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détection sélective et sensible, quantification rapide d'une grande variété d'analytes, outil de diagnostic, développement de nouvelles méthodologies et de nouveaux capteurs, etc. [3].
La combinaison de deux techniques analytiques bien connues, l'électrochimie et la spectroscopie, donne naissance à la spectroélectrochimie (SEC), une méthodologie scientifique bien établie. Cette technologie hybride offre aux chercheurs le meilleur des deux mondes en leur permettant d'enregistrer simultanément un signal optique et un signal électrochimique afin d'obtenir de nouvelles données [1]. Cet article commence par une définition de la spectroélectrochimie et présente ses avantages pour la recherche, suivis de nouveaux systèmes et solutions qui facilitent le travail sur une multitude d'applications de la spectroélectrochimie.
Qu'est-ce que la spectroélectrochimie ?
Les méthodes spectroélectrochimiques sont des méthodes à réponses multiples. Elles étudient le processus des réactions électrochimiques avec une surveillance optique simultanée. La spectroélectrochimie fournit deux signaux individuels à partir d'une seule expérience, ce qui est une caractéristique très puissante pour obtenir des informations critiques sur le système étudié. De plus, le caractère autovalidé de la spectroélectrochimie confirme les résultats obtenus par deux voies différentes.
Pour en savoir plus sur ce sujet, consultez notre note d'application.
Le principe de la spectroélectrochimie repose sur l'analyse de l'interaction entre un faisceau de rayonnement électromagnétique et les composés impliqués dans les réactions électrochimiques. Les variations des signaux optiques et électrochimiques permettent de comprendre l'évolution des processus de l'électrode.
Cette technique analytique a été mise au point dans les années 1960 lorsque le professeur Theodore Kuwana a travaillé avec des électrodes transparentes pour étudier un processus simultané - mesurer la charge et l'absorbance (simultanément) lorsqu'un faisceau de lumière traverse l'électrode [2]. Ces "électrodes optiquement transparentes" (OTE) ont été mises au point pour réaliser des expériences optiques et électrochimiques combinées. Cependant, toutes les configurations spectroélectrochimiques ne nécessitent pas d'électrodes transparentes.
Depuis le premier article publié sur la spectroélectrochimie en 1964 [2], le nombre de travaux et d'études basés sur cette technique n'a cessé de croître (figure 1).
Figure 1.
Les publications sur la spectroélectrochimie ont considérablement augmenté depuis la découverte de cette technique dans les années 1960 (résultats de la recherche de "Spectroelectrochem*" comme terme dans Scopus en janvier 2025).
La spectroélectrochimie permet aux chercheurs de recueillir des informations moléculaires, cinétiques et thermodynamiques sur les réactifs, les intermédiaires et/ou les produits impliqués dans les processus de transfert d'électrons. Il est donc possible d'effectuer des études spectroélectrochimiques sur un large éventail de molécules et de processus différents, notamment les complexes biologiques, les réactions de polymérisation, la caractérisation des nanomatériaux, la détection des analytes, les mécanismes de corrosion, l'électrocatalyse, les processus environnementaux, la caractérisation des dispositifs de mémoire et bien d'autres encore.
Un choix de techniques spectroélectrochimiques : types de SEC
Différents types d'informations sont obtenus en fonction de la gamme spectrale utilisée. Le graphique suivant (figure 2) est classé en fonction de la combinaison de différentes méthodes électrochimiques et spectroscopiques. La classification générale est basée sur la technique spectroscopique : ultraviolet (UV), visible (Vis), photoluminescence (PL), infrarouge (IR), Raman, rayons X, résonance magnétique nucléaire (RMN) et résonance paramagnétique électronique (RPE).
Figure 2.
La spectroélectrochimie (SEC) est la combinaison de la spectroscopie et de l'électrochimie, illustrée ici par le chevauchement de ces deux techniques.
Par exemple, la spectroscopie UV/VIS fournit des informations moléculaires liées aux niveaux électroniques des molécules, la région NIR fournit des données associées aux niveaux vibrationnels et le spectre Raman fournit des informations très spécifiques sur la structure et la composition de l'échantillon en raison des caractéristiques d'empreinte de cette technique. (Figure 3).
Figure 3.
Diagramme du spectre électromagnétique.
Les principaux avantages des techniques spectroélectrochimiques sont résumés ci-dessous :
- ils fournissent simultanément des informations obtenues par deux techniques différentes (électrochimie et spectroscopie) en une seule expérience
- des études qualitatives et des analyses quantitatives peuvent être réalisées
- une sélectivité et une sensibilité élevées
- La spectroélectrochimie est utilisée dans différents domaines en raison de sa polyvalence.
- de nouvelles configurations facilitent la réalisation d'expériences spectroélectrochimiques, ce qui permet de gagner du temps, d'économiser des échantillons, de réduire les coûts, etc..
Des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières années en ce qui concerne la conception, le développement et les possibilités offertes par les instruments permettant de travailler avec des techniques spectroélectrochimiques. De même, les assemblages et les connexions entre les produits et les accessoires qui facilitent l'utilisation de ces équipements se sont améliorés, contribuant à rendre la recherche et les expériences dans ce domaine plus faciles et plus abordables.
L'évolution de l'instrumentation spectroélectrochimique
Traditionnellement, la configuration de l'analyse spectroélectrochimique se compose de deux instruments : un instrument spectroscopique et l'autre pour l'analyse électrochimique. (Figure 4) Les deux instruments sont connectés indépendamment à la même cellule spectroélectrochimique et ne sont généralement pas synchronisés. En outre, chaque instrument est contrôlé par un logiciel différent (et spécifique), de sorte que deux programmes sont nécessaires pour interpréter chaque signal ainsi qu'un autre logiciel externe pour traiter et analyser les données obtenues par les deux premiers programmes. Enfin, il faut tenir compte du fait que la synchronisation n'est pas garantie, ce qui rend la réalisation d'expériences et de tests avec cette configuration lente, complexe et coûteuse.
Figure 4.
Cette installation spectroélectrochimique détachée met en évidence la complexité des logiciels et des programmes utilisés, montrant que les différents systèmes ne sont pas en mesure d'obtenir des mesures et des données électrochimiques synchronisées.
Metrohm DropSens a saisi cette opportunité pour créer quelque chose qui n'existait pas auparavant, révolutionnant ainsi la spectroélectrochimie de pointe. : la Gamme d'instruments SPELEC (Figure 5). Il s'agit de solutions entièrement intégrées et synchronisées qui offrent aux chercheurs une plus grande polyvalence. Les appareils comprennent tous les composants nécessaires pour travailler avec des techniques spectroélectrochimiques de manière simple et dans un système unique avec un (bi)potentiostat/galvanostat, la source de lumière et le spectromètre (en fonction de la gamme spectrale sélectionnée).
Figure 5.
Les systèmes SPELEC de Metrohm DropSens se composent d'un appareil et d'un logiciel - une installation SEC entièrement intégrée, facile à utiliser et pratique pour les chercheurs.
Ces conceptions et configurations simplifient le travail, les processus et les mesures spectroélectrochimiques, car un seul système et un seul logiciel sont nécessaires. Dans le cas de la solution SPELEC, son logiciel dédié avancé (DropView SPELEC) est un programme spécifique qui contrôle l'instrument, obtient les signaux électrochimiques et spectroscopiques simultanément, et permet également aux utilisateurs de traiter et d'analyser les données en une seule étape. C'est aussi simple que cela !
L'avenir de la spectroélectrochimie : Systèmes et logiciels SPELEC
Un instrument et un logiciel : Metrohm DropSens SPELEC offre tout ce dont vous avez besoin pour vos expériences spectroélectrochimiques tout en économisant un temps précieux et de l'espace dans le laboratoire. Les instruments SPELEC permettent de combiner l'électrochimie et la spectroscopie UV-Vis, Vis-NIR ou même Raman en une seule mesure, avec plusieurs options d'instruments disponibles (voir ci-dessous). Tout est intégré, ce qui permet de réaliser plus de tests en moins de temps, d'obtenir des spectres multiples, de disposer d'une gamme complète d'accessoires et de bénéficier d'une grande flexibilité en matière de recherche grâce aux différentes configurations proposées.
Plusieurs options sont disponibles en fonction de la gamme spectrale requise :
SPELEC: 200–900 nm (UV-VIS)
SPELEC 1050: 350–1050 nm (VIS-NIR)
SPELEC NIR: 900–2200 nm (NIR)
SPELEC RAMAN: Laser 785 nm, 638 nm ou 532 nm
DropView SPELEC est un logiciel dédié et intuitif qui facilite les mesures, la manipulation des données et le traitement. Avec ce programme, vous pouvez afficher des courbes et des spectres électrochimiques en temps réel et suivre vos expériences en termes de comptes, de comptes moins l'obscurité, d'absorbance, de transmittance, de réflectance ou de décalage Raman. En ce qui concerne le traitement des données, DropView SPELEC offre un large éventail de fonctions, notamment la superposition de graphiques, l'intégration et la mesure des pics, le tracé en 3D, le film spectral, etc.
Témoignage de l'Université de Burgos sur le système intégré SPELEC de Metrohm DropSens.
Les instruments SPELEC sont très polyvalents et, bien qu'il s'agisse d'instruments dédiés à la spectroélectrochimie, ils peuvent également être utilisés pour des expériences électrochimiques et spectroscopiques. Ils peuvent être utilisés avec n'importe quel type d'électrodes (électrodes sérigraphiées, électrodes conventionnelles, etc.) et avec différentes cellules spectroélectrochimiques. Les informations optiques et électrochimiques sont obtenues en temps réel/opératoire/dynamique.
Pour en savoir plus, consultez notre article de blog :
Simplifier les montages de spectroélectrochimie grâce à des cellules intuitives et conviviales
Applications multiples de la spectroélectrochimie
Les caractéristiques de la spectroélectrochimie permettent le développement constant de nouvelles applications dans différents domaines. Découvrez ci-dessous les capacités de cette technique (cliquez pour développer chaque section).
étude des propriétés et de la structure de différents composés, analyse des réactions cinétiques, détermination de la capacité de transfert d'électrons, etc. [4].
évaluation des films protecteurs en tant qu'inhibiteurs de corrosion, détermination de la stabilité et de la réversibilité des électrodes, surveillance de la génération de couches et de sous-réseaux, amélioration des propriétés protectrices des matériaux de revêtement, etc.
suivi des cycles d'échange et de décharge, détermination des niveaux d'oxydation/réduction, caractérisation de nouveaux électrolytes pour les batteries, compréhension des processus de dopage et de fractionnement dans les cellules solaires, etc.
caractérisation et comparaison de l'activité électrocatalytique de différents catalyseurs, identification des espèces intermédiaires et de leurs modifications structurelles, élucidation du mécanisme de réaction, etc. [5].
étude des processus biologiques, caractérisation des molécules utilisées en biotechnologie, biochimie ou médecine, détermination de l'activité antioxydante, etc.
identification et quantification des pesticides, des colorants et des polluants, suivi des processus de dégradation et de filtration, etc. [6].
caractérisation de nouveaux matériaux pour les dispositifs de mémoire, comparaison de minéraux, identification de pigments, d'huiles et de pâtes, etc.
Pour en savoir plus sur les possibilités d'application de la spectroélectrochimie, téléchargez notre manuel d'application.
Vos connaissances à emporter
Catalogue: Portfolio de la gamme SPELEC
Livre d'application de la spectroélectrochimie
Webinaire à la demande : La spectroélectrochimie en action : Expériences en direct
References
[1] Kaim, W.; Fiedler, J. Spectroelectrochemistry: The Best of Two Worlds. Chem. Soc. Rev. 2009, 38 (12), 3373. DOI:10.1039/b504286k
[2] Kuwana, T.; Darlington, R. K.; Leedy, D. W. Electrochemical Studies Using Conducting Glass Indicator Electrodes. Anal. Chem. 1964, 36 (10), 2023–2025. DOI:10.1021/ac60216a003
[3] Martín-Yerga, D.; Pérez-Junquera, A.; González-García, M. B.; et al. Quantitative Raman Spectroelectrochemistry Using Silver Screen-Printed Electrodes. Electrochimica Acta 2018, 264, 183–190. DOI:10.1016/j.electacta.2018.01.060
[4] Perez-Estebanez, M.; Cheuquepan, W.; Cuevas-Vicario, J. V.; et al. Double Fingerprint Characterization of Uracil and 5-Fluorouracil. Electrochimica Acta 2021, 388, 138615. DOI:10.1016/j.electacta.2021.138615
[5] Rivera-Gavidia, L. M.; Luis-Sunga, M.; Bousa, M.; et al. S- and N-Doped Graphene-Based Catalysts for the Oxygen Evolution Reaction. Electrochimica Acta 2020, 340, 135975. DOI:10.1016/j.electacta.2020.135975
[6] Ibáñez, D.; González-García, M. B.; Hernández-Santos, D.; Fanjul-Bolado, P. Detection of Dithiocarbamate, Chloronicotinyl and Organophosphate Pesticides by Electrochemical Activation of SERS Features of Screen-Printed Electrodes. Spectrochim. Acta. A. Mol. Biomol. Spectrosc. 2021, 248, 119174. DOI:10.1016/j.saa.2020.119174
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