石英晶體微天平

1、CHI400A系列電化學(xué)石英晶體微天平CHI400A系列時(shí)間分辨電化學(xué)石英晶體微天平（EQCM ）是CH Instruments與 武漢大學(xué)合作的產(chǎn)品（武漢大學(xué)專利）。石英晶體微天平（QCM）可進(jìn)行極 靈敏的質(zhì)量測量。在適當(dāng)?shù)臈l件下，石英晶體上沉積的質(zhì)量變化和振動(dòng) 頻率移動(dòng)之間關(guān)系呈簡單的線性關(guān)系（Sauerbrey公式）：Af = - 2fo2 Am / Asqrt（pp）式中是fo晶體的基本諧振頻率，A是鍍在晶體上金盤的面積，p是晶 體的密度（=2.684 g/cm3）， M是晶體切變系數(shù)（=2.947x1010 g/cm瞄）。對于我們的晶 體（fo = 7.995 M Hz, A = 0

2、.196 cm 2）， 每赫茲的頻率改變相當(dāng)于1.34 ng。QCM 和EQCM 被廣泛應(yīng)用于金屬沉積，高分子膜中離子傳遞，生物傳感器，以及吸附解 吸動(dòng)力學(xué)的研究等等。CHI400A系列電化學(xué)石英晶體微天平含石英晶體振蕩器，頻率計(jì)數(shù) 器，快速數(shù)字信號發(fā)生器，高分辨高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電位電流信號濾波 器，信號增益，iR降補(bǔ)償電路，以及恒電位儀/恒電流儀（440A ）。電位 范圍為土 10V，電流范圍為土 250 mA。電流測量下限低于50 pA。石英晶體微天 平和恒電位儀/恒電流儀集成使得EQCM測量變得十分簡單方便。CHI400A 系列采用時(shí)間分辨的方式測量頻率的改變。傳統(tǒng)的方法是采用頻率直接

3、 計(jì)數(shù)的方法，要得到1 Hz的QCM分辨率，需要1秒的采樣時(shí)間。要得到0.1 Hz的QCM分辨率，需要10秒的采樣時(shí)間。我們是將QCM的頻率和一標(biāo)準(zhǔn) 頻率的差值作周期測量，從而大大縮短了采樣時(shí)間，提高了時(shí)間分辨。我 們可在毫秒級的時(shí)間里得到1 Hz或0.1 Hz或更好的頻率分辨。當(dāng)和循環(huán)伏 安法結(jié)合時(shí)，可允許在0.5 V/s的掃描速度下獲得QCM的信號。這對需要較 快速的測量（例如動(dòng)力學(xué)測量）尤為重要。允許與QCM結(jié)合的電化學(xué)實(shí)驗(yàn) 技術(shù)包括 CV，LSV， CA， i-t， CP。400A系列也是相當(dāng)快速的儀器。信號發(fā)生器的更新速率為1M Hz，數(shù)據(jù)采集速率為200K Hz。循環(huán)伏安法的掃描速

4、度為100 V/s時(shí)，電位增量僅0.1mV。又如交流伏安法的頻率可達(dá)10K Hz。儀器可工作于二，三，或四電極的方式。四電極對于大電流或低阻抗電解池（例如電池）十分重要，可消除由于電纜和接觸電阻引起的測量誤差。由于儀器集成了多種常用的電化學(xué)測量技術(shù)，使得儀器可用作通用電化學(xué)測量，也可單獨(dú)用作石英晶體微天平的測量（不同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)測量）。CHI400A系列EQCM還包括一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的電解池，如圖1 （a）所示。電 解池由三塊圓形的聚四氟乙烯組成。直徑為35 mm，總高度為37 mm 。最上 面的是蓋子，用于安裝參比電極和對極。中間的是用于放溶液的池體。石 英晶體被固定于中間和底下的部件之間，通過

5、橡膠圈密封，并用螺絲固 定。石英晶體的直徑為13.7 mm，晶體兩面的中間鍍有5.1 mm直徑的金盤電 極（其它電極材料需特殊定做）。新晶體的諧振頻率是7.995 M Hz。圖2顯示了 1 mM Pb2+在0.1 M HClO4溶液中欠電位沉積的循環(huán)伏安圖和作 為電位函數(shù)的相應(yīng)的頻率改變。掃描速度為0.05 V/s。在-0.42 V出現(xiàn)的陰極峰是由于單層欠電位沉積。-0.29 V處的陽極峰是由于鉛的溶出。頻率-電 位圖顯示了由于鉛沉積而使頻率下降了 25 Hz （相當(dāng)于33.5 ng ）。圖2 .圖2 .鉛欠電位沉積的循環(huán)伏安圖 和QCM圖。掃描速度為0.05 V/s。恒電位儀恒電流儀 （Mo

6、del 440A）電位范圍：-10 to 10V電位上升時(shí)間： 2微秒槽壓：12 V三電極或四電極設(shè)置電流范圍：250 mA參比電極輸入阻抗：1x1012歐姆靈敏度：1x10-12 - 0.1 A/V共34檔量程 輸入偏置電流： 50 pA電流測量分辨率： 1 pACV的最小電位增量：0.1 mV 電位更新速率：1 MHz數(shù)據(jù)采集：16位分辨 200 kHz自動(dòng)及手動(dòng)iR降補(bǔ)償圖1.典型的電化學(xué)石英晶體微天 平儀器的圖示。（a）石英晶體的兩 面都用真空鍍膜機(jī)鍍上了金膜，其 諧振頻率為7.995 M Hz。晶體朝上的 一面的金盤與溶液接觸同時(shí)也作 為工作電極。晶體和安裝支架的俯 視圖見電解池右邊

7、。（b） QCM晶體振 蕩時(shí)晶體切變的側(cè)視示意圖。為了 清晰，晶體的厚度和切變被放大 了。硬件參數(shù)指標(biāo)CV 和 LSV 掃描速度：0.000001 - 2000 V/s 電位掃描時(shí)電位增量：0.1 mV 100 V/sCA 和 CC 脈沖寬度：0.0001 - 1000 secCA和CC階躍次數(shù)：320DPV 和 NPV 脈沖寬度：0.0001 - 10 secSWV 頻率：0.1-100 kHzACV 頻 率： 0.1 - 10 kHzSHACV 頻 率： 1 - 5 kHz自動(dòng)電位和電流零位調(diào)整電流測量低通濾波器，自動(dòng)或手動(dòng)設(shè)置，覆蓋八個(gè)數(shù)量級的頻率范圍旋轉(zhuǎn)電極控制輸出：0 - 10 V

8、（430A以上型號）電解池控制輸出：通氮，攪拌，敲擊最大數(shù)據(jù)長度：128K-4096K點(diǎn)可選儀 器尺寸：32cm （寬）x 28cm （深）x 12cm （高）儀器重量：7 kgCHI400A 系列儀器不同型號的比較功能400A410A420A430A440A循環(huán)伏安法（CV ）線性掃描伏安法（LSV）#階梯波伏安法（SCV）#Tafel 圖（TAFEL）計(jì)時(shí)電流法（CA）計(jì)時(shí)電量法（CC）差分脈沖伏安法（DPV）#常規(guī)脈沖伏安法（NPV）#差分常規(guī)脈沖伏安法（DNPV）#方波伏安法（SWV）#交流（含相敏）伏安法（ACV）#二次諧波交流（相敏）伏安法（SHACV） #電流-時(shí)間曲線（i-t）差分脈沖電流檢測（DPA）雙差分脈沖電流檢測（DDPA）三脈沖電流檢測（TPA）控制電位電解庫侖法（BE）流體力學(xué)調(diào)制伏安法（HMV）掃描-階躍混合方法（SSF）多電位階躍方法（STEP）計(jì)時(shí)電位法（CP）電流掃描計(jì)時(shí)