基于一種增強(qiáng)型光譜電化學(xué)裝置

光譜電化學(xué)（SEC）測(cè)量在分析化學(xué)中起著至關(guān)重要的作用，利用透明或半透明電極對(duì)電化學(xué)過程進(jìn)行光學(xué)分析。電化學(xué)讀數(shù)提供了有關(guān)電極狀態(tài)的信息，而透射光譜的變化有助于識(shí)別電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，波蘭華沙理工大學(xué)（Warsaw University of Technology）的研究人員開發(fā)了一種增強(qiáng)型光譜電化學(xué)裝置，其中，基于雙域（光學(xué)和電化學(xué)）光纖的傳感器直接用作工作電極，同時(shí)像光譜電化學(xué)一樣單獨(dú)測(cè)量分析物的光學(xué)特性。該傳感器采用反射（探針狀）配置，其中只有短纖芯部分涂有氧化銦錫（ITO）并浸入分析物中。對(duì)ITO納米涂層的性能進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足在期望的反射光譜范圍內(nèi)獲得損失模式共振（LMR）的條件。基于LMR和分光光度計(jì)的測(cè)量在單獨(dú)的光路中進(jìn)行。這產(chǎn)生了一種具有電化學(xué)激活的兩個(gè)垂直定向光譜通道的新形式。相關(guān)研究成果以“Enhanced spectroelectrochemistry with lossy-mode resonance optical fiber sensor”為題發(fā)表在Scientific Reports期刊上。

在這項(xiàng)工作中，ITO-LMR傳感器是基于聚合物包層的石英（PCS，芯徑?=?380 μm）多模光纖。由于傳感器設(shè)計(jì)為反射（探針狀）配置以有效地引導(dǎo)在光纖端面之一處反射的光，因此使用直流磁控濺射技術(shù)在其中一個(gè)光纖端面上沉積一層鋁膜。必須注意的是，只有當(dāng)LMR傳感器用作工作電極時(shí)，傳感器/電極的光學(xué)詢問（通道2中的光學(xué)測(cè)量）才是可能的，而當(dāng)使用鉑網(wǎng)或ITO涂覆的載玻片時(shí)則不可能。

增強(qiáng)型SEC裝置（LMR傳感器作為工作電極）的示意圖

增強(qiáng)型SEC裝置提供了三種類型的詢問讀數(shù)：電化學(xué)測(cè)量、與分析物體積相對(duì)應(yīng)的光譜分析（類似于標(biāo)準(zhǔn)SEC）、反映傳感器/電極表面狀態(tài)的LMR光譜分析。在每個(gè)詢問路徑中，分別用鐵氰化鉀和亞甲基藍(lán)兩種氧化還原反應(yīng)探針進(jìn)行循環(huán)伏安法（CV）實(shí)驗(yàn)。隨后，在傳感器的計(jì)時(shí)電流（CA）測(cè)量期間進(jìn)行同步測(cè)量，并檢查讀數(shù)之間的相互關(guān)系。

（A）鐵氰化鉀和亞甲基藍(lán)溶液中LMR傳感器的CV掃描；（B）LMR光譜的演變，其中施加電壓以誘導(dǎo)氧化還原探針的氧化和還原；（C）計(jì)時(shí)電流響應(yīng)，顯示LMR傳感器在亞甲基藍(lán)溶液中的可重復(fù)響應(yīng)。

LMR傳感器支持的增強(qiáng)型SEC配置中的多步電流法測(cè)量結(jié)果（鐵氰化鉀作為氧化還原探針）

LMR傳感器支持的增強(qiáng)型SEC配置中的多步電流法測(cè)量結(jié)果（亞甲基藍(lán)作為氧化還原探針）

總而言之，研究人員開發(fā)了一種基于ITO的損失模式共振光纖傳感器的增強(qiáng)型光譜電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。由于ITO膜的優(yōu)化厚度和光學(xué)性質(zhì)，在光學(xué)域中觀察到了LMR，而ITO的電學(xué)性質(zhì)允許將傳感器也用作電化學(xué)裝置中的工作電極。通過檢測(cè)兩種氧化還原探針，即鐵氰化鉀和亞甲基藍(lán)，證明了該方法。由于LMR強(qiáng)烈地依賴于外部介質(zhì)的屬性和傳感器表面發(fā)生的變化，因此外加電壓的變化會(huì)引起共振波長(zhǎng)的移動(dòng)以及特定波長(zhǎng)的透射。此外，外加電壓引起的變化具有高度可逆性。與標(biāo)準(zhǔn)工作電極相比，“針狀”形式的傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，因此在測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)傳感器的放置方面提供了很大的靈活性，并能夠減小分析樣品的體積。此外，這種傳感器的制造具有可擴(kuò)展性，高度可重復(fù)性和低成本。利用ITO-LMR增強(qiáng)型光譜電化學(xué)裝置，增加了關(guān)于工作電極表面狀態(tài)、氧化還原反應(yīng)本身的信息，并交叉驗(yàn)證了獲得的結(jié)果，從而提高了分析的靈敏度。這種三通道系統(tǒng)將來可以應(yīng)用于其他分析，也可以應(yīng)用于需要使用便攜式系統(tǒng)的傳感應(yīng)用。

審核編輯：彭菁