en potentiostat er en spændingskilde, der er i stand til at variere sit outputpotentiale som reaktion på ændringer i modstanden på tværs af et kredsløb. I elektrokemiske eksperimenter er potentiostater i stand til at levere mere eller mindre strøm, så potentialet på tværs af en elektrokemisk aktiv celle forbliver konstant i henhold til Ohms lov.

elektrokemiske teknikker som cyklisk voltammetri, lineær fejevoltammetri og andre typer voltammetri kræver en potentiostat for at måle begivenheder, der finder sted i en opløsning.

en typisk eksperimentel opsætning består af en potentiostat forbundet til en tre elektrodecelle ved hjælp af en arbejdselektrode, modelektrode og referenceelektrode. Potentiostater styrer potentialet mellem arbejds-og referenceelektroderne og måler strømmen mellem arbejds-og modelektroderne.

analyse af data registreret af en potentiostat afslører forskellige iboende elektrokemiske egenskaber af materialet, afhængigt af hvilken metode der anvendes. Ved hjælp af teknikker som cyklisk voltammetri kan potentiostater bruges til at finde materialernes omkokspotentiale, bestemme reversibiliteten af en reaktion, tilvejebringe en kvantitativ beskrivelse af elektrokemisk reversibilitet og bestemme energiniveauerne for halvledende polymerer.

typer af Potentiostat

Potentiostat specifikationer og funktioner varierer afhængigt af deres tilsigtede anvendelse.

Potentiostat Type	specifikke funktioner	applikationer
bærbare potentiostater	lille, batteridrevet, i stand til at udføre begrænsede funktioner, men giver et hurtigt resultat. Kan have en indbygget skærm eller kræve brug af en smartphone.	feltarbejde, miljømålinger såsom test for bly i drikkevand eller medicinske tests såsom måling af mængden af jern i blod.
Laboratoriepotentiostater	egnet til brug i laboratoriet, kraftigere end håndholdte enheder og producerer data, der kan analyseres i meget større dybde. Ofte leveres med programmer designet til at gøre det hurtigere og nemmere at køre specifikke elektrokemiske eksperimenter.	Voltammetriske teknikker såsom cyklisk voltammetri og lineær fejevoltammetri, som kan bruges til at måle elektronoverførselskinetik, bestemme reversibiliteten af en reaktion, bestemme det formelle reduktionspotentiale for en art, karakterisere en koblet reaktion og mere.
Bipotentiostater	større og dyrere end normale laboratoriepotentiostater, bipotentiostater har to kanaler. Dette er ikke nødvendigt for de fleste elektrokemiske metoder.	eksperimenter, der involverer hydrodynamisk strømning, såsom hydrodynamisk voltammetri. Typisk anvendes med en roterende ring-disk elektrode (RRDE).
Polypotentiostater	Polypotentiostat kan henvise til enhver potentiostat, der har tre eller flere kanaler. Polypotentiostater har generelt en stor pris og er ikke påkrævet for langt de fleste eksperimenter.	som ovenfor. Hver kanal kan også normalt køres uafhængigt af separate celler, så flere eksperimenter kan køres samtidigt.

generelt bruges udtrykket ‘potentiostat’ til at henvise til en enkeltkanals desktopenhed, som det kan findes i ethvert typisk elektrokemilaboratorium.

Potentiostater vs. galvanostater

Potentiostater diskuteres ofte sammen med lignende elektrokemiske enheder såsom galvanostater (også kendt som amperostater). Galvanostater fungerer efter lignende principper som potentiostater, men opretholder en konstant strøm på tværs af cellen snarere end et konstant potentiale. Den mest almindelige anvendelse til galvanostater er som Batteriopladere.

Potentiostat kredsløbsdesign

et forenklet potentiostat kredsløbsdiagram er vist i figur 1. Den består af flere nøglesektioner, som hver især er beskrevet nedenfor: en signalgenerator, feedbackforstærker, kontrolforstærker, strømforstærker og en signalomformer.

signalgenerator

signalgeneratoren bestemmer den anvendte spændingsopløsning for potentiostaten. Den udsender variable DC (jævnstrøm) spændinger via en digital-til-analog konverter (DAC), der konverterer et computergenereret signal til en spænding. Dette giver brugeren mulighed for nøjagtigt at styre udgangsspændingen på potentiostaten via en computer.

Feedbackforstærker

spændingsfeedback-forstærkeren er måske den vigtigste del af potentiostat-kredsløbet. Den måler spændingen mellem arbejdsreferencen og referenceelektroden og sender den til signalomformeren, der skal sendes til computeren. Imidlertid føder den også denne spænding til kontrolforstærkerens negative terminal. Dette gør det muligt for potentiostaten via kontrolforstærkeren at holde den indstillede spænding stabil i forhold til referenceelektroden.

det er vigtigt, at feedbackforstærkeren ikke overbelaster elektrodespændingen og forstyrrer den elektrokemiske reaktion, så der anvendes en høj indgangsimpedans med meget lav indgangsstrøm (pA). Feedback forstærkeren skal også være hurtig nok til at tillade potentiostat at holde trit med de hurtige ændringer, der kan forekomme i elektrokemiske reaktioner og give feedback spænding til output forstærker.

Kontrolforstærker

kontrolforstærkeren tager spændingsudgangen fra signalgeneratoren og feedbackforstærkeren og udsender den spænding, der vil blive ført mellem arbejds-og modelektroderne. Det er her potentiostaten tegner sig for ethvert tab af spænding på grund af elektrokemiske reaktioner, der finder sted i cellen. Ved at bruge output fra feedbackforstærkeren som input til styreforstærkeren øges eller formindskes signalet, hvilket gør det muligt for enheden at holde spændingen mellem arbejds-og referenceelektroderne stabil.

specifikationerne for kontrolforstærkeren bestemmer den maksimale spænding og strøm, som potentiostatsystemet kan udsende.

strømforstærker og strømområder

dette afsnit af kredsløbet er til måling af strømmen, der passerer gennem arbejdselektroden og modelektroden. Den består af en enkelt modstand eller et sæt modstande (de aktuelle intervaller) og en forstærker. Hver modstand svarer til et andet strømområde og kan slås til eller fra for at vælge det ønskede strømområde. Derfor vil antallet og modstandene af disse modstande bestemme de strømme, der kan måles med en potentiostat.

når strømmen passerer gennem en modstand, genererer den en spænding. Spændingen øges af forstærkeren i henhold til det valgte strømområde og føres ind i signalomformeren, hvor den konverteres til en strømmåling.

Signalkonverter

signalkonverteren bruger en analog til digital konverter (ADC) til at konvertere udgangen fra spændingsfeedback-forstærkeren og strømforstærkeren til et digitalt signal, der kan fortolkes af en computer, der er tilsluttet potentiostaten.

elektrokemisk Celleopsætning

Potentiostater kan bruges til at styre to, tre eller fire elektrodekonfigurationer (og som beskrevet ovenfor kan multikanals bipotentiostater eller polypotentiostater styre roterende ring-disk elektrodesystemer).

den tre elektrodeopsætning er langt den mest almindelige og består af en arbejdselektrode, en modelektrode og en referenceelektrode. Hver af disse tre funktioner findes også i en to elektrodecelle, kun en enkelt grænseflade giver begge et referencepotentiale og tillader strøm at strømme over cellen. Det primære problem med en sådan opsætning er, at det gør det umuligt at nøjagtigt kontrollere potentialet ved arbejdselektroden.

arbejdselektrode

arbejdselektroden er den primære elektrode i et elektrokemisk system. Det er her den påførte spænding kommer ind i systemet, og hvor de fleste elektrokemiske reaktioner og elektronoverførsel finder sted.

målinger af potentiale og strøm i et elektrokemisk system involverer arbejdselektroden til både to-og tre-elektrodesystemer. I toelektrodesystemer måles potentialet og strømmen mellem arbejds-og modelektroderne. I tre-elektrodesystemer måler en potentiostat potentialet mellem arbejds-og referenceelektroderne, mens strømmen måles mellem arbejds-og modelektroderne.

platin er det mest almindelige materiale, der anvendes til arbejdselektroder på grund af dets elektrokemiske stabilitet og lette fremstilling. Andre almindeligt anvendte materialer omfatter guld, kulstof og kviksølv.

referenceelektrode

ved at have et stabilt, kendt og veldefineret elektrokemisk potentiale tilvejebringer referenceelektroder en konstant til en elektrokemisk måling.

de bruges i et tre-elektrodesystem til at opretholde et stabilt potentiale, mod hvilket potentiostaten måler og styrer arbejds-og modelektroderne. Dette opnås ved anvendelse af materialer med veldefinerede elektrokemiske potentialer, typisk kemisk adskilt fra reaktionerne, der forekommer under målingen. Når et voltammogram af et sådant system er afbildet, er potentialet det, der måles mellem arbejds-og referenceelektroderne.

i et ideelt elektrokemisk system vil nulstrøm strømme gennem referenceelektroden, hvilket muliggør nøjagtige målinger og kontrol af potentialet ved arbejdselektroden. Dette opnås ved, at referenceelektroden har en meget lav impedans, ideelt set nul.

Modelektrode

Modelektroder, også kendt som hjælpeelektroder, afslutter kredsløbet i et to-eller tre-elektrodesystem. Som med arbejdselektroden er platin det mest almindelige materiale, der anvendes til modelektroder på grund af dets elektrokemiske og mekaniske stabilitet og høje elektriske ledningsevne.

i toelektrodesystemer bruges tællerelektroden også som referenceelektrode. Dette kræver, at den har et meget større overfladeareal end arbejdselektroden for at sikre, at reaktionskinetikken ved arbejdselektroden ikke hæmmes af dem ved tællerelektroden.

i tre-elektrodesystemer måles strømmen mellem arbejds-og modelektroderne. Potentialet måles ikke her, men justeres af potentiostaten for at afbalancere de elektrokemiske reaktioner, der forekommer. I stedet måles potentialet mellem arbejds-og referenceelektroderne, ideelt med nulstrøm passeret mellem tælleren og referenceelektroderne.

undertiden adskilles tællerelektroden fra arbejdselektroden på samme måde som referenceelektroden for at reducere indflydelsen af reaktioner, der finder sted ved tællerelektroden på dem ved arbejdselektroden.

Potentiostat SPECIFIKATIONER forklaret

nøjagtighed, præcision og opløsning

før vi kan diskutere betydningen af de forskellige specifikationer for potentiostaten, skal vi først afklare tre egenskaber, der ofte misforstås: nøjagtighed, præcision og opløsning.

nøjagtighed er, hvor tæt en målt værdi er på den sande værdi. Dette repræsenteres enten som en absolut forskydning, en procentdel af den målte værdi eller en kombination af de to.

præcision er repeterbarheden af en måling, dvs., hvor tæt sammen gentagne målinger af det samme punkt vil være. Dette er typisk repræsenteret som en absolut værdi.

opløsning er den mindste ændring i en værdi, der kan opfattes ved en måling. Dette er typisk repræsenteret som en absolut værdi.

en nyttig analogi til at afklare forskellene i disse tre egenskaber er at tænke på et mål, som ville blive brugt i bueskydning, og hvordan hver af disse egenskaber ville gælde, som vist i figur 2.

som vi kan se, bestemmer nøjagtigheden, hvor tæt på midten af målet pilene (eller i tilfælde af en måling, datapunkterne) er, mens præcisionen bestemmer grupperingen. De fire mulige resultater af figuren er angivet nedenfor:

1. høj nøjagtighed, høj præcision – pile er tæt grupperet omkring midten af målet.
2. høj nøjagtighed, lav præcision – pile er tyndt grupperet omkring midten af målet.
3. lav nøjagtighed, høj præcision – pile er tæt grupperet væk fra midten af målet.
4. lav nøjagtighed, lav præcision – pile er tyndt grupperet væk fra midten af målet.

hvordan indgår opløsning i dette? Ved hjælp af den samme analogi af et mål ville opløsningen være bredden af hver ring med lavere opløsninger med tykkere ringe og højere opløsninger med tyndere ringe, som vist i figur 3.

potentielt område

det potentielle område er det potentielle vindue, der kan påføres og måles ved hjælp af en potentiostat mellem arbejds-og referenceelektroderne. Dette gælder typisk for både positivt og negativt potentiale, og er i et sådant tilfælde repræsenteret med et plus/minus symbol.

potentiel overholdelse

den potentielle overholdelse er den maksimale grænse for det potentiale, som en potentiostat er i stand til at udsende mellem arbejds-og modelektroderne. Som med det potentielle interval gælder det for både positive og negative potentialer og er som sådan repræsenteret med et plus/minus-symbol.

elektrokemiske reaktioner, der opstår under en måling, resulterer ofte i nedsat potentiale ved referenceelektroden. Dette betyder, at et større outputpotentiale skal påføres cellen for at opnå det ønskede potentiale.

det er vigtigt at bemærke sondringen mellem det potentielle interval og den potentielle overholdelse. Potentialområde er det anvendte og målte potentiale mellem arbejds-og referenceelektroderne, mens den potentielle overensstemmelse er det absolutte maksimale potentiale, der kan anvendes mellem arbejds-og modelektroderne.

anvendt potentiel nøjagtighed

den anvendte potentielle nøjagtighed er den maksimale mængde outputpotentialet for en potentiostat kan variere fra det indstillede potentiale. Specifikt henviser dette til potentialet mellem arbejds-og referenceelektroderne. Det er repræsenteret som en plus / minus offset.

anvendt potentiel opløsning

da en potentiostat bruger digitale signaler til at bestemme potentialet til output, vises enhver ændring i potentialet som et trin og en scanningsprofil en række trin over tid, som vist i figur 4. Den anvendte potentielle opløsning bestemmer, hvor lille disse trin kan være, da det er den mindste ændring i potentialet, der kan udsendes af en potentiostat.

maksimal strøm

den maksimale strøm er den højeste elektriske strøm, der kan måles med en potentiostat. Det gælder for både positive og negative strømme og er som sådan repræsenteret med et plus/minus symbol. Hvis en målt strøm er uden for dette interval, slukker en potentiostat outputpotentialet for at forhindre beskadigelse af enheden.

aktuelle intervaller

for at opnå et ensartet niveau af nøjagtighed og præcision for aktuelle målinger ved både milliampere og nanoamps opdeles aktuelle målinger i et sæt intervaller. Disse intervaller er typisk adskilt af en størrelsesorden, og mens et område normalt kan måle de strømme, der er omfattet af området under det, vil målingens nøjagtighed og præcision være værre.

måling af strøm fungerer ved at måle spændingen over en kendt modstand, når strømmen passerer gennem den. For at måle strøm ved forskellige størrelsesordener anvendes der derfor en række modstande med lavere strømme passeret gennem højere modstandsmodstande.

nøjagtigheden, præcisionen, støj og opløsningen i hvert interval følger typisk de samme størrelsesordensforskelle som strømmen, da disse er mest påvirket af måling af spændingen snarere end de anvendte modstande.

Aktuel målenøjagtighed

den aktuelle målenøjagtighed er den maksimale mængde, som en målt strømværdi kan variere fra den faktiske strømværdi. Det er vigtigt at bemærke, at de fleste målinger vil variere med mindre end dette beløb. Denne værdi skaleres med størrelsesordenen af de aktuelle intervaller.

Aktuel måleopløsning

den aktuelle måleopløsning er den mindste ændring i strøm, der kan måles med en potentiostat. Denne værdi skaleres med størrelsesordenen af de aktuelle intervaller.

Ossila Potentiostat SPECIFIKATIONER

potentielle SPECIFIKATIONER

potentielt interval

lod 7.5 V

potentiel compliance

ret 10 V

anvendt potentiel nøjagtighed

ret 10 mV offset

anvendt potentiel opløsning

333

aktuelle specifikationer

maksimal strøm	nøjagtighed	opløsning
± 150 mA	kr 200 kr	50 kr
± 20 mA	til 20 Lotte	5 Lotte
± 2 mA	kr 2 kr	500 nA
± 200 Karina	Karina 200 Karina	50 Karina
± 20 Karina	Karina 20 Karina	5 Karina

andre specifikationer

kommunikation

USB-B

overordnede dimensioner

bredde: 125 mm højde: 55 mm Dybde: 175 mm

vægt

600 g