扫描电化学显微镜
一、设备名称：扫描电化学显微镜
规格型号：CHI900C
二、技术参数
（一）硬件参数
1、高分辨的三维定位装置
X，Y，Z分辨率：4nm；X，Y，Z移动距离：50mm
2、双恒电位仪/恒电流仪
电位范围：0V～10V
槽压：0V～12V
电流范围：250mA
参比电极输入阻抗：1～1012欧姆
三电极或四电极；灵敏度：1～e-12
电流测量分辨率：<0.01pA
外部信号记录通道
最高数据采集速率：1,000,000Hz
模数转换器分辨率：16位
CV和LSV扫描速度：0.000001–5,000V/s
电位扫描时电位增量：0.1mV@1,000V/s
CA和CC脉冲宽度：0.0001-1,000sec
CC可采用模拟积分器
CA和CC阶跃次数：1-320
DPV和NPV脉冲宽度：0.0001-10sec
SWV频率：1-100,000Hz
ACV频率：0.1-10,000Hz
SHACV频率：0.1-5,000Hz
IMP频率：0.00001-100,000Hz(在一定的阻抗范围可达1MHz)
自动和手动iR降补偿
低通滤波器覆盖8个数量级的频率范围，自动或手动设置
RDE控制信号输出
双通道测量适用于CV,LSV,CA,DPV,NPV,SWV,i-t
Flash存储器允许e-mail软件更新
串行口或USB口通讯
循环伏安法数字模拟器(任意反应机理)
交流阻抗数字模拟器和拟合器
电解池控制输出：通氮，搅拌，敲击
最大数据长度：128000点-4096000点可选择
仪器尺寸：两个32cm(宽)?28cm(深)?12cm(高)
仪器重量：7kg
（二）实验技术
1、扫描探头技术
表面成象处理(SPC)
探头扫描曲线(PSC，X，Y，Z方向)
探头逼近曲线(PAC)
扫描电化学显微镜(SECM)
2、电位扫描技术
循环伏安法(CV)
线性扫描伏安法(LSV)
TAFEL图(TAFEL)
3、电位阶跃和脉冲技术
计时电流法(CA)
计时电量法(CC)
阶梯波伏安法(SCV)
差分脉冲伏安法(DPV)
常规脉冲伏安法(NPV)
差分常规脉冲伏安法(DNPV)
方波伏安法(SWV)
4、交流技术
交流伏安法(ACV)
二次谐波交流伏安法(SHACV)
交流阻抗(IMP)
交流阻抗-电位(IMPE)
交流阻抗-时间(IMPT)
5、恒电流技术
计时电位法(CP)
电流扫描计时电位法(CPCR)
多电流阶跃(ISTEP)
电位溶出分析(PSA)
6、其它电化学测量技术
时间-电流曲线(i-t)
差分脉冲安培法(DPA)
双差分脉冲安培法(DDPA)
三脉冲安培法(TPA)
积分脉冲电流监测(IPAD)
扫描-阶跃混和方法(SSF)
多电位阶跃(STEP)
流体力学调制伏安法(HMV)
控制电位电解库仑法(BE)
电化学噪声测量(ECN)
各种溶出伏安法
开路电位-时间曲线(OCPT)
三、工作原理
SECM的一般工作原理是：当探针（常为超微电极，UME）与基底同时浸入含有电活性物质O的溶液中，在探针上施加电位(E)使之发生还原反应，即O+ne→R。当探针靠近导电基底时，因其通常被作为第二工作电极，且其电位控制在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增大；探针离样品的距离越近，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。这个过程常被称作“负反馈”。
当探针远离基底时，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iT,∞。
iT,∞=4nFC0D0a
式中F为法拉第常数，C0为O的本体浓度，D0为O的扩散系数，a为探针电极半径，n为电极反应转移的电子数。通常SECM工作时采用电流法。固定探针与基底间距对基底进行二维扫描时，探针上电流变化将提供基底的形貌和相应的电化学信息。
四、应用领域
由于扫描成像机理是缘于电化学，所以SECM的应用就像电化学一样是多种多样的，其主要的关键应用是生物传感器，反应动力学，多孔薄膜研究，染料电池催化剂和腐蚀机理。扫描电化学显微镜可用于研究导体和绝缘体基底表面的几何形貌；固/液、液/液界面的氧化还原活性；分辨不均匀电极表面的电化学活性；研究微区电化学动力学、研究生物过程及对材料进行微加工。可应用于生物分析，均相化学反应动力学研究，异相电荷转移反应研究，样品表面扫描成像，液/ 液界面研究，薄膜表征，微区加工，及其他联用技术。以下介绍在各领域的具体应用：
1、在生物分析中应用
主要包括DNA 的测定﹑活细胞中酶的测定及抗原的测定. 最早的是：1999年，Bard小组用信号灵敏度小于0.05 pA的SECM/STM仪，把未绝缘的纳米电极插入置于潮湿空气的云母片表面的超薄液层里，进行图形扫描，得到了包括酶、DNA、抗原在内的生物大分子的图像，其分辨率可达几个纳米。这是首次利用SECM得到分子的图像。
2、均相化学反应动力学研究
基于SECM 的收集模式、反馈模式及其与计时安培法、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。
3、异相电荷转移反应研究
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,被广泛用于异相电荷转移反应及其动力学研究。
4、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 已用于导体或绝缘体等各种样品表面的成像 ,得到表面化学或生物活性分布图及表征纳米孔中的扩散传质。
5、液/ 液界面研究
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。主要用于研究界面电子转移及膜的形成、界面离子的转移和界面反应活性。
6、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,为研究高分子膜内传质过程提供了十分重要的手段。已用于研究膜动力学与光电化学性质,考查膜性质和用离子选择膜证明离子流的存在等。
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小的区域,故可用SECM 进行微区沉积或刻蚀。
8、联用技术
(1) SECM 与石英晶体微天平(QCM) 联用。
(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。
五、操作规程
1、打开电脑主机及显示器。
2、打开恒电位仪，打开马达控制仪。
3、双击打开电脑桌面上的CHI900C图标，点开菜单栏里Setup下拉菜单，选择Hardware test，对仪器进行硬件测试，各项指标显示为OK，方可进行测试。
4、点击菜单栏中“SECM Prob Control”图标进行探针三维定位，点击“Reset”进行复原。
5、将电极线连接好工作电极、探针、参比电极和对电极。绿色导线连探针，白色导线连参比电极，红色导线连对电极，黄色导线连基体电极。
6、进行X、Y方向的逼近测试，然后再进行X、Y方向的扫描电化学显微镜测试实验。
7、测试实验完毕后，点击菜单栏上SECM Prob Control图标，在Z值栏中输入“—500”上提探针，点击菜单栏File下拉菜单点击Exit，退出测试软件。
8、关闭SECM仪器，先关闭马达控制仪，再关闭恒电位仪。
9、依次取下连接探针、参比电极、对电极和工作电极的导线。
10、关闭电脑。
六、安全注意事项
（1）实验测试需在无震动、无噪音等干扰环境下进行。
（2）打开仪器顺序为先开恒电位仪，再开马达控制仪；关闭仪器时，先关马达控制仪，再关恒电位仪。
（3）实验测试前，需先进行硬件测试，测试结果均为OK，才可进行后续测试。
（4）实验测试前，需进行探针三维定位，对其进行复原。
（5）电解池槽内的电解液如有气泡存在，需将气泡赶出，以免影响测试结果。
（6）注意电极线连接：绿色导线连探针，白色导线连参比电极，红色连对电极，黄色连基体电极。
（7）逼近曲线时，在测试不同方向，都应先上提探针，再进行相应的移动。
（8）测试结束后，需上提探针，再退出测试软件。
