Electrochemical Properties of Conventional and Unmodified Electrodes

Abstract

Modified electrodes that utilize different nanomaterials are nowadays widely used and researched. The basis for the development of a modified electrode material is the knowledge of the electrochemical properties of the unmodified substrate. This reference point is needed in assessing the effects of the modification. This thesis work investigates the electrochemical properties of conventional and unmodified substrate materials.

In this work, a literature review was conducted on the key electrochemical properties of 12 conventional electrode materials. The selected materials include platinum, gold and different carbon allotropes, which are widely researched in biosensing applications. Materials can be examined e.g. by using cyclic voltammetry and various redox molecules. The six redox molecules of interest consist of three outer- and inner-sphere analytes. The electrochemical properties under investigation were water window, double layer capacitance, heterogeneous electron transfer rate constant, limit of detection for dopamine, redox potential differences in aqueous solutions and oxidation potential of ascorbic acid.

The review provided information on the recently found fast electron transfer (ET) kinetics of basal plane highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) especially for outer-sphere molecules. The heterogeneous electron transfer rate constant suggests that the traditional role of the electronic density of states (DOS) level in the ET kinetics has to be reviewed. Also the wide variety of properties of carbon allotropes compared to the metals became evidently clear. Carbon allotropes can also provide significantly lower limits of detection for dopamine than metals due to their low background currents. The widest water window and inertness of boron doped diamond (BDD) provides interesting opportunities for electrode development.

Nanomateriaaleja hyödyntäviä muunneltuja elektrodeja käytetään ja tutkitaan nykyaikana laajalti. Muunnellun elektrodimateriaalin kehitystyön perusta on muun- tamattoman substraatin sähkökemiallisten ominaisuuksien tuntemus. Vertailukohtaa tarvitaan muuntelun vaikutuksien arvioimiseksi. Tämä diplomityö selvittää konventionaalisten ja muuntamattomien substraatti materiaalien sähkökemiallisia ominaisuuksia.

Tässä työssä tehtiin kirjallisuuskatsaus 12:n tavanomaisen elektrodimateriaalin säh- kökemiallisista ominaisuuksista. Valittuihin materiaaleihin sisältyvät platina, kulta sekä erilaisia hiilen allotrooppeja, joita on tutkittu paljon bioanturisovelluksiin. Materiaaleja voidaan tutkia mm. syklisen voltammetrian ja erilaisten hapetus-pelkistys molekyylien avulla. Tarkastelun kohteena olevat kuusi molekyyliä sisältävät kolme ulko- ja sisäkehämolekyyliä. Sähkökemiallisista ominaisuuksista selvitettäviä olivat vesi-ikkuna, sähköisen kaksoiskerroksen kapasitanssi, heterogeeninen elektroninsiirto nopeusvakio, havaitsemisraja dopamiinille, hapetus-pelkistys potentiaalien erot nestemäisessä liuoksessa ja hapetuspotentiaali askorbiinihapolle.

Kirjallisuuskatsaus tarjosi tietoa viime vuosina havaitusta hyvin orientoituneen pyrolyyttisen grafiitin (HOPG) basaalitason nopeasta elektroninsiirtokinetiikasta erityisesti ulkokehämolekyyleille. Sen heterogeenisen elektroninsiirron nopeusvakio viittaa siihen, että elektronitilojen tiheyden perinteinen rooli elektroninsiirtokinetiikassa tulee arvioida uudelleen. Myös hiilen allotrooppien ominaisuuksien laaja kirjo verrattuna metalleihin näkyy kerätyssä datassa. Hiilen allotroopeilla on saavutettavissa myös metalleja selkeästi matalampia havaitsemisrajoja dopamiinille niiden alhaisten taustavirtojen vuoksi. Boorilla seostetun timantin (BDD) kaikista laajin vesi-ikkuna ja inerttiys tarjoavat mielenkiintoisia mahdollisuuksia elektrodien kehitystyöhön.