Amperometrie und elektrochemische Sensoren

Die Amperometrie misst den Strom, der bei einem festen Elektrodenpotential fließt, um einen elektroaktiven Analyten zu quantifizieren, und bildet die Grundlage vieler praktischer elektrochemischer Sensoren und Biosensoren.

Definition

Eine elektroanalytische Technik, bei der der Strom an einer Elektrode, die auf einem konstanten Potential gehalten wird, gemessen und mit der Konzentration einer elektroaktiven Spezies in Beziehung gesetzt wird, oft über eine chemisch selektive Sensorschicht.

Scope

Dieses Thema behandelt die amperometrische Detektion: das Halten einer Elektrode auf einem Potential, bei dem der Analyt reagiert, und die Aufzeichnung des resultierenden diffusionskontrollierten Stroms, das Design von Biosensoren, die enzymatische Erkennung mit elektrochemischer Transduktion koppeln, die Clark-Sauerstoffelektrode, vermittelte und direkte Elektronentransfer-Schemata sowie die analytischen Gütekriterien dieser Geräte. Es umfasst klinische, umweltbezogene und Point-of-Care-Sensorik.

Core questions

• Wie gibt der Strom bei einem festen Potential die Konzentration eines Analyten wieder?
• Wie wandeln enzymbasierte Biosensoren ein spezifisches chemisches Erkennungsereignis in ein elektrisches Signal um?
• Welche Rolle spielen Mediatoren und Elektrodenmodifikationen in der amperometrischen Sensorik?
• Was bestimmt die Empfindlichkeit, Selektivität und Ansprechzeit eines amperometrischen Sensors?

Key theories

Diffusionsbegrenzter amperometrischer Strom

Bei einem Potential jenseits der Redoxwelle des Analyten wird der stationäre Strom durch die Diffusionsrate des Analyten zur Elektrode kontrolliert und ist proportional zur Volumenkonzentration, was ein lineares analytisches Signal ergibt.

Enzym-Elektroden-Transduktion

Ein selektives Enzym erzeugt oder verbraucht eine elektroaktive Spezies proportional zum Zielanalyten; die amperometrische Detektion dieser Spezies, oft über einen Redoxmediator, ergibt einen selektiven und quantitativen Sensor, wie bei Glukose-Biosensoren.

Clinical relevance

Amperometrische Biosensoren dominieren die Point-of-Care-Diagnostik, am prominentesten die Blutzuckermessung bei Diabetes, und erstrecken sich auf Laktat, Sauerstoff und andere klinische Analyten sowie die Detektion von Umweltverschmutzungen, geschätzt für schnelle, kostengünstige und miniaturisierbare Messungen.

History

Clarks Sauerstoffelektrode (1956) und das Clark-Lyons-Enzymelektrodenkonzept (1962) leiteten die amperometrische Biosensorik ein; das Feld reifte durch vermittelten Elektronentransfer und den kommerziellen Erfolg von Einweg-Glukoseteststreifen ab den 1980er Jahren.

Key figures

• Leland C. Clark
• Joseph Wang
• Adam Heller

Seminal works

• wang2006
• wang2008
• bard2001

Frequently asked questions

Wie erzeugt ein Glukosesensor elektrischen Strom aus Zucker?

Ein Enzym wie die Glukoseoxidase reagiert mit Glukose und überträgt direkt oder über einen Mediator Elektronen auf die Elektrode; der resultierende Strom ist proportional zur Glukosekonzentration in der Probe.

Was ist der Unterschied zwischen Amperometrie und Voltammetrie?

Die Voltammetrie variiert das Potential und zeichnet den Strom als Kurve auf, während die Amperometrie das Potential konstant hält und den Strom über die Zeit überwacht, wodurch sie sich gut für die kontinuierliche quantitative Sensorik eines einzelnen Analyten eignet.