波谱技术和纳米电化学

Outline:

1.Spectroscopictechniques (光谱或波谱技术）

2.Nano-electrochemistry (纳米电化学）

GeneralBooks:1*A.J.BardandL.R.Faulkner,Electrochemicalmethods,fundamentalsandapplications,Wiley,NewYork,1980(2ndEdition,2001)2*C.M.A.BrettandA.M.O.Brett,Electrochemistry,Principles,Methods,andApplications,Oxford,19933*SouthamptonElectrochemistryGroup,NewInstrumentalMethodsinElectrochemistry,Ellis

Horwood,Chichester,19854光谱电化学方法－理论与应用，谢远武、董绍俊。吉林科学技术出版社，19935电化学中的光学方法，林仲华，叶思宇，黄明东，沈培康，北京，科学出版社，19906ElectrochemistryofNanomaterials,EditedbyGaryHodes,Wiley-VCH,NewYork,2001PartOne(第一部分)Part1Spectroscopictechniques(光谱或波谱技术）

1.1 Introduction1.2 Definition1.3 Examples1.1 Introduction(导言) 电分析化学在60年代末期基本上停止不前，极谱学的研究已经达到其最高峰。随着其它分析化学技术的发展，极谱学越来越不重要。光谱电化学及微电极的出现重新使电化学及电分析化学获得新生！T.Kuwanain1964,M.Fleischmann,A.Bewicketal:1970sto1980s,insitu光谱、波谱电化学M.Fleischmann,M.Wightmanetal:ultramicroelectrodes1970s-1980s1.2 Definition60年代初，美国著名电化学家R.N.Adams教授在指导他的研究生T.Kuwana进行邻二苯胺衍生物电氧化时，观察到电极反应伴随有颜色的变化，他提出了这样的设想：“能不能设计出一种能看穿的电极，以光谱的方法来识别所形成的有色物质呢？”。这个创新思想终于在1964年由Kuwana实现了。他们第一次使用的光透电极（OTE）是在玻璃板上镀了一薄层掺杂Sb的SnO2玻璃（Nesa玻璃）。光谱电化学从此得到了迅速发展，已成为电化学的一个重要分支。它是各种波谱技术和电化学方法相结合，在同一个电解池内同时进行测量的方法。其特点是同时具有电化学和波谱学二者的特性，可以在电极反应过程中获得多种有用的信息，对于研究电极过程机理、电极表面特性，检测反应中间体、瞬间状态和产物性质，测定式量电位、电子转移数，电极反应速率常数和扩散系数等，提供了非常用力的研究手段。1.2 Definition光谱电化学方法可分为非现场型（exsitu）和现场型（insitu）。前者是在电解池之外考察电极的方法，大多数涉及到高真空表面技术如低能电子衍射、Auger能谱、X射线衍射、光电子能谱等，但是这些方法不能满足电化学机理的研究的需要。只有在电解池中，在电极反应操作的同时对电解池内部，特别是对电极/溶液界面状态和过程进行观测的方法称为现场法，如现场红外光谱、Raman光谱、荧光光谱、偏振光谱、紫外可见光谱、顺磁共振谱、光热和光声光谱、园二色光谱等。光谱电化学按光的入射方式可分为投射法、反射法和平行入射法图1.1各种光谱电化学方法原理图(a)、(b)透射法，(c)内反射法，(d)外反射法，(e)、(f)平行入射法图1.2透射光谱电化学实验装置图1.3采用在SnO2OTE电极上产生甲基紫精自由基电量滴定细胞色素c和细胞色素c氧化酶。在每通过5x10-9当量的电量后记录的每个光谱图。表1.1各种表面技术基于测量光子、电子或离子辐射样品后荷电粒子(电子和离子)的表面分析技术已发展成为表征材料和微电子器件的强大工具。下图显示了这类技术的基本原理。需要重点考虑的是辐射斑点的大小(它决定该技术的空间分辨率)，灵敏度(检测量下限)以及取样区的深度。图1.4高真空表面技术的基本原理示意图辐射源检测器激发束检测束图1.5几种表面技术的测量极限、取样深度及光斑大小的比较。PartTwo(第二部分)Nano-electrochemistry(纳米电化学）

在1－100nm尺寸下的各种研究称为纳米科技，采用电化学方法研究物质在此尺寸下的行为称为纳米电化学纳米电化学是目前电化学领域最时髦的研究课题之一它的发展与如下几个方面有关：（1）1980s开始的电极表面的自组装(SAMs)（2）1980s超分子概念（Superamolecular）（3）1980s发明的SPM(STM,AFM和SECM等）（4）1980sC60和1990s碳纳米管的发现图2.1TheSEMdiagramsofNano-andMicropipettesMicropipettesNanopipettes我们group可以制备内径从几个nm到十几个m的玻璃纳、微米管sizeBiologicalSystemORGANISMTISSUESCELLSAMINOACIDSH2O,CO2

PROTEINSPOLYPEPIDE

MEMBRANEENZYMECellprobeIntroductionofCarbonNanotubeIn1991,S.Iijimadiscoveredcarbonnanotubes(multi-walledcarbonnanotubes

MWNTs).

In1993,single-walledcarbonnanotubes(SWNTs)werefound.M.S.Dresselhausetal.TopicsAppl.Phys.80,391-425(2001)F.Balavoineetal.Angew.Chem.Int.Ed.1999,38,No.13/14,1912-1915CarbonNanotubesasElectrochemicalsensors

M.S.Dresselhausetal.TopicsAppl.Phys.80,391-425(2001)CarbonNanotubesasNanoprobesJ.H.Hafner,C.L.Cheung,A.T.Woolley,C.M.Lieber

ProgressinBiophysics&MolecularBiology2001,77,73-110Ferritin(pI4.6)-modifiedoxidizedSWNT,Scalebar150nmFerritinmodifiedvacuumannealedSWNTs,Scalebar300nmVoltammetricresponseofaGOX-SWNT-modifiedGCelectrodeintheabsence(red)andpresence(blue)of0.5mMFMCA.Thecatalyticresponse(green)isobservedontheadditionof50mMgl