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Die elektrogenerierte Chemilumineszenz (ECL) ist nicht nur durch seine Leuchterscheinung für Lernende attraktiv. Das Phänomen ist auch für chemische Analytik nutzbar. Versuche mit der ECL von Trisbipyridylruthenium (II) aus dem Hochschulpraktikum.
Das bisher an häufigsten verwendete Molekül für elektrogenerierte Chemilumineszenz (ECL) ist Trisbipyridylruthenium(II), Ru(bpy)3]2+ (Abbildung 1).1,2) Das Molekül wird elektrochemisch bei etwa 1 V oxidiert, reagiert mit einem Koreagens und geht dabei in einen angeregten Singulett-Zustand über. Dieser zerfällt, und die entstehende Fluoreszenzintensität hängt vom Elektrodenmaterial ab, vom angelegten Potenzial und von der Art und Konzentration des Coreagens. Daher eignet sich ECL als Detektionsmethode in der chemischen Analytik. Mit ECL lassen sich auch solche Coreagenzien untersuchen, die elektroinaktiv sind, also die in einem moderaten Potenzialbereich, also zwischen 0,5 und 1,5 V nicht oxidiert oder reduziert werden.<figure><img src="https://media.graphcms.com/NGZCASpGTJSLjVcqpy0z"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Struktur des Trisbipyridylrutheniumions.</figcaption></figure>
Die meisten Veröffentlichungen zur ECL beschäftigen sich neben dem Mechanismus mit der Anwendung in der chemischen Analytik. Übersichtsartikel zur ECL findet man von Miao,3) Kapturwicz,4) Hercules,5) Richter,6) Parveen7) und Bard.8)ECL ist eine empfindliche Detektionsmethode, um mit HPLC, quantitativ beispielsweise aliphatische Amine7,9) oder Aminosäuren10,11) nachzuweisen. Üblicherweise werden Aminosäuren in der HPLC derivatisiert.12,13) Dies ist bei der Detektion über ECL nicht notwendig. Zudem ist der experimentelle ECL-Aufbau einfach, die Detektionsgrenze gering, sie beträgt je nach Substanz bis zu 0,1 μmol·L–1.<h2>Experimente</h2>Die hier vorgestellten Experimente zeigen das Phänomen ECL und einfache analytische Anwendungen. Diese eigenen sich als Einführung in die ECL, etwa in einem Hochschulpraktikum für Fortgeschrittene an einer Universität oder Fachhochschule.Abbildung 2 zeigt das Absorptions- und das Emissionsspektrum von [Ru(bpy)3]2+ sowie das Chemilumineszensspektrum von [Ru(bpy)3]2+ mit der Aminosäure Prolin als Koreagens.<figure><img src="https://media.graphcms.com/i8jNBVZ3RdSb73H7XNuI"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Links: Absorptions- und Emissionskurve von [Ru(bpy)3]2+. Rechts: Chemilumineszenz von [Ru(bpy)3]2+ mit Prolin als Koreagens.</figcaption></figure>
Cyclovoltammetrie (CV)14–19) ist mit einer entsprechenden apparativen Ausstattung leicht mit ECL-Messung zu kombinieren (Abbildung 3, links). Ein Potenziostat ist mit einer Dreielektrodenanordnung verbunden (hier mit Screen-printed Elektroden, SPE, wir nutzen SPE von von Dropsens und Orion High Technologies.).20) Mittlerweile gibt es ECL-Systeme auch zu kaufen (Abbildung 3, rechts)<figure><img src="https://media.graphcms.com/rtyt4gqcTiqaGdBU8Ytw"><figcaption><label>Abb. 3: </label>a) Apparatur zur gleichzeitigen Aufnahme von Cyclovoltammogrammen und ECL. Von links: Potenziostat, Messwerterfassung, Elektrodenhalter mit Elektroden, Photomultiplier mit Lichtleiter, Spannungsversorgung für Photomultiplier. b) ECLSTAT (Dropsens). Von links: Potenziostat, ECL-Zelle.</figcaption></figure>
Die zu untersuchende Substanz wird mit einer Eppendorf-Pipette gemeinsam mit [Ru(bpy)3]2+ auf die Elektroden getropft. Während das Cyclovoltammogram aufgenommen wird, registriert der Photomultiplier oder ein anderer Photodetektor die Lumineszenzintensität. Ein Messwerterfassungssystem nimmt die Anodenspannung des Photomultipliers auf und verarbeitet sie.<h2>ECL von Aminosäuren</h2>Abbildung 4 zeigt das CV und die ECL, einmal von [Ru(bpy)3]2+ allein (jeweils rote Kurven) sowie von [Ru(bpy)3]2+) mit Arginin (schwarze Kurven). Der anodische Strompeak entsteht bei einer Spannung von etwa 0,95 V (Oxidation), der kathodische bei zirka 1,0 V (Reduktion). Die Spannungsdifferenz zwischen anodischem und kathodischem Peak ist mit 105 mV relativ hoch und deutet auf einen quasi-reversiblen Elektronentransfer hin.21,22) Deutlich zu sehen sind die Verschiebungen der CV-Kurve zu höheren anodischen Strömen (Zunahme der Oxidationsreaktion von Ru2+ 1 Ru3+ + e–) und bei der ECL zu einer erhöhten Emissionsintensität. Die Erhöhung der anodischen Ströme bei gleichzeitiger Verringerung der kathodischen Ströme erklärt sich damit, dass sich durch die Reaktion von [Ru(bpy)3]3+ mit dem Coreagens mehr [Ru(bpy)3]2+ auf der Elektrode zurückbildet. Der Reduktionspeak wird deswegen kleiner, weil die Konzentration von [Ru(bpy)3]3+ durch die Reaktion mit dem Coreagens sinkt.<figure><img src="https://media.graphcms.com/YfNwBsmDRiKobTGtWziQ"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Links: Cyclovoltammogramm von [Ru(bpy)3]2+ mit einer Pt-Arbeitselektrode. [Ru(bpy)3]2+ alleine (rot) und mit Alanin (schwarz). Rechts: ECL von [Ru(bpy)3]2+ alleine (rot) und mit Alanin (schwarz).</figcaption></figure>
Die ECL-Ergebnisse für Alanin, Prolin und Serin stimmen mit denen von Brune et al. überein:11) Prolin, ein sekundäres Amin, zeigt die höchste, Serin die geringste Sensitivität. Brune et al. erklären dieses Verhalten mit elektronenziehenden und elektronenschiebenden Effekten: Der elektronenziehende Effekt der OH-Gruppe im Serin verringert die ECL-Intensität, Prolin reagiert entgegengesetzt.Nach den Messungen beträgt die geringste mit ECL messbare Konzentration von Prolin bei diesem einfachen Aufbau etwa 10–6 mol·L–1. Das Detektionslimit von Serin liegt bei etwa 10–4 mol·L–1.<h2>Beispiel Arzneimittel: Lidocain</h2>In der Humanmedizin werden in Deutschland pro Jahr etwa 8100 Tonnen zum Teil umweltrelevanter Arzneimittel verwendet, die insgesamt etwa 1500 verschiedene Wirkstoffe enthalten. Da viele Wirkstoffe auch in Kläranlagen nur wenig abgebaut werden, gelangen die Arzneimittel in die Umwelt. Daher ist es notwendig, Arzneimittel, schnell und sicher nachzuweisen. Mit ECL gelingt das beispielsweise beim Lokalanästhetikums Lidocain (2-Diethylamino-N-(2,6-dimethylphenyl)acetamid).Als Arbeitselektrode der SPE eignen sich mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (multi-walled carbon nanotubes, MWCNT). Neben Graphen, Graphen-Quantenpunkten und Graphenoxid sind diese Kohlenstoffnanoröhren ein vielversprechendes Elektrodenmaterial: Sie sind empfindlich, einfach einzubauen und preiswert (1 bis 3 Euro pro SPE).Abbildung 5 oben zeigt das CV eines Gemisches von Ru(bpy)32+ mit Lidocainhydrochlorid Bei der Oxidation (0,9 V) beginnt die Chemilumineszenz, erkennbar an steigender Lichtintensität (Abbildung 5 unten). Deutlich zu erkennen ist die Korrelation zwischen dem CV und der ECL.<figure><img src="https://media.graphcms.com/5a2mgqVuSY7aaSwSibBD"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Messung von Ru(bpy)32+(50 mL, 10 mmol·L–1) mit Lidocainhydrochlorid (25 mL, 10 mmol·L–1); oben: Cyclovoltammogramm des Gemischs, Scanrate: 50 mV·s–1; unten: ECL-Diagramm: Lumineszenzintensität als Funktion der angelegten Spannung.</figcaption></figure>
Mit dieser Anordnung lassen sich Konzentrationen von Lidocainhydrochlorid von etwa 10 nmol·L–1, also etwa 2 mg·L–1 problemlos nachweisen. Die minimale Konzentration an Lidocainhydrochlorid, die mit der ECL-Methode mit MWCNT-SPE noch bestimmbar ist, ergibt sich sich über eine Verdünnungsreihe. Dazu werden verschiedene Lidocainhydrochlorid-Verdünnungen mit immer der gleichen [Ru(bpy)3]2+-Konzentration (100 mmol·L–1) gemischt.<h2>Glyphosatnachweis</h2>N-(Phosphonomethyl)glycin (Glyphosat) und dessen Abbauprodukt (Aminomethyl)phosphonsäure (AMPA) spielten in der ECL eine besondere Rolle. So untersuchten Ridlen et al.23) und Adcock24) Glyphosat und andere Stoffe mit ähnlicher Struktur und ermittelten die pH-Abhängigkeit des ECL-Signals. Sie bestimmten die HPLC-Detektionsgrenze zu 0,01 mmol mit einer linearen Abhängigkeit zwischen ECL-Intensität und Konzentration über fünf Größenordnungen. Das [Ru(bpy)3]2+ wurde entweder direkt der mobilen Phase vor der Säule zugemischt oder nachträglich, hinter der Säule.Nano-ZnO auf der MWCNT-Elektrode erhöht die ECL-Intensität von [Ru(bpy)3]2+/Peroxodisulfat, das Verfahren nennt sich nano-ZnO-supported ECL.25–28) Abbildung 6 zeigt das Chemilumineszenzspektrum des Systems [Ru(bpy)3]2+/Glyphosat mit und ohne nano-ZnO: Die Gesamt-ECL-Intensität erhöht sich mit ZnO etwa um den Faktor drei. Das ZnO (etwa 0,1 mg) wurde auf die Elektrode gelegt, das wässerige ECL-System dazugetropft und alles vorsichtig verrührt.<figure><img src="https://media.graphcms.com/vgewsHtVTrWDS0GWqlzj"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Chemilumineszenzspektrum von [Ru(bpy)3]2+ mit Glyphosat als Koreagens mit und ohne Nano-ZnO. Das Chemilumineszenzspektrum wurde mit dem Lumineszensspektrometer (LS 50B von Perkin-Elmer) aufgenommen (Wellenlängenscan 450 bis 700 nm; Scangeschwindigkeit: 300 nm·min–1; elektrische Anregungspulsbreite: 0,1 s; Frequenz der Pulse: 0,5 s–1; Amplitude: 3,54 V).</figcaption></figure>
Das ECL-Signal hängt bei konstanter [Ru(bpy)3]2+-Konzentration linear von der Konzentration von Glyphosat und AMPA ab. Bei Zugabe von Nano-ZnO steigen die anodische Stromstärke und die Lumineszenz-Intensität (Abbildung 7). Dabei ist die ECL von AMPA etwa zehn Mal empfindlicher als die von Glyphosat.<figure><img src="https://media.graphcms.com/PCs7ZWBtSuWK6162DO4K"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Cyclovoltammogramm (durchgezogene Kurven) und ECL (gestrichelte Kurven) von [Ru(bpy)3]2+ (0,1 mmol·L–1) mit Glyphosat (0,1 mmol·L–1) mit ZnO (0,1 mg, schwarze Kurven) und ohne ZnO (rote Kurven). Scanrate: 50 mV·s–1, MWCNT (Orion High Technologies) als Arbeitselektrode.</figcaption></figure>
Als Erklärung für den Effekt durch Nano-ZnO kann zum die größere Oberfläche durch den Halbleiter ZnO dienen. Zusätzlich bildet das ZnO ein weiteres Redoxsystem: ZnO hat eine Bandlücke von 3,2 bis 3,4 eV. Somit kann eine Exzitonenanregung durch die Elektron-Lochpaartrennung das [Ru(bpy)3]2+-Coreagenzsystem beeinflussen. Eine genauere Erklärung steht noch aus.Der Autor dankt Orion High Technologies für die Präparation der ZnO-MWCNT-Elektrode.Die Arbeit wurde gefördert durch die Vector-Stiftung (08/2016), den Fond der Chemischen Industrie (189036) sowie die Pädagogische Hochschule Ludwigsburg.Achim Habekost, studiert Chemie an der Uni Hannover und Physik an der TU München für das Lehramt an Gymnasien. An der Uni Hannover promovierte er in physikalischer Chemie und war an der TU München Akademischer Rat in der Oberflächenphysik. An der Uni Hannoverhabilitierte er sich in Chemie und ihrer Didaktik und war Studiendirektor an der Deutschen Schule in Quito, Ecuador. Seit dem Jahr 2004 ist er Professor an der Pädagogischen Hochschule Ludwigsburg.<h2>Quergelesen</h2>Die Intensität elektrogenerierter Chemilumineszenz (ECL) hängt von der Art und Konzentration der Reagenzien ab.ECL eignet sich aufgrund der Leuchterscheinung und der Empfindlichkeit als Detektionsmethode für Elektrochemie- oder Analytikpraktika an Hochschulen.Trisbipyridylruthenium(II) ist das Molekül, das bisher am häufigsten in der ECL eingesetzt wird.Beispiele für Analyten sind Aminosäuren, Medikamentenwirkstoffe in Wasser oder Pestizide und deren Metabolite.
<ul><h2>Literatur</h2><li>
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3 W. Miao, J.P. Choi, A. J. Bard, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 14478.</li><li>
4 A. Kapturkiewicz, Chem. Phys. Lett. 1995, 236, 389.</li><li>
5 D. M. Hercules, F. E. Lytle, J. Am. Chem. Soc. 1966, 88, 4795.</li><li>
6 M. M. Richter, Chem. Rev. 2004, 104, 3003.</li><li>
7 S. Parveen, M. S. Aslam, L. Hu, G. Xu, Electrogenerated Chemiluminescence. Protocols and Applications, Springer, Heidelberg, 2013</li><li>
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9 R. M. Wightman, S. P. Forry, R. Maus, D. Badocco, P. Pastore, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 19119.</li><li>
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11 S. N. Brune, D. R. Bobbitt, Anal. Chem. 1992, 64, 166.</li><li>
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13 W-Y. Lee, T. A. Nieman, J. Chromatogr. A. 1994, 659, 111.</li><li>
14 B. Speiser, Chem. Unserer Zeit 1981, 15, 62.</li><li>
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23 J. S. Ridlen, G. J. Klopf, T. A. Nieman, Anal. Chim. Acta 1997, 341, 195.</li><li>
24 J. L. Adock, N. W. Barnett, R. D. Gerardi, C. E. Lenehan, S. W. Lewis, Talanta. 2004, 64, 534.</li><li>
25 S. Bozorgzadeh, B. Haghighi, Microchim. Acta 2016, 183, 1487</li><li>
26 S. Bozorgzadeh, B. Haghighi, L. Gorton, Electrochimica Acta 2015, 164, 211.</li><li>
27 A. Habekost, W. J. Chem. Educ. 2015, 3, 134.</li><li>
28 A. Habekost, Talanta, 2017, 162, 583.</li></ul>

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