專利名稱：電化學(xué)阻抗、石英晶振阻抗同時(shí)測(cè)量裝置與分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可應(yīng)用于電極表面修飾、化學(xué)/生物傳感、電化學(xué)反應(yīng)研究、電鍍、金屬腐蝕和電池測(cè)量等領(lǐng)域的電化學(xué)阻抗、石英晶振阻抗同時(shí)測(cè)量裝置與分析方法。
背景技術(shù)：
石英晶體微天平(QCM)可動(dòng)態(tài)檢測(cè)電極表面低至納克級(jí)或單分子層的質(zhì)量變化，自20余年前石英晶振(QCR)液相振蕩首獲成功以來，已廣泛用于電極表面修飾研究和化學(xué)/生物傳感等方向(Buttry，D.A.，In ElectroanalyticalChemistry，Bard，A.J.，Ed.，Marcel Dekker，NewYork，1990，Vol 71.)。用于電化學(xué)分析與研究的QCM-電化學(xué)石英晶體微天平(EQCM)，已成為電化學(xué)和電分析化學(xué)研究的重要手段之一，目前EQCM主要采用主動(dòng)法(振蕩器法，主要測(cè)量振蕩頻率)和被動(dòng)法(阻抗分析法)兩種QCR信號(hào)測(cè)量方式(Thompson，M.，etal，Analyst，1991，116，881.)。石英晶體阻抗分析基于壓電石英晶體(PQC)諧振機(jī)電耦合原理，可很好表征PQC諧振行為、以更好的選擇性獲取反映待測(cè)體系某些物理/化學(xué)性質(zhì)變化的多維信息，是目前國際上該研究領(lǐng)域的最先進(jìn)研究技術(shù)。
1994年，美國學(xué)者首次報(bào)道了將直流電化學(xué)測(cè)試與石英晶振阻抗分析技術(shù)聯(lián)用的方法，研究了聚吡咯電化學(xué)性質(zhì)(Topart，P.A.，Noel，M.A.，Anal.Chem.，1994，66，2926.)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)χ绷麟娀瘜W(xué)擾動(dòng)過程中的石英晶振電聲阻抗行為做全面的測(cè)試和分析，但是沒有與電化學(xué)交流阻抗測(cè)試聯(lián)用測(cè)量，而且僅達(dá)到了每9秒獲取一組BVD等效電路數(shù)據(jù)的技術(shù)指標(biāo)，測(cè)量效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量效率更高、可更快獲得BVD等效電路數(shù)據(jù)的電化學(xué)阻抗、石英晶振阻抗同時(shí)測(cè)量的裝置與分析方法。
本發(fā)明的測(cè)量裝置的技術(shù)方案如下在現(xiàn)有阻抗分析儀、電化學(xué)工作站兩儀器間串接適當(dāng)大小的隔離電容，隔離電容的大小以150-2000pF為宜，較好的取值為220-1600pF，最佳的取值為500-1200pF，過大或過小則兩儀器同時(shí)工作時(shí)相互間會(huì)有較大的干擾。
由于隔離電容的接入，石英晶體阻抗測(cè)量結(jié)果發(fā)生了變化，為此，我們采用接有隔離電容的BVD等效電路進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由此開發(fā)出電化學(xué)研究現(xiàn)場石英晶振阻抗快速分析程序，同時(shí)擬合由阻抗分析儀所測(cè)得的電導(dǎo)(G)和電納(B)量。
采用本發(fā)明測(cè)量裝置進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試過程中，同時(shí)進(jìn)行石英晶振阻抗測(cè)量分析的方法包括以下步驟(1)輸入測(cè)量條件和參數(shù)；(2)輸入隔離電容值；(3)同步測(cè)量電導(dǎo)G和電納B；(4)通過串接隔離電容的BVD電路非線性同時(shí)擬合電導(dǎo)G和電納B；(5)輸出時(shí)間和BVD電路參數(shù)。
利用本發(fā)明可在電化學(xué)同時(shí)測(cè)試過程中達(dá)到每1秒獲取一組等效電路參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)，這是目前國內(nèi)外最快的電化學(xué)過程石英晶振阻抗分析速度。儀器聯(lián)用同時(shí)測(cè)量的結(jié)果與單獨(dú)測(cè)量結(jié)果完全一致。本發(fā)明在電極表面修飾、化學(xué)/生物傳感、電化學(xué)反應(yīng)研究、電鍍、金屬腐蝕和電池測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明電化學(xué)阻抗與石英晶振電聲阻抗同時(shí)測(cè)量裝置示意圖；圖2為本發(fā)明有隔離電容時(shí)的石英晶體電聲阻抗分析等效電路圖；圖3為本發(fā)明石英晶體阻抗測(cè)量分析方法流程框圖；圖4為沒有連接隔離電容時(shí)單獨(dú)測(cè)得的電導(dǎo)電納譜(實(shí)線)與采用本發(fā)明同時(shí)測(cè)量所得等效電路參數(shù)計(jì)算出的電導(dǎo)電納譜(點(diǎn))圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明參照附圖1電化學(xué)阻抗分析儀11的工作電極6通過隔離電容7連接到石英晶體阻抗分析儀10的石英晶體電極接入端9，電化學(xué)阻抗分析儀11還接有對(duì)電極2和參比電極4，它們都置于電解池1中；壓電石英晶體5不接觸溶液的另一面上的電極與石英晶體阻抗分析儀10的石英晶體電極接入端8相連；電解池底部裝有攪拌子3，用于一些需要攪拌的實(shí)驗(yàn)中；電化學(xué)阻抗分析儀11和石英晶體阻抗分析儀10與裝有石英晶體阻抗分析程序13的微計(jì)算機(jī)12連接。
附圖2為有隔離電容時(shí)的石英晶體電聲阻抗分析等效電路圖該電路表示在石英晶體電極接入端8和9之間，包括了動(dòng)態(tài)電阻15，動(dòng)態(tài)電感17和動(dòng)態(tài)電容16的串聯(lián)支路與靜態(tài)電容14并聯(lián)而成的BVD等效電路，和與該BVD等效電路串聯(lián)的隔離電容7。
圖3表示本發(fā)明電化學(xué)研究現(xiàn)場石英晶振阻抗快速分析程序流程，該程序是在windows平臺(tái)上開發(fā)的。在將測(cè)量條件和參數(shù)輸入本發(fā)明裝置后再輸入隔離電容值，然后同步測(cè)量電導(dǎo)G和電納B，再通過串接隔離電容的BVD電路非線性同時(shí)擬合G和B，非線性擬合可以選用Marquardt非線性擬合算法，也可以選用其他非線性擬合算法。隨后輸出時(shí)間和BVD等效電路參數(shù)等。
測(cè)量分析實(shí)例在0.5mol L-1Na2SO4+2.00mmol L-1K4Fe(CN)6+M/25的B-R緩沖溶液(pH6.42)中，以10mV rms的幅度在10k-0.5Hz頻率間、直流偏置為0.215Vvs.SCE時(shí)測(cè)量電化學(xué)阻抗，同時(shí)測(cè)量石英晶體電聲阻抗。實(shí)驗(yàn)中工作電極為金盤，對(duì)電極為碳棒，參比電極為飽和甘汞電極。將壓電石英晶體、隔離電容、電解池及各電極等按圖1與石英晶體阻抗分析儀、電化學(xué)阻抗分析儀及計(jì)算機(jī)相連，啟動(dòng)電化學(xué)阻抗測(cè)量分析程序和本發(fā)明的石英晶體阻抗測(cè)量分析程序，電化學(xué)測(cè)試過程中同時(shí)進(jìn)行石英晶體阻抗測(cè)量與分析，步驟如下(1)輸入測(cè)量條件和參數(shù)；(2)輸入隔離電容值；(3)同步測(cè)量電導(dǎo)G和電納B；(4)通過串接隔離電容的BVD電路Marquardt非線性同時(shí)擬合電導(dǎo)G和電納B；(5)輸出時(shí)間和BVD電路參數(shù)。采用本發(fā)明，實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量的電化學(xué)阻抗結(jié)果與單獨(dú)測(cè)量結(jié)果一致。如圖4所示，采用本發(fā)明所得的等效電路參數(shù)計(jì)算的電導(dǎo)電納譜(點(diǎn))與沒有連接隔離電容時(shí)單獨(dú)測(cè)得的電導(dǎo)電納譜(實(shí)線)結(jié)果吻合。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)阻抗、石英晶振阻抗同時(shí)測(cè)量裝置，包括石英晶振阻抗分析儀、電化學(xué)阻抗分析儀，電解池和微計(jì)算機(jī)，其特征在于，在石英晶振阻抗分析儀、電化學(xué)阻抗分析儀兩儀器間串接有隔離電容，隔離電容的取值范圍為150-2000pF。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)阻抗、石英晶振阻抗同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于隔離電容的取值范圍為220-1600pF。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)阻抗、石英晶振阻抗同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于隔離電容的取值范圍為500-1200pF。
4.一種在電化學(xué)測(cè)試過程中同時(shí)進(jìn)行石英晶振阻抗測(cè)量分析的方法，其特征在于包括以下步驟(1)輸入測(cè)量條件和參數(shù)；(2)輸入隔離電容值；(3)同步測(cè)量電導(dǎo)G和電納B；(4)通過串接隔離電容的BVD電路非線性同時(shí)擬合電導(dǎo)G和電納B；(5)輸出時(shí)間和BVD電路參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電化學(xué)阻抗、石英晶振阻抗同時(shí)測(cè)量裝置與分析方法。本發(fā)明的測(cè)量裝置是在現(xiàn)有阻抗分析儀、電化學(xué)工作站兩儀器間串接適當(dāng)大小的隔離電容，并采用接有隔離電容的BVD等效電路進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由此開發(fā)出電化學(xué)研究現(xiàn)場石英晶振阻抗快速分析程序，同時(shí)擬合由阻抗分析儀所測(cè)得的電導(dǎo)(G)和電納(B)量。利用本發(fā)明可在電化學(xué)同時(shí)測(cè)試過程中達(dá)到每1秒獲取一組等效電路參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)，這是目前國內(nèi)外最快的電化學(xué)過程石英晶振阻抗分析速度。儀器聯(lián)用同時(shí)測(cè)量的結(jié)果與單獨(dú)測(cè)量結(jié)果完全一致。本發(fā)明在電極表面修飾、化學(xué)/生物傳感、電化學(xué)反應(yīng)研究、電鍍、金屬腐蝕和電池測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N27/26GK1502985SQ0213977
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者謝青季, 姚守拙, 張友玉, 向燦輝, 楊曉輝 申請(qǐng)人:湖南師范大學(xué)