Detection of heavy metals with differential pulse voltammetry

La contamination par les métaux lourds pose des problèmes environnementaux et sanitaires importants, ce qui nécessite des techniques d'analyse fiables pour la détection. La voltamétrie à impulsions différentielles (DPV) est une méthode électrochimique largement utilisée pour la quantification sensible et sélective des ions de métaux lourds.

Cette note d'application décrit les principes de la DPV, ses avantages par rapport à d'autres techniques électroanalytiques et sa mise en œuvre pour la détection des métaux lourds dans des échantillons aqueux. Les paramètres expérimentaux, le choix des électrodes et les procédures d'ajout standard sont abordés, ainsi que des résultats représentatifs démontrant l'efficacité de la méthode.

Comme SWV, cette approche permet de séparer le courant faradaïque et le courant capacitif, ce qui augmente la sensibilité de la technique par rapport à la voltamétrie en escalier normale. Dans INTELLO, les signaux i1 et i2 peuvent être échantillonnés de manière facultative dans l'onglet Signaux de la commande DPV. Dans NOVA, des graphiques personnalisés de l'un ou l'autre signal peuvent être générés dans le même onglet.

La forme d'onde est caractérisée par la hauteur de l'impulsion (ΔE) et la hauteur de l'étape (ΔEs). La vitesse de balayage est déterminée uniquement par la hauteur et la durée de l'étape de la LSV sous-jacente. La durée de l'impulsion ne doit pas être supérieure à la durée de l'étape afin d'éviter les artefacts, les valeurs typiques pour l'étape étant d'environ 100 à 500 ms, et d'environ 50 ms pour l'impulsion. Par rapport à la SWV, la DPV est considérée comme moins applicable à un large éventail de systèmes en raison de l'interférence de l'oxygène et des vitesses de balayage plus lentes requises pour la DPV. Dans certains cas, elle peut produire une meilleure séparation des pics proches les uns des autres et des pics plus nets en général. Voici un exemple de mesure DPV typique réalisée avec un PGSTAT302N et le support Metrohm 663 VA. La même mesure est également possible avec le VIONIC de nouvelle génération alimenté par INTELLO. 

Un PGSTAT302N équipé d'un support Metrohm 663 VA (2.663.0020) a été utilisé pour cette étude. L'électrode de travail (WE) était une électrode multimode pro (6.1246.120) dans la configuration d'électrode à mercure goutte à goutte (DME). L'électrode de référence (RE) était une électrode de référence à double jonction Ag/AgCl (6.0728.120). Toutes les valeurs de potentiel mentionnées dans cette note d'application se réfèrent au potentiel de cette électrode. L'électrolyte était composé de 10 ml d'H2O + 0,5 ml de tampon acétate, constitué de 1 mol/L d'acétate d'ammonium + 1 mol/L d'acide acétique.

La concentration en ions de métaux lourds a été quantifiée en effectuant deux ajouts standard. Pour le premier ajout, la solution était composée comme suit : 10 ml d'H2O, 500 μl de tampon acétate, 100 μl de solution standard de Pb (1 mg/l) et 100 μl de solution standard de Cd (1 mg/l). Pour le deuxième ajout, la solution était composée comme suit : 10 ml d'eau, 500 μl de tampon acétate, 200 μl de solution étalon de Pb (1 mg/l) et 200 μl de solution étalon de Cd (1 mg/l).

Chaque mesure comprenait une étape de préconditionnement de l'électrode Hg, au cours de laquelle de l'azote était purgé dans la solution agitée et une nouvelle goutte de Hg était formée. Ensuite, un potentiel de réduction de -0,9 V était appliqué à la goutte de Hg afin de réduire les anions Pb et Cd à la surface de la goutte de Hg dans des conditions d'agitation. Ensuite, l'agitateur était arrêté et la mesure DPV était effectuée. La mesure DPV a été répétée deux fois.

Les hauteurs de pic ont été déterminées à partir du graphique courant/potentiel des trois itérations expérimentales (c'est-à-dire l'échantillon, l'échantillon avec le premier ajout standard et l'échantillon avec le deuxième ajout standard). Des graphiques hauteur de pic/concentration d'analyte ont été créés pour le Pb et le Cd. La concentration d'analyte dans l'échantillon peut être calculée à partir de l'intersection de la ligne de régression avec l'axe x.

Les figures 3 et 4 montrent respectivement la hauteur des pics de Pb et de Cd en fonction de la concentration en Pb et en Cd.

Une ligne de régression est tracée sur les graphiques des figures 3 et 4. La valeur d'intersection avec l'axe x (c'est-à-dire à une hauteur de pic nulle) correspond à la concentration de l'analyte -Cs (μg/L) dans le récipient de mesure. La concentration C (μg/L) de l'analyte dans l'échantillon est donnée par la formule suivante :

where V_cell (L) is the total volume—composed of sample, electrolyte, and water—and V_sample (L) is the volume of the sample. 

In the example above, the sample volume was V_sample (mL) = 10.2 and the cell volume was V_cell (mL) = 10.7. The analyte concentration in the measuring vessel was C_s,Pb (μg/L) = 11.83 for Pb and C_s,Cd (μg/L) = 11.46 for Cd.

According to Equation 1, this results in a Pb concentration of 12.41 µg/L and a Cd concentration of 12.04 µg/L.