扫描电化学显微镜的发展及应用

第一篇：扫描电化学显微镜的发展及应用

浅谈电化学扫描显微镜的发展与应用

一、电化学扫描显微镜简介

1984年，Engstrom 把生理学上的离子电渗技术引入化学领域，研究了固体电极表面微区电化学活性，达到10µm的分辨率[1]；1986年，Engstrom小组利用微电极探针监测扩散层内毫秒级寿命反应中间体NAD等电极产物的空间分布，可达2µm分辨率[2]；同年，电分析化学家Bard小组在使用扫描隧道显微镜（STM）首次进行溶液中导体表面研究时，为了弥补STM不能提供电化学信息的不足，明确提出了扫描电化学显微镜的概念并予实验实现[3]。

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微镜技术。它是基于70年代末超微电极（UME）及80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，扫描电化学显微镜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。该技术驱动一支超微电极（探针）在离固相基底表面很近的位置进行扫描，从而获得对应的微区电化学和相关信息。可用于研究：

（1）导体和绝缘体基底表面的几何形貌；（2）固/液、液/液界面的氧化还原活性；（3）分辨不均匀电极表面的电化学活性；（4）微区电化学动力学；

（5）生物过程及对材料进行微加工。

SEME装置由电化学部分（电解池、探头、基底、各种电极和双恒电位仪）、压电驱动器（用来精确地控制操作探针和基底位置）以及计算机（用来控制操作、获取和分析数据）组成，实验装置如图1。

二、工作模式及原理

2.1 工作模式

SECM是以电化学原理为基础的一种扫描探针新技术，有多种不同的操作模式，见图2。

（1）反馈模式Feedback Mode（SECM试验中最常用）（2）收集模式（Generation/collection Mode）（3）穿透模式（Penetration Mode）

（4）离子转移反馈模式（Ion transfer Mode）（5）平衡扰动模式（Equilibrium perturbation Mode）（6）电位测定模式（Potentionmetric detect Mode）

图2.SECM几种操作模式的原理示意图 2.2 工作原理

SECM的工作原理一般是：当探针（常为超微圆盘电极，UMDE）与基底同时浸入电活性物质O的溶液中，在探针上施加电位（ET）使O发生还原反应，OneR

当探针靠近导电基底时，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。这个过程被称作“负反馈”。当探针原理基底时，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,4nfDOCOa

式中F为法拉第常数，CO为O的本体浓度，DO为O的扩散系数，a为探针电极半径，为电极反应转移的电子数。通常SECM工作时采用电流法。SECM也可工作于“恒电流”状态，即恒定探针电流，检测探针z向位置变化以实现成像过程。也可采用离子选择性电极进行电位法实验。

三、研究与应用

3.1 SECM探头的研制 3.1.1 探头

SECM的分辨率主要取决于所选用的探头大小、形状和类型有光。最常用的探头是外部包着绝缘玻璃的萎靡圆盘电极，有时根据实验需要还选用纳米电极、圆锥形及球形电极。

3.1.2 用作SECM探头要求

（1）电极的导电部分应在电极的最下端；

（2）对圆盘电极来说，RG≤10（RG=b/a，b探头绝缘层半径和电极半径之和，a探头半径）。

一般来说，探头的半径越小，SECM的分辨率越高，越适于研究快速反应动力学。3.1.3 SECM探头制备

制作时把清洗过得微电极丝放入除氧毛细玻璃管内，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。也少量涉及到半球面电极。为锥形的电极尖端因探针电流不随d而变化，故很少使用。再小心地把绝缘层打磨成锥形，以在试验中获得尽可能小的探针-基底间距（d）[4]。3.1.4 探头的质量

SECM的分辨率主要取决于探头的尺寸、形状及探头-基底间距（d）。能够做出小而平的超微圆盘电极是提高分辨率的关键所在，且足够小的d与a能够较快获得探头稳态电流。同时要求绝缘层要薄，减少探头周围的归一化屏蔽层尺寸RG（RG=r/a，r为探头尖端半径）值，以获得更大的探头电流响应尽可能保持探头断面与基底的平行，以正确反映基底形貌信息。3.2 SECM的应用

随着SECM技术的进一步成熟，SECM在生物分析、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、液/液界面研究和薄膜表征等方面有很广泛的应用。

3.2.1 在生物分析中的应用

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0.05pA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，进行涂形扫描，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[5]。

3.2.2 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他类型的与电极过程耦联的化学反应动力学[6]

3.2.3 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[7]。图3为SECM的表面扫描成像图[8]。

图3.SECM表面扫描成像图

四、前景展望

（1）从SECM仪器本身来看，可以通过提高检测灵敏度；提高空间分辨率及更精确地控制探头的位置等进一步完善SECM技术。

（2）为了解决生物学、医学、材料科学等领域内的问题，SECM将更侧重于研究较为复杂的体系，譬如，对生物膜的检测、对单细胞、单分子的检测、金属的腐蚀与防护以及晶体的溶解等。

（3）SECM将不断向现场化、微型化（纳米级微电极）、自动化的方向发展。（4）SECM与其他技术的联用将成为一种趋势。

参考文献

[1] Enstrom R C.Anal.Chem.[J],1984,56(6)：890．

[2] Enstrom R C, Weber M, Wunder D J, Burgess R, Winquist S.Anal.Chem.[J],1986,58(4)：844.[3] Liu H Y, Fan F F, Lin C W, Bard A J.J.Am.Chem.Soc.[J],1986,108（13）：3838． [4] Bard, A.J., Denuault, Lee, C.M., Mandler, D., Wipf, D.O.Acc.Chem.Res.1990,23,357-363． [5] Cai C, Liu B, Mirkin M.V, Frank H.A.Anal.Chem.[J],2002,74(1):114． [6] 杨晓辉，赵瑜，谢青季，姚守拙，分析科学学报．[J]，2004，20（2）． [7] Wei C, Bard A J, Kapul I, Nagy G, Touth K, Anal.Chem.[J], 1996,68(15):2651．

[8] 骆鸿，魏丹，等．金属腐蚀微区电化学研究进展（1）扫描电化学显微镜技术．［J］,腐蚀与防护，2009，30（7）：437-441．

第二篇：应用电化学教学大纲

西北大学化学与材料科学学院

材料物理与化学（080501）专业硕士研究生课程

教

学

大

纲

课程名称：应用电化学 课程编号：0805012F02 学

分：2 总学时数：36 开课学期：第2学期 考核方式：笔试

课程说明：（课程性质、地位及要求的描述）。

应用电化学课程是化学系材料物理与化学专业硕士研究生专业选修课程之一。电化学是物理化学的一个重要组成部分，主要是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。电化学所研究的内容有：电解质溶液理论、电化学热力学、电化学动力学和电化学应用。电解质溶液和电化学热力学的有关知识已在物理化学教材中作了介绍。

电化学是一门极其重要的边沿学科。随着现代科学技术的不断发展，它与化学领域中的其他学科、电子学、固体物理学、生物学等学科有着日益紧密的联系。诸如，出现了电分析化学、有机电化学、催化电化学、熔盐电化学、量子电化学、半导体电化学、腐蚀电化学、生物电化学、环境电化学等交叉学科。这些学科涉及能源、交通、材料、生命以及环境等重大问题的研究，推动了国民经济和尖端技术的快速发展。

教学内容、要求及学时分配：

本课程总学时为36学时，2学分；授课手段：课堂讲授为主，并通过观看录像；课外活动：专题讨论、课程小论文及参观等；考试方式：开卷。

主要包括以下几个内容：

1.电化学理论基础（6学时）：包括电极反应与电极过程、电极过程的主要特征及其研究方法、三电极体系及极化曲线的测量、电极与溶液界面的基本性质、电极与溶液界面附近液相传质过程、电化学测量方法等。

西北大学化学与材料科学学院

2.化学电源（12学时）：包括化学电源总论、一次电池（锌锰电池、锂原电池）、传统二次电池（铅酸电池、镉镍电池）、绿色高能电池（金属氢化物电池、锂离子二次电池）、燃料电池等。

3.电镀（10学时）：包括金属电沉积原理、金属镀前处理、各种电镀技术（合金电镀、复合镀、化学镀、非金属材料电镀、脉冲电镀、电刷镀、激光镀、电泳涂装、化学转化膜、金属腐蚀与防护）。

4.电化学合成（4学时）：包括无机电合成、有机电合成等。

5.生物电化学（4学时）：包括电化学与生物的关系、蛋白质的电化学、生物相关物质的电化学、生物功能与电化学。教材或主要参考书目：

本课程选用教材为：

杨辉，卢文庆编著，应用电化学，北京：科学出版社，2002 主要参考文献：

1.杨绮琴等，应用电化学，广州：中山大学出版社，2000 2.查全性，电极过程动力学导论，北京：科学出版社，2002 3.宋文顺，化学电源工艺学，北京：中国轻工业出版社，1998 4.章葆澄，电镀工艺学，北京航空航天大学出版社，1993 5.屠振密，电镀合金原理与工艺，国防工业出版社，1993 6.姜晓霞等，化学镀理论及实践，北京：国防工业出版社，2000 7.马淳安著，有机电化学合成导论，北京：科学出版社，2002 8.小泽昭弥主编[日]，吴继勋等译，现代电化学，北京：化学工业出版社，1995

（大纲起草人：郭慧林

大纲审定人：）

第三篇：Bruker 公司介绍和扫描探针显微镜背景技术介绍

Bruker DI 扫描探针显微镜系统简介

1． 公司背景

Bruker 公司是一家纳斯达克上市的美国公司，旗下的 DI 工厂是全球规模最大的专业生产扫描探针显微镜(SPM)的厂家，成功地制造了世界上第一台商用扫描探针显微镜，有超过 20 年的 SPM 生产经验，成熟的工艺保证了 Bruker SPM 产品具有最好的稳定性和可靠性。拥有最广泛的顾客群，全球及国内市场占有率在 70%以上，处于占绝对优势的市场领先地位；在全球半导体、磁记录器件和光通讯器件生产厂家的占有率几乎达到 100%，已成为业界标准。

2． 产品技术水平

Bruker 公司的 Dmension Icon 在扫描探针显微镜基本工作原理及应用方面拥有 150 多项专利，其中包 括已成为业界标准的 Tapping Mode, Lift mode 等，具有极其优异的性能，在 SPM 各个领域中全面领先，Dmension Icon系统具备最新的专利技术智能扫描模式（SCANASYST）、定量机械力学测试模式（PFQNM）, 最

许多科学家在使用 SPM 后纷纷在学术上取得了令人瞩目的成果，在《SCIENCE》、《NATURE》 等国际顶尖学术刊物上发表的使用扫描探针显微镜的科学文献 90%是使用的 BrukerDISPM。

3． 产品服务水平

Bruker公司在中国具备完整的售后服务及技术支持的体系，中国分公司于。Bruker 公司的工程师按职能严格分为 3 类：销售工程师，技术工 程师，应用工程师；11个专职的技术工程师，3个应用工程师（拥有博士学位的有10位）。售后服务(SPM 的安装、调试、维护以及维修)由在美国工厂进行过专业培训的 SPM 专业技术工程师专人负责。

扫描探针显微镜技术背景资料

纳米科学技术是在纳米尺度内，研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。目前，纳米科学技术的研究领域集中在三个方面。第一，具有特殊性能的纳米材料和结构的研究。第二，设计和制备纳米结构和器件，以推动工业技术的革 新和发展。第三，纳米加工和纳米测量技术的实践与应用。

对于纳米科学和纳米技术来说，扫描探针显微镜(SPM)是一种“起动工具”(引自 2001 年 5 月 美国艺术与科学研究院纳米技术研讨会上的《nanotechnology pioneer》一文，作者哈佛大学 George Whitesides)，并且是当今世界上具有最高分辨率测量和成像的工具（在垂直方向上，分辨率低 于埃级；在水平方向上，分辨率为纳米级）。最新型的仪器已经可以在纳米级别操纵物体和处理 表面，并且可以在分子级别感应化学和生物分子。

国外一流大学早在 90 年代中期就建立了纳米研究实验室，并引进了具有纳米分辨率的观测 设备（如 SPM 等），在纳米研究方面取得了重要进展。另外，国内许多院所都引进了新型的纳 米测试系统。例如：北京大学，清华大学等几十所大学的多个院系，中科院多家研究所等，目 前国内已有超过 400 套 SPM。

扫描探针显微镜(SPM)能够在大气及液体环境下准确地观测样品表面纳米尺度的三维形 貌；同时可对样品表面物理化学特性进行研究，如表面组分区别、温度、表面电势、磁场力、静电力、摩擦力和其他表面力以及电化学相互作用力的测量；同时可以对样品表面进行纳米尺 度的刻蚀和加工。在研发、工艺改进、品质控制和失效分析等方面的应用包括：

微电子—半导体设备，数据存储磁头和媒体，应用包括形貌、电属性和力学测量（掺杂，膜厚，磁畴分布等）

先进材料—聚合物，金属，陶瓷，MEMS/NEMS，应用包括形貌测量，分子研究，磨 损/摩 擦学研究方面

光通讯—激光和其他设备，应用包括形貌和电属性测量（掺杂，膜厚等）生命科学/生物技术—细胞，组织，DNA，蛋白质，应用包括形貌测量和单个分

子之间相互作用力的力学测量。

制药—药品交货/密封包装，药品发明，结晶性等

纳米操纵/刻蚀 —在纳米级别组装结构，操纵原子和分子，进行刻蚀。

第四篇：显微镜的应用教学设计

《显微镜的应用》教学设计（教师：杨琼琼）

1.教材分析

1.1显微镜是生物学研究中最常用、最基本的观察工具，初步学会独立使用显微镜是初中阶段十分重要的生物技能之一，学习认识、使用显微镜对学生在后面进一步从微观认识动植物，乃至学习生物学知识的基础，有重要意义。

1.2 教学目标 通过本节内容的学习，学生自主学习、亲自实践，从而使书本知识迁移深化为一定的能力、素养，同时引导学生形成一定的情感价值观。

①知识目标：正确说明显微镜的结构与功能

②能力目标：能独立、规范地使用显微镜，能观察到清晰的物像；在认识、使用显微镜的过程中发现问题，并尝试解决问题；

③情感目标：认同显微镜的规范操作方法，养成爱护显微镜的习惯，初步形成实事求是的科学态度。

1.3 教学重点、难点的分析：

①教学重点 显微镜的使用方法。

②教学难点 规范使用显微镜，并观察到物象。

2.教学策略

作为本册教材中第一个技能性的操作实验，该课内容寓理论与实际于一体，是非常基础和重要的一节内容。适当引导学生进行自学和部分探究，让学生掌握显微镜的结构、功能及使用方法。学生通过手脑并用的探究与合作在教师引导下，获得新知与能力的提高，同时体验探究过程的曲折和乐趣，学习科学方法，发展科学探究所需要的能力。

3.课前准备

教师：准备显微镜，并逐个检查（准备两个不同倍数的目镜）；三种标本（写有“上”字的玻片；写有数字的透明纸；写有数字的不透明纸；），擦镜纸，纱布，显微镜的使用录像带或课件；课前每班培训几名学生，以便课上帮助教师辅导其他学生。

学生：对照课本彩图，认识显微镜各部分名称，并思考每一部分的作用；阅读课后的显微镜发展史。

4.教学程序

4.1 走进新单元 指导学生阅读二单元开篇语，观察书上细胞彩图，明确细胞是生物体结构和功能的基本单位。要想探索生物的奥妙，就必须要了解细胞。

引导学生积极发言，叙述显微镜的发展史。提问：通过预习，你对显微镜的发明、发展知道了多少？我们现在用的是什么显微镜？

4.2 新课过程

*认识材料和用具 引导学生观察实验桌上显微镜、玻片标本、擦镜纸、纱布等。

*取镜和安放 右手握，左手托；略偏左，安目镜。指导学生看书37页：取镜和安放。强调安放目镜时，手指不要触摸镜头，对学生进行爱护显微镜的教育。*显微镜的构造 学生两人一组，看书对照实物认识显微镜各部分名称，之后回答教师指示部分的名称。（教师利用课件，点击即显示各部分名称）

*显微镜的使用 教师对学生的回答进行鼓励，引出显微镜的使用。介绍三种观察标本：

（1）写有“上”字的玻片；（2）印有数字的透明纸；（3）写有数字的不透明纸。

对光 要求学生先看书，然后指导学生动手观察。按照先看到一个白亮的视野→放入标本→-看到清晰像的顺序（建议先观察2号标本）。

（1）低倍物镜对准通光孔。（2）左眼看，右眼睁。（3）转动反光镜，看到明亮视野。

观察 学生边看书自学边操作显微镜进行观察。

（1）标本放在载物台上，压住，正对通光孔。

（2）镜筒先下降，直到接近标本。

（3）左眼注视目镜，使镜筒缓缓上升，直到看清物像。

强调

⑴用低倍物镜（10×或8×，即短的物镜）对准通光孔。

⑵转动转换器的手法要正确，对学生进行爱护显微镜的教育。⑶镜筒先下降后上升，镜筒下降时，眼睛一定要看着物镜，以免压碎标本。

⑷左眼看目镜，右眼睁开是为了画图。引导学生继续观察。

思考并回答问题：

⑴为什么视野中看到的物像是倒的？

⑵看到的物像究竟被放大了多少倍？

⑶不透明纸上的数字为何看不清？

⑷放大倍数不同，看到的细胞个数与大小有什么不同？

5.练习反馈

1．写有“上”字的玻片标本，视野中看到的物像是（）字。

2．显微镜的目镜5×,物镜10×，放大倍数是（）；目镜10×，物镜10×，放大倍数是（）；目镜10×，物镜40×，放大倍数是（）。

3．如果物像偏左，你应将标本向（）移，才能使物像居中。

6.教学反思

上好本节课的关键是组织好学生进行探究和操作，教师最好课前培训几位学生作助手，这样看似麻烦，实际在上课时解决了不少问题，以后的学习中还会用到显微镜，所以在开始就要强调规范操作，帮助学生养成良好习惯。

本文由东莞家教网http://www.xiexiebang.com上传于百度文库

第五篇：电化学在实际中的应用

电化学在实际中的应用

王斌 0809401046 摘要：本文介绍了电化学在物理化学中的地位，在实际中的应用。关键词：电化学 氰化金钾

物理化学是大学里很重要的一门课，对于想考化学方向研究生的人来说，物理化学尤为重要。它的研究对象涵盖范围广阔，是一门基础课程，几乎每个学校化学方向的考研都要考物理化学，学好物理化学这门课是考研的必要条件。电化学是物理化学的一个重要组成部分，它不仅与无机化学、有机化学、分析化学和化学工程等学科相关，还渗透到环境科学、能源科学、生物学和金属工业等领域。在物理化学的众多分支中，电化学是唯一以大工业为基础的学科。

它的应用分为以下几个方面：1 电解工业，其中的氯碱工业是仅次于合成氨和硫酸的无机物基础工业、耐纶66的中间单体己二腈是通过电解合成的；铝、钠等轻金属的冶炼，铜、锌等的精炼也都用的是电解法；2 机械工业要用电镀、电抛光、电泳涂漆等来完成部件的表面精整；3 环境保护可用电渗析的方法除去氰离子、铬离子等污染物；4化学电源；5金属的防腐蚀问题，大部分金属腐蚀是电化学腐蚀问题；6许多生命现象如肌肉运动、神经的信息传递都涉及到电化学机理；7应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法已成为实验室和工业监控的不可缺少的手段。我想谈谈电化学合成方面的应用，同时也借此加深对电化学的理解。

何谓电化学？电化学就是主要研究电能和化学能之间互相转化以及转化过程中相关规律的科学。我们物理化学书上涉及到的电化学知识，有三个方面，分别是：电解质溶液；可逆电池的电动势及其应用；电解与极化作用。这三个方面总结起来看，就是介绍的电解池与原电池的各个部分。电解质溶液研究的是这两个池的导电介质，可逆电池的电动势及其应用研究的是电池的电动势，电解与极化作用谈论的是电极极化作用和电解池的电解。可见电池是贯穿电化学始终的关键概念。

电化学的应用实际就是利用电化学反应进行电化学合成。如何使本来不能自发进行的反应能够进行下去呢？较便捷的方法就是给反应体系通电，这就是电化学反应。利用电化学反应进行合成的方法即为电化学合成法。电化学合成本质上是电解。要想将电能输入反应体系，使不能自发进行的反应能够进行，就必须利用电化学的反应器—电解池或者简称电池。下面我将列举一个利用电化学反应进行一些物质合成的例子。这是一项专利技术，是由我院教授发明的。

氰化金钾，化学式为K[Au(CN)2]，是一种镀金液，主要用于纯金的电镀和用作化学试剂。纯金的电镀用于仪表精密工、防腐。在电子工业上应用尤其广泛。如高频电子元件镀金，可提供良好的导电性。K[Au(CN)2]以前的生产工艺复杂，且中间产物过多，多为环境污染物，并且难以得到高纯度的K[Au(CN)2]，生产出的产品不符合生产需要。后来我院教授，顾建胜，发明了一种电化学的方法合成K[Au(CN)2]。这种方法不产生环境污染物，唯一的废气是H2，对环境友好，且原子利用率高。

具体的生产方法如下：

金锭经高能压片机压制成金片，金片经洗涤后装进钛篮中，放入电解槽内，以金片为阳极，不锈钢为阴极，一定浓度的氰化钾为阳极液，氢氧化钾为阴极液，中间用隔膜隔开，在电流作用下发生电化学反应，金以亚金离子进入阳极电解液(即电解槽中的电解液)，由于受到隔膜的阻碍，亚金离子不能进入阴极电解液中，而其它离子可以自由通过，这样阴极上无金析出，而只放出氢气，亚金离子便在阳极液中积累起，当电解液中金达到一定浓度时，电解液经冷却结晶得到粗氰化亚金钾晶体，粗的氰化亚金钾经洗涤、干燥等工序得到氰化亚金钾成品。电化学反应式: 阳极: Au-e= Au+ 阴极: H + e= 1/ 2H2 ↑

金盐: Au++ K++ 2CN-= KAu(CN)2 凭借这种方法，顾建胜教授在昆山开创了一家公司，电化学的方法不仅简化了氰化金钾的生产工艺，还使顾建胜教授在商业上获得了成功。

当然关于电化学的应用例子还有很多，如今有许多的公司就是凭借一项或者几项电化学合成技术发展的，这里我就不一一列举。电化学合成往往都是简化了各种产品的生产工艺，减少了各种污染物的排放。电化学在实际生产中有很高的地位，甚至已成为生产氯气、某些过氧化物等氧化剂和钠、钴、镁等金属的惟一方法。

参考文献：《氰化金钾的生产工艺》，作者：付宏芳，文献出处：有色矿治，2006年02期

《无机合成化学》，张克立，孙聚堂，袁良杰，冯传启 +