CHI400A 系 列 电 化 学 石 英 晶 体 微 天 平
CHI400A 系 列 时 间 分 辨 电 化 学 石 英 晶 体 微 天 平 ( EQCM ) 是 CH Instruments 与 武 汉 大 学 合 作 的 产 品 ( 武 汉 大 学 专 利 ) 。 石 英 晶 体 微 天 平 ( QCM ) 可 进 行 极 灵 敏 的 质 量 测 量 。 在 适 当 的 条 件 下 ， 石 英 晶 体 上 沉 积 的 质 量 变 化 和 振 动 频 率 移 动 之 间 关 系 呈 简 单 的 线 性 关 系 ( Sauerbrey 公 式 ) ：
Df = - 2fo2 Dm / [A·sqrt(mr)]
式 中 是 fo 晶 体 的 基 本 谐 振 频 率 ， A 是 镀 在 晶 体 上 金 盘 的 面 积 ， r 是 晶 体 的 密 度 (= 2.684 g/cm3) ， m 是 晶 体 切 变 系 数 (= 2.947´1010 g/cm·s2) 。 对 于 我 们 的 晶 体 (fo = 7.995 M Hz, A = 0.196 cm2) ， 每 赫 兹 的 频 率 改 变 相 当 于 1.34 ng 。 QCM 和 EQCM 被 广 泛 应 用 于 金 属 沉 积 ， 高 分 子 膜 中 离 子 传 递 ， 生 物 传 感 器 ， 以 及 吸 附 解 吸 动 力 学 的 研 究 等 等 。
CHI400A 系 列 电 化 学 石 英 晶 体 微 天 平 含 石 英 晶 体 振 荡 器 ， 频 率 计 数 器 ， 快 速 数 字 信 号 发 生 器 ， 高 分 辨 高 速 数 据 采 集 系 统 ， 电 位 电 流 信 号 滤 波 器 ， 信 号 增 益 ， iR 降 补 偿 电 路 ， 以 及 恒 电 位 仪 ／ 恒 电 流 仪 （ 440A ）。 电 位 范 围 为 ± 10V ， 电 流 范 围 为 ± 250 mA 。 电 流 测 量 下 限 低 于 50 pA 。 石 英 晶 体 微 天 平 和 恒 电 位 仪 / 恒 电 流 仪 集 成 使 得 EQCM 测 量 变 得 十 分 简 单 方 便 。 CHI400A 系 列 采 用 时 间 分 辨 的 方 式 测 量 频 率 的 改 变。 传 统 的 方 法 是 采 用 频 率 直 接 计 数 的 方 法 ， 要 得 到 1 Hz 的 QCM 分 辨 率 ， 需 要 1 秒 的 采 样 时 间 。 要 得 到 0.1 Hz 的 QCM 分 辨 率 ， 需 要 10 秒 的 采 样 时 间 。 我 们 是 将 QCM 的 频 率 和 一 标 准 频 率 的 差 值 作 周 期 测 量 ， 从 而 大 大 缩 短 了 采 样 时 间 ， 提 高 了 时 间 分 辨 。 我 们 可 在 毫 秒 级 的 时 间 里 得 到 1 Hz 或 0.1 Hz 或 更 好 的 频 率 分 辨 。 当 和 循 环 伏 安 法 结 合 时 ， 可 允 许 在 0.5 V/s 的 扫 描 速 度 下 获 得 QCM 的 信 号 。 这 对 需 要 较 快 速 的 测 量 ( 例 如 动 力 学 测 量 ) 尤 为 重 要 。 允 许 与 QCM 结 合 的 电 化 学 实 验 技 术 包 括 CV， LSV， CA， i-t ， CP 。
400A 系 列 也 是 相 当 快 速 的 仪 器 。 信 号 发 生 器 的 更 新 速 率 为 1M Hz ， 数 据 采 集 速 率 为 200K Hz 。 循 环 伏 安 法 的 扫 描 速 度 为 100 V/s 时 ， 电 位 增 量 仅 0.1 mV 。 又 如 交 流 伏 安 法 的 频 率 可 达 10K Hz 。 仪 器 可 工 作 于 二 ， 三 ， 或 四 电 极 的 方 式 。 四 电 极 对 于 大 电 流 或 低 阻 抗 电 解 池 （ 例 如 电 池 ） 十 分 重 要 ， 可 消 除 由 于 电 缆 和 接 触 电 阻 引 起 的 测 量 误 差 。 由 于 仪 器 集 成 了 多 种 常 用 的 电 化 学 测 量 技 术 ，使 得 仪 器 可 用 作 通 用 电 化 学 测 量 ， 也 可 单 独 用 作 石 英 晶 体 微 天 平 的 测 量 ( 不 同 时 进 行 电 化 学 测 量 ) 。
CHI400A 系 列 EQCM 还 包 括 一 个 特 殊 设 计 的 电 解 池 ， 如 图 1 (a) 所 示 。 电 解 池 由 三 块 圆 形 的 聚 四 氟 乙 烯 组 成 。直 径 为 35 mm ， 总 高 度 为 37 mm 。 最 上 面 的 是 盖 子 ， 用 于 安 装 参 比 电 极 和 对 极 。 中 间 的 是 用 于 放 溶 液 的 池 体 。 石 英 晶 体 被 固 定 于 中 间 和 底 下 的 部 件 之 间 ， 通 过 橡 胶 圈 密 封 ， 并 用 螺 丝 固 定 。 石 英 晶 体 的 直 径 为 13.7 mm ， 晶 体 两 面 的 中 间 镀 有 5.1 mm 直 径 的 金 盘 电 极 ( 其 它 电 极 材 料 需 特 殊 定 做 ) 。 新 晶 体 的 谐 振 频 率 是 7.995 M Hz 。
图 2 显 示 了 1 mM Pb2+ 在 0.1 M HClO4 溶 液 中 欠 电 位 沉 积 的 循 环 伏 安 图 和 作 为 电 位 函 数 的 相 应 的 频 率 改 变 。 扫 描 速 度 为 0.05 V/s 。 在 -0.42 V 出 现 的 阴 极 峰 是 由 于 单 层 欠 电 位 沉 积 。 -0.29 V 处 的 阳 极 峰 是 由 于 铅 的 溶 出 。 频 率 - 电 位 图 显 示 了 由 于 铅 沉 积 而 使 频 率 下 降 了 25 Hz ( 相 当 于 33.5 ng ) 。
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图 2 . 铅 欠 电 位 沉 积 的 循 环 伏 安 图 和 QCM 图 。 扫 描 速 度 为 0.05 V/s 。 |
硬 件 参 数 指 标
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恒 电 位 仪 恒 电 流 仪 (Model 440A) 电 位 范 围 : -10 to 10V 电 位 上 升 时 间 : < 2 微 秒 槽 压 : ±12 V 三 电 极 或 四 电 极 设 置 电 流 范 围 : 250 mA 参 比 电 极 输 入 阻 抗 : 1´1012 欧 姆 灵 敏 度 : 1´10-12 - 0.1 A/V 共 34 档 量 程 输 入 偏 置 电 流 : < 50 pA 电 流 测 量 分 辨 率 : < 1 pA CV 的 最 小 电 位 增 量 : 0.1 mV 电 位 更 新 速 率 : 1 MHz 数 据 采 集 : 16 位 分 辨 @ 200 kHz 自 动 及 手 动 iR 降 补 偿 |
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CV 和 LSV 扫 描 速 度 : 0.000001 - 2000 V/s 电 位 扫 描 时 电 位 增 量 : 0.1 mV @ 100 V/s CA 和 CC 脉 冲 宽 度 : 0.0001 - 1000 sec CA 和 CC 阶 跃 次 数 : 320 DPV 和 NPV 脉 冲 宽 度: 0.0001 - 10 sec SWV 频 率 : 0.1 - 100 kHz ACV 频 率: 0.1 - 10 kHz SHACV 频 率: 1 - 5 kHz 自 动 电 位 和 电 流 零 位 调 整 电 流 测 量 低 通 滤 波 器 , 自 动 或 手 动 设 置 ， 覆 盖 八 个 数 量 级 的 频 率 范 围 旋 转 电 极 控 制 输 出 : 0 - 10 V (430A 以 上 型 号 ) 电 解 池 控 制 输 出 : 通 氮 ， 搅 拌 ， 敲 击 最 大 数 据 长 度 : 128K-4096K 点 可选 仪 器 尺 寸 : 32cm (宽) x 28cm (深) x 12cm (高) 仪 器 重 量 : 7 kg |
CHI400A 系列仪器不同型号的比较
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功 能 |
400A |
410A |
420A |
430A |
440A |
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循 环 伏 安 法 （ CV ） |
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线 性 扫 描 伏 安 法 （ LSV ）# |
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阶 梯 波 伏 安 法 （ SCV ） # |
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Tafel 图 （ TAFEL ） |
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计 时 电 流 法 （ CA ） |
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计 时 电 量 法 （ CC ） |
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差 分 脉 冲 伏 安 法 （ DPV ）# |
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常 规 脉 冲 伏 安 法 （ NPV ）# |
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差 分 常 规 脉 冲 伏 安 法 （ DNPV ）# |
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方 波 伏 安 法 （ SWV ）# |
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交 流 （ 含 相 敏 ） 伏 安 法 （ ACV ） # |
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二 次 谐 波 交 流 （相 敏）伏 安 法（ SHACV） # |
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电 流 - 时 间 曲 线 （ i-t ） |
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差 分 脉 冲 电 流 检 测 （ DPA ） |
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双 差 分 脉 冲 电 流 检 测 （ DDPA ） |
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三 脉 冲 电 流 检 测 （ TPA ） |
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控 制 电 位 电 解 库 仑 法 （ BE ） |
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流 体 力 学 调 制 伏 安 法 （ HMV ） |
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扫 描 - 阶 跃 混 合 方 法 （ SSF ） |
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多 电 位 阶 跃 方 法 （ STEP ） |
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计 时 电 位 法 （ CP ） |
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电 流 扫 描 计 时 电 位 法 （ CPCR） |
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电 位 溶 出 分 析 （ PSA） |
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开 路 电 压 - 时 间 曲 线 （OCPT ） |
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恒 电 流 仪 |
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RDE 控 制 （ 0 - 10 V 输 出 ） |
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任 意 反 应 机 理 CV 模 拟 器 |
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预 设 反 应 机 理 CV 模 拟 器 |
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注 ： #： 包 括 相 应 的 极 谱 法 和 溶 出 伏 安 法 ． 用 于 极 谱 法 时 需 要 特 殊 的 静 汞 电 极 或 敲 击 器 ．
*： 仪 器 的 保 修 期 为 一 年 ．