第十二章-扫描电化学显微镜

第十二章扫描电化学显微镜扫描电化学显微镜(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檄镜技术。它是基于70年代末超徽电极(UME)及80年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，SECM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。该技术驱动非常小的电极（探针）在靠近样品处进行扫描，样品可以是导体、绝缘体或半导体，从而获得对应的微区电化学和相关信息，目前可达到的最高分辨率约为几十纳米。一、SECM装置1、电化学部分（电解池、探头、基底、各种电极和双恒电位仪）2、压电驱动器（用来精确地控制操作探针和基底位置）3、计算机（用来控制操作、获取和分析数据）SECMBlockDiagram双恒电位仪控制探针与基底电极的电位或电流，定位装置控制探针对基底进行X、Y、Z方向扫描。电解池固定于操作台上。探针电极的设计和表面状态可显著影响SECM的分辨率和实验的重现性，用前需处理以获得干净表面。1、探针制备SECM探针为被绝缘层包围的超微圆盘电极（UMDE），常为贵金属或碳纤微，半径在微米或亚微米级。制作时把清洗过的微电极丝放入除氧气毛细玻璃管内，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。再小心地把绝缘层打磨成锥形，以在实验中获得尽可能小的探针-基底间距（d）。2、探针的质量SECM的分辨率主要取决于探针的尺寸、形状及探针-基底间距（d）。能够做出小而平的超微盘电极是提高分辨率的关键所在，且足够小的d与a能够较快获得探针稳态电流。同时要求绝缘层要薄，减少探针周围的归一化屏蔽层尺寸RG（RG=r/a,r为探针尖端半径）值，以获得更大的探针电流响应。Disk-typeSECMTip二、工作原理正负反馈模式的工作原理：工作电极：UME探头（圆盘电极，半径是a）基底：所研究的样品,也可以被极化而作为第二个工作电极作为探头的超微盘电极和基底均处于一含有电化学活性物R（Fe(CN)64-）的溶液中，当探针所处的电极电位足以使R的氧化反应（R-neO）仅受溶液的扩散控制时，则该条件下探针上的稳态电流iT,=4nFC0*D0aF:法拉第常数；C0*：溶液本体中R的浓度；D0：扩散系数；a：探头半径（1）当探针与基底间距d大于5-10a时，基底的存在并不影响该稳态电流值。（2）当探针与基底间距d与a相当时，探针上的电化学电流iT将随距离d的变化和基底性质的不同而发生显著改变。当处于探针下的区域为导体时，探针上产生的氧化态物种O扩散至该区域时可被还原成R（O+neR），然后又扩散至探针，使探针工作表面上R的有效流量增加，因而iTiT,，称为正反馈。此时在保持探针垂直距离不变的情形下，将探针移至基底的绝缘体区域上方，R向探头表面的正常扩散因该绝缘体的存在而受到阻碍，因而iTiT,，称为负反馈。SECM的反馈模式当探针在微位移器的驱动下对基底进行恒定高度状态下的X-Y扫描时，探针电极上的法拉第电流将随基底的起伏或性质改变而发生相应改变，SECM就是通过电流的正反馈或负反馈过程及其强弱来感应基底表面的几何形貌或电化学活性研究的。CVoftheionRu(NH3)63+ata10-µmdiametertipinanunstirredbuffersolution.三、实验方法（一）电流法该模式是基于给定探针、基底电位，观察电流随时间或探针位置的变化，从而获取信息的方法。1、变电流模式（恒高度）（1）反馈模式：探针既是信号的发生源又是检测器，被形象地称为“电化学雷达”。当探针与基底建立电化学反馈电流后，恒定探针-基底绝对距离d，即探针在基底表面进行等高的X，Y方向扫描，同时记录探针在不同位置的电流大小.（2）收集模式：探针（基底）上施加电位得到电生物，基底（探针）电极上记录所收集的该物质产生的电流，根据收集比率得到物质产生/消耗流量图。可分为探针产生/基底收集和基底产生/探针收集两种。（3）暂态检测模式单电位跃记时安培法和双电位跃记时安培法用于SECM研究获取暂态信息。在探针上施加大幅度电位阶跃至扩散控制电位，考察还原反应，设tc为到达稳态的时间，则在绝缘体基底上tc是（d2/DO）的函数，而在导体基底上tc是[d2（1/DO+1/DR）]的函数。2、恒电流模式（直接模式）通过反馈电路控制探针-基底的相对间距d不变，并检测探针在垂直方向的位置变化来实现成象过程，以提高分辨率.对于基底含有导电和绝缘体微结构的不均匀体系，应用恒电流模式可以避免恒高度模式所引起的探头会碰到基底而撞坏的问题。（二）电位法微型离子选择性电极作为SECM的探针。此类探针仅传感基底附近浓度，而不产生或消耗电极反应活性物质。电极膜电位方程可用于浓度空间分布的计算并确定探针-基底间距范围。（三）电阻法液膜或玻璃微管离子选择性电极可用于没有电活性物质或有背景电流干扰的体系，也常用在生物体系中。在两电极之间施加恒电位，通过测量探针-基底电极间的溶液电阻来获得空间分辨信息。探针电极内阻越小，灵敏度越高。四、SECM的应用1、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的探针可移至非常靠近样品电极表面从而形成薄层池，达到很高的传质系数，且SECM探针电流测量很容易在稳态进行，具有很高的信噪比和测量精度，也基本不受iR降和充电电流的影响。2、异相电荷转移反应研究SECM可以定量地测量在探针或基底表面的异相电子转移速率常数。异相速率常数既可以通过稳态伏安法也可以由分析i-d曲线而得到。3、均相化学反应动力学研究SECM的收集模式、反馈模式及其与记时安培法、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它类型的与电极过程耦联的化学反应动力学。4、薄膜表征SECM可监测微区反应，因此也是研究电极表面薄膜的十分有效的技术。它既可以通过媒介反应进行测量，也可以把探针伸入膜中直接测量。5、液/液界面研究SECM主要应用于研究固体基底。但最近的研究表明，液/液界面是一个稳定的、在尺寸上处于亚微米级的界面，从而可作为SECM的基底。SECM用于液/液界面研究时，两相的电位取决于两相中电对的浓度。此时电子转移在探针附近微区内发生，而离子转移在整个相界面发生，因而可以区分电子转移与离子转移过程，减少电容电流和非水相iR降的影响。6、生物体系测量和成像用SECM的电流法或电位法可观察人工或天然的生物体系。如活细胞研究、生物酶活性的分布和测定、抗原抗体成像等。7、微区加工当探针移至样品表面时，电子转移局限于靠近样品表面的很小的区域，故可用SECM进行微区沉积或刻蚀。探针可以作为工作电极来直接进行表面加工，也可以在探针上产生试剂与样品的作用。已用于制作生物传感器的生物分子沉积。8、联用技术（1）SECM与石英晶体微天平（QCM）联用。由SECM提供电化学信息，由QCM提供质量效应信息来研究有机或无机薄膜性质。（2）SECM与原子力显微镜（AFM）联用，同时提供高空间分辨率的电化学和基底形貌信息，已用于表面刻蚀和固/液界面研究。（3）SECM与扫描光学显微技术联用，同时进行扫描电化学、光学研究获得空间分辨信息。参考文献：1、CorrosionScience,2005,47,3312-3323Insitumonitoringofelectroactivespeciesbyusingthescanningelectrochemicalmicroscope.Applicationtotheinvestigationofdegradationprocessesatdefectivecoatedmetals2、SyntheticMetals,2005,152,133-136SynthesisandcharacterizationofinherentlyconductingpolymersbyusingScanningElectrochemicalMicroscopyandElectrochemicalQuartzCrystalMicrobalance3、JournalofElectroanalyticalChemistry,2005,585,8-18Combinedscanningelectrochemical-atomicforcemicroscopy(SECM-AFM):Simulationandexperimentforflux-generationatun-insulatedmetal-coatedprobes.五、最新进展1、SECM的探头在SECM早期的研究中，大多采用各种金属或碳纤微圆盘电极作为探头，这种探头至今仍是最常用的SECM伏安式(或称之为安培式)探头。这样就限制了SECM仅可应用到有电活性样品的研究中。然而，许多与生命过程有密切关系的离子物质，如Cl-、NH4+；、Ac+(乙酰胆碱)及碱金属和碱土金属离子等，均是非电活性物质。为了检测它们的流量及浓度分布的纵剖面，人们通常是制作固体或以微米管为基础的电位式的离子选择性微电极来作为SECM的探头。因为电位式的探头是一个被动式的传感器，它不会改变在基底上产生或消耗的物质的浓度分布的纵剖面，这样它可方便地应用在收集模式实验中。并且它与伏安式探头相比具有选择性。但是它与伏安式探头相比，其图像分辨率降低。另外它不能给出离基底的距离的信息。已报道在碳纤维上涂有酶可作为具有生物敏感性的探头。另外已发展了一种对于研究半导体电化学有用的探头，在光导纤维外镀一层很薄的金，然后用高分子膜将之绝缘。光导纤维可在基底上产生一个微米大小的聚光点，金圆环电极作为探头检测在基底上发生光化学反应的产物。探头电流和基底的光电流可提供有关区域光化学反应性以及给出基底的图像。以液体为基础的玻璃微米管类型的ISME也可以作为SECM的探头。对K+、Zn+和NH4+有选择性的微米管探头可用来给出微米级分辨率的区域浓度分布图。2、SECM图像大多数已报道的SECM图像是应用等高模式得到的。此模式的工作原理是探头在基底表面进行等高的x，Y方向扫描，同时记录探头在不同位置的电流大小。探头电流的大小反映出z方向的高低不等，从而可得到基底的三维图像。可获得的图像的分辨率主要与探头的大小和探头与基底之间的距离有关。应用纳米级的探针可使图像的分辨率从m提高到30~50nm，这已接近其理论极限。因为进一步提高图像的分辨率需要将探头移到离基底在1Onm之内，可以引起电子在探头和导电基底之间的隧道电流，这样使SECM过渡到STM的范畴。对于基底含有导电和绝缘体微结构的不均匀体系，应用等电流模式可以避免等高模式所引起的探头会碰到基底而撞坏的问题。目前应用SECM所得到的最高的分辨率是在空气中研究绝缘基底。当一个原子级平整的云母放在不是非常干燥的空气中，在其表面有一个零点几nm厚的水层。当用纳米级的探头进行研究时，其探头的有效面积仅是浸在水相中的那部分探头。应用此类方法，人们已得到了DNA的双螺旋结构和簇类化合物的图像，其分辨率可达1~2nm.随着在SECM方面研究的飞速发展，人们已将注意力从简单的模型实验推广到更为复杂的体系。更多的努力应该放在探讨微异相体系的区域特征，例如，高分子薄膜、生物体系、人工和生物膜以及检测单分子及单细胞等。六、展望发展纳米级的探头对于SECM未来研究至关重要，这方面的发展可以促进从腐蚀动力学过程的研究到生物体系中现场高分辨的测量等。为了防止纳米级的探头在探测基底时被损坏，应发展纳米级精度上控制探头和基底之间距离的方法。