动态电化学阻抗谱测定方法、原理及应用

电化学阻抗谱是一种重要且应用广泛的电化学表征方法。然而传统的电化学阻抗谱是在稳态条件下所测定的一种电化学"状态"，而在动态条件下进行阻抗谱的测定（如在循环伏安扫描或者在电极表面发生吸附反应的同时记录其阻抗谱）可以获取更丰富的电化学过程信息，因此动态阻抗谱测定的是一种电化学"过程"。可以预见动态阻抗谱将是电化学阻抗谱未来发展的必然趋势。进行动态阻抗谱的测定需要高速而且可靠的阻抗测定方法与仪器，其相应的理论基础，数据处理方法、谱图解析方法也比传统阻抗谱更为复杂。本研究拟比较构建出最佳的复频激发方式，并采用傅里叶变换或小波变换分析电化学响应电流，从而获得动态电化学阻抗谱测定方法，并将不同动态阻抗谱测定方法分别应用于电极的自组装、吸附/解吸、免疫传感、电极腐蚀、纳米材料电化学合成等过程，寻找针对不同的电化学过程的最佳动态阻抗谱测定方法。

近十年来，由于阻抗生物传感器具有现场检测的优势，而受到广泛的关注。然而,到目前为止市场上少有商用的生物阻抗传感器检测仪器。主要的障碍可能是生物传感器测定结果的读出问题，即缺乏高效的电化学阻抗谱(EIS)测量技术和相应的低成本高效益的工具。因此,直到现在电化学阻抗谱技术依然是作为生物阻抗传感器的表征的方法而不是作为日常工作的分析方法应用。.在这个项目中,我们将一个单位脉冲函数(狄拉克d函数)作为电化学池的电位激励源。同时高速采集电化学池的电流响应，然后对其微分，从而得到等效的单位脉冲响应，用于描述电化学阻抗谱所要求的线性时间不变系统。对上述获得单位脉冲响应进行傅里叶变换即可以快速地得到电化学系统的阻抗谱。.基于上述研究过程中所采的电位阶跃技术的思路,我们将一系列的正弦波与阶跃偏置电位连续施加于电化学系统，通过傅里叶变换进行电极响应电流进行解析，可以用于分辨具有非常相近的氧化还原电位的电活性化合物，并将这个新方法命名为阶梯正弦伏安法(SC-SV)。通过研究阶梯正弦伏安法的谐波相位和直流偏压(中心电位)之间的关系，发现并直接观察到氧化还原物质的“指纹”相角，同时我们也探讨了电活性物质的“指纹”相角的本质，即相角的细微差异源自电活性物质的半波电位微小差异，而这种微小的差异在传统伏安法中是无法分辨的。通过研究向量(幅值和相角)对偏置电位曲线，我们发现可以有效地区分结构类似的物质。通过不同电活性物质在相角与直流偏置电位曲线的差异,我们开发出一种新的正弦伏安法提高分辨率的方法。.此外,在本项目中,我们还构建了几个三明治型电化学免疫传感器,用于检测原降钙素抗原,艰难梭状芽胞杆菌毒素B,人类免疫缺陷病毒p24、a-fetoprotein和人类表皮生长因子受体2型，等。通过逐层涂布石墨烯、碳纳米管、壳聚糖、戊二醛、1抗等制备的免疫传感器表现出方便、低成本、快速、特异性好,良好的稳定性和重现性。