基于界面电位检测的新型电化学检测系统研究及应用

【摘要】： 界面现象研究一直是科学研究的核心领域,它为电化学、胶体科学、材料科学、界面科学以及生物物理学等学科的发展奠定了理论基础。界面电位检测是实现界面现象研究的重要途径,开发高效的界面电位检测技术具有重要意义。 本论文基于界面电位检测,设计了一种新型的电化学检测系统。通过对其检测原理的理论研究和实验验证,提出了零流电位法和安培法两种检测模式,并重点探讨了它们在材料pH响应性质研究中的应用。本研究已取得以下几项成果。 (1)将某种固体电极串联在伏安仪的工作电极和辅助电极之间,与参比电极一起浸入溶液中,构建了一种新型电化学检测系统。通过对其检测原理的理论研究与实验验证,发现电流仅在电极内部流通,遵守欧姆定律,电流值取决于电极的电子学性质、外加电位和“固/液”界面的界面电位。当采用不同的控制电位检测技术,如线性扫描电位法、方波伏安法、脉冲伏安法、安培法时,可以得到不同的电流-电位曲线。在这些曲线上,外加电位和电流分别是物理输入信号和输出信号;界面电位是与电极表面和溶液化学性质有关的化学参数,是一个待测的隐藏变量。可以根据电流-电位曲线随溶液组分的变化关系,实现对界面电位的检测和对“固/液”界面界面现象的研究。基于检测相同电流时外加电位的变化,和检测相同电位时电流变化,提出了零流电位法和安培法两种典型的检测模式。 (2)在新型电化学检测系统中,采用线性扫描电位,记录I-E(电流-电位)曲线。将I-E曲线上电流为零时的扫描电位定义为零流电位,将检测零流电位的技术称之为零流电位法。通过检测多种非特征吸附界面的界面电位对方法进行了实验验证和性能分析。结果表明:与开路电位法相比,本方法具有精确度高,稳定性好,检测灵敏快速等优点。使用零流电位法考察聚苯胺膜pH响应性质和羧基化多壁碳纳米管表面酸碱性质,结果满意。零流电位法为开发新型电位型pH传感器提供了新思路。 (3)在新型电化学检测系统中,固定施加电位,记录I-t曲线,考察电流随溶液组分的变化,提出了安培检测模式。采用安培检测模式,考察聚苯胺膜的pH响应性质,开发了一种聚苯胺膜安培型pH传感器,设计了一种聚苯胺膜pH可控电流方向分子开关。与传统安培检测相比,该安培检测模式实际上是采用安培检测技术来实现对界面电位的检测,具有较高的稳定性、选择性、准确度、灵敏度以及较短的响应时间。该研究模式为安培传感器和电化学pH分子开关的开发提供了新的研究思路。