Ein Potentiostat ist eine Spannungsquelle, die in der Lage ist, ihr Ausgangspotential als Reaktion auf Änderungen des Widerstands in einem Stromkreis zu variieren. In elektrochemischen Experimenten können Potentiostaten mehr oder weniger Strom liefern, so dass das Potential über einer elektrochemisch aktiven Zelle nach dem Ohmschen Gesetz konstant bleibt.

Elektrochemische Techniken wie zyklische Voltammetrie, lineare Sweep-Voltammetrie und andere Arten der Voltammetrie erfordern einen Potentiostaten, um Redoxereignisse zu messen, die in einer Lösung stattfinden.

Ein typischer Versuchsaufbau besteht aus einem Potentiostaten, der über eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode mit einer Zelle mit drei Elektroden verbunden ist. Potentiostaten steuern das Potential zwischen Arbeits- und Referenzelektrode und messen den Strom zwischen Arbeits- und Gegenelektrode.

Die Analyse der von einem Potentiostaten aufgezeichneten Daten zeigt verschiedene intrinsische elektrochemische Eigenschaften des Materials, je nachdem, welche Methode verwendet wird. Mit Techniken wie der zyklischen Voltammetrie können Potentiostaten verwendet werden, um das Redoxpotential von Materialien zu ermitteln, die Reversibilität einer Reaktion zu bestimmen, eine quantitative Beschreibung der elektrochemischen Reversibilität bereitzustellen und die Energieniveaus halbleitender Polymere zu bestimmen.

Potentiostat-Typen

Die Spezifikationen und Merkmale der Potentiostaten variieren je nach Verwendungszweck.

Potentiostat Typ	Besonderheiten	Anwendungen
Tragbare Potentiostaten	Klein, batteriebetrieben, in der Lage, begrenzte Funktionen auszuführen, aber ein schnelles Ergebnis zu liefern. Kann über ein eingebautes Display verfügen oder die Verwendung eines Smartphones erfordern.	Feldarbeit, Umweltmessungen wie Bleitests im Trinkwasser oder medizinische Tests wie die Messung der Eisenmenge im Blut.
Laborpotentiostaten	Geeignet für den Einsatz im Labor, leistungsfähiger als Handgeräte und liefern Daten, die viel tiefer analysiert werden können. Häufig geliefert mit der Software, die entworfen ist, um es schneller und einfacher zu machen, spezifische elektrochemische Experimente laufen zu lassen.	Voltammetrische Techniken wie zyklische Voltammetrie und lineare Sweep-Voltammetrie, mit denen die Elektronentransferkinetik gemessen, die Reversibilität einer Reaktion bestimmt, das formale Reduktionspotential einer Spezies bestimmt, eine gekoppelte Reaktion charakterisiert und vieles mehr werden kann.
Bipotentiostaten	Bipotentiostaten sind größer und teurer als normale Laborpotentiostaten und haben zwei Kanäle. Dies ist für die meisten elektrochemischen Verfahren nicht erforderlich.	Experimente mit hydrodynamischer Strömung wie hydrodynamische Voltammetrie. Typischerweise mit einer rotierenden Ringscheibenelektrode (RRDE) verwendet.
Polypotentiostaten	Polypotentiostat kann sich auf jeden Potentiostaten beziehen, der drei oder mehr Kanäle hat. Polypotentiostaten haben im Allgemeinen einen hohen Preis und sind für die überwiegende Mehrheit der Experimente nicht erforderlich.	Wie oben. Jeder Kanal kann in der Regel auch unabhängig mit separaten Zellen betrieben werden, so dass mehrere Experimente gleichzeitig durchgeführt werden können.

Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff ‚Potentiostat‘ auf ein einkanaliges Desktop-Gerät, wie es in jedem typischen elektrochemischen Labor zu finden ist.

Potentiostaten vs. galvanostaten

Potentiostaten werden oft neben ähnlichen elektrochemischen Geräten wie Galvanostaten (auch als Amperostaten bezeichnet) diskutiert. Galvanostaten arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie Potentiostaten, halten jedoch einen konstanten Strom über die Zelle und kein konstantes Potential aufrecht. Die häufigste Anwendung für Galvanostaten ist als Batterieladegeräte.

Potentiostat-Schaltplan

Ein vereinfachtes Potentiostat-Schaltplan ist in Abbildung 1 dargestellt. Es besteht aus mehreren Schlüsselabschnitten, von denen jeder unten detailliert beschrieben wird: ein Signalgenerator, Rückkopplungsverstärker, Regelverstärker, Stromverstärker und ein Signalwandler.

Signalgenerator

Der Signalgenerator bestimmt die angelegte Spannungsauflösung des Potentiostaten. Es gibt variable Gleichspannungen (Gleichstrom) über einen Digital-Analog-Wandler (DAC) aus, der ein computergeneriertes Signal in eine Spannung umwandelt. Dadurch kann der Benutzer die Ausgangsspannung des Potentiostaten über einen Computer genau steuern.

Rückkopplungsverstärker

Der Spannungsrückkopplungsverstärker ist vielleicht der wichtigste Teil der Potentiostat-Schaltung. Es misst die Spannung zwischen der Arbeitsreferenz und der Referenzelektrode und leitet sie an den Signalwandler weiter, der an den Computer gesendet werden soll. Sie speist diese Spannung aber auch dem Minuspol des Regelverstärkers zu. Dadurch kann der Potentiostat über den Regelverstärker die eingestellte Spannung relativ zur Referenzelektrode stabil halten.

Es ist wichtig, dass der Rückkopplungsverstärker die Elektrodenspannung nicht überlastet und die elektrochemische Reaktion nicht stört, daher wird eine hohe Eingangsimpedanz mit sehr niedrigem Eingangsstrom (pA) verwendet. Der Rückkopplungsverstärker muss auch schnell genug sein, damit der Potentiostat mit den schnellen Änderungen Schritt halten kann, die bei elektrochemischen Reaktionen auftreten können, und die Rückkopplungsspannung an den Ausgangsverstärker liefern kann.

Regelverstärker

Der Regelverstärker nimmt den Spannungsausgang des Signalgenerators und des Rückkopplungsverstärkers und gibt die Spannung aus, die zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode geleitet wird. Hier berücksichtigt der Potentiostat jeden Spannungsverlust aufgrund elektrochemischer Reaktionen, die in der Zelle stattfinden. Durch Verwendung des Ausgangs des Rückkopplungsverstärkers als Eingang des Steuerverstärkers wird das Signal erhöht oder verringert, so dass das Gerät die Spannung zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode stabil halten kann.

Die Spezifikationen des Regelverstärkers bestimmen die maximale Spannung und den maximalen Strom, die das Potentiostat-System ausgeben kann.

Stromverstärker und Strombereiche

Dieser Abschnitt der Schaltung dient zur Messung des Stroms, der durch die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode fließt. Es besteht aus einem einzigen Widerstand oder einem Satz von Widerständen (die Strombereiche) und einem Verstärker. Jeder Widerstand entspricht einem anderen Strombereich und kann ein- oder ausgeschaltet werden, um den gewünschten Strombereich auszuwählen. Daher bestimmen die Anzahl und die Widerstände dieser Widerstände die Ströme, die von einem Potentiostaten gemessen werden können.

Wenn der Strom durch einen Widerstand fließt, erzeugt er eine Spannung. Die Spannung wird vom Verstärker entsprechend dem gewählten Strombereich erhöht und in den Signalwandler geleitet, wo sie in eine Strommessung umgewandelt wird.

Signalwandler

Der Signalwandler wandelt den Ausgang des Spannungsrückkopplungsverstärkers und des Stromverstärkers über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) in ein digitales Signal um, das von einem an den Potentiostaten angeschlossenen Computer interpretiert werden kann.

Elektrochemischer Zellaufbau

Potentiostaten können zur Steuerung von zwei, drei oder vier Elektrodenkonfigurationen verwendet werden (und wie oben erläutert, können mehrkanalige Bipotentiostaten oder Polypotentiostaten rotierende Ringscheibenelektrodensysteme steuern).

Der Aufbau mit drei Elektroden ist bei weitem der häufigste und besteht aus einer Arbeitselektrode, einer Gegenelektrode und einer Referenzelektrode. Jede dieser drei Funktionen existiert auch in einer Zelle mit zwei Elektroden, nur eine einzige Schnittstelle liefert sowohl ein Referenzpotential als auch einen Stromfluss über die Zelle. Das Hauptproblem bei einem solchen Aufbau besteht darin, dass es unmöglich ist, das Potential an der Arbeitselektrode genau zu steuern.

Arbeitselektrode

Die Arbeitselektrode ist die Primärelektrode in einem elektrochemischen System. Hier tritt die angelegte Spannung in das System ein und dort finden die meisten elektrochemischen Reaktionen und der Elektronentransfer statt.

Messungen von Potential und Strom in einem elektrochemischen System beinhalten die Arbeitselektrode für Zwei- und Dreielektrodensysteme. Bei Zweielektrodensystemen werden Potential und Strom zwischen Arbeits- und Gegenelektrode gemessen. In Drei-Elektroden-Systemen misst ein Potentiostat das Potential zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode, während der Strom zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode gemessen wird.

Platin ist aufgrund seiner elektrochemischen Stabilität und einfachen Herstellung das am häufigsten verwendete Material für Arbeitselektroden. Andere häufig verwendete Materialien sind Gold, Kohlenstoff und Quecksilber.

Referenzelektrode

Durch ein stabiles, bekanntes und genau definiertes elektrochemisches Potential stellen Referenzelektroden eine Konstante für eine elektrochemische Messung bereit.

Sie werden in einem Drei-Elektroden-System verwendet, um ein stabiles Potential aufrechtzuerhalten, gegen das der Potentiostat die Arbeits- und Gegenelektroden misst und steuert. Dies wird unter Verwendung von Materialien mit genau definierten elektrochemischen Potentialen erreicht, die typischerweise chemisch von den während der Messung auftretenden Reaktionen getrennt sind. Wenn ein Voltammogramm eines solchen Systems aufgetragen wird, ist das Potential dasjenige, das zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode gemessen wird.

In einem idealen elektrochemischen System fließt kein Strom durch die Referenzelektrode, was genaue Messungen und Kontrolle des Potentials an der Arbeitselektrode ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Referenzelektrode eine sehr niedrige Impedanz, idealerweise Null, aufweist.

Gegenelektrode

Gegenelektroden, auch Hilfselektroden genannt, vervollständigen den Stromkreis eines Zwei- oder Dreielektrodensystems. Wie bei der Arbeitselektrode ist Platin aufgrund seiner elektrochemischen und mechanischen Stabilität sowie seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit das am häufigsten für Gegenelektroden verwendete Material.

In Zwei-Elektroden-Systemen wird die Gegenelektrode auch als Referenzelektrode verwendet. Dies erfordert, dass es eine viel größere Oberfläche als die Arbeitselektrode aufweist, um sicherzustellen, dass die Reaktionskinetik an der Arbeitselektrode nicht durch die an der Gegenelektrode gehemmt wird.

Bei Drei-Elektroden-Systemen wird der Strom zwischen Arbeits- und Gegenelektrode gemessen. Das Potential wird hier nicht gemessen, sondern durch den Potentiostaten eingestellt, um die auftretenden elektrochemischen Reaktionen auszugleichen. Stattdessen wird das Potential zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode gemessen, idealerweise mit Nullstrom zwischen der Zähler- und der Referenzelektrode.

Manchmal ist die Gegenelektrode in ähnlicher Weise wie die Referenzelektrode von der Arbeitselektrode getrennt, um den Einfluss von Reaktionen, die an der Gegenelektrode stattfinden, auf diejenigen an der Arbeitselektrode zu verringern.

Potentiostaten-Spezifikationen erklärt

Genauigkeit, Präzision und Auflösung

Bevor wir die Bedeutung der verschiedenen Spezifikationen des Potentiostaten diskutieren können, müssen wir zunächst drei Eigenschaften klären, die oft missverstanden werden: Genauigkeit, Präzision und Auflösung.

Die Genauigkeit gibt an, wie nah ein Messwert am wahren Wert liegt. Dies wird entweder als absoluter Offset, als Prozentsatz des Messwerts oder als Kombination aus beidem dargestellt.

Präzision ist die Wiederholbarkeit einer Messung, d.h., wie nah beieinander wiederholte Messungen desselben Punktes sein werden. In der Regel wird dies als absoluter Wert dargestellt.

Auflösung ist die kleinste Änderung eines Wertes, die von einer Messung wahrgenommen werden kann. In der Regel wird dies als absoluter Wert dargestellt.

Eine nützliche Analogie, um die Unterschiede dieser drei Eigenschaften zu verdeutlichen, besteht darin, sich ein Ziel vorzustellen, wie es im Bogenschießen verwendet werden würde, und wie jede dieser Eigenschaften gelten würde, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Wie wir sehen können, bestimmt die Genauigkeit, wie nahe die Pfeile (oder im Falle einer Messung die Datenpunkte) an der Mitte des Ziels liegen, während die Genauigkeit die Gruppierung bestimmt. Die vier möglichen Ergebnisse der Abbildung sind unten angegeben:

1. Hohe Genauigkeit, hohe Präzision – Pfeile sind eng um die Mitte des Ziels gruppiert.
2. Hohe Genauigkeit, geringe Präzision – Pfeile sind spärlich um die Mitte des Ziels gruppiert.
3. Geringe Genauigkeit, hohe Präzision – Pfeile sind eng vom Zentrum des Ziels entfernt gruppiert.
4. Geringe Genauigkeit, geringe Präzision – Pfeile sind spärlich vom Zentrum des Ziels entfernt gruppiert.

Wie wird die Auflösung berücksichtigt? Unter Verwendung der gleichen Analogie eines Ziels wäre die Auflösung die Breite jedes Rings, wobei niedrigere Auflösungen dickere Ringe und höhere Auflösungen dünnere Ringe aufweisen, wie in Abbildung 3 gezeigt.

Potentialbereich

Der Potentialbereich ist das Potentialfenster, das von einem Potentiostaten zwischen Arbeits- und Referenzelektrode angelegt und gemessen werden kann. Dies gilt typischerweise sowohl für positives als auch negatives Potential und wird in einem solchen Fall mit einem Plus/Minus-Symbol dargestellt.

Potentialkonformität

Die Potentialkonformität ist die maximale Grenze für das Potential, das ein Potentiostat zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode ausgeben kann. Wie der Potentialbereich gilt er sowohl für positive als auch für negative Potentiale und wird als solcher mit einem Plus/Minus-Symbol dargestellt.

Elektrochemische Reaktionen, die während einer Messung auftreten, führen häufig zu einem verringerten Potential an der Referenzelektrode. Dies bedeutet, dass ein größeres Ausgangspotential an die Zelle angelegt werden muss, um das gewünschte Potential zu erreichen.

Es ist wichtig, die Unterscheidung zwischen dem potenziellen Bereich und der potenziellen Übereinstimmung zu beachten. Der Potentialbereich ist das angelegte und gemessene Potential zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode, während der Potentialbereich das absolute maximale Potential ist, das zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode angelegt werden kann.

Angelegte Potentialgenauigkeit

Die angelegte Potentialgenauigkeit ist der maximale Betrag, um den das Ausgangspotential eines Potentiostaten vom eingestellten Potential abweichen kann. Konkret bezieht sich dies auf das Potential zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode. Es wird als Plus / Minus-Offset dargestellt.

Angewandte Potentialauflösung

Da ein Potentiostat digitale Signale verwendet, um das auszugebende Potenzial zu bestimmen, wird jede Änderung des Potentials als Schritt und ein Scanprofil als eine Reihe von Schritten im Laufe der Zeit angezeigt, wie in Abbildung 4 gezeigt. Die angelegte Potentialauflösung bestimmt, wie klein diese Schritte sein können, da es sich um die kleinste Potentialänderung handelt, die von einem Potentiostaten ausgegeben werden kann.

Maximaler Strom

Der maximale Strom ist der höchste elektrische Strom, der mit einem Potentiostaten gemessen werden kann. Es gilt sowohl für positive als auch für negative Ströme und wird als solches mit einem Plus / Minus-Symbol dargestellt. Wenn ein gemessener Strom außerhalb dieses Bereichs liegt, schaltet ein Potentiostat das Ausgangspotential ab, um eine Beschädigung des Geräts zu verhindern.

Strombereiche

Um ein gleichbleibendes Maß an Genauigkeit und Präzision für Strommessungen sowohl bei Milliampere als auch bei Nanoampere zu erreichen, werden Strommessungen in eine Reihe von Bereichen aufgeteilt. Diese Bereiche sind typischerweise um eine Größenordnung voneinander getrennt, und während ein Bereich normalerweise die Ströme messen kann, die von dem Bereich darunter umfasst werden, ist die Genauigkeit und Präzision der Messung schlechter.

Die Messung des Stroms erfolgt durch Messen der Spannung an einem bekannten Widerstand, wenn der Strom durch ihn fließt. Um den Strom in verschiedenen Größenordnungen zu messen, wird daher eine Reihe von Widerständen verwendet, wobei niedrigere Ströme durch Widerstände mit höherem Widerstand geleitet werden.

Die Genauigkeit, Genauigkeit, Rauschen und Auflösung jedes Bereichs folgt typischerweise den gleichen Größenordnungsunterschieden wie die Ströme, da diese am stärksten von der Messung der Spannung und nicht von den verwendeten Widerständen beeinflusst werden.

Strommessgenauigkeit

Die Strommessgenauigkeit ist der maximale Betrag, um den ein gemessener Stromwert vom tatsächlichen Stromwert abweichen kann. Es ist wichtig zu beachten, dass die meisten Messungen um weniger als diesen Betrag variieren. Dieser Wert skaliert mit der Größenordnung der Strombereiche.

Strommessauflösung

Die Strommessauflösung ist die kleinste Stromänderung, die mit einem Potentiostaten gemessen werden kann. Dieser Wert skaliert mit der Größenordnung der Strombereiche.

Ossila Potentiostat Spezifikationen

Potentialangaben

Potentialbereich

±7.5 V

Potentialkonformität

±10 V

Angelegte Potentialgenauigkeit

±10 mV Offset

Angelegte Potentialauflösung

333 µV

Aktuelle Spezifikationen

Maximaler Strom	Genauigkeit	Auflösung
± 150 mA	± 200 µA	50 µA
± 20 mA	± 20 µA	5 µA
± 2 mA	± 2 µA	500 nA
± 200 µA	± 200 nA	50 nA
± 20 µA	± 20 nA	5 nA

Andere spezifikationen

Kommunikation

USB-B

Abmessungen

Breite: 125 mm Höhe: 55 mm Tiefe: 175 mm

Gewicht

600 g