扫 描 电 化 学 显 微 镜 的 原 理 和 应 用

I .  SECM 工 作 原 理

     与 其 它 扫 描 探 针 显 微 镜 相 同 ， 扫 描 电 化 学 显 微 镜 ( SECM ) 也 是 基 于 非 常 小 的 电 极 ( 探 头 ) 在 靠 近 样 品 的 表 面 进 行 扫 描 。 通 常 SECM 采 用 电 流 法 ， 用 超 微 电 极 作 探 头 。 SECM 也 可 用 离 子 选 择 电 极 作 电 位 法 实 验 。

     在 电 流 法 实 验 中 ， 探 头 的 电 流 会 受 到 样 品 的 影 响 。 当 探 头 远 离 ( 大 于 探 头 电 极 直 径 几 倍  ) 样 品 表 面 时 (见 图 1A ) ， 流 过 探 头 电 极 的 稳 态 电 流 i_T,¥ 为

          i_T,¥  =  4nFDCa

其 中 F 为 法 拉 弟 常 数 ， n 为 探 头 上 电 极 反 应 ( O + ne ® R ) 所 涉 及 的 电 子 数 ， D 为 反 应 物 O 的 扩 散 系 数 ， C 为 浓 度 ， a 为 探 头 电 极 的 半 径 。 当 探 头 移 至 绝 缘 样 品 表 面 时 ， 反 应 物 O 从 本 体 溶 液 向 探 头 电 极 的 扩 散 受 到 阻 碍 ， 流 过 探 头 的 电 流 i_T 会 减 小 。 探 头 越 接 近 于 样 品 ， 电 流 i_T 就 越 小 (见 图 1B ) 。 这 个 过 程 常 被 称 作 “ 负 反 馈 ” 。 如 果 样 品 是 导 体 ， 则 通 常 将 样 品 作 为 双 恒 电 位 仪 的 第 二 工 作 电 极 ，  并 控 制 样 品 的 电 位 使 得 逆 反 应 ( R - ne ® O ) 发 生 。 当 探 头 移 至 样 品 表 面 时 ， 探 头 的 反 应 产 物 R 将 在 样 品 表 面 重 新 转 化 为 反 应 物 O 并 扩 散 回 探 头 表 面 ， 从 而 使 得 流 过 探 头 的 电 流 i_T 增 大 。 探 头 离 样 品 的 距 离 越 近 ， 电 流 i_T 就 越 大 (见 图 1C ) 。  这 个 过 程 则 被 称 为 “ 正 反 馈 ” 。 以 上 的 两 种 简 单 的 反 馈 原 理 就 构 成 了 SECM 工 作 原 理 的 基 础 。

     流 过 探 头 的 电 流 和 探 头 与 样 品 的 间 距 的 关 系 已 有 理 论 推 导 。 通 过 测 量 电 流 ， 还 可 得 到 样 品 表 面 的 化 学 和 电 化 学 活 性 。

     在 SECM 的 实 验 中 ， 总 反 应 局 限 于 探 头 和 样 品 间 的 薄 层 中 。 如 果 用 样 品 电 极 来 产 生 反 应 产 物 并 以 探 头 来 收 集 ( Substrate-Generation/Tip-Collection, 或 SG/TC 方 式 ) ， 探 头 被 移 至 样 品 电 极 产 生 的 扩 散 层 内 。    这 种 方 式 被 用 于 检 测 酶 反

图 1 .  SECM 的 工 作 原 理 ： (A) 当 探 头 微 电 极 远 离 样 品 时 ， O 的 扩 散 导 致 稳 态 电 流 i_T,¥  。 (B) 当  探 头 靠 近 绝 缘 样 品 表 面 时 ， O 的 扩 散 受 阻 使 得 i_T < i_T,¥   。  (C) 当  探 头 靠 近 导 体 样 品 表 面 时 ， “ 正 反 馈 ” 使 得  i_T > i_T,¥   。 

应 ， 腐 蚀 ， 以 及 样 品 表 面 发 生 的 异 相 过 程 。 当 样 品 电 极 较 大 时 ， 这 种 方 式 的 应 用 具 有 某 些 局 限 性 ： (1) 大 的 样 品 电 极 不 容 易 达 到 稳 态 ； (2) 样 品 电 极 的 较 大 电 流 会 造 成 较 大 的 iR 降 ； (3) 收 集 效 率 ( 即 探 头 电 流 与 样 品 电 极 的 电 流 之 比 ) 较 低 。 因 此 对 于 动 力 学 测 量 经 常 用 探 头 来 产 生 反 应 产 物 而 用 样 品 电 极 来 收 集 ( Tip-Generation/Substrate-Collection, 或 TG/SC  方 式 ) 。

II .  SECM 应 用

     基 于 以 上 特 性 ， SECM 已 在 多 个 领 域 发 现 了 许 多 应 用 。 SECM 能 被 用 于 观 察 样 品 表 面 的 化 学 或 生 物 活 性 分 布 ， 亚 单 分 子 层 吸 附 的 均 匀 性 ， 测 量 快 速 异 相 电 荷 传 递 的 速 度 ， 一 级 或 二 级 随 后 反 应 的 速 度 ， 酶 - 中 间 体 催 化 反 应 的 动 力 学 ， 膜 中 离 子 扩 散 ， 液 / 膜 界 面 以 及 液 / 液 界 面 的 动 力 学 过 程 。 SECM 还 被 用 于 单 分 子 的 检 测 ， 酶 和 脱 氧 核 糖 核 酸 的 成 像 ， 光 合 作 用 的 研 究 ， 腐 蚀 研 究 ，化 学 修 饰 电 极 膜 厚 的 测 量 ， 纳 米 级 刻 蚀 ， 沉 积 和 加 工 ，  等 等 。 SECM 的 许 多 应 用 或 是 其 他 方 法 无 法 取 代 的 ， 或 是 用 其 他 方 法 很 难 实 现 的 。

     A . 样 品 表 面 扫 描 成 象

     通 过 在 靠 近 样 品 表 面 的 X-Y 平 面 上 扫 描 探 头 并 记 录 作 为 X-Y 坐 标 位 置 函 数 的 探 头 电 流 i_T ， 可 得 到 三 维 的 SECM 图 象 。 SECM 能 被 用 于 导 体 或 绝 缘 体 等 各 种 样 品 表 面 的 成 象 。 SECM 图 象 的 分 辨 率 取 决 于 探 头 电 极 的 直 径 。 目 前 人 们 能 够 制 作 的 最 小 探 头 的 直 径 为 20-30 nm ， 相 当 于 电 子 扫 描 显 微 镜 的 分 辨 率 。 图 2 为 用 2 微 米 直 径 的 铂 盘 微 电 极 在 Fe(CN)₆^4- 溶 液 中 得 到 的 高 分 子 滤 膜 的 SECM 图 象 。 滤 膜 的 平 均 孔 径 约 10 微 米 。除 了 可 得 到 样 品 表 面 的 地 形 地 貌 外 ， SECM 还 可 测 量 样 品 表 面 化 学 或 生 物 活 性 的 分 布 。

 图 2 .  用 2 微 米 直 径 的 铂 盘 微 电 极 在 Fe(CN)₆^4- 溶 液 中 得 到 的 高 分 子 滤 膜 的 SECM 图 象 。 滤 膜 的 平 均 孔 径 约 10 微 米 。

     B . 异 相 电 荷 转 移 反 应 的 研 究

     为了 进 行 异 相 电 子 转 移 动 力 学 研 究 ， 传 质 系 数 m 必 须 接 近 或 大 于 标准 异 相 电 子 转 移 速 度 常 数 k^o 。 对 于 瞬 态 电 化 学 测 量方 法 ( 例 如 CV 或 CA 等 ) ， 传 质 系 数 m 约 为 (D/t)^1/2 ， 其 中 t 是 实 验 的 时 间尺 度 。 为 了 测 量 快 速 反 应 ， CV 的 扫 描 速 度 要 提 到 非 常 高 ( 例 如 每 秒 一 百 万 伏 ) 。 用 SECM 也 能 进 行 各 种 金 属 ， 碳 或 半 导 体 材 料 的 异 相 电 子 转 移 动 力 学 的 研 究 。 探 头 电 极 被移 至 非 常 靠 近 样 品 电 极 表 面 处 从 而 形 成 非 常 薄 的 薄 层 电 解 池 。 当 薄 层 的 厚 度 d 小 于 电 极 的 半 径 a 时 ， 传 质 系 数 m 为 D/d 。 当 d 小 于 一 微 米时 ， 传 质 系 数 相 当 于 目 前 CV 能 达 到 的 最 高 扫 描 速 度 。 与 快 扫 描 循环 伏 安 法 ( CV ) 等 瞬 态 方 法 相 比 ， SECM 测 量 方 法 是 稳 态 测 量 ， 具 有 更 高 的 信 噪 比 和 测 量 精 度 ， 也 不 受 iR 降 和 充 电 电 流 的 影 响 。 用 此 方 法 测 得 二 茂 铁 在 乙 腈 溶 液 中 的 k^o  为 3.7 ± 0.6 cm/sec 。

     C . 均 相 化 学 反 应 动 力 学 研 究

     当 SECM 工 作 在 TG / SG 方 式 时 ， 相 当 于 旋 转 环盘 电 极 的 工 作 方 式 ， 对 于 研 究 均 相 化 学 反 应 特 别 有 用 。 SECM 可 很方 便 地 研 究 不 同 的 样 品 电 极 ， 而 无 需 制 备 不 同 材 料 的 环 盘 电 极 。 SECM 的 传 质 系 数 远 大 于 目 前 旋 转 环 盘 电 极 所 能 达 到 的 极 限 。 在 不 伴 随 化 学 反 应 的 电 极过 程 中 ， TG / SG 方 式 的 收 集 效 率 几 乎 可 达 100% ， 远 高 于 旋 转 环 盘 电 极 。

     假定 溶 液 本 体 溶 液 中 只 有 O 存 在 ， 探 头 电 极 的 电 位 足 够 负 ， O 会 被 还 原 成 R 。 而 样 品 电 极 的 电 位 足 够 正 ，使 得 R 又 会 被 氧 化 成 O 。 如 果  R 稳 定 的 话 ， 探 头 上 的 电 流 会 由 于样 品 电 极 上 O 的 再 生 而 得 到 增 强 ( 即 “ 正 反 馈 ” 过 程 ) 。 如 果 是 随 后 反 应 过 程 ， R 不 稳 定 而 进 一 步  生 成 无 电 活 性 的 最 终 产 物 ， 则 O 不 会 在 样 品 电 极 上 再生 。 这 时 将 观 察 到 “ 负 反 馈 ” 过 程 ， 探 头 电 极 上 电 流 减 小 。 对 一 给 定 随 后 反 应 体 系 ， 探 头 上 的 电 流 取 决于 探 头 和 样 品 电 极 间 的 距 离 d 和 随 后 反 应 的 速 度 常 数 k_c ：

     当 d²k_c / D >> 1 时，样 品 电 极 呈 绝 缘 体 行 为

     当 d²k_c / D << 1 时 ， 样 品 电 极 呈 导 体 行 为

     当 d²k_c / D ~ 1 时 ， 可 用 于 动 力 学 测 量

     同理 SECM 还 被 用 于 测 量 各 种 其 它 类 型 的 与 电 极 过 程 耦 联 的 化 学 反 应的 动 力 学 。 当 化 学 反 应 速 度 非 常 快 时 ， 则 要 求 探 头 非 常 靠 近 样 品 电 极 。

     D .  薄 膜 的 表 征

     SECM 也 是 研 究 电 极 界 面 上 薄 膜的 十 分 有 用 的 技 术 。 可 将 探 头 电 极 插 入 膜 中 进 行 直 接 电 化 学 测 量 ， 或 通 过 媒 介 反 应 进 行 测 量。 这 方 面 的 实 例 包 括 多 电 解 质 ， 导 电 高 分 子 ， 金 属 表 面 的 钝 化 膜 等 的 测 量 。 其 中 一 个 有 趣 的应 用 是 在 已 富 集 了 Os(bpy)₃^2+/3+ 的 Nafion 膜 中 用 SECM 直 接 进 行 电 化 学 测 量 。 当探 头 在 膜 外 面 时 ， 无 电 流 流 过 。 当 探 头 刚 碰 到 膜 时 ， 电 流 突 然 增 加 。 当 探 头 在 膜 中 朝 着 样 品电 极 表 面 移 动 但 离 表 面 尚 有 距 离 时 ， 电 流 是 稳 定 值 。 根 据 此 电 流 可 计 算 得 扩 散 系 数 而 不 受 其它 因 素 的 复 杂 化 影 响 。 当 探 头 移 至 样 品 电 极 表 面 附 近 时 ， 可 观 察 到 由 反 应 物 再 生 的 “ 正 反馈 ” 过 程 引 起 的 电 流 的 进 一 步 上 升 。 由 此 可 见

SECM 为 研 究 高 分 子 修 饰 电 极 的 电 荷 传 递 动 力 学 提 供了 十 分 重 要 的 手 段 。 它 亦 允 许 现 场 测 量 溶 涨 后 的 膜 的 厚 度 。 膜 厚 是 化 学 修 饰 电 极 研 究 中 的 一个 重 要 参 数 。 过 去 人 们 只 能 猜 测 估 计 溶 涨 后 的 膜 厚 而 无 法 进 行 实 际 测 量 ， 只 能 根 据 粗 略 估 计的 膜 厚 进 行 其 它 参 数 的 计 算 。

     E .  液 / 液 界 面 的 研 究

     液 / 液 界 面 研 究 对 于 理 解 电 荷 转 移 过 程 ， 化 学 传 感 器 ， 药 物 释 放 过 程 ， 溶 剂萃 取 过 程 有 着 重 要 的 意 义 。 液 / 液 界 面 电 化 学 测 量 通 常 涉 及 经 修改 的 恒 电 位 仪 控 制 两 相 间 两 个 参 比 电 极 的 电 位 差 并 测 量 流 过 两 个 辅 助 电 极 间 的 电 流 信 号 。但 传统 的 方 法 不 能 区 分 电 子 转 移 和 离 子 转 移 过 程 ， 数 据 有 可 能 受 到 电 容 电 流 以 及 非 水 相 的 iR 降 的 影 响 而 失 真 。 当 SECM 用 于 液 / 液 界 面 研 究 时 ， 两 相 的 电 位 是 由 两 相 中 的 电 对 的 浓 度 决 定 的 。 假 定 上 面相 的 溶 液 中 含 还 原 物 质 R₁ ， 控 制 探 头 电 极 的 电 位 使得 R₁ 会 在 探 头 上 氧 化 成 O₁ 。 当 探 头 接 近 两 相 界 面 时 ， 探 头 上 产 生 的 O₁ 会 与 下 面 相 中 的 还 原 物 质 作 用 而 再 生 R₁ 。 探 头 上 的 电 流 从 而 由 于 “ 正 反 馈 ” 而 增 加 。 在 这 一 过 程 中 电 子 从 下 面 相 转 移 至 上 面 相， 为 了 保 持 两 相 的 电 中 性 ， 离 子 在 两 相 间 的 转 移 也 同 时 发 生 。 由 于 SECM 实 验 中 电 子 转 移 是 在 探 头 附 近 的 微 区 内 发 生 ， 而 离 子 的 转 移 是 在 大 得 多 的 整 个 相界 面 发 生 ， 电 子 转 移 过 程 受 离 子 转 移 过 程 的 影 响 极 小 。

     F .  生 物 体 系 的 测 量 和 成 象

     SECM 可 用 于 观 察 人 工 或 天 然 的 生 物 体 系 。 电 流 法 和 电 位 法 ( 离 子 选 择 电 极 ) 都 被 使 用 。 这 方 面 的 例 子 包 括 人 造 和天 然 皮 肤 的 离 子 或 分 子 的 渗 透 ， 生 物 酶 活 性 的 分 布 和 检 测 ， 植 物 叶 子 光 合 作 用 和 呼 吸 作 用 的研 究 ， 破 骨 细 胞 的 钙 离 子 和 过 氧 化 物 的 测 量 ， 抗 原 抗 体 及 DNA 的成 象 ， 等 等 。

     SECM 可 用 于 测 量 酶 与 媒 介 反 应 的 动 力 学 。 当 葡 萄 糖 氧 化 酶 被 固 定 在 表 面 或 膜 中 并 当 氧化 剂 存 在 时 能 催 化 葡 萄 糖 的 氧 化 。 溶 液 为 媒 介 体 ( 如 亚 铁 氰 化 钾， 甲 基 紫 精 ， 或 二 茂 铁 的 羧 酸 衍 生 物 ) 的 还 原 态 R 。 控 制 探 头 电 极 使 得 R 能 被 氧 化 成 O ， 当 探 头 移 至 样 品 表 面 时 ， 探 头 上 产 生 的 O 将 参 与 催化 反 应 。 探 头 上 的 电 流 将 取 决 于 催 化 反 应 的 动 力 学 速 度 。

     G .  纳 米 加 工

     当探 头 电 极 移 至 样 品 表 面 时 ， 电 子 转 移 局 限 于 靠 近 样 品 表 面 的 很 小 的 局 部 区 域 。 这 个 特 性 能 用于 微 区 沉 积 或 刻 蚀 。 探 头 电 极 可 作 为 工 作 电 极 或 对 极 来 直 接 进 行 表 面 加 工。 也 可 在 探 头 电 极 上产 生 试 剂 与 样 品 作 用。 例 如 在 探 头 上 将 Br^- 氧 化 成 Br₂ 以 刻 蚀 半 导 体 砷 化 镓 。 也 可 通 过 产 生 还 原 物 质 使 表 面 修饰 膜 中 的 贵 金 属 络 合 物 还 原 沉 积 。 加 工 分 辨 率 取 决 于 探 头 电 极 大 小 ， 探 头 电 极 距 样 品 的 距 离。 除 了 金 属 和 半 导 体 的 沉 积 刻 蚀 外， 人 们 还 能 沉 积 高 分 子 ， 有 机 和 生 物 分 子。 这 是 微 电 子 照 相刻 蚀 技 术 做 不 到 的 。

III .  参 考 资 料

"Scanning Electrochemical Microscopy" A.J. Bard and M.V. Mirkin eds., Marcel Dekker, New York, 2001.