专利名称：电化学阻抗、石英晶振阻抗同时测量装置与分析方法
技术领域：
本发明涉及一种可应用于电极表面修饰、化学/生物传感、电化学反应研究、电镀、金属腐蚀和电池测量等领域的电化学阻抗、石英晶振阻抗同时测量装置与分析方法。
背景技术：
石英晶体微天平(QCM)可动态检测电极表面低至纳克级或单分子层的质量变化，自20余年前石英晶振(QCR)液相振荡首获成功以来，已广泛用于电极表面修饰研究和化学/生物传感等方向(Buttry，D.A.，In ElectroanalyticalChemistry，Bard，A.J.，Ed.，Marcel Dekker，NewYork，1990，Vol 71.)。用于电化学分析与研究的QCM-电化学石英晶体微天平(EQCM)，已成为电化学和电分析化学研究的重要手段之一，目前EQCM主要采用主动法(振荡器法，主要测量振荡频率)和被动法(阻抗分析法)两种QCR信号测量方式(Thompson，M.，etal，Analyst，1991，116，881.)。石英晶体阻抗分析基于压电石英晶体(PQC)谐振机电耦合原理，可很好表征PQC谐振行为、以更好的选择性获取反映待测体系某些物理/化学性质变化的多维信息，是目前国际上该研究领域的最先进研究技术。
1994年，美国学者首次报道了将直流电化学测试与石英晶振阻抗分析技术联用的方法，研究了聚吡咯电化学性质(Topart，P.A.，Noel，M.A.，Anal.Chem.，1994，66，2926.)。该方法的优点是能够对直流电化学扰动过程中的石英晶振电声阻抗行为做全面的测试和分析，但是没有与电化学交流阻抗测试联用测量，而且仅达到了每9秒获取一组BVD等效电路数据的技术指标，测量效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量效率更高、可更快获得BVD等效电路数据的电化学阻抗、石英晶振阻抗同时测量的装置与分析方法。
本发明的测量装置的技术方案如下在现有阻抗分析仪、电化学工作站两仪器间串接适当大小的隔离电容，隔离电容的大小以150-2000pF为宜，较好的取值为220-1600pF，最佳的取值为500-1200pF，过大或过小则两仪器同时工作时相互间会有较大的干扰。
由于隔离电容的接入，石英晶体阻抗测量结果发生了变化，为此，我们采用接有隔离电容的BVD等效电路进行数据分析，由此开发出电化学研究现场石英晶振阻抗快速分析程序，同时拟合由阻抗分析仪所测得的电导(G)和电纳(B)量。
采用本发明测量装置进行电化学测试过程中，同时进行石英晶振阻抗测量分析的方法包括以下步骤(1)输入测量条件和参数；(2)输入隔离电容值；(3)同步测量电导G和电纳B；(4)通过串接隔离电容的BVD电路非线性同时拟合电导G和电纳B；(5)输出时间和BVD电路参数。
利用本发明可在电化学同时测试过程中达到每1秒获取一组等效电路参数的技术指标，这是目前国内外最快的电化学过程石英晶振阻抗分析速度。仪器联用同时测量的结果与单独测量结果完全一致。本发明在电极表面修饰、化学/生物传感、电化学反应研究、电镀、金属腐蚀和电池测量等领域具有广泛应用前景。
图1为本发明电化学阻抗与石英晶振电声阻抗同时测量装置示意图；图2为本发明有隔离电容时的石英晶体电声阻抗分析等效电路图；图3为本发明石英晶体阻抗测量分析方法流程框图；图4为没有连接隔离电容时单独测得的电导电纳谱(实线)与采用本发明同时测量所得等效电路参数计算出的电导电纳谱(点)图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明参照附图1电化学阻抗分析仪11的工作电极6通过隔离电容7连接到石英晶体阻抗分析仪10的石英晶体电极接入端9，电化学阻抗分析仪11还接有对电极2和参比电极4，它们都置于电解池1中；压电石英晶体5不接触溶液的另一面上的电极与石英晶体阻抗分析仪10的石英晶体电极接入端8相连；电解池底部装有搅拌子3，用于一些需要搅拌的实验中；电化学阻抗分析仪11和石英晶体阻抗分析仪10与装有石英晶体阻抗分析程序13的微计算机12连接。
附图2为有隔离电容时的石英晶体电声阻抗分析等效电路图该电路表示在石英晶体电极接入端8和9之间，包括了动态电阻15，动态电感17和动态电容16的串联支路与静态电容14并联而成的BVD等效电路，和与该BVD等效电路串联的隔离电容7。
图3表示本发明电化学研究现场石英晶振阻抗快速分析程序流程，该程序是在windows平台上开发的。在将测量条件和参数输入本发明装置后再输入隔离电容值，然后同步测量电导G和电纳B，再通过串接隔离电容的BVD电路非线性同时拟合G和B，非线性拟合可以选用Marquardt非线性拟合算法，也可以选用其他非线性拟合算法。随后输出时间和BVD等效电路参数等。
测量分析实例在0.5mol L-1Na2SO4+2.00mmol L-1K4Fe(CN)6+M/25的B-R缓冲溶液(pH6.42)中，以10mV rms的幅度在10k-0.5Hz频率间、直流偏置为0.215Vvs.SCE时测量电化学阻抗，同时测量石英晶体电声阻抗。实验中工作电极为金盘，对电极为碳棒，参比电极为饱和甘汞电极。将压电石英晶体、隔离电容、电解池及各电极等按图1与石英晶体阻抗分析仪、电化学阻抗分析仪及计算机相连，启动电化学阻抗测量分析程序和本发明的石英晶体阻抗测量分析程序，电化学测试过程中同时进行石英晶体阻抗测量与分析，步骤如下(1)输入测量条件和参数；(2)输入隔离电容值；(3)同步测量电导G和电纳B；(4)通过串接隔离电容的BVD电路Marquardt非线性同时拟合电导G和电纳B；(5)输出时间和BVD电路参数。采用本发明，实验中同时测量的电化学阻抗结果与单独测量结果一致。如图4所示，采用本发明所得的等效电路参数计算的电导电纳谱(点)与没有连接隔离电容时单独测得的电导电纳谱(实线)结果吻合。
权利要求
1.一种电化学阻抗、石英晶振阻抗同时测量装置，包括石英晶振阻抗分析仪、电化学阻抗分析仪，电解池和微计算机，其特征在于，在石英晶振阻抗分析仪、电化学阻抗分析仪两仪器间串接有隔离电容，隔离电容的取值范围为150-2000pF。
2.根据权利要求1的电化学阻抗、石英晶振阻抗同时测量装置，其特征在于隔离电容的取值范围为220-1600pF。
3.根据权利要求1的电化学阻抗、石英晶振阻抗同时测量装置，其特征在于隔离电容的取值范围为500-1200pF。
4.一种在电化学测试过程中同时进行石英晶振阻抗测量分析的方法，其特征在于包括以下步骤(1)输入测量条件和参数；(2)输入隔离电容值；(3)同步测量电导G和电纳B；(4)通过串接隔离电容的BVD电路非线性同时拟合电导G和电纳B；(5)输出时间和BVD电路参数。
全文摘要
本发明公开了一种电化学阻抗、石英晶振阻抗同时测量装置与分析方法。本发明的测量装置是在现有阻抗分析仪、电化学工作站两仪器间串接适当大小的隔离电容，并采用接有隔离电容的BVD等效电路进行数据分析，由此开发出电化学研究现场石英晶振阻抗快速分析程序，同时拟合由阻抗分析仪所测得的电导(G)和电纳(B)量。利用本发明可在电化学同时测试过程中达到每1秒获取一组等效电路参数的技术指标，这是目前国内外最快的电化学过程石英晶振阻抗分析速度。仪器联用同时测量的结果与单独测量结果完全一致。本发明在电极表面修饰、化学/生物传感、电化学反应研究、电镀、金属腐蚀和电池测量等领域具有广泛应用前景。
文档编号G01N27/26GK1502985SQ0213977
公开日2004年6月9日 申请日期2002年11月22日 优先权日2002年11月22日
发明者谢青季, 姚守拙, 张友玉, 向灿辉, 杨晓辉 申请人:湖南师范大学