiĉu na potencijal ćelije. Pod pretpostavkom da imamo linearan koncentracioni gradijent u membrani, dobijamo Nikolski-Ejmanovu jednaĉinu [61, 62] za potencijalsku razliku: Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 24 /*ln ext Zi Zjćelije i ij j ji RT E const a K a z F          gde je Kij potenciometrijski selektivni koeficijent. Slika 9. Pokazuje nam kako se menja odnos potencijala i aktiviteta (koncentracije) jona koji se odreĊuje, ai, u sluĉaju kada ometajući jon ima isto naelektrisanje. Jasno, sa povećanjem proizvoda Kijaj dolazi do odstupanja od Nernstove jednaĉine na višim koncentracijama a detekcioni limit date ISE opada. Slika 9. Uticaj ometajućeg jona na odgovor ISE, naelektrisanje jona je isto. Podrazumeva se da ćelijski potencijal ima vrednost nula za jediniĉnu aktivnost ispitivanog jona [44]. Konvencionalne ISE imaju nernstovski odgovor za opseg koncentracija obiĉno od 10 -1 do 10 -5 M, sa odstupanjem od linearnosti obiĉno u opsegu 10-5-10-6 M. Znaĉajan napredak u sniţavanju granice detekcije na ispod 10-6, postignut je kada se saznalo da najveći uticaj na detekcioni limit ovakvih elektroda ima difuzija jona iz unutrašnjeg rastvora kroz membranu do spoljašnjeg rastvora [44, 45]. Unutrašnji rastvor je obiĉno imao koncentraciju oko 1 – 10 mM da bi se obezbedila konstantna koncentracija u unutrašnjosti elektrode. MeĊutim, sa mnogo niţom koncentracijom u Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 25 ispitivanom rastvoru, dolazi do velike sile difuzije iz unutrašnjosti elektrode ka ispitivanom rastvoru. Takva „‟curenja‟‟ doprinose mikromolarnom detekcionom limitu i spreĉavaju elektrodu da spusti granicu detekcije ispod tog nivoa. Jednostavnim smanjivanjem koncentracije unutrašnjeg elektrolita pokazano je da detekcioni limit moţe da se spusti na nivo od 10 nM [45]. Da bi se postigao pM detekcioni limit, proces „‟curenja‟‟ se minimizira procesom jonske izmene („‟baferovanjem‟‟) unutrašnjeg rastvora, uvodeći primarni i sekundarni jon [44], ĉime se smanjuje koncentracija primarnog jona u unutrašnjem rastvoru ISE. To je stvorilo tok primarnih jona kroz unutrašnji rastvor, a proces izmene jona obezbeĊuje konstantnim njegovu koncentraciju u unutrašnjem delu elektrode. Slika 5. nam pokazuje tipiĉnu potencionetrijsku zavisnost za Pb2+ jon selektivnu elektrodu sa unutrašnjim sastavom elektrolita 10-3 M PbCl2 : 0,1 M MgCl2 u odnosu 1:1, u odnosu na standardnu elektrodu koja u svom unutrašnjem rastvoru ima 0,1 M Pb(NO3)2 u 0,05 M EDTA. Odavde se vidi da je granica detekcije date elektrode na 10 -12 M za razliku od druge koja ima granicu detekcije na µM nivou, što se moţe iskoristiti u nekim drugim poljima elektrohemije kao što su potenciometrijski biosenzori. Slika 10. Kalibraciona kriva za Pb 2+ , za konvencionalnu elektrodu (prazni krugovi) i za elektrodu napunjenu sa jonoizmenjivaĉkim rastvorom [44]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 26 2.9 Dinamička elektrohemija Kao što je već ranije napomenuto dimaniĉka elektrohemija podrazumeva primenu potencijala radne elektrode, u odnosu na referentnu, da bi se obezbedio transfer elektrona sa elektrode u ispitivani rastvor. Pored tog, postoji varijanta u kojoj se koriste dva razliĉita rastvora elektrolita gde radna elektroda sluţi da obezbedi redoks reakciju ili protok struje, a istraţivanja na ovom polju proširuju opseg vrsta koji se mogu detektovati dinamiĉkom elektrohemijom [63, 64]. Osnovno pitanje u dimaniĉkoj elektrohemiji jeste - šta nam predstavlja struja I koja teĉe? Po definiciji struja je: I= dq/dt gde nam q predstavlja naelektrisanje koje prolazi po jedinici vremena, t. Naelektrisanje je u prostoj relaciji sa brojem molova reagensa koji se menja pri elektrolizi, N, po Faradejevom zakonu: N=q/nF Iz toga sledi da je brzina reakcije u direktoj vezi sa strujom: dN/dt= 1/F*dq/dt= I/nF Obzirom da se elektrohemijski proces dešava na površini elektrode, A, treba brzinu izraziti kao površinski fluks j0, (mol m -2 s -1 ) j0= 1/A* dN/dt= ī/nF U ovoj jednaĉini gustina struje je ī=I/A. Iz ovoga sledi da u dinamiĉkoj elektrohemiji nametnuti potencijal radne elektrode predstavlja pokretaĉku snagu za transfer naelektrisanja (obiĉno transfer Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 27 elektrona) i da je struja koja teĉe mera brzine reakcije. Elektrohemijski eksperimenti ovog tipa klasifikuju se kao voltametrija ili amperometrija i tu imamo neke od najvaţnijih tehnika u elektrohemiji. Jedina razlika kod ovih tehnika je u tome kako se potencijal zadaje radnoj elektrodi, reţimu transporta masa i kod njih se meri trenutna promena struje. Na primer cikliĉna voltametrija koristi trouglasti talasni oblik u funkciji vremena a signal koji dobijamo je struja u funkciji od zadatog potencijala. U najjednostavnijoj situaciji voltametrijska merenja se vrše u ćeliji koja je prikazana na slici 11. Potencijal se zadaje radnoj elektrodi u odnosu na referentnu i meri se struja. Zadati potencijal, Ez, menja se oštro po granicama faza u ćeliji i moţe se napisati da je Ez= (Φwe – Φsol) + (Φsol – Φref) + iRsol Ez = (Φwe - Φref) + iRsol gde nam Φwe, Φsol i Φref predstavljaju potencijal radne elektrode, rastvora i referentne elektrode, redom. Proizvod iRsol nam predstavlja term koji se odnosi na otpor koji se stvara pri prolasku struje kroz elektrolit. Slika 11. Shema jednostavnog dvoelektrodnog sistema za dimaniĉku elektrohemiju [67]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 28 Ovakav tip aparature kao što je prikazan na slici 11. moţe se jedino koristiti kada se mere male jaĉine struje ( 100 nA i manje), prvenstveno za eksperiment u kojima se koriste mikroelektrode (ili ultramikroelektrode). Zahtev da budu male struje je iz dva razloga, da bi ĉlan u jednaĉini koji odgovara omskom otporu bio zanemarljiv i da bi se osigurale minimalne promene potencijala referentne elektrode, što bi onemogućilo zadrţavanje stabilnosti potencijala referentne elektrode. Ĉlan u jednaĉini koji odgovara omskom otporu se moţe minimizirati smanjivanjem otpora elektrolita što je moguće više, na primer dodatkom pomoćnog elektrolita da bi se povećala provodljivost samog elektrolita. To nam takoĊe osigurava da se smanji migracija ispitivanog analita kao i da se cela promena potencijala desi na dovoljno kratkoj razdaljini od granice faza površina elektrode/ rastvor. Za eksperimente gde imamo veće intenzitete struja, i kada se koriste elektrode sa većom površinom potrebno je da se koristi troelektrodni sistem kao što je prikazano na slici 12. i potrebna je upotreba potenciostata. Dodatak radnoj i referentnoj elektrodi je pomoćna elektroda. Ona se dodaje da bi kontrolisala zadati potencijal izmedju radne i referentne elektrode i da bi se spreĉio prolaz struje kroz referentnu elektrodu tako da struja koja se meri na radnoj elektrodi odgovara samo promeni analita. Proces koji se dešava na pomoćnoj (counter) elektrodi je obiĉno elektroliza pomoćnog elektrolita ili rastvaraĉa tako da struja teĉe bez potrebe za visokim nadnaponom. Uslov za ovo je da pomoćna elektroda ima veliku površinu u odnosu na radnu. Da bi se smanjile greške u zadatom potencijalu zbog nekompenzovanog otpora referentna elektroda moţe da se spoji sa ispitivanom rastvorom preko usle staklene cevi koja se naziva Ludţinova sonda ( Luggin probe) koja se postavlja blizu površine radne elektrode [65]. Optimalna razdaljina je oko dve širine sonde što smanjuje pad napona zbog nekompenzovanog otpora izmeĊu radne i referentne elektrode [66, 67]. Postavljanje ove sonde bliţe i dalje smanjuje ovaj term ali se javljaju problemi sa putem struje i smeta njenoj trenutnoj distribuciji. Ovo je takoĊe vaţno da ona ne bi onemogućavala transport masa, što je veoma bitno kod transporta analita do površine elektrode. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 29 Slika 12. Troelektrodni sistem za eksperimente u dimaĉkoj elektrohemiji [68]. Sem ovoga postoje i razni drugi procesi koji se dešavaju na površini elektrode koji se vide na slici 13. To su sledeci procesi: 1. Transfer masa ĉestica analita izmeĊu rastvora i površine elektrode 2. Heterogeni prenos elektrona na dodirnoj površini elektroda/rasrvor 3. Hemijska reakcija 4. Reakcije na površini elektrode kao što su adsorpcija, desorpcija i depozicija i rastvaranje. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 30 Slika 13. Procesi koji prate reakciju na elektrodi [68]. Najjednostavniji elektrodni proces ukljuĉuje samo korake 1 i 2, na primer u sluĉaju redoks para Ru(NH3)6 2+/3+. Kao što je već ranije napomenuto prenos naelektrrisanja je strogo zavisan od potencijala. Prenos mase moţe da se desava zbog difuzije, migracije i konvencije. Pošto se svi eksperimenti u dinamiĉkoj elektrohemiji rade sa pomoćnim elektrolitom u veoma većoj koncentraciji u odnosu na ispitivani analit migracija se ovim smanjuje na minimum [68]. Difuzija je kljuĉni korak prenosa zato što je koncentracioni gradijent uvek ukljuĉen u elektrohemijski proces. Konvekcija moţe da se desi prirodno na maloj vremenskoj skali i pod uslovima u kojima postoji znaĉajan gradijent gustine i temperature, meĊutim takav efekat je nepoţeljan zato što je prenos masa pod takvim uslovima teţak za kvantifikaciju. Sa druge strane, dobro karakterisana sila konvekcije moţe znaĉajno povećati prenos masa do površine elektrode posebno kod hidrodinamiĉkih merenja [69]. Takve elektrode su kljuĉne za prouĉavanje heterogenih prenosa naelektrisanja ili kuplovanih Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 31 hemijskih reakcija zato što najsporiji korak (na slici 13.) odredjuje brzinu elektrodne reakcije protoka odgovarajuće struje. Kada prenos mase ( ili difuzija) kontrolišu brzinu reakcije za takav elektrodni proces se kaţe da je prenosno ili difuziono ograniĉen. Kada je heterogeni prenos elektrona najsporiji za takvu reakciju se kaţe da je površinski kontrolisana. 2.10 Ciklična voltametrija 2.10.1 Istorijski razvoj Na bazi polarografije [70, 71] koriste se razliĉite metode u instrumentalnoj elektroanalitiĉoj hemiji, i njihovo opšte ime je voltametrija [72]. Voltametrijske [73] (volt-ampero-metrijske) metode se bave prouĉavanjem struje, i, kroz radnu elekrodu u funkciji vremena, dok se zadati potencijal E menja linearno sa vremenom. Tokom snimanja elektroda je stacionarna, i elektrolit se ne meša. Signal moţe da se sastoji od linearnog talasa (koji se ĉesto naziva sken) koji se menja od startnog potencijala Estart, do krajnjeg Eend (Slika 14a.), iz dva segmenta (dva skena, koji se ĉesto naziva ciklus), izmeĊu poĉetnog i potencijala „‟gašenja‟‟ (Slika 14b), zato što krajnji potencijal ne mora da ima istu vrednost kao i poĉetni), od tri segmenta (Slika 14c.) ili iz nekoliko segmenata (Slika 14d.) koji se naziva višecikliĉni eksperiment. Ako se potencijal menja kao što je prikazano na slici 14a, to se naziva linearno skenirajuća voltametrija (LSV), dok se sluĉajevi koji su prikazani na slikama 14b.-14c., zovu cikliĉna voltametrija, (CV). Brzina kojom se menja potencijal naziva se brzina skeniranja i definiše se kao: υ=dE/dt Brzina skeniranja je vaţna veliĉina u cikliĉnoj voltametriji. Sa većom brzinom, koncentracija elektroaktivne vrste se brţe smanjuje u difuzionom sloju dajući veću struju jer je i koncentracioni gradijent veći. Sa novijim potenciostatima i korišćenjem ultramikroelektroda brzina koja se postiţe moţe da ima vrednosti i više od million volti po sekundi tako da se mogu pratiti kinetike veoma brzih reakcija kao i da se Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 32 karakterišu razliĉiti elektrodni procesi. U zavisnosti koju brzinu koristimo ista reakcija moţe da ima razliĉito ponašanje od reverzibilne, preko kvazireverzibilne do ireverzibilne. Zbog linearne zavisnosti izmedju potencijala i vremena iz jednaĉine struja moze da se prati (snima) u zavisnosti od vremena kao sto je prikazano na slikama 15a i 15b ili u odnosu na potencijal ( rezultujući voltamogrami su prikazani na slikama 15c i 15d). Takvi voltamogrami se nazivaju cikliĉni voltamogrami. Slika 14. Signali potencijala u voltametriji: a) LSV, b-d) CV [68]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 33 Slika 15. Rezultujući voltamogrami za LSV (levo) i CV (desno) prema vremenu (a,b) i prema potencijalu (c, d) [68]. Za ispitivanje elektrohemijskih sistema najkorisnija je cikliĉna voltametrija (CV). Ova tehnika se sastoji iz reverzne, linearne promene elektrodnog potencijala od poĉetnog potencijala do vrednosti za krajnji potencijal, pa do vrednosti potencijala gašenja (kao što je ranije napomenuto to ne mora da bude potencijal koji je isti kao i poĉetni) odgovarajućom brzinom skeniranja. Na taj naĉin se ispituje reaktivnost elektohemijskog sistema u širokom opsegu potencijala. Za proces oksidacije obiĉno se polazi od elektrodnog potencijala na kome nema oksidacije i u toku snimanja elektrodni potencijal se menja prema pozitivnijim vrednostima. Obrnuto, za proces redukcije polazi se od elektrodnog potencijala na kome nema redukcije, a elektrodni potencijal se menja prema negativnijim vrednostima. Elektrodni potencijal u odreĊenom trenutku ima vrednost: Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 34 E(t) = Ei + υt Nakon postizanja konaĉne vrednosti elektrodnog potencijala koja se za primer oksidacije obiĉno postavlja na vrednost nešto manju od potencijala oksidacije rastvaraĉa ili osnovnog elektrolita, elektrodni potencijal se vraća do potencijala gašenja. Prilikom povratka potencijala redukuje se deo vrste koja je oksidovana u direktnom snimanju. υ је brzina promene potencijala tj. brzina polarizacije ili brzina skeniranja i moţe da se kreće od nekoliko mV/s do nekoliko miliona V/s. Primena brzina od nekoliko miliona V/s zahteva upotrebu mikroelektroda i posebnih instrumenata, kao i Faradejevih kaveza [71]. Cikliĉni volamogram za reverzibilni sistem dat je na slici 16. A. a a) Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 35 b) b) Slika 16. Ciklovoltamogram za primer redukcije u direktnom snimanju za reverzibilan sistem u zavisnosti od: a) vremena; b) potencijala [68]. Prilikom eksperimenta, krive struje se mogu snimati u zavisnosti vremena ili u zavisnosti potencijala, mada se ove druge mnogo ĉešće koriste. Razmotricemo karakteristike krive struja-potencijal za dva razliĉita sluĉaja:  Reverzibilni procesi- elektrodna reakcija je tako brza u poreĊenju s procesom difuzije, da se na površini elektrode u svakom trenutku uspostavlja elektrohemijska ravnoteţa, i vaţi Nernstova jednaĉina.  Ireverzibilni procesi- elektrodna reakcija je spora u poreĊenju s procesom difuzije i njena kinetika se mora uzeti u obzir. Izmedju ova dva graniĉna sluĉaja nalazi se veliki broj takozvanih kvazireverzibilnih procesa, koji su samo delimiĉno ograniĉeni kinetikom. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 36 2.10.2 Reverzibilni (nernstovski) sistem Razmotrićemo jednostavnu reverzibilnu reakciju redukcije oksidovane vrste A u redukovanu vrstu B, koja se moţe predstaviti jednaĉinom: A + ne-  B IzvoĊenje matematiĉke formule ciklovoltamograma polazi od drugog Fick- ovog zakona difuzije za oksidovani A i redukovani B oblik elektroaktivne vrste. Izraz za krivu struja-potencijal se dobija rešavanjem diferencijalnih jednaĉina: 2 2 x C D t C A A A      gde su: AC i BC koncentracije oksidovane vrste A, odnosno redukovane vrste B, a AD i BD njihovi difuzioni koeficijenti, x je udaljenost od površine elektrode, a t vreme proteklo od poĉetka elektrolize. Odnos koncentracija oba oblika na elektrodi ( x ≥ 0 ) se moţe predstaviti Nernstovom jednaĉinom: AC / BC = exp [ nF/RT(E-Eº) ] zamenom E = Ei – υt dobija se oblik: AC / BC = exp [ nF/RT(Ei-Eº) ]exp[ nF/RT(–υt) ] 2 2 x C D t C B B B      Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 37 Suma tokova oksidovane i redukovane vrste na površini elektrode ( x = 0 ) jednaka je nuli: 0      x C D x C D BA Kao rešenje diferencijalne jednaĉine 2 2 x C D t C A A A      , pod pretpostavkom da je difuzija linearna, dobija se: 0 2 1 2 1 2 1 )/(4463,0 CvDRTnFnFAIP  Ovaj izraz se naziva Randles-Sevčik-ovom jednaĉinom koja, uzimajući da je T=25 o C, prelazi u oblik: 0 2 1 2 1 2 3 51069,2 CvDAnI p  gde je pI struja pika izraţena u amperima, A površina elektrode izraţena u cm 2 , D difuzioni koeficijent izraţen u jedinici cm2S-1 , v brzina promene potencijala izraţena u Vs-1 , 0C koncentracija oksidovanog oblika izraţena kao molcm -3 . Odavde se vidi da je struja proporcionalna kvadratnom korenu brzine polarizacije i kvadratnom korenu koeficijenta difuzije, što znaĉi da se sa povećanjem brzine polarizacije elektrode υ povećava i struja pika Ip, kao što je prikazano na slici 17. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 38 Slika 17. Povećanje intenziteta pika sa povećanjem brzine skeniranja [68] Iz Randles-Sevčik-ove jednaĉine proizlazi da struja pika zavisi od:  koncentracije elektroaktivne vrste,  difuzionog koeficijenta,  broja izmenjenih elektrona,  veliĉine površine elektrode,  brzine promene potencijala Od interesa za odreĊivanje su dva merna parametra intenzitet struje odnosno odnos intenziteta pikova struje za anodni i katodni proces Ipa/Ipc i razlika izmeĊu potencijala pikova za iste procese Epa-Epc. Za reverzibilni sistem odnos Ipa/Ipc iznosi 1 i nezavisan je od brzine polarizacije i koeficijenta difuzije. Intenzitet struje anodnog pika (Ipa) ne meri se u odnosu na osu potencijala već u odnosu na smanjenu katodnu struju kao osnovnu liniju. Razlog tome je što redukovana vrsta koja nastaje u toku redukcionog procesa difunduje od elektrode ka unutrašnjosti rastvora usled postojanja Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 39 koncentracionog gradijenta pa se izvesna koliĉina ne moţe oksidovati u povratnom procesu. Ako se promena potencijala zaustavi i dozvoli da struja padne na nulu, (Slika 11b), kriva 4), dobijena anodna kriva ima identiĉan oblik kao katodna kriva samo se nalazi na drugoj strani ose potencijala (tada se intenzitet pika raĉuna u odnosu na osu potencijala). Ovo se dešava zbog toga što sa opadanjem struje u difuzionom sloju dolazi do potpunog smanjenja koncentracije oksidovane vrste i povećanja koncentracije redukovane vrste do koncentracije koja ja pribliţna vrednosti poĉetne koncentracije oksidovane vrste pre poĉetka snimanja, tako da je anodno snimanje praktiĉno isto kao da se snima u rastvoru u kome je prisutna samo redukovana vrsta. Ukoliko osnovna linija za merenje Ipa ne moţe da se odredi, odnos Ipa/Ipc moţe da se izraĉuna iz netaĉnog anodnog pika (Ipa)0 dobijenog u odnosu na E-osu i struje na potencijalu promene polarizacije (Isp)0 (Slika 11 b), kriva 3), na osnovu izraza: 0 0( ) 0,485( ) 0,086 pa pa sp pc pc pc I I I I I I    gde je Ipc kapacitivna struja [73]. Kao i kod svih elektrohemijskih metoda taĉnost odredjivanja je ograniĉena kapacitivnom strujom. Kapacitivna struja potiĉe od pada napona kroz otpor osnovnog elektrolita i pada napona kroz kapacitivni otpor dvojnog elektriĉnog sloja i najbolje se meri u odsustvu elektroaktivnih vrsta. Ako se u sistemu nalazi i redoks par, faradejska struja se sabira sa kapacitivnom. Nezgodna osobina kapacitivne struje je ta što je direktno proporcionalna brzini polarizacije za razliku od faradejske struje koja je proporcionalna korenu brzine polarizacije. Stoga, pri velikim brzinama polarizacije i malim koncentracijama oksidovane vrste dolazi do distorzije talasa [74]. Ovaj efekat ĉesto postavlja ograniĉenja za maksimalnu brzinu polarizacije i minimalnu koncentraciju. Zbog nepouzdane korekcije kapacitivne struje, merenje intenziteta pika ima malu taĉnost tako da cikliĉna voltametrija nije idealna metoda za kvantitativno odredjivanje. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 40 Kada se poveća brzina polarizacije, difuzioni sloj nema dovoljno vremena za relaksaciju do ravnoteţnog stanja, on se ne prostire tako duboko u rastvor i koncentracioni profili više nisu linearni kao što se vidi na Slici 18. Slika 18. Koncentracioni profili elektroaktivne vrste A. Krive odgovaraju potencijalima: a) E 0 +90mV; b) E 0 +50mV; c )E 0 ; d) E 0 -28mV; e) E 0 -128mV; f) Eb 0 -280mV [68]. Na slici 19. je prikazan model granice faza elektroda/rastvor, podruĉje oznaĉeno kao i je tanak sloj uz samu elektrodu, debljine nekoliko Å i u ovom sloju se odigrava glavna elektrohemijska reakcija. Podruĉje II je difuzioni sloj kroz koji elektroaktivna vrsta difunduje prema elektrodi zbog koncentracionog gradijenta izmeĊu rastvora (III) i površine elektrode (I). Podruĉje III oznaĉava glavni rastvor, gde elektrodni proces više ne utiĉe na koncentraciju elektroaktivne vrste, razlog tome je što potencijal opada sa povećanjem udaljenosti od elektrode. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 41 Slika 19. Model granice faza [68] Kada se postigne potencijal pri kome se komponenta A redukuje njena površinska koncentracija opada u odnosu na njenu vrednost u dubini rastvora i dolazi do pojave koncentracionog gradijenta (Slika 18. kriva a) i njemu proporcionalne struje. Postojanje tog gradijenta ne moţe se naravno smatrati konstantnim jer ga difuzija elektroaktivne vrste A smanjuje. Kada površinska koncentracija postane jednaka nuli, koncentracioni gradijent poĉinje da opada zahvaljujući relaksacionom efektu (Slika 18. krive e i f) i zato mora da doĊe i do opadanja vrednosti struje. Što znaĉi da koncentracioni gradijenti na površini elektrode i samim tim dobijene vrednosti struje povećavaju se sa povećanjem brzine promene potencijala elektrode što je posledica kraćeg trajanja merenja i oteţane relaksacije sistema. Vrednosti potencijala Epa i Epc nezavisne su od brzine polarizacije. Razlika izmedju Epa i Epc se obiĉno predstavlja kao kao ∆Ep i predstavlja koristan dijagnostiĉki test za reakcije Nernstovog tipa. ∆Ep za reverzibilne procese treba da iznosi blizu 2,3RT/nF (59/n mV na 25 o C). Potencijal katodnog pika Epc se moţe predstaviti izrazom: Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 42 Epc =E 21 - 1.109RT/n a F odnosno na 25 0 C : Epc =E 2 1 -28.5/n a gde je E 2 1 -polutalasni potencijal polarografskog talasa istog elektrohemijskog procesa. OdreĊivanje Epc iz eksperimentalne krive je neprecizno, jer je promena struje u blizini vrha pika minimalna, pa se ĉesto kao referentna taĉka uzima potencijal koji odgovara polovini visine pika E 2 p . E 2 p je definisan kao potencijal na kojem struja postiţe polovinu svoje maksimalne vrednosti, a koji je jednak: E 2 p =E 2 1 +1.09RT/n a F odnosno na 25 0 C : E 2 p =E 2 1 +28/n a Izrazi za karakteristiĉne potencijale anodnih pikova su analogni navedenim izrazima za katodne pikove osim što se uzimaju suprotni predznaci drugih sabiraka u jednaĉinama. Cikliĉni voltamogrami reverzibilnog procesa za razliĉite brzine skeniranja prikazani su na slici 20. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 43 Slika 20. Cikliĉni voltamogram za razliĉite brzine skeniranja [68]. Osnovni kriterijumi reverzibilnosti elektrodnog procesa:  razlika potencijala katodnog i anodnog pika je konstantna i na T =25 0 C bliska 59/n a , mV;  pri ponovljenim snimanjima (ciklusima) uspostavlja se stacionarno stanje pri kome je razlika potencijala 58/n a mV;  apsolutna vrednost razlike E p i E 2 p je na navedenoj temperaturi jednaka 56.5/n a mV;  struje katodnog i anodnog pika su posle izvesnog broja cikliranja jednake;  struja pika je proporcionalna υ 2 1 ;  potencijal pika je nezavistan od brzine promene potencijala;  pri potencijalima “iza“ Ep, kvadratni koren reciproĉne vrednosti struje je srazmeran vremenu [75]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 44 2.10.3 Ireverzibilni sistemi U sluĉaju reverzibilnog sistema brzina prenosa elektrona pri svim potencijalima je znatno veća od brzine masenog transporta elektroaktivnih vrsta i samim tim na površini elektrode stalno postoji Nernst-ovska ravnoteţa. Kada je brzina prenosa elektrona nedovoljna da omogući ovu površinsku ravnoteţu i oblik ciklovoltamograma se menja. Pri tom oblik ciklovoltamograma zavisi od brzine polarizacije. Sa porastom brzine polarizacije raste i brzina masenog tranasporta tako da ove dve veliĉine postaju uporedive i dolazi do remećenja ravnoteţe na provršini elektrode. Najvidljiviji efekat ovakvog nereverzibilnog ponašanja je povećanje razlike potencijala katodnog i anodnog pika sa povećanjem brzine polarizacije [76]. Slika 21. Cikliĉni voltamogram irevezibilnog procesa za razliĉite brzine promene potencijala pri ĉemu je D=110  5cm 2 s 1 , k=110 2 cm s 1 [68]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 45 Struja pika ireverzibilnog procesa na 25 0 C iznosi: Ip=2.99105n a ( n ) 2 1 A (D a v) 2 1 Co Potencijal pika ireverzibilnog procesa dat je sledećom jednaĉinom: E p =E 0 -(RT/ n a F)(0.780-lnk 0 +ln( n a D a Fv/RT) 2 1 ) i razlika: E p -E 2 p =1.85RT/ n a F što u mV pri 25 0 C iznosi 47.7/ n a . Moguće je da isti elektrodni proces pri niţim brzinam promene potencijala bude reverzibilan a da pri većim brzinama postaje ireverzibilan. IzmeĊu ta dva sluĉaja postoji oblast u kojoj se elektrohenijski proces odvija kao kvazireverzibilan. Kvazireverzibilni procesi se javljaju kada postoji ograniĉenje u brzini prenosa elektrona. Ovaj prelaz od reverzibilnog preko kvazireverzibilnog do potpuno ireverzibilnog sistema se moţe zapaziti sa dijagrama koji daje zavisnost Ip od 1/2 (Slika 22). Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 46 Slika 22. Dijagram zavisnosti struje pika od kvadratnog korena brzine promene potencijala [68]. Najsigurnija identifikacija ireverzibilnosti nekog elektrohemijskog procesa je odsustvo reverzibilnog cikolovoltametrijskog pika. MeĊutim, u nekim sluĉajevima pik se moţe javiti i to kao posledica neke naknadne i vrlo brze hemijske reakcije te ga ne treba odmah i bez drugih provera pripisati reverzibilnosti elektrohemijskog procesa. Danas, na osnovu Matsudinih parametara postoje opšte prihvaćeni uslovi koje moraju da ispunjavaju vrednosti standardne konstante brzine prenosa elektrona k 0 (izraţena u cm∙s−1) i brzine promene potencijala υ da bi se elektrodni proces svrstao u jednu od grupa reverzibilnosti [76]: za revrzibilne procese k 0 > 0,3υ1/2 za kvazireverzibilne 2∙10-5υ1/2 ≤ k0 ≤ 0,3υ1/2 za ireverzibilne k 0 < 2∙10-5υ1/2. Kod elektrohemijskih ireverzibilnih procesa povratna reakcija je toliko spora da se moţe zanemariti. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 47 Dakle, reverzibilni ciklovoltamogram moţe se dobiti jedino ako su u rastvoru prisutne stabilne hemijske vrste i prenos elektrona izmeĊu elektrodne vrste i elektroda je brz, tako da pri svim potencijalima i brzinama promene potencijala površinske koncentracije hemijskih vrsta prisutnih u rastvoru su u ravnoteţi. 2.10.4 Praktični aspekti CV 2.10.4.1 Elektrode i ćelije Razvoj ove metode pratila je upotreba samo ţivinih elektroda [74-78] dok je sada u upotrebi ĉitav niz razliĉitih elektrodnih materijala najĉešcće platine, zlata, srebra i razliĉitih tipova ugljenika (staklasti ugljenik, grafit i dr.). U poĉetku su oni imali sferiĉan oblik ali sa saznanjem da sama geometrija elektrode ima veliki uticaj na voltametriju poĉele su da se prave u raznim oblicima, u obliku diska ili ţice. Odabir elektrodnog materijala zavisi od toga za šta se koristi elektroda. Karakteristiĉna veliĉina elektroda je uobiĉajeno nekoliko milimetara (posmatrajući preĉnik disk elektrode). Struja koja se meri je obiĉno u nanometarskom regionu disk elektrode [79] gde, meĊutim moţe biti problem u reproduktivnosti [80], pre svega zbog sporog uspostavljanja ravnoteţe izmeĊu oksidovanog i redukovanog oblika prilikom snimanja na razliĉitim brzinama skeniranja. Ćelije u voltametrijskim eksperimentima su najĉesće snabdevene sa tri elektrode, sa radnom elektrodom i pomoćnom elektrodom dovoljno razdvojenom, dok je referentna elektroda postavljena blizu radne elektrode i sadrţi Haber-Ludţinovu kapilaru da bi se smanjio gubitak iR. Uobiĉajena zapremina ćelije je do 20 ml, ali se koristi samo mala zapremina ovog prostora tokom eksperimanta (difuzioni sloj). U ćelijama sa dobrim mešanjem posle snimanja u većini sliĉajeva se moţe isti rastvor moţe koristiti za više odreĊivanja bez zamene rastvora i njegove promene. Za potrebe snimanja sa mikroelektrodama ili sa organskim rastvaraĉima visoke ĉistoće koriste se ćelije koje imaju poseban dizajn [81, 82]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 48 2.10.4.2 Rastvarači i elektroliti Širok opseg rastvaraĉa (nevodenih i vodenih) i pomoćnih elektrolita (obiĉno koncentracije 0,1 M) ukljuĉujući popularne tetraalkilamonijum-soli se koriste za voltametrijska ispitivanja. Ne postoje posebna ograniĉenja u njihovoj primeni. Treba napomenuti da rastvaraĉi i pomoćni elektroliti treba da budu visoke ĉistoće. Obzirom da je ispitivana supstanca najĉešće u koncentraciji 10-4 M ili niţoj ĉak i tragovi neĉistoća mogu imati štetan uticaj na voltametrijska odreĊivanja. Izbor rastvaraĉa i pomoćnog elektrolita zavisi od toga za šta se koristi kao i od rastvaranja ispitivanog analita. 2.10.4.3 Eksperimentalna ograničenja Upotreba voltametrijskih tehnika u pojedinim sluĉajevima moţe biti ograniĉena sa nekoliko faktora kao što su potencijalski prozor, brzina korišćene elektrode, mogućnosti korišćenog potenciostata i sliĉno. Verovatno najveća ograniĉenja u voltametrijskim tehnikama zadaje potencijalski prozor. U realnim sistemima na potencijalski prozor najveći uticaj imaju oksidacija ili redukcija elektrolita ili njegovih komponenti, samog elektrodnog materijala ili oksidacija ili redukcija neĉistoća na odreĊenom potencijalu kroz koji se prolazi tokom snimanja. Ovi procesi definišu dostupan potencijalski prozor (Slika 23.) i posmatrana elektrodna reakcija treba da ima potencijale oksidacije i redukcije na potencijalu gde nema pojavljivanja nekih smetnji od neĉistoća. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 49 Slika 23. Potencijalski prozor za dihlormetan, pomoćni elektrolit 0,1M NBu4PF6, potencijal dat prema Ag/Ag + referentnoj elektrodi [68]. Da bi potencijalski prozor bio odabran što je moguće bolje potrebno je dobro odabrati poĉetni i krajnji potencijal. Startni potencijal treba da bude u taĉki potencijala gde nema prolaska struje kroz radnu elektrodu i da bude dovoljno udaljen od potencijala na kom se javlja pik od ispitivanog analita tako na nema utacaj na njegov izgled (obiĉno par stotina milivolti pre poĉetka stvaranja tog pika). Odabir krajnjeg (potencijala u kom dolazi do okretanja smera snimanja) ima uticaj samo na stvaranja reverznog pika i moze da se izabere u zavisnosti od toga sta ispitujemo i koliko nam je potreban potencijal povratnog skena. Uglavnom je potencijalski prozor koji se uzima za snimanja onaj koji odgovara vrednosti potencijala ispitivanog analita uvećan za 180 mV. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 50 2.11 Pulsne tehnike Pulsne tehnike ĉine danas jedne od najvaţnijih metoda u armiji tehnika u elektrohemiji. Ove tehnike poznate su veoma dugo ali u poĉetku je postojao problem u instrumentaciji za razvoj nekih komplikovanijih sistema u zadavanju pulsnog koraka što je prvi put prevaziĊeno sa nastankom tehnike sa pravouganim talasima 1950-ih godina [83]. Sa razvojem razliĉitih naĉina za snimanje struja u vezi sa kapljućom ţivinom elektrodom i njene sinhronizacije sa porastom kapi, poĉele su da nastaju nove tenhike kao što su normalna pulsna i diferencijalna pulsna polarografija koje su se razvile 1970-ih godina, koje su bile prve široko dostupne pulsne tehnike [84]. Ipak tada je instrumentacija davala malu fleksibilnost u menjanju eksperimentalnih uslova. Razvoj mikroprocesora u potpunosti menja situaciju. Sada, skoro svi komercijalno dostupni instrumenti - potenciostati i galvanostati - digitalizovani su, što znaĉi da je programiranje bilo koraka potencijala ili oblika talasa relativno lako. Ovo nam otvara mnogo više mogućnosti za eksperimantisanje, obzirom da moţe da se adaptira zadati oblik talasa kinetici i mehanizmu reakcije koja se ispituje. Pulsne tehnike se zasnivaju na sukcesivnom povećanju potencijalskog koraka (metod stepenica, Slika 24.) razliĉite visine u pozitivnom ili negativnom smeru, sa uzorkovanjem struje [84, 85]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 51 Slika 24. Voltametrija sa uzorkovanjem [83]. Odgovor na ovakav korak potencijala je puls koji daje struja, a koji opada sa vremenom zato što se troše elektroaktivne vrste blizu površine elektrode i sastoji se iz faradejefske struje struje If, i kapacitativnog doprinosa, Ic. Prednost većine pulsnih tehnika je u merenju pulsa koji daje struja na samom kraju potencijalskog koraka kada faradejevska struja pada na difuziono ograniĉenu vrednost i kada je kapacitativna strija zanemarljiva. Širina pika se zadaje tako da se maksimalno smanje ove pojave. Tako se dobija mnogo bolji odnos signal/šum (osetljivost), u poreĊenju sa drugim tehnikama i mnogo bolja selektivnost. Detekcioni limit ovih metoda je mnogo niţi od 10 -7 M. Sem toga, u analitiĉke svrhe, izgled signala koji se dobija za odnos struja/potencijal ima oblik mnogo lakši za tumaĉenje recimo DC voltamograma i drugih konvencionalnih voltametrijskih tehnika. Najĉešće pulsne tehnike koje se koriste u elektrohemiji su normalna pulsna voltametrija (NPV) i diferencijalna pulsna voltametrija (DPV). Voltametrija sa pravouganim talasima (Square wave voltammetry, SWV) ima probleme sa ne faradejevskim doprinosima pojedinaĉnoj struji ali se sa strategijom „‟uzorkovanja‟‟ struje ovo eleminiše. SWV je prvi razvio Barker [84] 1950 godine ali su se Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 52 instrumenti za njenu upotrebu u ispitivanjima u analitici, kinetici i mehanizmima reakcija razvila tek 40 godina kasnije. U normalnoj pulsnoj voltametriji (NPV) potencijal se ne menja linearno rastućim potencijalom nego sa pulsevima pravougaonih talasa sa rastućom visinom superponiran na poĉetni potencijal, što je sinhronizovano sa nastajanjem kapi pri ĉemu svaka kap ima jedan puls potencijalasa vremenom pulsa od oko 50 ms primenjen na nju. Amplitude raste sa od jedne kapi do sledeće i za konstantnu veliĉini i postiţe maksimum od 1000 mV. Struja se meri na kraju ţivota kapi oko 10 do 15 ms pre završetka vremena impulsa tp [85]. Ova tehnika ima osetljivost od oko 10 -7 M, pa se zbog toga slabije koristi za analitiĉka odreĊivanja. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 53 Slika 25. Normalna pulsna voltametrija (NPV): a) shema zadavanja potencijala u odnosu na vreme i b) izgled voltamograma koji se dobija [84] Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 54 2.12 Diferencijalna pulsna polarografija Najefikasnija pulsna metoda je diferencijalna pulsna polarografija (voltametrija, DPV). Kod nje se meri razlika izmedju dve struje, prve koja se meri odmah posle završetka zadavanja pulsa i druge koja se meri nekoliko milisekundi pre poĉetka zadavanja pulsa. Prvi intrumenti koji su nudili ovu tehniku sabirali su zadati puls sa linearnim povećanjem potencijala. MeĊutim sa razvojem digitalne instrumentacije i savremenijih potenciostata postalo je jednostavnije da se pulsevi preklope u talas koji ima oblik stepeništa (slika 24.). Stoga se poĉetni potencijal povećava i dobija oblik stepenica i puls konstantne visine je 10 ili više puta manji nego „‟stepenica‟‟ talasa (slika 26). Iz ovoga sledi da je širina koraka („‟stepenice‟‟) generalno ista kao i kod NPV, tako da je i ovde efektivna brzina skeniranja izmedju 1 i 10 mV s -1 . Razlika izmedju dve merene struje (I2 – I1) koja je prikazana na slici 26. dovodi do drugaĉijeg pika nego kod NPV a njegov izged je prikazan na slici 27. Pik za reverzibilan sistem se javlja na potencijalu: Ep = E1/2 – ΔE/2 gde je ΔE amplituda pulsa ( predznak je ukljuĉen). Razlika izmeĊu Ep i E1/2 za brze kinetiĉke procese je u struji koja se daje kao funkcija poĉetnog potencijala a ne kao funkcija potencijala na polovini pulsa. Struja koja odgovara piku je data izrazom:   1/2 1/2 1 1 1 1 P Cot m nFAD c I I t                    gde nam je Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 55 exp 2 nF E RT         Ove jednaĉine vaţe kada je ΔE manje od 2RT/nF ali se dešava da moţe da se upotrebljava i kada to nije sluĉaj. Poluširina pika se raĉuna na sledeći naĉin: W1/2 = 3.52RT / nF i treba da ima vrednost 90,4/n mV na 25 oC, što nam govori da pikovi razdvojeni sa 50/n mV treba da se vidno razlikuju odnosno da mogu da se posmatraju posebno. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 56 Slika 26. Diferencijalna pulsna voltametrija: naĉin zadavanja pulsa i mesta na kojima se snima struja [84]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 57 Slika 27. Oblik pika u diferencijalnoj pulsnoj polarografiji [84] Kako sistem postaje ireverzibilniji, razlika izmeĊu E1/2 za reverzibilne sisteme i Ep se povećava, pik postaje širi a njegova visina se smanjuje. Za vrednosti ΔE veće od 100 mV se ne koriste zato što se širina pika povećava sa amplitudom pika. U literaturi su opisane mnoge primene DPV [86]. Interensantan je primer oksidacija baza u jednom lancu DNK, u kojoj oksidacioni proces praćen sa redukcionim skenom diferencijalne pulsne polarografije pokazuje adsorpciju i blokiranje površine elektrode [86]; relativno spora vremenska skala DP skena se koristi za ovakve sluĉajeve. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 58 2.13 Polarografija sa pravougaonim talasima (Square Wave Voltammetry, SWV) SWV voltametriju koju elektrohemiĉari danas najvise koriste nastala je 1969 [87] i razvijena je od strane Osteryoung-a i saradnika. Oni su koristili velike amplitude pulsa [88, 89] tako da se ne postiţe stabilno stanje. SWV je kao takva preuzela dosta upotreba za koje se do sada koristila DPV. Oblik talasa zadatog potencijala se sastoji od kvadratnog pulsa koji se superponira tako da ima oblik stepenica (Slika 28.). Struja na samom kraju zadatog pulsa, If, i struja na kraju reversnog pulsa, Ib, se beleţe kao funkcija potencijala, što je sredina puta koji se nalazi izmeĊu ova dva koraka potencijala. Krivu koja nastaje kao talas tog analita obiĉno ĉini struja kaja je razlika izmeĊu ove dve struje Inet = If - Ib, koja se posmatra u odnosu na potencijal, E. Pošto If i Ib obiĉno imaju razliĉit predznak njihova razlika Inet je veća od pojedinaĉnih komponenti u regionu pika ĉiji je vrh centriran na polutalasnom potencijalu redoks para. Na potencijalu koji odgovara difuziono ograniĉenoj struji ta razlika je jednaka 0. Primer voltamograma koji se dobijaju kod polarografije sa pravougaonim talasima se vide na slici 29. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 59 Slika 28. Talasi potencijala koji se zadaju u vremenu kod polarografije sa pravougaonim talasima: suma „‟stepenica‟‟ i sinhronizovanih pravougaonih talasa [88] Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 60 Slika 29. Izgled voltamograma kod SW voltametrije za sistem R → O + e- a) za reverzibilan sistem i kada je ko= 0,3 b); ko= 0,1 c) ko= 0,03 d), ΔEsw = 50 mV, ν = 50 Hz, αc = 0,5. Isprekidane linije predstavljaju If i Ib, a puna linija je njihova razlika, Inet [88]. Tokom malih opsega potencijala izmeĊu prvog i drugog pulsa, kapacitativna struja koja se javlja je skoro uvek konstantna tako da raĉunanje razlike izmedju Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 61 odgovora koji se mere na krajevima ova dva pulsa, kao što je ranije napomenuto, efektivno poništava doprinos koji daje kapacitativna struja. Nije potrebno ĉekati da se smanji kapacitativna struja, što je prednost ove tehnike u odnosu na druge, kao što je brzo skenirajuća cikliĉna voltametrija. Iz toga zakljuĉujemo da se u SWV mogu koristiti velike brzine skeniranja pošto ona uklanja doprinos pozadinske struje iz merenja. Ovo nam znaĉi za ispitivanja kinetike sistema kod kojih se elektrodne reakcije dešavaju veoma brzo. Mogu da se dobiju voltamogrami za tri razliĉite struje If, Ib i Inet i da se daju rezultujući voltamogrami, kao na slici 29. odakle mogu da se raĉunaju kinetika i pretpostavi mehanizam reakcije [90]. Polarografiju sa pravougaonim talasima karakterišu ĉetiri glavna parametra: period pravougaonog talasa, τ, širina pulsa tp = τ /2, visina koraka, ΔEs i visina pulsa ΔEsw. širina zadatog pulsa je u relaciji sa frekvencijom, ν = 1 / (2tp), i kako je korak na poĉetku svakog ciklusa ΔEs, to znaĉi da je efektivna brzina skeniranja υ = ΔEs / (2tp) = ν ΔEs. Pravougaoni talas moţe da dube opisan jednaĉinom E = - ( -1)m ΔEsw Zbog postojanja efekta pamćenja (memori efekat) izmeĊu svakog koraka potencijala, struja koja se daje za svaku vrednost m u vremenu tp, nakon zadatog pulsa ima vrednost: cotm cot 1 1 I ( 1)1/ 2 m i i p i Q Q I I m i          gde nam je Qi = Θi / (1 + Θi), i podrazumeva jednak difuzioni koeficijent izmeĊu oksidovanog i redukovanog oblika. Oduzimanjem dve susedne struje, Im dobija se razliĉita struja. Struja pika ima vrednost: Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 62 Ip = ICot ΔΨp Za reverzibilne reakcije, struja pika treba da ima istu vrednost za potancijal pika odnosno da ima istu struju na polupotencijalu pika u oba smera. Kod ovakvih sliĉajeva dobija se pravilan pik sa jasno izraţenim „‟vrhom‟‟. Neke vrednosti za Ψp su date u tabeli 1. Tabela 1. Tabela faktora Ψp koji utiĉe na struju pika kod SW voltametrije [90] Širina pulsa u vremenu, tp, obiĉno varira u sirokom opsegu od 1 do 500 ms, a frekvencija ν = 1 do 500 Hz, i ova vrednost definiše vremensku skalu ekperimenta, ali treba napomenuti da je ΔEs mnogo manje od ΔEsw. Preporuĉena vrednost za ΔEs je ΔEs = 10 / n mV za visinu koraka i ΔEsw = 50 / n mV za visinu pulsa. Stoga pulsevi mogu biti kraći i opseg brzina koji se primenjuje moţe biti mnogo veći nego što je to sluĉaj sa NPP i DPP. Obzirom da je efektivna brzina skeniranja kod DPP od 1 do 10 mV s -1 , kada se u SW voltametriji primeni brzina od 1 V s -1 dobijaju se podaci koji su primenljiviji u objašnjenju kinetike i mehanizama pojedinih reakcija a i sami analitiĉki podaci koje dobijamo su znaĉajniji. Sem toga, zbog veće brzine dolazi do manje potrošnje elektroaktivne vrste u vremenu pa je samim tim smanjena mogućnost adsorpcije i blokoranja površine elektrode. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 63 MeĊutim kod eksperimenata sa ovom tehnikom mora se obratiti paţnja na interpretaciju rezultata, što se vidi sa slike 28. Slika 28 a) nam pokazuje struje If, Ib i Inet za reverzibilnu reakciju. Ako je kinetika elektrodne reakcije spora, onda se struja gornjeg potencijala povećava na veće potencijale u odnosu na povratni (donji) talas struje, koja postaje relativno manja a u isto vreme i širina pika postaje veća. Ovo se vidi na slikama 29 b) do 29 d). U višefaznim reakcijama ako se odredi da je kvazireverzibilan proces moţe da dodje do pojavljivanja dva pika. U tom sluĉaju ako se ne prate oba profila struje i If i Ib moţe da se dodje do pogrešnog zakljuĉka da postoje dve vrste koje reaguju. Sliĉno, ako dolazi do apsorpcije u toku reakcije postoji mnogo nijansi koje treba ispitati da bi se došlo do pravog zakljuĉka [91-94] i tada uticaj na pikove postaje oĉigledan, što moţe dovesti do išĉezavanja povratnog signala. Na sreću postoje softveri za similaciju i fitovanje koji pomaţu u rešavanju kinetiĉkih problema kao i problema u rešavanju mehanizama sloţenih sistema i njihove analitiĉke primene [95, 96]. Veoma vaţna prednost SW voltametrije u odnosu na ostale elektroanalitiĉke tehnike je u tome što njena upotreba u negativnoj oblasti potencijala ne zahteva prethodno uklanjanje kiseonika iz rastvora osim ako ne reaguje direktno sa vrstom koja nastaje u u elektrodnoj reakciji, i to iz dva razloga. Prvo u regionu potencijala gde dolazi do redukcije kiseonika struje koje dobijamo If i Ib imaju istu vrednost tako da nam je ukupna struja Inet nula. Drugo, prilikom skeniranja iz pravca negativnog potencijala ka pozitivnom, zbog velike brzine skeniranja aktivne kiseoniĉne vrste nemaju vremena da difunduju iz rastvora elektrolita da površine elektrode. Stoga je vreme eksperimenta skraćeno jer ne mora da se provodi azot ili argon kroz rastvor. Ovo je veoma znaĉajno kod metoda sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem, pošto one predstavljaju najosetljivije metode za odreĊivanje, zahtevaju malu cenu opreme, jedino što je problem je duţina trajanja analize [97] SW voltametrija takoĊe daje velike mogućnosti u širokom dinamiĉkom opsegu što joj omogućava rad i sa visokim i sa niskim koncentracijama elektroaktivne vrste. Ovo znaĉi da se ova tehnika moţe koristiti da se dobiju voltamogrami i Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 64 voltametrijski profil za analizu eluenata nakon teĉne hromatografije sa visokim pritiskom. 2.14 Metode sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem Metode sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem predstavljaju moćnu elektroanalitiĉku tehniku za odreĊivanje tragova metala [98]. Njena velika osetljivost nastaje zbog prekocentracionog koraka, tokom kog se ciljani analit akumulira na površini radne elektrode. Kombinacija prekocentracionog koraka sa unapreĊenim elektrohemijskim merenjima akumuliranog analita generiše odliĉan odnos signal/šum, i dovodi do ekstremno niske granice detekcije, u nekim sliĉajevima ispod pikomolarnog nivoa. Druge prednosti metoda sa obogaćivanjem ukljuĉuje multielementarnu analizu i spacijacione mogućnosti, nisku cenu instrumentacije kao i njenu upotrebu in situ. Pored toga imamo i razliĉite naĉine odreĊivanja, sa razliĉitom prirodom prekoncentracionog koraka (elektrolitiĉki ili adsorpcioni) kao i u naĉinu detekcije (npr. voltametrijski ili potenciometrijski) [99]. 2.14.1 Anodna striping voltametrija Anodna striping voltametrija (ASV) je najstarija metoda sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem ali i dalje tehnika koja se najviše koristi [100]. Ova tehnika se primenjuje za metalne jone koji mogu da se deponuju na površini elektrode, najĉešće onih metala koji se rastvaraju u ţivi. Metal se akumulira (vrši se depozicija) u maloj zapremini ţivine elektrode (tanak film ţive ili viseća ţivina kap) ili na površini drugih elektroda koje nisu od ţive (Slika 30.). Ovo se postiţe katodnom depozicijom na kontrolisanom potencijalu i vremenu. Formiranje amalgama je na sledeći naĉin: Mn+ + ne- + Hg → M(Hg) Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 65 Slika 30. Akumulacioni korak i korak sukcesivnog rastvaranja u anodnoj striping voltametriji [100]. Depozicioni potencijal bi trebalo da bude negativniji oko 0,3 do 0,4 V od potencijala redukcije analiziranog metala. Obzirom da osetljivost ovih metoda zavisi od vremena akumulacije, ono treba da bude izabrano u odnosu na koncentraciju koja se odreĊuje, u rasponu od 0,5 min za koncentraciju od 10-7 M do 10 min za koncentracije 10 -10 M i niţe. Sem toga postoji zavisnost od difuzije analita iz rastvora elektrolita do površine elektrode. To se podpomaţe mešanjem unutrašnjeg rastvora praćenog sa rotiranjem radne elektrode (samo za ĉvrste elektrode). Samo mali deo rastvorenog metala se deponuje na elektrodi. Kada se zavrsi deo deponovanja elektroaktivne vrste zaustavlja se mešanje rastvora, potencijal kreće ka pozitivnom i tada se amalgamisani metali reoksiduju i „‟odlaze sa površine elektrode: M(Hg) → Mn+ + ne- + Hg Potencijalski signal koji se koristi tokom ovog koraka je obiĉno jedan od signala koji se zadaju u pulsnoj polarogafiji. Striping voltamogrami koji se dobijaju tokom procesa odreĊivanja, sastoje se od više pikova struje koji odgovaraju reoksidaciji amalgamisanih metala, i njihovom „‟skidanju‟‟ sa elektrode (Slika 31). Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 66 Takvi rezultati daju nam kvalitativne i kvantitativne podatke koji mogu da se vide iz visine pikova i potencijala na kom se nalaze. Anodna striping voltametrija nam daje mogućnost simultanog snimanja ĉetiri do šest razliĉitih jona u tragovima. Slika 31. Tipiĉan izgled voltamograma za smešu katjona koncentracije 10-8 M, cinka, kadmijuma, olava i bakra [100]. Struja pika zavisi od dosta parametara koji odreĊuju akumulacioni korak i korak u kom se vrši skidanje i odreĊivanje. Stvarno ponašanje pika reguliše i tip elektrode koji se koristi kao i naĉim zadavanja pulsa prilikom skidanja analita. U svim sluĉajevima struja pika je proporcionalna vremenu akumuliranja i koncentraciji metalnog jona: Ip = KCtdep gde K predstavlja konstantu koja ukljuĉuje površinu elektrode (A), brzinu skeniranja (υ), broj razmenjeih elektrona (n) i difuzioni koeficijent (D). Na primer, za pik struje za elektrodu od tankog filma ţive (MFE) struja je jednaka: Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 67 Ip = 1.1157 x 10 6 n2ACRLυ gde je L debljina filma, a CR koncentracija metala na elektrodi, koja je kako je ranije reĉeno proporcionalna koncentraciji analita u rastvoru i vremenu depozicije tdep. 2.14.2 Adsorpciona striping voltametrija Veoma moćna striping tehnika koja je svoj nagli razvoj doţivela u poslednje dve decenije prošlog veka je adsorpciona striping voltametrija [101-102]. Upotreba adsorpcione akumulacije je omogućila odreĊivanje tragova elemenata koji ne mogu tako lako da se deponiju ( npr. Cr, Al, U, Fe, Ti, V, Mo). Proces ovakvog odreĊivanja se sastoji u formiranju površinski aktivnog kompleksa ispitivanog metala i njegove akumulacije na kapi ţive ili elektrodi od tankog filma zive (Slika 32). Većina procesa ukljuĉuje redukciju metala u adsorbovanom kompleksu tokom zadavanja negativnog potencijala (tokom promene potencijala ka negativnijim vrednostima). Kvantifikacija ekstremno niskih koncentracija ispitivanog metala (10 -10 M) moţe da se postigne za kratko vreme akumulacije (3-5 min). Ĉak i niţe koncentracije, ispod 10-12 M, mogu da se odreĊuju kombinovanjem adsorpcione striping voltametrije sa katalitiĉkim efektom [103, 104]. Ove analize ukljuĉuju katalitiĉki ciklus u prisustvu hemijskog oksidanta (kao što su bromati, nitriti ili vodonik peroksid). Razliĉiti tipovi katalitiĉkih sistema zavise od reakcionog mehanizma [105]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 68 Slika 32. Koraci u adsorpcionoj striping voltametriji: formiranje metalnog kompleksa, adsorpciona akumulacija, i redukcija adsorbovanog kompleksa [105]. Osim upotrebe ove tehnike za odreĊivanje metala koje je teško akumulirati klasiĉnom ASV (Tabela 2), adsorpciona striping voltamentrija se koristi i za odreĊivanje velikog broja organskih molekula, farmaceutskih proizvoda, i biološki aktivnih jedinjenja (ukljuĉujući hormone i nukleinske kiseline). Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 69 Tabela 2. Najĉešće procedure za odreĊivanje tragova metala sa AdsV. Metal Kompleksirajući agens Pomoćni elektrolit Detekcioni limit (M) Referenca Al Dihidroantrahinon sulfonska kiselina BES pufer 1 x 10 -9 [114] Co Nioksim HEPES pufer 6 x 10 -12 [115] Cr Dietilentriamin pentasirćetna kiselina Acetatni puffer 4 x 10 -10 [116] Fe Solohrom ljubiĉasto RS Acetatni pufer 7 x 10-10 [117] Mo Oksim HCl 1 x 19 -10 [118] Ni Dimetilglioksim Amonijaĉni pufer 1 x 10 -10 [119] Pt Formazon Acetatni pufer 1 x 10 -12 [120] Sn Tropolon Acetatni puffer 2 x 10 -10 [121] Ti Bademova kiselina KClO3 7 x 10 -12 [122] U Oksim PIPES pufer 2 x 10 -10 [123] V Katehol PIPES pufer 1 x 10 -10 [124] Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 70 2.14.3 Primeri upotrebe metoda sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem Postoje razni radovi na temu praktiĉne upotrebe striping analize za rešavanje problema odreĊivanje metala u prirodi, medicini ili industriji. Sem toga, ove metode se koriste dosta za odreĊivanje tragova metala u prirodnim i morskim vodama [98, 106, 107, 108]. Veoma se koriste i hemijsku specijaciju oblika metala [109]. Merenje oksidacionih stanja, kapaciteta kompleksiranja, konstantni stabilnosti predstavljaju tipiĉne specijacione primere upotrebe striping analize. Zbog fundamentalno razliĉitog detekcionog principa AdsV daje razliĉite specijacione informacije u poreĊenju sa konvencionalnim ASV. U poslednje vreme su se pojavile elektrode manje površine (ultramikroelektrode) koje omogućuju in-situ praćenje koncentracije metala u ţivom svetu [110]. Ove tehnike su još uvek neprevaziĊene u odreĊivanju tragova elemenata u sedimentima, pepelu, kiši ili ĉesticama vazduha (Tabela 3). Striping analiza se dosta koristi za merenje tragova metala u biološkim teĉnostima. Upotreba ove metode za odreĊivanje olova u krvi dece se i danas u nekim zemljama koristi [111]. OdreĊivanje ţive u ribama [112], antimona u parafinskoj rukavici posle pucnja iz vatrenog oruţja [113] ili kadmijuma u postrojenjima za elektrolizu razliĉitih metala su primeri za upotrebu striping tehnika u hrani, forenzici i industrijskim postrojenjima (Tabela 3). Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 71 Tabela 3. Primeri upotrebe striping tehnika za odreĊivanje tragova metala u razliĉitim uzorcima Metal Matriks Striping mod Radna elektroda Referenca Sb Ostaci pucnja ASV MFE [113] Cd Kiša ASV MFE [125] Cr Zemljište AdsV HMDE [126] Co Morska voda AdsV HMDE [115] Cu Ĉelik ASV HMDE [127] Jodidi Morska voda CSV HMDE [128] Fe Vino AdsV HMDE [129] Pb Krv SP MFE [130] Mg Otpadna voda SP MFE [131] Hg Riba ASV Au [112] Ni Aerosoli AdsV HMDE [132] Pt Goriva AdsV HMDE [133] Se Zemljište CSV HMDE [134] Tl Mokraća ASV HMDE [135] Ti Morska voda AdsV HMDE [136] U Podzemna voda AdsV HMDE [137] Zn Tkivo oka ASV HMDE [138] Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 72 2.14.4 Instrumentacija Pravilan izbor radne elektrode je jedna od glavnih stvari za uspešan rad striping metoda. Idealna radna elektroda treba da da efektivnu prekoncentraciju, favorizuje redoks reakciju ispitivanog metala, reproduktivnu površinu, malu pozadinsku struju i širok potencijalski prozor. Najĉešće korišćena elektroda je ţivina elektroda. Najviše upotrebljivane elektrode od ţive su viseća ţivina elektroda (HMDE) i elektroda od tankog filma ţive (MFE). HMDE elektroda omogućava reproduktivnu kap na vrhu tanke staklene kapilare. Elektroda od staklastog ugljenika, karbonska vlakna i mikrodisk od iridijuma se najĉešće koriste kao podloga za formiranje ţivinog filma. MFE omogućava veći odnos površina elektrode/zapremina (u poreĊenju sa HMDE) i nudi veće mogućnosti u prekoncentracionom koraku [138]. U poslednje vreme zbog toksiĉnosti ţive sve je manja njena upotreba i poĉinje razvoj drugih elektroda na bazi zlata, ugljenika, srebra, bizmuta. Veoma se mnogo razvijaju elektrode od tankog filma bizmuta koje takodje pokazuju odliĉne performanse u akumulaciji analita a izbegava se toksiĉnost ţive [139]. Zlatna elektroda nudi širi potencijalski prozor (u poreĊenju sa ţivom) i omogućava laku detekciju niskih koncentracija veoma bitnih metala kao što su arsen, selen i ţiva. Modifikacija konvencionalnih elektroda omogućava razliĉite upotrebe striping analiza, a dovodi do povećanja osetljivosti, selektivnosti i stabilnosti. Razliĉiti površinski aktivni polimeri spreĉavaju dolazak neĉistoća iz rastvora i omogućavaju odreĊivanje samo potrebnog analita. Elektrohemijska striping analiza se obiĉno radi u standardnim ćelijama (tipa pehar) koje su opremljene sa troelektrodnim sistemom (zapremine od 5 do 50ml). Sem toga postoje i otvori kroz koje prolaze cevĉice za uvoĊenje gasa za uklanjanje kiseonika iz rastvora. U poslednje vreme su atraktivne ćelije od tankog sloja, u kojima se ceo uzorak nalazi na tankom filmu (debljine do 10 µm) na površini elektrode [140]. Adaptacija striping tehnika u protoĉne sisteme daje nekoliko prednosti, ukljuĉujući veliku propusnu moć, kontinualni monitoring analita, visoku preciznost, smanjeni rizik kontaminacije. Razvijen je veliki broj striping detektora za on-line monitoring metala. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 73 2.15 Hemijski modifikovane elektrode Istraţivanja na polju hemijski modifikovanih elektroda poĉela su pre oko trideset godina od strane Hubbard-a [141, 142], Murray-a [143], i Millar-a [144, 145] i njihovih saradnika. Ova oblast se razlikuju veoma od tradicionalne adsorpcije na elektrodama [145], u smuslu da one namerno nastoje da imobilizuju ĉestice na površini elektrode tako da ona pokazuje hemijske, elektrohemijske, optiĉke i druge osobine adsorbovanog molekula. Posle razvoja ovog polja elektrohemije klasiĉno shvatanje definicije elektrode je prošireno. U širem smislu, svaka jonska provodna faza u kontaktu sa elektronski provodnom fazom se smatra elektrodom. Prema tome elektroda (sistem) se sastoji iz sledecih faza: 1. Elektrodne faze (elektronsko provodne faze), 2. Sloja u kome se vrši transport, 3. Difuzionog duplog sloja, 4. Difuzionog sloja, 5. Osnovnog rastvora. Faze 2 i 3 se zajedmo nazivaju elektriĉni dvosloj, a faze od 2 do 5 zajedno ĉine jonsku provodnu fazu. Ne samo funkcionlne varijacije nego i hemijske varijacije u oblasti modifikovanih elektroda imaju sve veću primenu. Atomski modifikovane elektrodne površine [146] postaju popularne sa razvojem elektrohemije na površini monokristala [147, 148]. Funkcionalnost modifikovanih elektroda se povećava upotrebom razliĉitih polimera [149, 150] i samo-napravljenih monoslojeva (self-assembled monolayers, SAMs), u poĉetku od razliĉitih tiola i disulfida vezanih za zlatnu elektrodu [151, 152]. 2.15.1 Polimerno modifikovane elektrode sa organskim molekulima Provodni polimeri, kao na primer polipirol, politiofen, polianilin i njihovi derivati su veoma popularni za pravljenje modifikovanih elektroda, pre svega zbog njihove lake pripreme oksidativnom polimerizacijom odgovarajućih monomera. Za njihovu polimerizaciju koristi se ili elektrohemijska ili hemijska oksidacija monomera nekim povoljnim oksidacionim sredstvom kao što je Fe(III). Kada krene polimerizacija, rezultujući polimer ima pozitivno naelektrisanje, koje omogućava spontano dopovanje sa anjonima prisutnim u reakcionom sudu gde se vrši polimerizacija da bi se kompenzovalo pozitivno naelektrisanje polimera. Dopovani anjon moţe lako da izadje iz polimera redukcijom ako je anjon malih dimenzija. Ako Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 74 je anjon velik, on se zadrţava i prilikom redukcije polimera. Izgled polimerne membrane na elektrodi prikazan je na slici 33. Ove osobine anjona u polimernom filmu su osnova za polimerne elektrode. Ovakva naĉin pravljenja elektroda prvi put je iskorišćen za kobalt-porfirin dopovan polipirolni film, elektrohemijskom polimerizacijom pirola u prisustvu kobalt porfirin sulfonata [153, 154]. Ova elektroda je pokazala aktivnost u elektrohemijskoj redukciji kiseonika. Elektrohemijska polimerizacija je iskorišćena i za pripremu provodnih polimera dopovanih sa neorganskim jonima [155-158], organskim jedinjenjima [159, 160], heteropolianjonima [161-163], i metalnim kompleksima [164-172] da bi se dobila specijalna funkcija dopanta u provodnom polimeru, koje se vide u tabeli 4. Anjoni velike mase, kao što su poli(stirensulfonat) [173-184], poli(vinilsulfat) [172, 184-188], i Nafion [188-195], koji se nazivaju polielektroliti se takodje koriste za dopovanje polimera. Elektrohemijska polimerizacija monomera u prisustvu polielektrolita u polimernom sudu vodi do stvaranja polimernog filma koji sadrţi anjonski polielektrolit. Obzirom da ovi anjoni zauzimaju velik deo dopovanog filma, taj polimerni material moţe da se smatra kao kompozit. Redoks reakciona shema ovog kompozita je ista kao na slici 32. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 75 Slika 33. Shema redoks reakcije provodnog polimera dopovanog sa velikim anjonom [172]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 76 Tabela 4. Provodni polimeri dopovani sa razliĉitim anjonima koji imaju specifiĉnu funkciju Provodni polimer Dopant Funkcija Referenca Porfirin Elektrokatalitiĉka aktivnost [153,154] Polipirol i njegovi derivati Ftalocijanin Elektrokatalitiĉka aktivnost [196, 197, 165,167] Antrahinon-1- sulfonat Redoks aktivnost [159] Kaliksaren Jon selektivnost [160] Fe(CN)6 4- Redoks aktivnost [168-170] Heteropolianjon Elektrokatalitiĉka aktivnost [161] Prusko plavo Redoks aktivnost, pH osetljivost [171-173] MoS4 2- , MoS3 Redoks aktivnost [155-158] Poli-3-metiltiofen Heteropolianjon Elektrokatalitiĉka aktivnost [163] Polianilin Heteropolianjon Elektrokatalitiĉka aktivnost [161-163] Modifikovane elektrode se dobijaju i kada se anjonski polielektrolit koristi kao film koji pokriva elektrodu kao anodu [198-203]. Ovaj tip elektroda se lako priprema, zato što se polielektrodni film lako formira kao tanak film na provodnom delu elektrode. Polimerni film ovako napravljen ima istu provodljivost kao i polimerni film koji sadrţi osnovne anjone ali ima veliku mehaniĉku otpornost, i omogućava im da površine elektroda ostanu stabilne i nepromenjene i pod ekstremnim uslovima. Veliki broj biomolekula kao što su enzimi moţe da se imobilizuje u provodni polimer elektrohemijskom polimerizacijom monomera u prisustvu biomolekula, zato što dosta biomolekula ima negativnu šarţu u neutralnoj sredini gde se većina polimerizacija odvija. Najĉešći primer ovakve upotreba modifikovanih elektroda je u imobilizaciji glukozooksidaze u nekoliko tipova polimera da bi se dobio amperometrijski biosensor za odreĊivanje glukoze a koji je male veliĉine [204-238]. Prilikom pravljenja modifikovane elektrode mora se voditi raĉuna o više faktora. Najvaţniji faktor, koji ima najveći znaĉaj za odgovor elektrode, naĉin rada i Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 77 duţinu ţivota elektrode, je struktura formiranog filma i njegova morfologija. Sem toga veoma je znaĉajna i debljina samog filma i uslovi pod kojima se formira. Na sam rad modifikovanih elektroda najveći uticaj ima izbor elektrolita u kom se radi, njegova koncentracija i temperatura na kojoj se vrši merenje. Danas postoje razliĉite mikroskopske tehnike kojima se snima površina elektrode [239-248]. Prati se razlika izmedju makropora i nanopora koje nastaju sa razliĉitim formiranjem polimera. Unutar makropora termodinamiĉke i transportne osobine jona i molekula rastvaraĉa se ne razlikuju od onih u kontaktnoj fazi rasvaraĉa sa elektrodom. Elektriĉni dvosloj se formira na granici izmedju polimera i rastvora ĉija je debljina mnogo manja nego veliĉina makrojedinjenja. Prema teoriji o metastabilnoj adsorbciji de Gennes-a [249], kada je sloj adsorbovanog polimera u kontaktu sa ĉistim rastvaraĉem, gustina sloja se povećava idući od površine elektrode (na primer metala). Ponašanje nekoliko film polimernih elektroda ( poli(vinil-ferocena) [171, 250], polipirola [251], i polianilina [186, 252] je objašnjemo sa pretpostavkom da se gustina filma smanjuje sa debljinom filma, odnosno od površine metalne elektrode do granice elektroda- rastvaraĉ. Kako naĉin pravljenja polimera utiĉe na modifikaciju elektrode vidi se na primeru polipirola. Prilikom elektrohemijske sinteze polipirola krucijalni parameter je gustina struje. Na malim gustinama struje, u strukturi polipirola dominira jednodimenzionalni lanac, dok se pri višim gustinama struje formira dvodimenzionalna mikroskopska struktura. Visoko provodna 2-D ostrva koja nastaju spojena su sa malim 1-D lancima i ponašaju se kao tunel barijera [203]. Sem toga, region blizu površine elektrode pokazuje više-manje dobro definianu strukturu i generalno se moţe smatrati kao amorfna struktura. Zbog osobina koje pokazuju, i koje mogu da se optimizuju njihovim razliĉitim pravljenjem, modifikovane elektrode imaju veoma široku primenu, i danas se veoma ulaţe u njihov razvoj. Našle su primenu u biohemijskim instrumentima kao detektori za odreĊivanje raznih parametara, kao što je koliĉina šećera u krvi, jer je njihova fabrikacija jeftina i sniţava cenu analize. Moguće je u polimernu matricu vezati razliĉite molekule tako da elektroda koja se napravi ima veoma visoku selektivnost i Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 78 osetljivost. Sem toga, koriste se i u elektrokatalizi, za razliĉite oksidacione ili redukcione procese koji nisu bili mogući sa konvencionalnim elektrodama zbog njihove smanjene selektivnosti. Veoma vaţna je i njihova upotreba u elektroanalitiĉkim tehnikama gde modifikovane elektrode sve više zamenjuju konvencionalne, zbog štetnosti ţive u ţivotnoj sredini, a i velike cene klasiĉnih elektroda koje se prave od platine, zlata ili srebra, a same modifikovane elektrode postiţu iste ili bolje performanse od njih. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 79 3. Eksperimentalni deo Cikliĉni voltamogrami snimani su na bipotenciostatu CHI 760b Austin TX, US (www.chinstruments.com). Korišćena je originalna troelektrodna ćelija (slika 34). Kao radna elektroda za voltametrijska (polarografska) i potenciometrijska merenja korišćena je originalna elektroda od staklastog ugljenika (Glassy Carbon electrode, GC) proizvoĊaĉa Metrohm AG Switzerland (www.metrohm.com) modifikovana sa smešom nafiona i DPABA. Slika 34. Ćelija za voltametrijska merenja Kao referentna elektroda za snimanje voltametrijskog ponašanja mofikovane elektrode u rastvoru bakra korišćena je srebro/srebrohloridna elektroda proizvoĊaĉa CHInstruments, model CHI111, u koju je kao unutrašnji rastvor dodavan 3M KCl. Kao pomoćna elektroda korišćena je pomoćna platinska elektroda velike površine (platinska ţica), istog proizvoĊaĉa model CHI221 (Slika 35.). Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 80 Slika 35. Elektrode korišćene za voltametrijska ispitivanja Promene potencijala prilikom praćenja potenciometrijskog odziva elektrode na pojedine jone snimana je takoĊe prema srebro/srebrohloridnoj elektrodi, sa unutrašnjim rastvorom 3M KCl, a kao radna je korišćena modifikovana elektroda od staklastog ugljenika. Promene su praćene na aparatu milivoltmetru, proizvoĊaĉa JENCO electronics ltd. 6071 pH/mV metru. Prilikom praćenja promene potencijala rastvor u koji su uronjene elektrode je mešan konstantnom brzinom korišćenjem magnetne mešalice. Za polarografska odreĊivanja korišćen je rotator i potenciostat proizveden od firme Methrom AG Switzerland model Methrom 797 VA Computrace (oznaka 6.1246.000). Troelektrodna ćelija je sadrţavala kao radnu elektrodu rotirajuću modifikovanu elektrodu od staklastog ugljenika, kao referentnu srebro/srebrohloridnu a kao pomoćnu platinsku elektrodu velike površine (platinsku ţicu), istog proizvoĊaĉa. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 81 Kao elektroliti su korišćeni HCl, acetatni pufer i KCl, p.a ĉistoće (Merck) koji su korišćeni bez prethodnog preĉišćavanja, da bi se obezbedila razliĉita pH sredina. Svi pripremani elektroliti su bili koncentracije 0,1M. Pre svakog modifikkovanja elektrode, radna elektroda od staklastog ugljanika je polirana alumunijumskim prahom veliĉine ĉestice 0,05 mikrona, potom isprana i uronjena u ultrazvuĉno kupatilo (J. P. Selecta s.a. Spain) da bi se odstranio zaostali prah sa radne površine. Sva snimanja su vršena na sobnoj temparaturi. Puferi (pH3, pH3,5, pH4, pH4,5 i pH5) su pravljeni rastvaranjem potrebne koliĉine CH3COONa u sirćetnoj kiselini i razblaţivani do 100 mL sa destilovanom vodom. Elektroliti pH vrednosti 1 i 2 su pravljeni korišćenjem hlorovodonicne kiseline analitiĉke ĉistoće, zbog izbegavanja neĉistoća koje bi ometale odreĊivanje. Elektrolit pH 7 je pravljen rastvaranjem kalijum-hlorida analitiĉke ĉistoće u destilovanoj vodi. Rastvori soli katjona (bakar, olovo i kadmijum) koji su pravljeni kao štok rastvori koncentracije 1 x 10 -3, su bili analitiĉke ĉistoće proizvoĊaĉa Merck. Rastvori su pravljeni odmeravanjem na analitiĉkoj vagi i oni su korišćeni za dalja razblaţenja sa osnovnim elektrolitima. Razblaţenja su pravljena korišćenjem razliĉitih mikropipeta firme Eppendorf. Metil-3,5-bis{bis-[(piridin-2-il)metil]amino}metil)benzoat ili metil-3,5- bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoat, DPABA (slika 36.) je korišćen kao bakarni kompleks za modifikaciju elektroda u razliĉitim koncentracijama. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 82 Slika 36. Metil-3,5-bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoat Bakar- metil-3,5-bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoat kompleks ili Cu-DPABA je sintetisan prema shemi sa slike 37 [253]. Za komplekse koje formira ovaj ligand je karakteristiĉno da budu dinuklerni. Izuzetak toga je bakar koji jedini formira mononuklerne komplekse u kojima je jedna grupa pikolil amina slobodna. Sem ovoga za bakar je karakteristiĉno lako formiranje dinuklearnih kopleksa sa drugim katjonima [253]. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 83 Slika 37. Shema formiranja kompleksa izmeĊu bakra i metil-3,5-bis[(di(2- pikolil)amino)metil]benzoata [253]. Nafion koji je korišćen kao uĉvršćivaĉ DPABA na površini elektrode je bio 2% i 5% rastvor u etanolu i kupljen od firme Merck, i kao takav je korišćen. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 84 3.1 Priprema elektrode Pre svakog eksperimenta elektroda je oĉišćena sa aluminijumskim prahom, isprana destilovanom vodom i drţana u ultrazvuĉnom kupatilu 3 minuta. Modifikujuća smeša je pripremana mešanjem razliĉitih zapremina 2% i 5% rastvora nafiona u etanolu sa 5 µL rastvora Cu-DPABA u metanolu, koncentracije 15mg/mL, i nanošenjem na suvu površinu elektrode, nakon ĉega je elektroda ostavljana da se suši na vazduhu 2 sata. Nakon toga se elektroda ispere vodom i koristi za dalja merenja. Slika površine elektrode od staklastog ugljenika modifikovanoj sa polimernim filmom od Nafiona i metil-3,5-bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoata (Cu-DPABA-NA/GCE elektroda) snimljena na skenirajućem elektronskom mikroskopu (Scanning Electron Microscopy, SEM-u) je prikazana na slici 38. Slika 38. SEM slika površine modifikove elektrode od staklastog ugljenika. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 85 4. Rezultati i diskusija 4.1 Ispitivanje elektrohemijskog ponašanja modifikovane elektrode Da bi se ispitalo elektrohemijsko ponašanje modifikovane elektrode potrebno je odabrati pogodan elektrolit koji neće davati signale u oblasti u kojoj ispitivana elektroda daje signale katjona od interesa i koji mogu da pokrivaju opseg pH koji je potreban, odnosno da ispitivani sistem daje dovoljno širok potencijalski prozor. Kao elektroliti u ovom radu su korišćeni hlorovodonicna kiselina, acetatni pufer i kalijum hlorid kao jedni od najĉešćih elektrolita koji se koriste prilikom elektrohemijskih merenja, koji imaju odliĉnu provodljivost i koji su dovoljno inertni u širokom opsegu potencijala a pri tom i jeftini. Svi ispitivani elektroliti su bili koncentracije 0,1 mol/L u vodenom rastvoru pošto je ispitivana elektroda korišćena za odreĊivanje koncentracije mikroelemenata u vodi. Da bi se videlo ponasanje modifikovane elektrode u vodenom rastvoru bakra (II) potrebno je pokazati da u potencijalskom prozoru u kome se snima nema signala koji bi poticali od provodne soli ili vode a koji bi uticali na poloţaje i intenzitet pikova bakra (II). Kao najbolji elektrolit se pokazao acetatni pufer pH 4,5 dok su ostali elektroliti davali manje struje. Opseg pH u kome je snimano je od 1 do 7, jer je u baznijem pH slaba rastvorljivost hidroksida metala koji se ispituju. Izgled voltamograma elektrolita acetatnog pufera u sistemu u kome se kao radna elektroda koristi elektroda od staklastog ugljenika modifikovana sa smešom Cu- metil-3,5- bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoata i nafiona u odnosu 1:1 (Cu-DPABA-NA/GCE elektroda), kao referentne srebro-srebrohloridna elektroda ( 3M kalijum-hlorid, kao unutrasnji rastvor) a kao pomoćna elektroda platinska ţica prikazan je na slici 39. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 86 Slika 39. Cikliĉni voltamogram osnovnog elektrolita na razliĉitim brzinama (50, 100, 200 mV/s; a, b, c redom), osnovni elektrolit acetatni pufer, radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna srebro-srebrohloridna (3M KCl), pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Nakon izbora najoptimalnijeg elektrolita snimljen je rastvor bakra (II) u osnovnom elektrolitu i na razliĉitim brzinama da bi se videlo elektrohemijsko ponašanje elektrode odnosno poloţaj anodnog i katodnog pika bakra kao i polutalasni potencijal i dobijeni rezultati uporedili sa standardnim vrednostima. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 87 Slika 40. Izgled cikliĉnog voltamograma rastvora bakra (II) koncentracije 5x10-4M, u osnovnom elektrolitu (acetatni pufer) na razliĉitim brzinama (25, 50, 75, 100. 200, 300 i 500 mV/s; a, b, c, d, e, f, g redom); radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna srebro-srebrohloridna (3M KCl), pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Slika 41. Zavisnost intenziteta struje katodnog i anodnog pika bakra (II) koncentracije 5x10 -4 M od korena brzine za razliĉite brzine, radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna srebro-srebrohloridna (3M KCl), pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. R= 0,9711 za anodni pik i R=0,9711 za katodnu zavisnost pikova. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 88 Sa slike 40. se vidi da je polutalasni potencijal bakra na modifikovanoj elektrodi -0,15 V što se odliĉno slaţe sa tabelarnom vrednošću za polutalasni potencijal bakra (-0,2V). Kada se prikaţe zavisnost intenziteta struje katodnog i anodnog pika u zavisnosti od kvadratnog korena brzine skeniranja (Slika 41.)zakljuĉuje se da je reakcija koja se dešava na elektrodi difuziono kontrolisana, jer postoji linearna zavisnost a za sam proces se moţe reći da je ireverzibilan [48, 67]. Iz ovoga se moze zakljuĉiti da se ovakvo modifikovana elektroda moţe koristiti za elektrohemijska odreĊivanja standardnih sistema i da se kao takva moţe koristiti kao zamena za standardne elektrode koje su u upotrebi (Slika 42.) . Slika 42. Cikliĉni voltamogram bakra (II) koncentracije 5x10-4M, u acetatnom puferu kao osnovnom elektrolitu, radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna srebro-srebrohloridna (3M KCl), pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Kriva a) predstavlja osnovni elektrolit a kriva b) cikliĉni voltamogram rastvora bakra. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 89 4.2. Potenciometrijsko određivanje bakra Potenciometrijsko odreĊivanje bakra na elektrodi od staklastog ugljenika modifikovanoj smešom nafiona i kompleksa bakra sa metil-3,5-bis[(di(2- pikolil)amino)metil]benzoatom je optimizovano razliĉitim parametrima da bi se dobila elektroda što boljih performansi pre svega zbog cene aparature i brzine odreĊivanja. Ispitivana je koliĉina modifikatora na elektrodi, pH sredina kao i ometajući joni koji su najĉešći zagaĊivaĉi voda. Nakon toga je ispitana analitiĉka primena predloţene elektrode u realnim uzorcima. Ispitivanje uticaja koliĉine modifikatora na potenciometrijski odgovor predloţene elektrode je raĊeno dodavanjem razliĉite zapremine smeše za modifikaciju na površinu elektrode od staklastog ugljenika koja je prethodno polirana sa aluminijumskim prahom, isprana destilovanom vodom i osušena. Slika 43. Potenciometrijksa kalibraciona kriva zavisnosti modifikovane elektrode od koliĉine modifikatora. a) 10 µL nafiona i 10 µL modifikatora; b) 5 µL nafiona i 10 µL modifikatora. Referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 90 PoreĊenjem rezultata dobijenih sa modifikovanom elektrodom sa elektrodom od staklastog ugljenika vidi se da ĉista elektroda od staklastog ugljenika ne daje potenciometrijsku zavisnost u opsegu koncentracija od 10 -7 M do 10 -5 M i da se Cu- DPABA-NA/GCE moţe koristiti kao zamena (slika 44). Slika 44. Potenciometrijska zavisnost modifikovane elektrode i ĉiste elektrode od staklastog ugljenika. Referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda. Kriva ima veći nagib kada se kao modifikator koristi 2% nafion zapremine 10 µL i 10 µL kompleksa Cu-DPABA koncentracije 15 mg/ml. Funkcija nafiona je da fiksira kompleks na površini elektrode kao i da sluţi kao barijera za spreĉavanje interferirajućih jona da doĊu do površine elektrode. Kada se kao oĉvršćivaĉ koristi 5 % nafion jonofora koja nastaje na elektrodi je previše krta i u vodi prilikom merenja dolazi do otpadanja sa površine elektrode. Ovakvo pripremljena elektroda ima vreme odgovora 3s i opseg linarnosti od 1 x 10 -7 - 5 x 10 -5 mol/L. Granica detekcije date elektrode je 7 x 10 -8M. Kada se koristi veća koliĉina modifikatora (30µL i veće) debljina sloja na površini elektrode se povećava tako da dolazi do povećanja vremena odgovora (8s) i smanjanja opsega linearnosti. Najbolji rezultati su postignuti kada je Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 91 zapremina modifikatora bila 20 µL (10 µL nafiona i 10 µL kompleksa Cu-DPABA) i ta elektroda je korišćena za dalja merenja (Slika 43.). Potenciometrijski odgovor modifikovane elektrode na jone bakra ispitivan je u razliĉitim elektrolitima, koji pokrivaju opseg pH od 1 do 7. Uticaj razlicitog pH je prikazan na slici 45. Za pH 1 i 2 je korišćena hlorovodonoĉna kiselina, za više vrednosti pH je korišćen acetatni pufer a za pH 7 je korišćen kalijum hlorid, dok je za pH 8 korišćen fosfatni pufer. Svi elektroliti su bili koncentracije 0,1M . Najveća osetljivost i najširi opseg linearnosti elektrode (10 μL Nafion, 10 μL of Cu-DPABA) je postignut sa acetatnim puferom kao pomoćnim elektrolitom pH 4, koncentracije 0,1M. Više pH vrednosti (od 8) nisu uzimane u obzir zbog niske rastvorljivosti hidroksida bakra kao i ispitivanih ometajućih katjona. Slika 45. Potenciometrjski odgovog predloţene elektrode na jone bakra u zavisnosti od pH. (Elektroliti HCl, acetatni pufer, KCL i fosfatni pufer razliĉitog pH, koncentracije 0,1 M); Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna. Uticaj razliĉitih ometajućih katjona na odgovor modifikovane elektrode je prikazan na slici 46. Ispitivani metali su izabrani kao najĉešći pratioci bakra u Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 92 otpadnim i drugim vodama. Sa slike se vidi da katjoni kao što su Fe3+, Co2+ i Zn2+ imaju uticaj na odgovor modifikovane elektrode u koncentraciji od 1 x 10 -6 M. Detekcioni limit i opseg linearnosti je isti kada su kao ometajući katjoni prisutni Fe3+ i Co 2+ ali je nagib kalibracione krive manji. Kada je cink prisutan u rastvoru kao smetnja elektroda nema dobar odgovor na bakar. To je i oĉekivano obzirom da metil- 3,5-bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoat (DPABA) ne kompleksira jone gvoţĊa i kobalta dok kompleksiranje bakra sa ovim ligandom moţe biti u potpunosti spreĉeno u prisustvu jona Zn 2+ [253]. Slika 46. Uticaj ometajućih jona na potenciometrijski odgovor bakra: a) Fe3+, b) Co 2+ , c) Zn 2+ ; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro- srebrohloridna, pomoćni elektrolit 0,1 M acetatni pufer pH 4. Optimalni uslovi za pripremu elektrode kao i najbolji parametric su prikazani u tabeli 5. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 93 Tabela 5. Optimalni uslovi za pripremanje elektode Zapremina DPABA 10µL Zapremina nafiona 10µL Koncentracija DPABA 15mg/ml Pomoćni eletrolit AcOH-NaOAc pufer, pH 4 Detekcioni limit 7 x 10 -8 mol/l Cu (II) Opseg linearnosti 1 x 10 -7 - 5 x 10 -5 mol/L Vreme odgovora 3s Vreme sušenja 2h Modifikovana elektroda je ispitivana u realnim uzorcima vode kao jedan od glavnih zahteva da bi se uradila njema validacija. Koncentracija je ispitivana direktnim potenciometrijskim merenjima iz kalibracione krive napravljene sa istom elektrodom. UraĊeni su i rikaveri ekpserimenti (Tabela 6). Iz rezultata se moze zakljuciti da predloţena elektroda ima veoma dobre rezultate a sam vek trajanja elektrode (preko 100 merenja) kao i njena laka priprema pokazaju da se ova elektroda moţe koristiti kao zamena standardnim elektrodama za potenciometrijsko odreĊivanje bakra. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 94 Tabela 6. Rezultati odreĊivanja bakra u uzorcina realne vode Uzorak Koncentracija u uzorku Cu 2+ -dodato mol/L Cu 2+ -naĊeno mol/L Rikaveri % 1. ND 5x10 -6 5,01 x10 -6 100,2 2. ND 5x10 -6 4,97 x10 -6 99,4 3. ND 5x10 -6 5,02 x10 -6 100,4 4. ND 5x10 -6 5,00 x10 -6 100 5. ND 5x10 -6 4,95 x10 -6 99 ND- Nije detektovano 4.3. Određivanje bakra metodama sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem (anodnom striping voltametrijom) pomoću Cu-DPABA-NA/GCE Upotreba ovako pripremljene elektrode za potenciometrijsko odreĊivanje bakra za odreĊivanje diferencijalnom pulsnom anodnom striping voltametrijom (DPASV) i polarografijom sa pravougaonim talasima (square wave anodna striping voltametrija, SWASV) pokazuje osobine koje su sliĉne rezultatima konvencionalnih elektroda. Za diferencijalnu pulsnu anodnu striping voltametriju (DPASV) uticaj koliĉine modifikatora na površini elektrode od staklastog ugljenika je prikazan u Tabeli 7. Najveći intezitet struje je dobijen kada je koliĉina smeše za modifikaciju bila 10 µL, koja je sadrţala 5µL 2 % etanolnog rastvora nafiona i 5 µL kompleksa Cu-DPABA. Funkcija nafiona je bila da fiksira kompleks na elektrodi i da sluţi kao barijera da Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 95 spreĉi prilazak smetnji do površine elektrode. Kada se koristi veća koliĉina od 10 µL smeše za modifikaciju debljina sloja na površini elektrode se povećava što dovodi do povećanja vremena vremena akumulacije i do smanjenja intenziteta struje pika [254, 255]. Prilikom upotrebe manje koliĉine smeše za modifikaciju signali koji se dobijaju su manjeg inteziteta a sama površine elektrode se ubrzano troši tako da ovako pripremljena elektroda nema dug ţivotni vek. Upotrebom 5 % etanolnog rastvora nafiona sloj koji se dobija na elektrodi ima više plastiĉnu strukturu tako da se dosta kraće zadrţava na elektrodi i dovodi do otpadanja sloja modifikatora sa površine elektrode. Tabela 7. Uticaj razliĉite koliĉine modifikatora na granicu detekcije i opseg linaernosti prilikom odreĊivanja bakra DPASV. No. V Cu- DPABA (µL) V 2% nafiona (µL) V 5% nafiona (µL) Granica detekcije za bakar molL -1 (x10 -9 ) Opseg linearnosti za Cu molL -1 1. 5 2 3,1 8,3x 10 -9 – 5,8 x 10-5 2. 5 5 3,0 7,0x10 -9– 5,0 x10-5 3. 5 10 4,2 8,3x 10 -9 – 5,7 x 10-5 4. 5 15 4,9 9,8 x 10 -9 – 5,9 x 10-5 5. 5 2 3,3 7,5 x 10 -9 – 5,8 x 10-5 6. 5 5 3,3 7,4 x 10 -9 – 5,5 x 10-5 7. 5 10 4,6 8,3 x 10 -9 – 6,0 x 10-5 8. 5 15 5,2 9,1x 10 -9 – 5,8 x 10-5 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 96 Prilikom upotrebe ovako modifikovane elektrode za odreĊivanje bakra diferencijalnom pulsnom anodnom striping voltametrijom primećuje se znatna razlika u obliku pika i intenzitetu struje (Slika 47). Slika 47. Razlika izmeĊu izgleda pika prilikom odreĊivanja bakra DPASV; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Kriva a) ĉista elektroda od staklastog ugljenika; kriva b) elektroda modifikovana sa Cu-DPABA. Za odreĊivanje bakra anodnom striping voltametrijom korišćen je samo 2 % etanolni rastvor nafiona koji je mešan sa kompleksom Cu-DPABA u odnosu 1:1. Koliĉine nafiona i kompleksa koje su mešane su bile 3, 4, 5, 6 i 8 µL. Najbolji rezultati su postignuti sa ukupnom koliĉinom smeše za modifikaciju od 10 µL (5+5) dok se sa drugim koliĉinama intezitet struje pika isto ponaša kao i kod DPASV (Slika 48). Povećanjem koliĉine modifikatora na 16 µL dolazi do povećanja vremena akumulacije kao i smanjnja opsega linearnosti. Smanjenje koliĉine modifikatora na 8 µL i povaćanje na 12 dovodi skoro istih intenziteta struje ali je reproduktivnost takve elektrode smanjena kao i njen ţivotni vek. Smanjenje zapremine smeše za modifikaciju na 6 µL dovodi do naglog smanjenja struje kao i nereproduktivnih rezultata. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 97 Slika 48. Zavisnost intenziteta struje od koliĉine smeše za modifikaciju prilikom odreĊivanja bakra SWASV; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Ispitivanje najboljeg pH za odreĊivanje bakra DPASV i SWASV korišćen je opseg pH vrednosti od 2 do 5. Koncentracija bakra koja je ispitivana je bila 1 x 10 -7 M. Da bi se postigle te vrednosti kao elektrolit su korišćeni razliĉiti rastvori hlorovodonoĉne kiseline i acetatnog pufera. Za pH 2 je korišćena hlorovodoniĉna kiselina, dok se za više vrednosti 3, 4 i 5 koristio acetatni pufer. Svi elektroliti su bili iste koncentracije 1 x 10 -3 M. NaĊeno je da su najbolji rezultati, najbolje definisan pik i sa najvećim intezitetom struje, sa optimalnom vrednošću za pripremu elektrode (5 µL nafiona i 5 µL kompleksa Cu-DPABA), postignuti kada je kao pomoćni elektrolit korišćen acetatni pufer. Isti rezultat je i za DPASV i za SWASV, s tim što je za SWASV intenzitet struje na najboljem pH manji nego kod DPASV (Slike 49, 50). Za niţe i više pH vrednosti struje koje se dobijaju za istu koncentraciju bakra imaju niţu Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 98 vrednost što se najbolje vidi kod pH 5. Osim niţe struje za vrednosti pH ispod 4, najviše kod pH 2 dolazi do brţeg narušavanja strukture jonofore na površini elektrode tako da takva elektroda ima kraći vek trajanja. Slika 49. Uticaj pH na intenzitet struje pika prilikom odreĊivanja bakra koncentracije 1 x 10 -7 M DPASV. Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 99 Slika 50. Uticaj pH na intenzitet struje pika prilikom odreĊivanja bakra koncentracije 1 x 10 -7 M SWASV. Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Kao što se oĉekuje zavisnost struje u DPASV i SWASV se povećava sa povećanjem vremena akumulacije analita na površini elektrode (Slike 51 i 52). Do povećanja kod DPASV dolazi sve do 120 s kada struja postaje konstantna i dalje povećanje struje ne dovodi do povećanja inteziteta struje već do njenog smanjenja. Kod SWASV nakon 120 s dolazi do blagog povećanja struje pika nakon duţe akumulacije analita ali ta promena je zanemarljiva a osim toga utiĉe na produţenje vremena analize a pošto je vreme analize veoma bitan faktor za svaku analitiĉku tehniku kao najbolje vreme za akumulaciju analita je uzeto 120 s. Obzirom da prekoncentraciono vreme zavisi od koncentracije analita, potrebno je duţe vreme za akumulaciju niţih koncentracija metalnih jona. Sa druge strane kada je prisutna veća koncentracija analita vreme akumulacije se smanjuje jer dolazi do brţeg zasićenja slobodnih mesta na površini joinofore. Stoga se vreme merenja moţe kontrolisati Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 100 pravilnim izborom vremena akumulacije analita. Za analizu bakra u opsegu koncentracija od 7,0 x 10 -9 do 5,0 x 10 -5 M izabrano vreme akumulacije i za DPASV i za SWASV je 120 s. Slika 51. Uticaj vremena akumulacije na intenzitet signala prilikom snimanja bakra koncentracije 1 x 10 -7 M DPASV; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 101 Slika 52. Uticaj vremena akumulacije na intezitet signala prilikom snimanja bakra koncentracije 1 x 10 -7 M SWASV; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine. Veoma bitan ĉinilac prilikom razvoja nove elektroanalitiĉke tehnike je uticaj ometajućih supstanci na odziv elektroda. Bilo koji metalni katjon koji moţe da se kompleksira sa DPABA smeta taĉnom odreĊivanju koncentracije bakra. Katjoni koji ne smetaju odreĊivanju su Li, Na, K, Cs, Mg, Ca, Ba, Mn, Pb, Co, Fe i Cd. U prisustvu ţive i bizmuta dolazi do smenji prilikom odreĊivanja bakra pošto pomenuti katjoni daju signale u ASV na sliĉnom potencijalu kao i bakar što dovodi do povećanja inteziteta struje bakra i dobija se pogrešan uvid u koncentraciju. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 102 4.4 Primena nove elektrode za određivanje koncentracije bakra u realnim uzorcima DPASV i SWASV Kalibraciona kriva za odreĊivanje nepoznate koncentracije bakra u realnim uzorcima vode na Cu-DPABA-NA/GCE kao radnoj elektrodi kao i izgled voltamograma snimljenih diferencijalnom pulsnom ASV su prikazani na slici 52. Jednaĉina koja se dobija ovom pravom je: I= 1,243 + 0,248 C gde je C koncentracija bakra u µg/L a I struja u µA. Korelacioni koeficijent ove prave iznosi r = 0,9985. Rezultujuća kalibraciona kriva je linearna u opsegu 7,0 x 10-9 do 5,0 x 10 -5 M. Detekcioni limit je 3,0 x 10 -9 M. Reproduktivnost elektrode je proverena snimanjem 10 ponovljenih merenja iste koncentracije jona bakra. Relativna standardna devijacija ovih 10 merenja je 1,95 % za koncentraciju od 40 µg/L bakra što se vidi iz tabele 8. Ovi rezultati pokazuju da predloţena elektroda ima zadovoljavajuću osetljivost i reproduktivnost i da se kao takva moţe koristiti kao zamena standardnim elektrodama za polarografska odreĊivanja. Tabela 8. Reproduktivnost predloţene elektrode Broj merenja 10 Koncentracija, µg/L 40 Srednja vrednost struje, µA 45,8 Standardna devijacija, µA 1,68 Standardna devijacija, % 3,7 Ovako pripremljena elektroda je upotrebljena za merenje koncentracije tri razliĉita realna uzorka vode. Za sve uzorke je dodavan standardni dodatak od 5,0 x 10 -7 M da Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 103 bi kod uzoraka kod kojih nije detektovan bakar došlo do povećanja struje i da bi se izraĉunao rikaveri za svaki uzorak. Rezultati su izraĉunati sa kalibracione krive prikazane na slici 53. Iz rezultata se vidi da se sadrţaj bakra u ovim uzorcima dobijen novom elektrodom slaţe sa pripremljenim rastvorima što se vidi iz tabele 9. Slika 53. Voltamogrami dobijeni za razliĉite koncentracije bakra DPASV: 2, 5, 10, 30, 50 i 60 ppb i kalibraciona prava za iste; Radna elektroda Cu-DPABA- NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine, pomoćni elektrolit acetatni pufer pH 4, vreme akumulacije 120 s, potencijal akumulacije -1,4V. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 104 Tabela 9. Rezultati odreĊivanja bakra u uzorcima vode DPASV. Broj uzorka Dobijena konc. x10 -7 mol/L Dodata konc. x10 -7 mol/L NaĊena konc. x10 -7 mol/L Rikaveri % 1. 0,01 5,00 5,03 100,4 2. ND 5,00 4,95 99 3. 0,04 5,00 5,06 100,4 Voltamogrami dobijeni prilikom odreĊivanja koncentracije nepoznatog uzorka metodom SWASV kao i kalibraciona prava kao i parametri prave su prikazani na slikama 54 i 55. Slika 54. Voltamogrami dobijeni za razliĉite koncentracije bakra SWASV: 10, 15, 20, 30, 50, 70 x 10 -7 M; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine, pomoćni elektrolit acetatni pufer pH 4, vreme akumulacije 120 s, potencijal akumulacije -1,4V. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 105 Slika 55. Kalibraciona prava za voltamograme dobijene SWASV korišćenjem nove elektrode za razliĉite koncentracije bakra. Rezultati tri odreĊivanja realnih uzoraka vode sa standardnim dodatkom polarografijom sa pravougaonim talasima kao i rikaveri vrednosti prikazani su u tabeli 10. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 106 Tabela 10. OdreĊivanje nepoznate koncentracije bakra u uzorcima vode SWASV. Uzorak Koncentracija u uzorku. mol/L X10-7 Cu(II)-dodato mol/L X10-7 Cu(II)-naĊeno mol/L X10-7 Rikaveri % 1. ND 15,00 15,06 100,4 2. ND 15,00 14,95 99,67 3. ND 15,00 15,04 100,27 4.5 Određivanje olova i kadmijuma metodama sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem (anodnom striping voltametrijom) pomoću Cu-DPABA-NA/GCE 1 Nakon ispitivanja i optimizovanja parametara odreĊivanja bakra metodama sa obogaćivanjem i sukcesivnim rastvaranjem ista elektroda je korišćena za odreĊivanje nepoznate koncentracije olova i kadmijuma u uzorcima vode DPASV i SWASV tehnikom i optimizacijom parametara odreĊivanja da bi se postigle što bolje performanse za predloţenu elektrodu. Diferencijalna pulsna anodna striping voltametrija rastvora koji sadrţi 30 µg/L kadmijuma i olona u acetatnom puferu (pH4) nakon akumulacionog koraka od 120 s na potencijalu od -1,4 V na cistoj elektrodi od staklastog ugljenika, modifikovanoj samo sa ligandom i modifikovanoj sa kompleksom je prikazana na slici 56. UporeĊivanjem ovih voltamograma moţe se zakljuĉiti da se najveći intezitet struje pika dobija sa elektrodom modifikovanom sa kompleksom i nafionom [12, 254, 255]. Reakcije koje se dešavaju na površini elektrode mogu se opisati u sledeća tri koraka: Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 107 Maq 2+ + Cu-DPABApovršina → [M 2+ -Cu-DPABA]kompleks (1) Adsorpcioni korak [M 2+ -Cu-DPABA]kompleks + 2 e - → [M0-Cu-DPABA]adsorbovan (2) Redukcioni korak [M 0 -Cu-DPABA]adsorbovan–2 e - →Cu-DPABApovršina + Maq 2+ (3) korak odreĊivanja Slika 56. Razlika u intenzitetu i obliku pikova prilikom odreĊivanja olova i kadmijuma DPASV a) ĉistim elektrodom od staklastog ugljenika, b) modifikovana elektroda sa ligandom, c) elektroda modifikovana sa kompleksom Cu-DPABA. Kod odreĊivanja olova i kadmijuma DPASV ispitivan je uticaj koliĉine modifikatora na odziv elektrode i kao oĉvršćivaĉ je korišćen i 2 % i 5 % nafion. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 108 Prilikom korišćenja 5 % nafiona dolazilo je do istih problema kao i prilikom odreĊivanja bakra. Jonofora koja se dobijala imala je previše plastiĉnu strukturu tako da je sa mesanjem prilikom akumulacije analita na njenoj površini dolazilo do skraćenja vremena trajanja elektrode jer je otpadala jonofora sa površine elektrode od staklastog ugljenika. Takva elektroda je mogla da sluţi samo do 10-15 merenja, za razliku od elektrode pripremane sa 2 % nafionom koje imaju vek trajanja od preko 100 merenja. Zbog ovoga prilikom ispitivanja uticaja na odreĊivanje olova i kadmijuma SWASV u obzir je uziman samo 2 % nafion. Najbolji rezultati su prostignuti sa ukupnom koliĉinom smeše za modifikaciju od 10 µL, odnosno 5 µL nafiona i 5 µL kompleksa Cu-DPABA (Tabele 11 i 12). LOD predstavlja granicu detekcije za ispitivane katjone. Najbolje elektrode su obeleţene sa crnom bojom. Tabela 11. Granice detekcije i opsezi linearnosti za odreĊivanje olova i kadmijuma razliĉito pripremljenim elektrodama matodom DPASV No. V Cu- DPABA (µL) V 2% nafiona (µL) V 5% nafiona (µL) LOD (Pb) molL -1 (x10 -9 ) LOD (Cd) molL -1 (x10 -9 ) Opseg lineranosti (Pb) molL -1 Opseg linearnosti (Cd) molL -1 1. 5 2 2,2 1,3 5,5 x 10 -9 – 5,6 x 10 -5 6,7x 10 -9 – 5,8 x 10 -5 2. 5 5 1,8 1,2 4,8 x 10 -9 – 5,0 x 10 -5 5,0 x 10 -9 – 5,0 x 10 -5 3. 5 10 1,8 1,4 4,8 x 10 -9 – 5,0 x 10 -5 8,3x 10 -9 – 5,0 x 10 -5 4. 5 15 3,2 1,9 6,9 x 10 -9 – 5,6 x 10 -5 9,8 x 10 -9 – 5,3 x 10 -5 5. 5 2 2,1 1,5 5,4 x 10 -9 – 5,0 x 10 -5 5,6 x 10 -9 – 5,0 x 10 -5 6. 5 5 1,9 1,1 5,3 x 10 -9 – 5,3 x 10 -5 5,2 x 10 -9 – 5,0 x 10 -5 7. 5 10 2,0 2,0 6,0 x 10 -9 – 5,9 x 10 -5 6,0 x 10 -9 – 6,0 x 10 -5 8. 5 15 3,4 2,5 7,3 x 10 -9 – 6,0 x 10 -5 8,6x 10 -9 – 5,8 x 10 -5 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 109 Tabela 12. Granice detekcije i opsezi linearnosti za odreĊivanje olova i kadmijuma razliĉito pripremljenim elektrodama matodom SWASV No. V Cu- DPABA (µL) V 2% Nafion (µL) LOD (Pb) molL -1 (x10 -9 ) LOD(Cd) molL -1 (x10 -9 ) Opseg linearnosti (Pb) molL -1 Opseg linearnosti (Cd) molL -1 1. 5 2 2,5 1,8 6,2 x 10 -9 – 5,6 x 10 -5 7,1x 10 -9 – 5,8 x 10-5 2. 5 5 2,1 1,6 6,1 x 10 -9 – 5,4 x 10 -5 6,9 x 10 -9 – 5,2 x 10-5 3. 5 10 2,4 1,9 6,9 x 10 -9 – 5,4 x 10 -5 8,3x 10 -9 – 5,2 x 10-5 4. 5 15 3,3 2,1 7,8 x 10 -9 – 5,6 x 10 -5 9,6 x 10 -9 – 5,3 x 10-5 Ispitivanje najoptimalnijeg pH je raĊeno u intervalu od 2 do 7 sa korakom od 0,5 jedinica do 4,5 a zatim sa povećanjem od 1 pH jedinicu. Bazniji pH nisu ispitivani zbog slabe rastvorljivosti hidroksida metala. Da bi se postigao ispitivani pH korišćeni su hlorovodonoĉna kiselina, acetatni puferi i kalijum hlorid za pH 7. Najoptimalniji pH kod koga su pikovi bili najbolje definisani i najvećeg inteziteta struje je pH 4,0 i za DPASV i za SWASV. Kod odreĊivanja kadmijuma diferencijalnom pulsnom ASV tehnikom i za pH 3,5 i 4,5 su postizani pribliţno isti rezultati kao i za pH 4,0 ali je struja koja se dobijala za olovo bila znatno manja tako da je najoptimalniji pH za odreĊivanje oba metala 4,0. Zavisnost odreĊivanja olova i kadmijuma sa DPASV i SWASV je prikazana na slikama 57 i 58. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 110 Slika 57. Zavisnost odreĊivanja olova i kadmijuma od pH DPASV; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine, pomoćni elektrolit acetatni pufer pH 4. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 111 Slika 58. Zavisnost odreĊivanja olova i kadmijuma od pH SWASV; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine, pomoćni elektrolit acetatni pufer pH 4. Uticaj vremena akumulacije na odgovor elektrode ispitivan je povećanjem vremena od 10 do 150 s prilikom odreĊivanja DPASV i od 10 do 250 s prilikom odreĊivanja olova i kadmijuma SWASV. Povećanjem vremena depozicije kao što se i oĉekuje dolazi do povećanja intenziteta struje do vremena od 120 s i kod odreĊivanja DPASV i SWASV. Nakon tog vremema daljim produţenjem vremena depozicije kod odreĊivanja diferencijalnom pulsnom ASV dolazi do smanjivanja intenziteta signala (Slika 59). Prilikom produţenja vremena depozicije kod odreĊivanja polarografijom sa pravougaonim talasima nakon 120 s intezitet signala postaje konstantan tako da se i nakon 250 s akumuliranja jaĉina struje koja se dobija ne menja (Slika 60). Najoptimalnije vreme koje je uzeto za dalja odreĊivanja i DPASV i SWASV je 120 s za koncentracije metala u tragovima. Za veće koncentracije vreme depozicije moţe da bude kraće zbog brţeg zasićenja površine elektrode ispitivanim jonima. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 112 Slika 59. Uticaj vremena akumulacije olova i kadmijuma koncentracije 30 ppb na intenzitet struje prilikom odreĊivanja DPASV; Radna elektroda Cu-DPABA- NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine, pomoćni elektrolit acetatni pufer pH 4. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 113 Slika 60. Uticaj vremena akumulacije olova i kadmijuma koncentracije 30 ppb na intenzitet struje prilikom odreĊivanja SWASV; Radna elektroda Cu-DPABA- NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine, pomoćni elektrolit acetatni pufer pH 4. Optimizovanje potencijala akumulacije ispitano je prilikom odreĊivanja olova i kadmijuma DPASV. Ispitivano je prema ranije optimizovanim uslovima: 10 µL jonofore, acetatni pufer pH 4 i vreme akumuliranja 120 s. Smanjenjem potencijala akumulacije od -0,8 do -1,4 V dovodilo je do povećanja struje i kod olova i kod kadmijuma (Tabela 13). Dalje sniţavanje potencijala dovodilo je do smanjenja intenziteta struje i do izdvajanja vodonika što je dovodilo do oštećenja sloja koji se formira na elektrodi tako da struja odreĊivanja nije bila stabilna a signali nereproduktivni. Optimalan potencijal je obeleţen crnom bojom. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 114 Tabela 13. Uticaj potencijala akumulacije na odgovor elektrode za Pb i Cd: elektrolit acetatni pufer pH 4, vreme akumulacije 120 s. Potencijal (V) I Cd (µA) I Pb (µA) -0,8 9 18 -0,9 11 20 -1,0 13 21 -1,1 16 26 -1,2 16 29 -1,3 17 30 -1,4 18 32 -1,5 18 31 Smetnje koje utiĉu na reproduktivnost siglnala za odreĊivanje olova i kadmijuma i kod DPASV i kod SWASV su iste. Joni koji ne smetaju za odreĊivanje su sledeći: Li, Na, K, Cs, Mg, Ca, Ba, Mn, Zn, Hg, Cr, Ni i Cu. U prisustvu gvoţĊa i kobalta dolazi do stvaranja laţne slike pošto pomenuti joni daju signale na sliĉnom potencijalu pa prilikom njihovog prisustva u rastvoru dolazi do povećanja signala olova i kadmijuma što dovodi do pogrešnog zakljuĉka o njihovoj koncentraciji u rastvoru. 4.6 Primena nove elektrode za određivanje koncentracije olova i kadmijuma u realnim uzorcima DPASV i SWASV Kalibraciona kriva za odreĊivanje olova i kadmijuma sa Cu-DPABA-NA/GC elektrodom snimljena je pod optimalnim uslovima koji su ranije ispitani. Izgled voltamograma za razliĉite koncentracije Cd i Pb i kalibraciona prava su dati na slici 61. Odgovarajuće jednaĉine prave i korelacioni koeficijenti su: I=4,77+0,42 C, r = 0,9972 za Pb i I=0,93+0,24 C, r = 0,9957 za Cd, gde je C koncentracije u µgL -1 a I, struja u µA. rezultujuće ktrive su linearne u opsegu koncentracija od 4,8 x 10-9 – 5,0 x 10 -5 i 5,0 x 10 -9 – 5,00 x 10-5 molL-1 za olovo i kadmijum redom. Granica detekcije je 1,8 x 10 -9 mol/L za Pb and 1,2 x 10 -9 molL -1 za kadmijum. Relativna standardna devijacija je 1,9 % i 1,6 % za koncentraciju od 30 ppb, za olovo i kadmijum redom. Rezultati su zasnovani na 10 ponovljenih odreĊivanja Pb i Cd. Rezultati pokazuju da Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 115 se predloţena elektroda moţe koristiti kao zamena standardnim elektrodama pošto poseduje osobine kao i one. Slika 61. Voltamogrami dobijeni za razliĉite koncentracije olova i kadmijuma DPASV: 2, 10, 15, 30, 50 i 60 ppb i kalibraciona prava za iste; Radna elektroda Cu- DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine, pomoćni elektrolit acetatni pufer pH 4, vreme akumulacije 120 s, potencijal akumulacije -1,4V. Validacija predloţene metode za odreĊivanje Pb i Cd je uradjena ispitivanjem sertifikovanog referenentnog materijala Groundwater CRM 610 (BCR, Community Bureau of Reference, Brussels, Belgium)(Tabela 14). Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 116 Tabela 14. Rezultati dobijeni odreĊivanjem olova i kadmijuma u sertifikovanom materijalu predloţenom metodom. Sertifikovani referentni materijal Pb koncentracija Cd koncentracija Predloţena metoda Sertifikovana vrednost Predloţena metoda Sertifikovana vrednost Groundwater BCR 610 7,82 ± 0,10 7,78 ± 0,13 2,88 ± 0,05 2,94 ± 0,08 Osim ove potvrde za validaciju ispitana je i primena elektrode za odreĊivanje u realnim uzorcima. Rezultati su uzimani sa kalibracione krive. Standardnim dodatkom od 5 ppb oba metala obezbeĊeno je povećanje struje da bi ispitivani uzorci ušli u granicu detekcije. Rezultati odreĊivanja dva uzorka su prikazani u tabeli 15. Tabela 15. Rikaveri testovi za odreĊivanje Pb i Cd u uzorcima vode Pb Cd Uzorak U Uzorku µgL -1 dodato µgL -1 NaĊen o µgL -1 Rikaver i % U Uzork u µgL -1 Dodat o µgL -1 NaĊen o µgL -1 Rikaver i % 1. ND[a] 5,00 5,02 100,4 ND 5,00 4,97 99,4 2. 2,1 5,00 7,10 100,0 ND 5,00 4,99 99,8 ND- nije detektovano Iz ovih rezultata se vidi da se naša elektroda moţe primeniti za odreĊivanje olova i kadmijuma metodom DPASV. Performanse elektrode su sliĉne ili bolje u odnosu na druge predloţene i standardne elektrode a naša elektroda ima veoma laku pripremu koja ne zahteva posebnu aparaturu, a sem toga i veoma dug vek trajanja od preko 100 merenja nakon ĉega se lako ĉisti i priprema za novu upotrebu. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 117 Kalibraciona kriva za zajedniĉko odreĊivanje oplova i kadmijuma na Cu- DPABA–NA/GCE metodom SWASV je prikazana na slici 62, a odgovarajuće struje za razliĉite koncentracije olovca i kadmijuma su prikazane u tabeli 16. Odgovarajuće jednaĉine prave kao i korelacioni koeficijenti su I=3,21+0,20 C, r = 0,9922 za Pb i I=0,95+0,11 C, r = 0,9972 za Cd, gde je C koncentracija u µgL -1 a I, struja u µA. rezultujuće kalibracione krive su linearni u opsegu 6,1 x 10-9 – 5,4 x 10-5 i 6,9 x 10-9 – 5,2 x 10 -5 molL -1 za Pb i Cd, redom. Granica detekcije iznosi 2,1 x10 -9 molL -1 za Pb i 1,6 x10 -9 molL -1 za Cd. Reproduktivnost predloţene elektrode je radjena ponavljenjem 10 merenja iste koncentracije 40 ppb. Relativna standardna devijacija je iznosila 1,8 % i 2,3 % za olovo i kadmijum redom. Slika 62. Voltamogrami dobijeni za razliĉite koncentracije olova i kadmijuma DPASV: 2, 10, 15, 30, 50 i 60 ppb; Radna elektroda Cu-DPABA-NA/GCE, referentna elektroda srebro-srebrohloridna elektroda, pomoćna elektroda platinska ţica velike površine, pomoćni elektrolit acetatni pufer pH 4, vreme akumulacije 120 s, potencijal akumulacije -1,4V. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 118 Tabela 16. Intenziteti struja za razliĉite koncentracije olova i kadmijuma metoda SWASV Broj Linije C (Pb, Cd), µg/L ICd µA IPb µA 1. 2 0,97 3,17 2. 5 1,4 4,03 3. 10 1,95 5,13 4. 20 3,46 8,13 5. 40 5,5 11,5 6. 60 7,4 14,5 Primena elektrode na realnim uzorcima prirodne vode je uraĊena na tri razliĉite prirodne vode i rezultati su prikazani u tabeli 17. Tabela 17. OdreĊivanje olova i kadmijuma metodom SWASV Pb Cd Uzorak U uzorku µgL -1 Dodato µgL -1 NaĊeno µgL -1 Rikaveri % U uzorku µgL -1 Dodato µgL -1 NaĊeno µgL -1 Rikaveri % 1. 1,2 5,00 6,22 100,4 ND 5,00 4,99 99,8 2. 2,1 5,00 7,10 100,0 ND 5,00 5,01 100,2 3. 1,8 5,00 6,81 100,2 ND 5,00 4,98 99,6 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 119 5. Zaključak Na osnovu do sada izloţenog moţe se zakljuĉiti: -Razvijen je novi tip elektrode za odreĊivanje sadrţaja mikroelemenata u tragovima elektroanalitiĉkim tehnikama u uzorcima iz ţivotne sredine. Razvijena elektroda radi na principu polimerne matrice za koju je korišćen nafion dok je kao selektivna jonofora za modifikaciju korišćen metil-3,5-bis[(di(2- pikolil)amino)metil]benzoat kompleks sa bakrom (Cu-DPABA). U cilju postizanja optimalnih uslova varirano je više parametara da bi se postigli što bolji rezultati, najniţa granica detekcije i najširi opseg linearnosti. -Prilkom potenciometrijskog odreĊivanja sadrţaja bakra u prirodnim vodama optimalna priprema elektrode je vršena sa 10 µL etanolnog rastvora nafiona i 10 µL jonofore koji su mešani u odnosu 1:1 i nanošeni na elektrodu. Najbolji rezultati su postizani kada je kao elektrolit korišćen acetatni pufer pH 4, a koncentracija elektrolita je bila 0,1 M. predloţena elektroda je imala detekcioni limit 7 x 10-8 mol/L jona bakra i opseg linearnosti od 1 x 10 -7 - 5 x 10 -5 mol/L. -Za odreĊivanja sadrţaja tragova bakra u prirodnim vodama diferencijalnom pulsnom anodnom striping voltametrijom (DPASV) i polarografijom sa pravougaonim talasima (SWASV), kao jonofora je korišćen etanolni rastvor 2 % nafiona i metil-3,5-bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoat kompleks sa bakrom (Cu- DPABA) koji su umešavani u odnosu 1:1, 5 µL nafiona i 5 µL metil-3,5-bis[(di(2- pikolil)amino)metil]benzoat kompleksa sa bakrom. Najoptimalniji pH za odreĊivanje tragova bakra je pH 4 za obe tehnike, prilikom ĉega je za postizanje tog pH korišćen acetatni pufer koncentracije 0,1 M. Vreme akumulacije za koje je postizan najveći intenzitet struje je 120 s, na potencijalu od -1,4 V. Predloţena elektroda je ima granicu detekcije 3,0 x 10 -9 M i opseg linearnosti od 7,0 x 10 -9 do 5,0 x 10 -5 M kada je kao tehnika za odreĊivanje korišćena DPASV. Kada se snima SWASV tehnikom granica detekcije elektrode je 8,9 x 10 -8 M dok je opseg linearnosti od 15 x 10 -8 do 5,6 x 10 -5 M. Ova elektroda je uspešno prmenjena za odreĊivanje tragova bakra u realnim Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 120 uzorcima vode i pokazala da moţe da se koristi kao zamena standardnim elektrodama koje se koriste za elektroanalitiĉka odreĊivanja. -Za odreĊivanja sadrţaja tragova olova i kadmijuma u prirodnim vodama diferencijalnom pulsnom anodnom striping voltametrijom (DPASV) i polarografijom sa pravougaonim talasima (SWASV), kao jonofora najbolji rezultati su postignuti kada je elektroda pravljena na isti naĉin kao i za odreĊivanje bakra, etanolni rastvor 2 % nafiona i metil-3,5-bis[(di(2-pikolil)amino)metil]benzoat kompleks sa bakrom (Cu- DPABA) koji su umešavani u odnosu 1:1, 5 µL nafiona i 5 µL metil-3,5-bis[(di(2- pikolil)amino)metil]benzoat kompleksa sa bakrom i nanošeno na površinu elektrode od staklastog ugljenika. Najbolji osnovni elektrolit za odreĊivanje je acetatni pufer pH 4, vreme akumulacije 120 s na potencijalu od – 1,4 V. predloţena elektroda ima opseg lineranosti 4,8 x 10 -9 – 5,0 x 10-5 i 5,0 x 10-9 – 5,0 x 10-5 molL-1 za olovo i kadmijum redom. Granica detekcije je 1,8 x10 -9 mol/L za Pb and 1,2x10 -9 molL -1 za kadmijum prilikom snimanja DPASV tehnikom. Za snimanje SWASV tehnikom ovi parametric iznose: opseg linearnosti od 6,1 x 10 -9 – 5,4 x 10-5 i 6,9 x 10-9 – 5,2 x 10-5molL-1 za Pb i Cd, redom, granica detekcije iznosi 2,1 x10 -9 molL -1 za Pb i 1,6 x10 -9 molL -1 za Cd. Ova elektroda je uspešno primenjena za odreĊivanje olova i kadmijuma u uzorcima vode i pokazale je veoma dobro slaganje sa vrednostima koje su date u sertifikovanom referentnom materijalu Groundwater CRM 610 (BCR, Community Bureau of Reference, Brussels, Belgium). Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 121 6. Litetatura: 1. A. Biurrun, L. Caballero, C. Pelaz, E. León,A. Gago, Infection Control and Hospital Epidemiology. 1999, 20, 426 2. J. Wang Stripping Analysis Principles, Instrumentation and Application. VCH Publisher, Deerfield Beach DL, 1985 3. J. Wang, Analitical Electrochemistry, 3rd ed., Wiley and Sons Inc., Hobokun, NJ, 2006 4. IM. Stinberg, A. Lobnik, OS. Wolfbies, Sensors Actuators B. 2003, 90, 230 5. N. Mahedra, P. Gangaiya, S. Sotheeswaran, R. Narayanaswamy, Sensors Actuators B. 2002, 81, 196 6. B. F. Reis, M. Knochen, G. Pignalosa, N. Cabrera, J. Giglio, Talanta. 2004, 64, 1220 7. S. Nelms, Am Biotechnol Lab. 2003, 21, 3 8. G. Herzog, D. W. M. Arrigan, Anal Chem 2005, 75, 319 9. B. Bas´, Electrochem. Commun. 2008, 10, 156 10. B. Bas´, R. Piech, E. Niewiara, M. Ziemnicka, L. Stobierski, W. Kubiak, Electroanalysis. 2008, 20, 1655 11. R. P. Saneto, Y. C. Awasthi, S. K. Srivastava, Biochem. J.1980, 11, 191 12. D. Stankovic, D. Manojlovic, G. Roglic, S. Kostic-Rajacic, I Andjelkovic,B. Dojcinovic, J. Mutic, Electroanalysis. 2011, 23, 1928 13. D. S. Manta, A. Bellanca, R. Neri, M. Sprovieri, Sci. Total Environ. 2002, 300, 229 14. S. Sakan Ekohemijsko ispitivanje reke Tise: teški metali u vodi i sedimentu. Magistarska teza, Univerzitet u Beogradu, Hemijski fakultet, 2006 15. P. Gundersen, E. Stiennes, Water Res. 2003, 37, 307 16. S. Golub, Mari, ed. Metals, fertility, and reproductive toxicity. Boca Raton, Fla.: Taylor and Francis. 2005, p. 153. 17. H. Hu, American Journal of Public Health 1991 81, 1070 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 122 18. United States National Institute for Occupational Safety and Health. Retrieved 2007. 19. H. Schoeters, E. Den Hond, W. Dhooge, N. Van Larebeke, M. Leijs, Basic & Clinical Pharmacology & Toxicology. 2008, 102, 168 20. H. Needleman, A. Schell, D. Bellinger, A. Leviton, E. N. Allred, New England Journal of Medicine 1990, 322, 83 21. L. L. Bergeson, Environmental Quality Management. 2008, 18, p. 79. 22. K. Nogawa, E. Kobayashi, Y. Okubo, Y. Suwazono, Biometals. 2005, 17, 581 23. L. Friberg, "Cadmium". Annual Review of Public Health, 1983, 7, 367 24. L. Jarup, Scandinavian Journal of Work, Environment and Health, 2004, 7, 11 25. Copper. In: Recommended Dietary Allowances. Washington, D.C.: National Research Council, Food Nutrition Board, NRC/NAS. 1980. pp. 151 26. S. J. Adelstein, B. L. Vallee, New England Journal of Medicine. 1961, 265, 892 27. M. Bonham, et al. British Journal of Nutrition 2002, 87, 393 28. Copper Touch Surfaces. Retrieved on 2011-11-08. 29. Day and Underwood, "Quantitative Analysis", 6th Edition 30. Jugoslovenski zavod za standardizaciju: SRPS C.A1.121:1966 31. B. Jankiewicz, B. Ptaszyński, A. Turek Polish Journal of Environmental Studies. 1999, 8, 35 32. B. Jankiewicz, B. Ptaszyński, M. Wieczorek Polish Journal of Environmental Studies. 2000, 9, 83 33. S. Saracoglu, U. Divirkli, M. Soylak, L. Elci Journal of Food and Drug Analysis. 2000, 9, 188 34. G. Bortoleto, G. Macarovscha, S. Cadore J. Braz. Chem. Soc. 2004, 15, 505 35. M. Zeiner, I. Juranovic Cindric, M. Kroppl, G. Stingeder, J. Agric. Food Chem. 2010, 58, 3617 36. H. Cho, S. Myung, Bull. Korean Chem. Soc. 2011, 32, 158 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 123 37. J. A. Salonia, R. G. Wuilloud, J. A. Ga´squez, R. A. Olsina and L. D. Martinez, J. Anal. At. Spectrom. 1999, 14, 1239 38. G. Capodaglio , G. Toscano , C. Barbante , A. Gambaro, G. Scarponi , P. Cescon, Ann Chim. 2002, 3, 163 39. L. Carvalho, P. Nasciniento, A. Koschinsky, M. Bau, R. F. Stefanello, C. Spengler, D. Bohrer, C. Jost, Electroanalysis. 2007, 19, 1719 40. Y. Bon, M. Brand, E. Kirowa-Eisner, Analytica Chimica Acta. 1999, 387, 85 41. P. Ostapczuk, Clin Chem. 1992, 38, 1995 42. V. W. Meloche, Lee. Kalbus, Anal. Chem. 1956, 28, 1047 43. F. Ladislaus, U. Norbert, Anal. Chem. 1948, 20, 236 44. T. Sokalski, A. Ceresa, T. Zwickl, E. Pretsch, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 347 45. S. Mathison, E. Bakker, Anal. Chem. 1998,70, 303 46. R. B. Gennis, Biomembranes: Molecular Structure and Function, Springer, New York, 1989. 47. R. W. Murray, (Ed.), Molecular Design of Electrode Surfaces in Techniques in Chemistry Founding (Ed.: A. Weissberger), Wiley- Interscience, New York, 1992, Vol. XXII. 48. A. J. Bard, L. R. Faulkner, Electrochemical Methods, 2nd ed., Wiley, New York, 2001, pp. 305–330, Chap. 8. 49. E. B. Smith, Basic Chemical Thermodynamics, 4th ed., Oxford University Press, Oxford, 1991. 50. A. Evans, Potentiometry and Ion Selective Electrodes, Wiley, New York, 1987. 51. D. Amman, Ion Selective Microelectrodes: Principles, Design and Application, Springer, Berlin, Germany, 1986. 52. R. G. Bates, Determination of pH, 2nd ed., Wiley-Interscience, New York, 1973. 53. M. S. Frant, J. W. Ross Jr., Science (Washington, DC) 1966, 154, 1553 54. J. J. Lingane, Anal. Chem. 1967, 39, 881 55. A. Guindilis, P. Atanasov, E. Wilkins, Electroanalysis 1997, 9, 661 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 124 56. C. Henry, Anal. Chem. 1998, 70, 594 57. W. E. Morf, The Principles of Ion-Selective Membranes and of Membrane Transport, Elsevier, New York, 1981. 58. E. Bakker, P. B¨uhlmann, E. Pretsch, Chem. Rev. 1997, 97, 3083 59. P. B¨uhlmann, E. Pretsch, E. Bakker, Chem. Rev. 1998, 98, 1593 60. E. Bakker, P. B¨uhlmann, E. Pretsch, Electroanalysis 1999, 11, 915 61. E. Bakker, E. Pretsch, P. B¨uhlmann, Anal. Chem. 2000, 72, 1127 62. B. P. Nicolsky, Zh. Fiz. Khim. 1937, 10, 495 63. J. W. Ross Jr., Science (WashingtonDC) 1967, 156, 1378 64. D. J. Fermin, R. Lahtinen in Liquid Interfaces in Chemical, Biological and Pharmaceutical Applications (Ed.: A. G. Volkov), Marcel Dekker, New York, 2001, pp. 179–227, Chap. 8. 65. H. H. Girault, D. J. Schiffrin in Electroanalytical Chemistry (Ed.: A. J. Bard), Marcel Dekker, New York, 1988, pp. 1–141, Vol. 15. 66. A. J. Bard, L. R. Faulkner, Electrochemical Methods, 2nd ed., Wiley, New York, 2001, p. 27. 67. J. Wang, Analytical Electrochemistry, 2nd ed., Wiley-VCH, New York, 2000, p. 105. 68. A. J. Bard, L. R. Faulkner, Electrochemical Methods, 2nd ed., Wiley, New York, 2001, pp. 137–155, Chap. 4. 69. C. M. A. Brett, A. M. C. F. Oliveira Brett, Comp. Chem. Kinet. 1986, 26, 355. 70. J. Heyrovsk´y, Chem. Listy 1922, 16, 254 71. J. Heyrovsk´y, Recl. Trav. Chim. 1925, 44, 488 72. J. C. Eklund, A. M. Bond, J. A. Alden et al., Adv. Phys. Org. Chem. 1999, 32, 1 73. D. H. Evans in Microelectrodes: Theory and Applications, (Eds.: M. I.Montenegro et al.), NATO ASI Ser., Ser. E, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1991, pp. 17–32, Vol. 197. 74. L. A. Matheson, N. Nichols, Trans. Electrochem. Soc. 1938, 73, 193 75. J. E. B. Randles, Trans. Faraday Soc. 1948, 44, 322 76. J. E. B. Randles, Trans. Faraday Soc. 1948, 44, 327 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 125 77. A. Sevˇcik, Collect. Czech. Chem. Commun. 1948, 13, 349 78. R. M. Penner, M. J. Heben, T. L. Longin et al., Science 1990, 250, 1118 79. W. R. Fawcett, M. Opallo, Angew. Chem. 1994, 106, 2239; Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1994, 33, 2131 80. H. Kiesele, Anal.Chem. 1981, 53, 1952 81. G. C. Barker, I. L. Jenkins, Analyst 1952, 77, 685 82. J. B. Flato, Anal. Chem. 1972, 44, 75A 83. J. Osteryoung, J. J. O‟Dea, in Electroanalytical Chemistry: A Series of Advances (Ed.: A. J. Bard), Marcel Dekker, New York, 1986, pp. 209–308, Vol. 14. 84. J. G. Osteryoung,M. M. Schreiner, Crit. Rev. Anal. Chem. 1988, 19, S1 85. Osnovi elektroanalitičke hemije (II) izdanje. Dragan Manojlović, Jelena Mutić, Dejan Segan, Beograd 2010 86. C. M. A. Brett, A. M. Oliveira Brett, S. H. P. Serrano, J. Electroanal. Chem. 1994, 366, 225 87. L. Ramaley, M. S. Krause Jr., Anal. Chem. 1969, 41, 1362 88. J. J. O‟Dea, J. Osteryoung, R. A. Osteryoung, Anal. Chem. 1981, 53, 695 89. J. J. O‟Dea, J. Osteryoung, T. Lane, J. Phys. Chem. 1986, 90, 2761 90. H. A. Heering, M. S. Mondal, F. A. Armstrong, Anal. Chem. 1999, 71, 174 91. M. Lovri´c, S. Komorsky Lovri´c, R. W. Murray, Electrochim. Acta 1988, 33, 739 92. J. J. O‟Dea, A. Ribes, J. Osteryoung, J. Electroanal. Chem. 1993, 345, 287 93. J. H. Reeves, S. Song, E. F. Bowden, Anal. Chem. 1993, 65, 683 94. S. Komorsky-Lovri´c, M. Lovri´c, J. Electroanal. Chem. 1995, 384, 115 95. S. P. Kounaves, J. J. O‟Dea, P. Chandreskhar et al., Anal. Chem. 1986, 58, 3199 96. B. A. Brookes,R. G. Compton, J. Phys.Chem. B 1999, 102, 5289; 9020 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 126 97. F.-M. Matysik, S. Matysik, A.M. Oliveira Brett et al., Anal. Chem. 1997, 69, 1651 98. J. Wang, Stripping Analysis: Principles, Instrumentation and Applications, VCHPublishers, Deerfield Beach, Fla., 1985, p. 160. 99. A. Fogg, J. Wang, Pure Appl. Chem. 1999, 71,891 100. T. R. Copeland,R. K. Skogerboe, Anal.Chem. 1974, 46, 1257A 101. C. M. G. van den Berg, Anal. Chim. Acta 1991, 250, 265 102. J. Wang, Voltammetry after nonelectrolytic proconcentration in Electroanalytical Chemistry (Ed.: A. J. Bard), Marcel Dekker, New York, 1989, pp. 1–88, Vol. 16. 103. M. Paneli, A. Voulgaropoulos, Electroanalysis 1993, 5, 355 104. M. Czae, J. Wang, Talanta 1999, 50, 921 105. A. Bobrowski, J. Zarebski, Electroanalysis 2000, 12, 1777 106. M. Tercier, J. Buffle, Electroanalysis 1993, 5, 187 107. C. Yarnitzky, J. Wang, B. Tian, Talanta 2000, 51, 333 108. E. P. Acheterberg, C. Braungradt, Anal. Chem. Acta 1999, 400, 381 109. T. M. Florence, Talanta 1982, 29, 345 110. J. Wang, B. Tian, J. Lu et al., Anal.Chim. Acta 1999, 385, 429 111. P. Ostapczuk, Clin. Chem. 1992, 38, 195 112. J. Golimoski, I. Gustavsson, Fresenius Z. Anal. Chem. 1984, 317, 484 113. N. Komanur, G. van Loon, Talanta 1977, 24, 184 114. C. M. G. van den Berg, K. Murphy, J. Riley, Anal. Chim. Acta 1986, 188, 177 115. J. Donat, K. Bruland, Anal. Chem. 1988, 60, 240 116. J. Golimowski, P. Valenta, H. W. N¨urnberg, Fresenius Z. Anal. Chem. 1985, 322, 315 117. J. Wang, J. Mahmoud, Fresenius Z. Anal. Chem. 1987, 327, 789 118. C. M. C. van den Berg, Anal. Chem. 1985, 57, 1532 119. B. Pihlar, P. Valenta, H. W. N¨urnberg, Fresenius Z. Anal. Chem. 1981, 307, 337 120. J. Wang, J. Zadeii, M. S. Lin, J. Electroanal. Chem. 1987, 237, 281 121. J.Wang, J. Zadeii, Talanta 1987, 34, 909 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 127 122. K. Yokoi, C. M. C. van den Berg, Anal. Chim. Acta 1991, 245, 167 123. C. M. G. van den Berg, N. Nimmo, Anal. Chem. 1987, 59, 269 124. C. M. G. van den Berg, Anal. Chem. 1984, 56, 2383 125. H. Emons, A. Baede, M. Schoning, Electroanalysis 2000, 12, 1171 126. J. Wang, J. Lu, J. K. Olsen, Analyst 1992, 117, 1913 127. S. Gottesfeld, M. Ariel, J. Electroanal. Chem. 1965, 9, 112 128. G. Luther, C. Swartz, W. Ullman, Anal. Chem. 1988, 60, 1721 129. 45. J. Wang, S. Mannino, Analyst 1989, 114, 643 130. G. Scollary, G. Chen, T. Cardwell et al., Electroanalysis 1995, 7, 386 131. M. Nimmo,G. Fones, Anal.Chim. Acta 1994, 291, 321 132. K. Hoppstock, M. Michulitz, Anal. Chim. Acta 1997, 350, 135 133. S. Porbes, G. Bound, T.West, Talanta 1979, 26, 473 134. D. L. Levit, Anal. Chem. 1973, 45, 1291 135. J. Wang, R. Setiadji, L. Chen et al., Electroanalysis 1992, 4, 161 136. T. Williams, O. Foy, C. Benson et al., Anal. Chim. Acta 1975, 75, 250 137. 55. A. M. Bond, Anal. Chim. Acta 1999, 400, 333 138. T. M. Florence, J. Electroanal. Chem. 1970, 27, 273 139. J. Wang, J. Lu, S. Hocevar et al., Anal. Chem. 2000, 72, 3218 140. T. DeAngelis, R. Bond, E. Brook et al., Anal. Chem. 1977, 49, 1792 141. R. F. Lane, A. T. Hubbard, J. Phys. Chem. 1973, 77, 1401 142. R. F. Lane, A. T. Hubbard, J. Phys. Chem. 1973, 77, 1411 143. P. R. Moses, L. Wier, R. W. Murry, Anal. Chem. 1975, 47, 1882 144. B. F. Watkins, J. R. Behling, E. Kariv et al., J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 3549 145. R. W. Murray, in Electroanalytical Chemistry (Ed.: A. J. Bard), Marcel Dekker, New York, 1984, pp. 191–368, Vol. 13. 146. J. F. Rusling, in Electroanalytical Chemistry (Ed.: A. J. Bard), Marcel Dekker, New York, 1994, pp. 1–88, Vol. 18. 147. J. Clavilier, J. Electroanal. Chem. 1980, 107, 205 148. A. Hamelin, in Modern Aspect of Electrochemistry (Eds.: B. E. Conway, R. H. White, J. O. M. Bockris), Plenum, New York, 1985, pp. 1–101, Vol. 16. Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 128 149. R. Murray (Ed.), Molecular Design of Electrode Surfaces, in Techniques of Chemistry (Eds.: A. Weissberger, W. H. Saunders Jr.), John Wiley & Sons, New York, 1992, Vol. 22. 150. G. Inzelt, in Electroanalytical Chemistry (Ed.: A. J. Bard), Marcel Dekker, New York, 1994, pp. 89–241, Vol. 18. 151. R.G. Nuzzo, D. L. Allara, J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 4481 152. L. H. Dubois, R. G. Nuzzo, Annu. Rev. Phys. Chem. 1992, 43, 437 153. K. Okabayashi, O. Ikeda, H. Tamura, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1983, 684 154. O. Ikeda, K. Okabayashi, N. Yoshida et al., J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1985, 191, 157 155. D. Belanger, G. Laperriere, L. Gravel, J. Electrochem. Soc. 1990, 137, 365 156. F. Girard, S. Ye, G. Laperriere et al., J. Electroanal. Chem. 1992, 334, 35 157. S. Ye, F. Girard, D. Belanger, J. Phys. Chem. 1993, 97, 12373 158. B.Garcia, F.Roy, D.Belanger, J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 226 159. H. Yoneyama, Y. Li, S. Kuwabata, J. Electrochem. Soc. 1992, 139, 28 160. G. Bidan, M.-A. Niel, Synth. Met. 1997, 85, 1387 161. G. Bidan, E. M. Genies, M. Lapkowski, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1988, 251, 297 162. M. Lapkowski, G. Bidan, M. Fournier, Synth. Met. 1991, 41, 411 163. G. Bidan, E. M. Genies, M. Lapkowski, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1988, 533 164. M. Hasik, A. Pron, I. Kulszewicz-Bajer et al., Synth. Met. 1993, 55, 972 165. R. A. Bull, F. R. Fan, A. J. Bard, J. Electrochem. Soc. 1983, 130, 1636 166. D. J. Walton, C. E. Hall, A. Chyla, Synth. Met. 1991, 45, 363 167. V. Vijayanathan, S. Venkatachalam, V. N. Krishnamurthy, Polymer 1993, 34, 1095 168. M. Zagorska, A. Pron, S. Lefrant et al., Synth. Met. 1987, 18, 43 169. M. Zagorska, H. Wycislik, J. Przyluski, Synth. Met. 1987, 20, 259 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 129 170. M. Tolgyesi, A. Szucs, C. Visy et al., Electrochim. Acta 1995, 40, 1127 171. O. Ikeda, H. Yoneyama, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1989, 265, 323 172. A. A. Karyakin, M. F. Chaplin, J. Electroanal. Chem. 1994, 370, 301 173. R. Koncki, O. S. Wolfbeis, Anal. Chem. 1998, 70, 2544 174. T. Iyoda, A. Ohtani, T. Shimidzu et al., Chem. Lett. 1986, 15, 687 175. L. A. Prezyna, G. E. Wnek, Y. J. Qiu et al., Synth. Met. 1991, 41, 979 176. F. Li, W. J. Albery, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1991, 87, 2949 177. T. Osaka, T. Momma, K. Nishimura, Chem. Lett. 1992, 21, 1787 178. Y. Kang, M. H. Lee, S. B. Rhee, Synth. Met. 1992, 52, 319 179. T. Amemiya, K. Hashimoto, A. Fujishima, J. Phys. Chem. 1993, 97, 4192 180. T. Momma, K. Nishimura, T. Osaka et al., J. Electrochem. Soc. 1994, 141, 2326 181. P. Caglar, G. E. Wnek, J. Macromol. Sci. 1995, Pure Appl. Chem. 349 182. X. Ren, P. G. Pickup, Electrochim. Acta 1996, 41, 1877 183. X. Ren, P. G. Pickup, J. Electroanal. Chem. 1997, 420, 251 184. D.-K. Kim, J.-M. Jin, Y. Lee et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Technol., Sect. A 1997, 294, 233 185. M. Morita, S. Miyazaki, H. Tanoue et al., J. Electrochem. Soc. 1994, 141, 1409 186. T. Iyoda, A. Ohtani, T. Shimidzu et al., Synth. Met. 1987, 18, 747 187. T. Shimidzu, A. Ohtani, T. Iyoda et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1986, 1415 188. T. Shimidzu, A. Ohtani, T. Iyoda et al., J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1987, 224, 123 189. T. Shimidzu, A. Ohtani, K. Honda, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1988, 251, 323 190. C. Barbero, M. C. Miras, O. Haas et al., J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 4170 191. G. Bidan, B. Ehui, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1989, 1568 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 130 192. S. Kuwabata, K. Mitsui, H. Yoneyama, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1990, 281, 97 193. S. Kuwabata, K. Mitsui, H. Yoneyama, J. Electrochem. Soc. 1992, 139, 1824 194. E. K. W. Lai, P. D. Beattie, F. P. Orfino et al., Electrochim. Acta 1999, 44, 2559 195. T. Momma, S. Kakuda, H. Yarimizu et al., J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 1766 196. M. Velazquez Rosenthal, T. A. Skotheim, C. A. Linkous, Synth. Met. 1986, 15, 219 197. C. S. Choi, H. Tachikawa, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 1757 198. F. R. F. Fan, A. J. Bard, J. Electrochem. Soc. 1986, 133, 301 199. P. Aldebert, P. Audebert, M. Armand et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1986, 1636 200. T. Hirai, S. Kuwabata, H. Yoneyama, J. Electrochem. Soc. 1988, 135, 1132 201. D. Orata, D. A. Buttry, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1988, 257, 71 202. F. Endres, G. Schwitzgebel, Synth. Met. 1997, 88, 73 203. C. Bala,G. L. Radu,D. E.Gheorghe et al., J. Med. Biochem. 1997, 1, 47 204. G. Fortier, D. Belanger, Biotechnol. Bioeng. 1991, 37, 854 205. M. Umana, J. Waller, Anal. Chem. 1986, 58, 2979 206. P. N. Bartlett, R. G. Whithker, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1987, 224, 37 207. D. Belanger, J. Nadreau, G. Fortier, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1989, 274, 143 208. S. Yabuki, H. Shinohara, M. Aizawa, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1989, 945 209. G. Fortier, E. Brassard, D. Belanger, Biosens. Bioelectron. 1990, 5, 473 210. D. Belanger, E. Brassard, G. Fortier, Anal. Chim. Acta 1990, 228, 311 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 131 211. D. R. Yaniv, L. McCormick, J. Wang et al., J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1991, 314, 353 212. D. Belanger, J. Nadreau, G. Fortier, Electroanalysis (New York) 1992, 4, 933 213. M. Marchesiello, E. M. Genies, Electrochim. Acta 1992, 37, 1987 214. A. Begum, H. Tsushima, T. Suzawa et al., Sens. Actuators, B 1993, 14, 576 215. E. M. Genies, M. Marchesiello, Synth. Met. 1993, 57, 3677 216. J. M. Cooper, D. Bloor, Electroanalysis (New York) 1993, 5, 888 217. M. Marchesiello, E. Genies, J. Electroanal. Chem. 1993, 358, 35 218. N. F. Almeida, E. J. Beckman, M. M. Ataai, Biotechnol. Bioeng. 1993, 42, 1037 219. M.-C. Shin, H.-S. Kim, Anal. Lett. 1995, 28, 1017 220. K. Kojima, H. Nasu, M. Shimomura et al., Synth. Met. 1995, 71, 2245 221. P. Gros, A. Bergel, J. Electroanal. Chem. 1995, 386, 65 222. M.-C. Shin, H. C. Yoon, H.-S. Kim, Anal. Sci. 1996, 12, 597 223. K. Ramanathan, S. Annapoorni, A. Kumar et al., J. Mater. Sci. Lett. 1996, 15, 124 224. P. J. H. J. van Os, A. Bult, C. G. J. Koopal et al., Anal. Chim. Acta 1996, 335, 209 225. G. E. De Benedetto, F. Palmisano, P. G. Zambonin, Biosens. Bioelectron. 1996, 11, 1001 226. A. Griffith, A. Glidle, G. Beamson et al., J. Phys. Chem. B 1997, 101, 2092 227. S. Cosnier, A. Senillou, M. Gratzel et al., J. Electroanal. Chem. 1999, 469, 176 228. M. Hiller, C. Kranz, J. Huber et al., Adv. Mater. 1996, 8, 219 229. T. Oubda, P. Zhao, G. E. Nauer, Polym. News 1998, 23, 331 230. H. Shinohara, T. Chiba, M. Aizawa, Sens. Actuators 1987, 13, 79 231. S.Mu, H.Xue, B.Qian, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1991, 304, 7 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 132 232. D. T.Hoa, T.N. S. Kumar, N. S. Punekar et al., Anal. Chem. 1992, 64, 2645 233. J. C. Cooper, E. A.H. Hall, Biosens. Bioelectron. 1992, 7, 473 234. J. C. Cooper, E. A.H. Hall, Electroanalysis (New York) 1993, 5, 385 235. S.-Y. Lu, C.-F. Li, D.-D. Zhang et al., J. Electroanal. Chem. 1994, 364, 31 236. S. Mu, J. Kan, Electrochim. Acta 1995, 40, 241 237. J. Dumont, G. Fortier, Biotechnol. Bioeng. 1996, 49, 544 238. N. G. Skinner, E. A. H. Hall, J. Electroanal. Chem. 1997, 420, 179 239. P. C. Pandey, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1988, 84, 2259 240. C. Caix, S. Chardon-Noblat, A. Deronzier, J. Electroanal. Chem. 1997, 434, 163 241. S. Hamar-Thibault, J.-C. Moutet, S. Tingry, J. Organomet. Chem. 1997, 532, 31 242. S. Chardon-Noblat, A. Deronzier, R. Ziessel et al., J. Electroanal. Chem. 1998, 444, 253 243. P. N. Bartlett, A. C. Benniston, L. Y. Chung et al., Electrochim. Acta 1991, 36, 1377 244. H. K. Youssoufi, M. Hmyene, F. Garnier et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1993, 1550 245. H. Korri Youssoufi, M. Hmyene, A. Yassar et al., J. Electroanal. Chem. 1996, 406, 187 246. C. Armengaud, P. Moisy, F. Bedioui et al., J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1990, 277, 197 247. F. Bedioui, M. Voisin, J. Devynck et al., J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1991, 297, 257 248. I. Taniguchi, K. Matsushita, M. Okamoto et al., J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1990, 280, 221 249. P. Baeuerle, G. Goetz, M. Hiller et al., Synth. Met. 1993, 61, 71 250. Y. Kajiya, H. Yoneyama, J. Electroanal. Chem. 1992, 341, 85 251. M. J. Marsella, P. J. Carroll, T. M. Swager, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 9347 Dalibor Stanković Doktorska disertacija Beograd, 2012 Strana 133 252. R. D. McCullough, S. P. Williams, Chem. Mater. 1995, 7, 2001 253. S. Foxon, J. Xu, S. Turba, M. Leibold, F. Hampel, F. Heinmann, O. Walter, C. Würtele, M. Holthausen, S. Schindler, Eur. J. Inorg. Chem 2007, 3, 429 254. D. Stankovic, G. Roglic, J. Mutic, I. Andjelkovic, M. Markovic, D. Manojlovic, Int. J. Electreochem. Sci 2011, 6, 5617 255. D. Stankovic, G. Roglic, I. Andjelkovic, S. Skrivanj, J. Mutic, D. Manojlovic, Anal. Bioanal. Electrochem 2011, 3, 556 a Biografija Kandidat Dalibor M. Stanković je rodjen u Kujavici 12. jula 1985. godine. Osnovnu skolu je završio u Kujavici i Vladimircima, a gimnaziju u Šapcu. Hemijski fakultet Univerziteta u Beogradu upisao je školske 2004/05. godine (smer diplomorani hemičar za istraživanje i razvoj). Diplomirao je juna 2008. godine sa prosečnom ocenom 8,50 (osam 50/100) i ocenom 10 na diplomskom radu. Posle diplomske studije na Hemijskom fakultetu u Beogradu upisao je školske 2008/2009. godine na Katedri za analitičku hemiju. Zaposlen je na Inovacionom centru Hemijskog fakulteta od novembra 2009. godine kao istraživač pripravnik a od decembra 2010. godine kao istraživač saradnik. U tom zvanju se i sada nalazi. Kandidat je do sada bio angažovan na dva projekta Ministarstva za prosvetu i nauku. Dalibor M. Stanković je do sada koautor šest naučnih radova i devet saopštenja od čega su tri naučna rada i pet saopštenja proistekla iz rezultata ove doktorske disertacije. b М 22 - Radovi objavljeni u istaknutim časopisima međunarodnog značaja Dalibor Stanković, Goran Roglić, Jelena Mutić, Ivan Anđelković, Marijana Marković and Dragan Manojlović, Determination of Copper in Water by Anodic Stripping Voltammetry Using Cu-DPABA-NA/GCE Modified Electrode, Int. J . Electrochem. Sci., 6 2011 5617-5625 Dalibor Stanković, Dragan Manojlović, Goran Roglić, Sladjana Kostić-Rajačić, Ivan Anđelković, Biljana Dojčinovic, Jelena Mutić, Simultaneos Determination of Pb and Cd Traces in WaterSamples by Anodic Stripping Voltammetry Using a Modified GC Electrode , Electroanalysis, 8 2011 1928-1933 Milica Stavić, Ljubiša Ignjatović, Gordana Ćirić Marjanović, Svetlana Stanišić, Dalibor Stanković, Jiri Zima, Voltammetric Behaviour and Determination of 8- Hydroxyquinoline Using a Glassy Carbon Paste Electrode and the Theoretical Study of its Electrochemical Oxidation Mechanism, Int. J . Electrochem. Sci., 6 2011 2509-2525 Milica S. Jovic, Dragan Manojlovic, Dalibor M. Stanković, Anđelija Milić, Milica Sentić, Goran Roglić, Voltammetric behavior of mesotrione using Silver/Amalgam electrode, International Journal of Environmental Research, in press c М 23 - Радови објављени у часописима међународног значаја  J. Mutić, D. Manojlović, А. Lolić, Dalibor Stanković, Development of Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry for Arsenic determination in wine, Polish J. of Environ. Stud. 20 2011 131-137 М53 – Рад објављен у научном часопису Dalibor Stanković, Goran Roglić, Ivan Anđelkovic, Sandra Škivanj, Jelena Mutić, Dragan Manojlović, SW Anodic Stripping Voltammetry Determination of Copper with New Type of Modified Electrode, Anal. Bioanal. Electrochem. Vol. 3, No. 6. 2011 d М 34 - Radovi saopšteni na skupu međunarodnog značaja štampani u izvodu Milica Stević, Ljubiša Ignjatović, Gordana Ćirić Marjanović, Dalibor Stanković, Jiri Zima, Voltammetric Behaviour and Determination of 8-Hydroxyquinoline Using a Glassy Carbon Paste Electrode and the Theoretical Study of its Electrochemical Oxidation Mechanism Euroanalysis XVI, Beograd, Septembar 11-15, 2011, pp 16 Rada Krgović, Jelena Mutić, Dragan Manojlović, Dalibor Stanković, Applicarion of sequential extraction and the icp-aes method for study of the distribution of metals in filter ashes Euroanalysis XVI, Beograd, Septembar 11- 15, 2011, pp 78 Anđelija Milić, Goran Roglić, Ivan Anđelković, Jelena Nešić, Dalibor Stanković, Jelena Mutić Microwawe-assisted phosphorus sequential extraction using BCR procedure Euroanalysis XVI, Beograd, Septembar 11-15, 2011, pp 78 Dalibor Stanković, Dragan Manojlović, Goran Roglić New tape of modified GC electrode for potentiometric detrmination of copper Second regional symposium on electrochemistry, Beograd, Jun 6-10, 2010, pp 108 Goran Petković, Dalibor Stanković, Dragan Manojlović, Goran Roglić, Ivan Anđelković, Aleksandar Nikolić, Jelena Mutić, Određivanje bakra u vodi ASV koristeći elektrodu od staklastog ugljenika modifikovanj sa Cu- metil-3,5-bis{bis- [(piridin-2-il)metil]amino}metil)benzoate kompleksom (DPABA) IX simpozijum savremene tehnologije i privredni razvoj, Leskovac, Oktobar 21-22, 2011, pp 155 e Dalibor Stanković, Dragan Manojlović, Goran Roglić, Nešo Šojić New tape of modified GC electrode for potentiometric detrmination of copper The 61st annual meeting of the international society of electrochemistry, Nica, Septembar 26- Oktobar 1, 2010, pp 206 М 63 – Radovi saopšteni na skupu nacionalnog značaja štampani u celini Tatjana Verbić, Mire Zloh, Dalibor Stanković, Milica Sentić, Dragan manojlović, Inav Juranić, Proučavanje keto-enolne tautomerije arildiketo kiselina u vodenoj sredini upotrebom NMR spekroskopije i cikline voltametrije XLIX savetovanje Srpskog hemijskog društva, Kragujevac, Maj 13-14, pp 8 M64 – Radovi saopšteni na skupu od nacionalnog značaja štampani u izvodu Dalibor Stanković, Dragan Manojlović, Goran Roglić, Ivan Anđelković, Biljana Dojčinovic, Jelena Mutić, Simultano određivanje Pb i Cd u uzorcima vode Anodnom Striping Voltametrijom korišćenjem modifikovane GC electrode, XLIX savetovanje Srpskog hemijskog društva, Kragujevac, Maj 13-14, pp 34 Dalibor Stanković, DraganManojlović, Goran Roglić, Novi tip modifikovane elektrode za potenciometrijsko određivanje bakra, XLVIII savetovanje Srpskog hemijskog društva, Novi Sad, April 17-18, pp 42