扫描电化学显微镜的发展及应用

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1、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

2、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

3、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。一、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

4、（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，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

5、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，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。一、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

6、。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

7、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

8、胞中酶的测定及抗原的测定。最早的是1999年，Bar