en potentiostat är en spänningskälla som kan variera sin utgångspotential som svar på förändringar i motståndet över en krets. I elektrokemiexperiment kan potentiostater leverera mer eller mindre ström så att potentialen över en elektrokemiskt aktiv cell förblir konstant enligt Ohms lag.

elektrokemiska tekniker som cyklisk voltammetri, linjär svepvoltammetri och andra typer av voltammetri kräver en potentiostat för att mäta redoxhändelser som äger rum i en lösning.

en typisk experimentell uppsättning består av en potentiostat ansluten till en treelektrodcell av en arbetselektrod, motelektrod och referenselektrod. Potentiostater styr potentialen mellan arbets-och referenselektroderna och mäter strömmen mellan arbets-och motelektroderna.

analys av data som registrerats av en potentiostat avslöjar olika inneboende elektrokemiska egenskaper hos materialet, beroende på vilken metod som används. Med hjälp av tekniker som cyklisk voltammetri kan potentiostater användas för att hitta redoxpotentialen hos material, bestämma reversibiliteten hos en reaktion, ge en kvantitativ beskrivning av elektrokemisk reversibilitet och bestämma energinivåerna hos halvledande polymerer.

typer av Potentiostat

Potentiostat specifikationer och funktioner varierar beroende på deras avsedda tillämpning.

Potentiostat Typ	särskilda egenskaper	tillämpningar
bärbara potentiostater	små, batteridrivna, kan utföra begränsade funktioner men ger ett snabbt resultat. Kan ha en inbyggd skärm eller kräva användning av en smartphone.	fältarbete, miljömätningar som testning av bly i dricksvatten eller medicinska tester som mätning av mängden järn i blod.
Laboratoriepotentiostater	lämpliga för användning i labbet, kraftfullare än handhållna enheter och producerar data som kan analyseras på mycket större djup. Levereras ofta med programvara som är utformad för att göra det snabbare och enklare att köra specifika elektrokemiska experiment.	Voltammetriska tekniker såsom cyklisk voltammetri och linjär svepvoltammetri, som kan användas för att mäta elektronöverföringskinetik, bestämma reversibiliteten hos en reaktion, bestämma den formella reduktionspotentialen hos en art, karakterisera en kopplad reaktion och mer.
Bipotentiostater	större och dyrare än normala laboratoriepotentiostater, bipotentiostater har två kanaler. Detta krävs inte för de flesta elektrokemiska metoder.	experiment som involverar hydrodynamiskt flöde såsom hydrodynamisk voltammetri. Används vanligtvis med en roterande ringskivelektrod (RRDE).
Polypotentiostater	Polypotentiostat kan hänvisa till alla potentiostater som har tre eller flera kanaler. Polypotentiostater har i allmänhet en stor prislapp och krävs inte för de allra flesta experiment.	som ovan. Varje kanal kan också vanligtvis köras oberoende med separata celler så att flera experiment kan köras samtidigt.

i allmänhet, termen ’potentiostat’ används för att hänvisa till en enda kanal stationär enhet som kan hittas i någon typisk elektrokemi lab.

Potentiostater vs. Galvanostater

Potentiostater diskuteras ofta tillsammans med liknande elektrokemiska anordningar såsom galvanostater (även kända som amperostater). Galvanostater fungerar på liknande principer som potentiostater men upprätthåller en konstant ström över cellen snarare än en konstant potential. Den vanligaste applikationen för galvanostater är som batteriladdare.

Potentiostatkretsdesign

ett förenklat potentiostatkretsdiagram visas i Figur 1. Den består av flera viktiga avsnitt, som var och en beskrivs nedan: en signalgenerator, återkopplingsförstärkare, styrförstärkare, strömförstärkare och en signalomvandlare.

signalgenerator

signalgeneratorn bestämmer potentiostatens applicerade spänningsupplösning. Den matar ut variabla LIKSTRÖMSSPÄNNINGAR (likström) via en digital-till-analog omvandlare (DAC), som omvandlar en datorgenererad signal till en spänning. Detta gör det möjligt för användaren att exakt kunna styra potentiostatens utspänning via en dator.

Återkopplingsförstärkare

spänningsåterkopplingsförstärkaren är kanske den viktigaste delen av potentiostatkretsen. Den mäter spänningen mellan arbetsreferensen och referenselektroden och överför den till signalomvandlaren som ska skickas till datorn. Det matar emellertid också denna spänning till styrförstärkarens negativa terminal. Detta gör det möjligt för potentiostat, via styrförstärkaren, att hålla den inställda spänningen stabil i förhållande till referenselektroden.

det är viktigt att återkopplingsförstärkaren inte överbelastar elektrodspänningen och stör den elektrokemiska reaktionen, så en hög ingångsimpedans med mycket låg Ingångsström (pA) används. Återkopplingsförstärkaren måste också vara tillräckligt snabb för att potentiostaten ska kunna hålla jämna steg med de snabba förändringar som kan uppstå i elektrokemiska reaktioner och ge återkopplingsspänningen till utgångsförstärkaren.

Styrförstärkare

styrförstärkaren tar spänningsutgången från signalgeneratorn och återkopplingsförstärkaren och matar ut spänningen som kommer att passera mellan arbets-och motelektroderna. Det är här potentiostaten står för eventuell spänningsförlust på grund av elektrokemiska reaktioner som äger rum i cellen. Genom att använda utgången från återkopplingsförstärkaren som en ingång till styrförstärkaren ökas eller minskas signalen, vilket gör att enheten kan hålla spänningen mellan arbets-och referenselektroderna stabila.

specifikationerna för styrförstärkaren bestämmer den maximala spänningen och strömmen som potentiostatsystemet kan mata ut.

strömförstärkare och strömområden

denna del av kretsen är för mätning av strömmen som passerar genom arbetselektroden och motelektroden. Den består av ett enda motstånd eller en uppsättning motstånd (nuvarande intervall) och en förstärkare. Varje motstånd motsvarar ett annat strömområde och kan växlas på eller av för att välja önskat strömområde. Därför bestämmer antalet och motstånden hos dessa motstånd de strömmar som kan mätas med en potentiostat.

när strömmen passerar genom ett motstånd genererar den en spänning. Spänningen ökas av förstärkaren enligt det valda strömområdet och passeras in i signalomvandlaren där den omvandlas till en strömmätning.

signalomvandlare

signalomvandlaren använder en analog-till-digital-omvandlare (ADC) för att omvandla utgången från spänningsåterkopplingsförstärkaren och strömförstärkaren till en digital signal som kan tolkas av en dator ansluten till potentiostaten.

elektrokemisk Celluppsättning

Potentiostater kan användas för att styra två, tre eller fyra elektrodkonfigurationer (och som diskuterats ovan kan flerkanaliga bipotentiostater eller polypotentiostater styra roterande ringskivelektrodsystem).

den tre elektroduppsättningen är överlägset den vanligaste och består av en arbetselektrod, en motelektrod och en referenselektrod. Var och en av dessa tre funktioner finns också i en tvåelektrodcell, endast ett enda gränssnitt ger båda en referenspotential och tillåter ström att strömma över cellen. Det primära problemet med en sådan inställning är att det gör det omöjligt att noggrant kontrollera potentialen vid arbetselektroden.

Arbetselektrod

arbetselektroden är den primära elektroden i ett elektrokemiskt system. Det är där den applicerade spänningen kommer in i systemet, och där de flesta elektrokemiska reaktioner och elektronöverföring äger rum.

mätningar av potential och ström i ett elektrokemiskt system involverar arbetselektroden för både två-och treelektrodsystem. I tvåelektrodsystem mäts potentialen och strömmen mellan arbets-och motelektroderna. I treelektrodsystem mäter en potentiostat potentialen mellan arbets-och referenselektroderna medan strömmen mäts mellan arbets-och motelektroderna.

platina är det vanligaste materialet som används för att arbeta elektroder på grund av dess elektrokemiska stabilitet och enkel tillverkning. Andra vanliga material inkluderar guld, kol och kvicksilver.

Referenselektrod

genom att ha en stabil, känd och väldefinierad elektrokemisk potential ger referenselektroder en konstant för en elektrokemisk mätning.

de används i ett treelektrodsystem för att upprätthålla en stabil potential mot vilken potentiostaten mäter och styr arbets-och motelektroderna. Detta uppnås med hjälp av material med väldefinierade elektrokemiska potentialer, typiskt kemiskt separerade från reaktionerna som uppträder under mätningen. När ett voltammogram av ett sådant system ritas är potentialen den som mäts mellan arbets-och referenselektroderna.

i ett idealiskt elektrokemiskt system kommer nollström att strömma genom referenselektroden, vilket möjliggör noggranna mätningar och kontroll av potentialen vid arbetselektroden. Detta uppnås genom att referenselektroden har en mycket låg impedans, helst noll.

motelektrod

Motelektroder, även kända som hjälpelektroder, kompletterar kretsen för ett två-eller treelektrodsystem. Som med arbetselektroden är platina det vanligaste materialet som används för motelektroder på grund av dess elektrokemiska och mekaniska stabilitet och hög elektrisk ledningsförmåga.

i tvåelektrodsystem används motelektroden också som referenselektrod. Detta kräver att den har en mycket större yta än arbetselektroden för att säkerställa att reaktionskinetiken vid arbetselektroden inte hämmas av de vid motelektroden.

i treelektrodsystem mäts strömmen mellan arbets-och motelektroderna. Potentialen mäts inte här, men justeras av potentiostaten för att balansera de elektrokemiska reaktionerna som uppstår. Istället mäts potentialen mellan arbets-och referenselektroderna, helst med nollström som passerar mellan räknaren och referenselektroderna.

ibland separeras motelektroden från arbetselektroden på ett liknande sätt som referenselektroden för att minska påverkan av reaktioner som äger rum vid motelektroden på de vid arbetselektroden.

Potentiostatspecifikationer förklarade

noggrannhet, precision och upplösning

innan vi kan diskutera betydelsen av de olika specifikationerna för potentiostat måste vi först klargöra tre egenskaper som ofta missförstås: noggrannhet, precision och upplösning.

noggrannhet är hur nära ett uppmätt värde är det verkliga värdet. Detta representeras antingen som en absolut förskjutning, en procentandel av det uppmätta värdet eller en kombination av de två.

Precision är repeterbarheten för en mätning, dvs., hur nära varandra upprepade mätningar av samma punkt kommer att vara. Vanligtvis representeras detta som ett absolut värde.

upplösning är den minsta förändringen i ett värde som kan uppfattas av en mätning. Vanligtvis representeras detta som ett absolut värde.

en användbar analogi för att klargöra skillnaderna mellan dessa tre egenskaper är att tänka på ett mål som skulle användas i bågskytte, och hur var och en av dessa egenskaper skulle gälla, som visas i Figur 2.

som vi kan se bestämmer noggrannheten hur nära mitten av målet pilarna (eller i fallet med en mätning, datapunkterna) är, medan precisionen bestämmer grupperingen. De fyra möjliga resultaten av figuren ges nedan:

1. hög noggrannhet, hög precision – pilarna är tätt grupperade runt mitten av målet.
2. hög noggrannhet, låg precision – pilar är glest grupperade runt mitten av målet.
3. låg noggrannhet, hög precision – pilarna är tätt grupperade bort från mitten av målet.
4. låg noggrannhet, låg precision – pilar är glest grupperade bort från mitten av målet.

hur påverkar upplösningen detta? Med samma analogi av ett mål skulle upplösningen vara bredden på varje ring, med lägre upplösningar med tjockare ringar och högre upplösningar med tunnare ringar, som visas i Figur 3.

Potentialområde

potentialområdet är det potentiella fönstret som kan appliceras och mätas med en potentiostat mellan arbets-och referenselektroderna. Detta gäller vanligtvis för både positiv och negativ potential, och i ett sådant fall representeras med en plus/minus-symbol.

potentiell överensstämmelse

den potentiella överensstämmelsen är den maximala gränsen för den potential som en potentiostat kan mata ut mellan arbets-och motelektroderna. Som med potentialområdet gäller det för både positiva och negativa potentialer och representeras som sådan med en plus/minus-symbol.

elektrokemiska reaktioner som uppstår under en mätning resulterar ofta i minskad potential vid referenselektroden. Detta innebär att en större utgångspotential måste appliceras på cellen för att uppnå önskad potential.

det är viktigt att notera skillnaden mellan det potentiella intervallet och den potentiella överensstämmelsen. Potentialområde är den applicerade och uppmätta potentialen mellan arbets-och referenselektroderna, medan den potentiella överensstämmelsen är den absoluta maximala potentialen som kan appliceras mellan arbets-och motelektroderna.

applicerad potentiell noggrannhet

den applicerade potentiella noggrannheten är det maximala belopp som potentiostatens utgångspotential kan variera från den inställda potentialen. Specifikt hänvisar detta till potentialen mellan arbets-och referenselektroderna. Det är representerat som en plus / minus offset.

tillämpad potentiell upplösning

som en potentiostat använder digitala signaler för att bestämma potentialen att mata ut, kommer varje förändring i potential att visas som ett steg och en skanningsprofil en serie steg över tiden, som visas i Figur 4. Den tillämpade potentiella upplösningen bestämmer hur små dessa steg kan vara, eftersom det är den minsta förändringen i potential som kan matas ut av en potentiostat.

maximal ström

den maximala strömmen är den högsta elektriska strömmen som kan mätas med en potentiostat. Det gäller både positiva och negativa strömmar och representeras som sådan med en plus/minus-symbol. Om en uppmätt ström ligger utanför detta intervall stänger en potentiostat av utgångspotentialen för att förhindra att enheten skadas.

nuvarande intervall

för att uppnå en konsekvent nivå av noggrannhet och precision för nuvarande mätningar vid både milliamps och nanoamps delas nuvarande mätningar i en uppsättning intervall. Dessa intervall separeras vanligtvis med en storleksordning, och medan ett intervall vanligtvis kan mäta strömmarna som omfattas av intervallet under det, kommer mätningens noggrannhet och precision att bli sämre.

mätning av ström fungerar genom att mäta spänningen över ett känt motstånd när strömmen passerar genom den. För att mäta ström i olika storleksordningar används därför en serie motstånd, med lägre strömmar som passerar genom högre motståndsmotstånd.

noggrannheten, precisionen, bruset och upplösningen för varje intervall följer vanligtvis samma storleksordning som strömmarna, eftersom dessa påverkas mest av mätningen av spänningen snarare än de använda motstånden.

aktuell mätnoggrannhet

aktuell mätnoggrannhet är det maximala belopp som ett uppmätt strömvärde kan variera från det faktiska strömvärdet. Det är viktigt att notera att de flesta mätningar kommer att variera med mindre än detta belopp. Detta värde skalar med storleksordningen för de aktuella intervallen.

Strömmätningsupplösning

strömmätningsupplösningen är den minsta strömförändringen som kan mätas med en potentiostat. Detta värde skalar med storleksordningen för de aktuella intervallen.

Ossila Potentiostat SPECIFIKATIONER

potentiella SPECIFIKATIONER

potentiellt intervall

7.5 V

potentiell överensstämmelse

10 v

tillämpad potentiell noggrannhet

10 mV-förskjutning

tillämpad potentiell upplösning

333

nuvarande specifikationer

maximal ström	noggrannhet	upplösning
± 150 mA	200 2909 >	50 50
± 20 mA	20	5
± 2 mA	6ubbi 2ubbica	500 nA
± 200	200 na	50 na
± 20	20 na	5 na

andra specifikationer

kommunikation

USB-B

övergripande mått

bredd: 125 mm Höjd: 55 mm Djup: 175 mm

vikt

600 g