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方波脈沖

閱讀:3762      發(fā)布時間:2020-4-1
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介紹

Gamry Framework™軟件中可用的許多電化學技術(shù),包括方波伏安法,,一種脈沖伏安法,。本應(yīng)用報告介紹什么是方波伏安法以及所涉及的參數(shù)。

方波伏安法背后的理論

我們從施加一系列階梯電位信號開始,。階梯波形上還添加了一個方波,,因此隨著電位在每一步中突然階躍,方波與該階躍疊加,。在步驟的一半,,方波改變極性。這種重復(fù)的階梯加方波信號產(chǎn)生出具有特點的電壓序列施加在樣品上,,如圖1所示,。

記錄對電極和工作電極之間的電流隨時間的變化。測量工作電極參比和參比電極之間的電壓,。

square wave voltammetry pulses

圖1 方波伏安法中電壓如何隨時間變化的示意圖

一個方波周期和階躍的時間τ

方波周期和單步電壓階躍時間都需要時間τ,。周期時間的倒數(shù)就是頻率1/τ。

掃速

掃速反過來取決于每步的時間,τ:

square wave scan rate

在掃描期間,,在正向脈沖和反向脈沖結(jié)束時記錄電流,,這意味著每個周期對其采樣兩次。脈沖結(jié)束時采樣可以避免涉及充電電流,。

方波伏安實驗中使用的頻率f通常約為1至125Hz,。如此高的f意味著方波伏安法比其他脈沖實驗快得多。

實驗參數(shù)設(shè)置

以下是Gamry Framework™軟件提供的參數(shù)設(shè)置窗口示例:

square wave experiment setup

圖2 Gamry Framework™方波脈沖設(shè)置頁面,。采用模式有3中選擇,,包含Surface模式

Surface模式

在數(shù)字掃描中,標準慣例是在每個步驟的后獲取一個數(shù)據(jù)點,。Gamry將此方法稱為Fast模式,。這種采樣方法可以區(qū)分任何電容性電流或表面結(jié)合反應(yīng)。在階躍初始時任何由電容充電產(chǎn)生或僅限電極表面法拉第電流都會衰減,,不會影響測試電流,。

另一種采樣模式是Noise Reject,也就是每個階躍后20%的平均值,。與Fast模式相比,,Noise Reject提高了信噪比。同時仍主要捕獲的是擴散過程的電流,。

對于Surface模式,,Gamry采用*的采樣模式來消除階躍和斜坡之間的差異。在Surface模式下,,對整個階躍過程都進行數(shù)據(jù)采集,,然后取平均值。這樣可以捕獲電容充電電流和表面發(fā)生反應(yīng)的法拉第電流,。(可以參考應(yīng)用報告“使用數(shù)字階梯伏安法測量表面相關(guān)電流”),。其他電化學工作站生產(chǎn)商均未提供Surface模式。

對于涉及表面反應(yīng)的方波伏安測量,,我們建議在掃描過程中選用Surface模式,。

繪圖

軟件將兩個電流值相減,得到的差值(Idiff)與掃描電位(Vstep)繪制成圖,。結(jié)果是該方法給出了由法拉第過程引起的峰值,。峰高于該物質(zhì)的濃度直接相關(guān)。

舉例

緩沖溶液中的鎘

我們以測量溶解在醋酸鹽緩沖溶液中的Cd2+(6ppm)為例,。用Gamry電化學工作站以τ = 0.1 s(也就是10Hz頻率)進行方波伏安法測試,。整個測試僅需6.1s(0.1s采點61個)。數(shù)據(jù)以Idiff(正向和方向電流之差)與Vstep的關(guān)系表示在圖3中,。

fig3 square wave voltammetry

圖3 6ppm的Cd2+在醋酸鹽緩沖溶液中的方波伏安圖,τ = 0.1 s

如果我們改變Cd2+濃度,則峰高與[Cd2+]成正比,。在溶液中添加另一種離子(比如Pb2+),,曲線則會在其他電位上出現(xiàn)第二個峰。

痕量銅的定量測試

此例中,,用方波伏安法測試了酸性水溶液中不同濃度(百萬分之幾范圍)銅離子以及空白實驗,。這一系列實驗(參見表1)顯示了不同濃度銅離子如何與峰高直接相關(guān)。

fig4 concentrations acidified copper ions

圖4 不同濃度銅離子的方波伏安圖,,灰線是空白實驗

表1 方波伏安法測定銅離子濃度及其相應(yīng)的峰高,,R2=0.9755

 

Cu Concentration
(ppm)

Peak height (µA)
at –250 mV

Scan 1880.408
Scan 2 25 0.7536
Scan 3 501.205 
Scan 4 77 1.432
Scan 5100  1.738

三種采樣模式的比較

為了展示Gamry電化學工作站Surface模式的靈敏度,圖5展示了使用生物傳感器分別在三種采樣模式(Fast,,Noise Reject和Surface)記錄的扣除背景的掃描曲線,。

fig5 square wave coltammetry 3 acquisition modes

圖5 在生物傳感器上以三種采樣模式記錄的100Hz采樣頻率下的方波伏安曲線

藍線是Fast模式,紅線是Noise Reject模式,,紫線是Surface模式

顯然,,測量表面相關(guān)反應(yīng),在Surface模式下的信號更好,。

結(jié)論

方波伏安法是一種快速定性和定量分析的方法,,即使是濃度很低的溶液。

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