[发明专利]一种电化学电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学电极。

背景技术

电化学工作站将一个恒电位仪、信号发生器和相应的控制软件进行有机的结合，可以在电脑的控制下完成开路电位监测、恒电位(流)极化、动电位(流)扫描、循环伏安、恒电位(流)方波、恒电位(流)阶跃以及电化学噪声监测等多项测试功能。测量过程中可以根据数据实时绘图，能对电位--电流曲线进行各种平滑和数字滤波处理，并可直接将图形以矢量方式输出。一个简单的电分析化学实验系统组成为：工作电极、参比电极、辅助电极、电解质溶液、恒电位仪、PC计算机(接口+软件)。

工作电极(WE)又称研究电极，指示电极。对工作电极的要求：所研究的电化学反应不会因电极自身发生的反应而受到影响，测定的电位区域较宽，电极不与溶剂或电解液组分发生反应。工作电极种类按使用材质不同包括金属电极和非金属电极，常见的有玻碳电极、金电极、铂电极、银电极、石墨电极等。

生物传感器通常由生物识别元件和信号转换器件两个部分组成，生物识别单元具有专一的选择性，可以获得极其高的灵敏度；而信号转换器通常是一个独立的化学或物理敏感元件，可采用电化学、光学、热学、压电等多种不同原理工作。把分子识别功能基底同高灵敏的信号转换器件相结合，就构成多种多样、千变万化的生物传感器。根据生物反应产生信息的物理或化学性质，信号转换器通常采用电化学、光谱、热、压电及表面声波等技术与之相匹配，而由此衍生出电化学生物传感器、光生物传感器、半导体生物传感器、热生物传感器和压电晶体生物传感器等。

因为电化学转换器件具有较高的灵敏度，易微型化，能在浑浊的溶液中操作等许多优势，并且所需的仪器简单、便宜，因而被广泛应用于传感器的制备中。通过化学修饰的方法在电极表面进行分子设计，将具有优良化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面，造成某种微结构，构成电化学生物传感器，赋予电极某种特定的化学和电化学性质，以便高选择性的进行所期望的反应。

循环伏安法一种常用的电化学研究方法。该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线。根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度，中间体、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶联化学反应的性质等。常用来测量电极反应参数，判断其控制步骤和反应机理，并观察整个电势扫描范围内可发生哪些反应，及其性质如何。对于一个新的电化学体系，首选的研究方法往往就是循环伏安法，可称之为“电化学的谱图”。

循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。也可用于定量确定反应物浓度，电极表面吸附物的覆盖度，电极活性面积以及电极反应速率常数、交换电流密度，反应的传递系数等动力学参数。

对于一个电极反应：Ox+ze→Red其反应速度的大小与通过的法拉第电流密切相关。

i＝dQ/dt

dn＝dQ/zF

反应速度可表示为：

v＝-(dn_Ox/dt)＝-(dn_e/dt)＝dn_Red/dt＝i/zF

式中，i表示电化学反应的电流，Q表示电化学反应通过的电量，t表示电流通过的时间，z表示电极反应电子的计量数，dn_Ox、dn_Red、dn_e等分别表示电解产生或消耗的各对应物种的量和电子的物质的量，v为电极反应进行的速度。

由于电极反应是在电极/电解液亮相界面上发生的异相过程，其反应速度通常用单位面积的电流密度来表示，即：

v＝i/zFA＝j/zF

表达式中A为电极表面积，j是电流密度(A/cm²)

对于发生于异相界面的电极反应，施加在工作电极上的电势表示了电极反应的难易程度，流过的电流表示了电极表面上所发生反应的速度。因此，适当增加电极有效面积可以提高电流响应大小，但不宜过大，面积过大则使得电极的电流密度变小，从而导致电极反应速率的降低。

在常规电化学分析测定时，经常会遇到电极与被测物质之间的接触面积有限、反应时间较短等问题，从而影响到了电化学分析测定的灵敏度和准确性。因此，提高电极与被分析物质接触面积以及提高电极表面反应效率是提高电极分析性能的一个重要指标。另一方面，在实际应用中，许多待测样品为气雾状，而采用常规电化学系统无法实现对气雾状样品的测定。因此，通过改进电极结构以扩展电化学分析仪器在实际中的应用成为电分析的难点课题之一。