电化学显微镜的发展及应用

浅谈电化学扫描显微镜的发展与应用一、电化学扫描显微镜简介1984年，Engstrom把生理学上的离子电渗技术引入化学领域，研究了固体电极表面微区电化学活性，达到10µm的分辨率[1]；1986年，Engstrom小组利用微电极探针监测扩散层内毫秒级寿命反应中间体NAD等电极产物的空间分布，可达2µm分辨率[2]；同年，电分析化学家Bard小组在使用扫描隧道显微镜（STM）首次进行溶液中导体表面研究时，为了弥补STM不能提供电化学信息的不足，明确提出了扫描电化学显微镜的概念并予实验实现[3]。扫描电化学显微镜（SECM）是80年代末由A．J．Bard的小组提出和发展起来的一种扫描探针显微镜技术。它是基于70年代末超微电极（UME）及80代初扫描隧道显微镜（STM）的发展而产生出来的一种分辨率介于普通光学显微镜与STM之间的电化学现场检测新技术。与STM和AFM技术不同，扫描电化学显微镜基于电化学原理工作，可测量微区内物质氧化或还原所给出的电化学电流。该技术驱动一支超微电极（探针）在离固相基底表面很近的位置进行扫描，从而获得对应的微区电化学和相关信息。可用于研究：（1）导体和绝缘体基底表面的几何形貌；（2）固/液、液/液界面的氧化还原活性；（3）分辨不均匀电极表面的电化学活性；（4）微区电化学动力学；（5）生物过程及对材料进行微加工。SEME装置由电化学部分（电解池、探头、基底、各种电极和双恒电位仪）、压电驱动器（用来精确地控制操作探针和基底位置）以及计算机（用来控制操作、获取和分析数据）组成，实验装置如图1。二、工作模式及原理2.1工作模式SECM是以电化学原理为基础的一种扫描探针新技术，有多种不同的操作模式，见图2。（1）反馈模式FeedbackMode（SECM试验中最常用）（2）收集模式（Generation/collectionMode）（3）穿透模式（PenetrationMode）（4）离子转移反馈模式（IontransferMode）（5）平衡扰动模式（EquilibriumperturbationMode）（6）电位测定模式（PotentionmetricdetectMode）图2.SECM几种操作模式的原理示意图2.2工作原理SECM的工作原理一般是：当探针（常为超微圆盘电极，UMDE）与基底同时浸入电活性物质O的溶液中，在探针上施加电位（ET）使O发生还原反应，RneO当探针靠近导电基底时，其电位控制在R氧化电位，则基底产物O可扩散回探针表面使探针电流iT就越大。这个过程则被称为“正反馈”。当探针靠近绝缘基底表面时，本体溶液中O组分向探针的扩散受到基底的阻碍，故探针电流iT减小；且越接近样品，iT越小。这个过程被称作“负反馈”。当探针原理基底时，正负反馈均可忽略，此时微探针电流（iT）为常规微电极稳态电流，aCnfDOOT4i,式中F为法拉第常数，CO为O的本体浓度，DO为O的扩散系数，a为探针电极半径，为电极反应转移的电子数。通常SECM工作时采用电流法。SECM也可工作于“恒电流”状态，即恒定探针电流，检测探针z向位置变化以实现成像过程。也可采用离子选择性电极进行电位法实验。三、研究与应用3.1SECM探头的研制3.1.1探头SECM的分辨率主要取决于所选用的探头大小、形状和类型有光。最常用的探头是外部包着绝缘玻璃的萎靡圆盘电极，有时根据实验需要还选用纳米电极、圆锥形及球形电极。3.1.2用作SECM探头要求（1）电极的导电部分应在电极的最下端；（2）对圆盘电极来说，RG≤10（RG=b/a，b探头绝缘层半径和电极半径之和，a探头半径）。一般来说，探头的半径越小，SECM的分辨率越高，越适于研究快速反应动力学。3.1.3SECM探头制备制作时把清洗过得微电极丝放入除氧毛细玻璃管内，两端加热封口，然后打磨至电极部分露出，由粗到细用抛光布依次抛光至探针尖端为平面。也少量涉及到半球面电极。为锥形的电极尖端因探针电流不随d而变化，故很少使用。再小心地把绝缘层打磨成锥形，以在试验中获得尽可能小的探针-基底间距（d）[4]。3.1.4探头的质量SECM的分辨率主要取决于探头的尺寸、形状及探头-基底间距（d）。能够做出小而平的超微圆盘电极是提高分辨率的关键所在，且足够小的d与a能够较快获得探头稳态电流。同时要求绝缘层要薄，减少探头周围的归一化屏蔽层尺寸RG（RG=r/a，r为探头尖端半径）值，以获得更大的探头电流响应尽可能保持探头断面与基底的平行，以正确反映基底形貌信息。3.2SECM的应用随着SECM技术的进一步成熟，SECM在生物分析、均相化学反应动力学研究、异相电荷转移反应研究、样品表面扫描、液/液界面研究和薄膜表征等方面有很广泛的应用。3.2.1在生物分析中的应用主要包括DNA的测定、活细胞中酶的测定及抗原的测定。最早的是1999年，Bard小组用信号灵敏度小于0.05pA的SECM/STM仪，把未绝缘的纳米电极插入置于潮湿空气的云母片表面的超薄液层里，进行涂形扫描，得到了包括酶、DNA、抗原在内的生物大分子的图像，其分辨率可达几个纳米。这是首次利用SECM得到分子的图像[5]。3.2.2均相化学反应动力学研究基于SECM的收集模式、反馈模式及其计时安培法、快扫描循环伏安法等电化学方法的联用，已用于测定均相化学反应动力学和其他类型的与电极过程耦联的化学反应动力学[6]3.2.3样品表面扫描成像探针在靠近样品表面扫描并记录作为X-Y-Z坐标位置函数的探针电流，可以得到三维的SECM图像。SECM已用于导体或绝缘体等各种样品表面的成像，得到表面化学或生物活性分布图及表征纳米孔中的扩散传质[7]。图3为SECM的表面扫描成像图[8]。图3.SECM表面扫描成像图四、前景展望（1）从SECM仪器本身来看，可以通过提高检测灵敏度；提高空间分辨率及更精确地控制探头的位置等进一步完善SECM技术。（2）为了解决生物学、医学、材料科学等领域内的问题，SECM将更侧重于研究较为复杂的体系，譬如，对生物膜的检测、对单细胞、单分子的检测、金属的腐蚀与防护以及晶体的溶解等。（3）SECM将不断向现场化、微型化（纳米级微电极）、自动化的方向发展。（4）SECM与其他技术的联用将成为一种趋势。参考文献[1]EnstromRC.Anal.Chem.[J],1984,56(6)：890．[2]EnstromRC,WeberM,WunderDJ,BurgessR,WinquistS.Anal.Chem.[J],1986,58(4)：844.[3]LiuHY,FanFF,LinCW,BardAJ.J.Am.Chem.Soc.[J],1986,108（13）：3838．[4]Bard,A.J.,Denuault,Lee,C.M.,Mandler,D.,Wipf,D.O.Acc.Chem.Res.1990,23,357-363．[5]CaiC,LiuB,MirkinM.V,FrankH.A.Anal.Chem.[J],2002,74(1):114．[6]杨晓辉，赵瑜，谢青季，姚守拙，分析科学学报．[J]，2004，20（2）．[7]WeiC,BardAJ,KapulI,NagyG,TouthK,Anal.Chem.[J],1996,68(15):2651．[8]骆鸿，魏丹，等．金属腐蚀微区电化学研究进展（1）扫描电化学显微镜技术．［J］,腐蚀与防护，2009，30（7）：437-441．