Versa SCAN原位局部扫描电化学测试技术获新研究进展

Versa SCAN　原位局部扫描电化学测试技术

阿美特克集团科学仪器部 黄建书博士

　　传统的宏观电化学测试技术，如恒电位、恒电流、循环伏安和交流阻抗等测量的是样品整体响应，整个电极／电解液界面的平均响应信号。由于样品很少为均相，所以样品通常由钝化／活化自然属性的局部区域，或者阴极／阳极特性的局部区域组成，并且样品的性质变化往往由于局部反应和变化所导致，如腐蚀过程通常是由点腐蚀和缝隙腐蚀开始，催化剂表面并非所有位置都有催化活性，表面仅有部分活性点有催化效果等等。因此，宏观测试技术在研究中受到局限性，可以通过探针／微电极在样品表面扫描，监测电流、电压和阻抗等电信号的变化来区分局部反应发生的程度、位置和区域大小。

　　根据应用不同，可分为以下九种技术

1. 扫描电化学显微镜(SECM)

2.等距离扫描-柔性探针技术 (Stylus SECM)

3.无氧化还原介质SECM技术(AC-SECM)

4. 扫描振动电极测量系统(SVET，SVP)

5. 微区电化学阻抗系统(LEIS)

6. 扫描开尔文探针系统(SKP)

7. 扫描微液滴系统(SDC)

8. 非接触式光学微区形貌探测系统(OSP)

9. 表面离子浓度成像系统(ISP)

Fig 1 Versa SCAN 系统概图

　　由于成像机理是电化学，所以SECM， SVET和LEIS等技术的应用就如同电化学反应本身的应用一样多种多样。在某些关键的领域，如腐蚀机理研究，能源材料，生物传感器，反应动力学，多孔膜，燃料电池催化剂等方面发挥巨大作用。

Fig 2 基体7075 Al表面涂层耐腐性评价，相同区域面扫描， pH 3(左)，pH 8 (右)和pH 6.85 (中)，

电解液为0.1 M磷酸缓冲溶液

ECS Transactions, 66 (30) 65-71 (2015)

　　微区探针扫描有两种模式，等高扫描和等距离扫描。等高扫描适合于样品非常平整的表面或者粗糙度比较小的样品，但对于部分应用的样品无法抛光或确保非常小的粗糙度范围，比如腐蚀涂层，表面修饰电极，生物样品等，如果按照等高度进行扫描，由于样品的高度发生变化，所以探针移动的每个位置和样品表面的距离会发生变化，这会从而导致最终结果中的信号变化，很可能来自于探针和样品的距离变化而非样品表面真实的性质变化，因此等高模式扫描对于样品表面粗糙度比较大的样品测试具有很大局限性。

　　为了克服样品粗糙度较大对于测试结果的影响，需要使用等距离扫描模式，即探针尖端到样品的距离保持恒定，如何实现等距离扫描呢？

　　Ametek 科学仪器部与瑞士洛桑理工Hubert H. Girault教授团队合作开发了Versa SCAN-Stylus Probe柔性探针测试系统，该系统所采用的探针构造如下，中心为柔性碳纤维，碳纤维外层覆盖厚度均匀的聚合物涂层，在扫描过程中探针与样品表面成一定角度，探针到样品的距离保持恒定，即探针外侧涂层的厚度决定了探针到样品的距离，如涂层的厚度为10um，则探针到样品的距离为10um。

Fig 3 柔性探针扫描示意图

Fig 4 柔性探针扫描过程

　　柔性探针技术优势如下：适用于倾斜的，褶皱的和粗糙的样品。与样品软接触：接触力为硬探针接触的1/1000，所以柔性探针技术成为研究生物样品的理想选择。

1.  低成本：无需额外硬件的特殊反馈和电子控制用于控制探针和样品表面的垂直距离

2.  快速测量: SECM扫描前无需样品表面形貌测量

3.  柔性和稳定性探针: 定位和扫描时探针和样品不会被损坏，如肿瘤细胞组织和测试

4.  小的尖端：探针样品距离易于控制可提高成像的对比度和分辨率

5.  电极易于制备: 使用后电极的尖端可以切除确保表面干净。

Fig 5 左边：三期黑色素瘤(异相分布并且络氨酸浓度较低) 右边:二期黑色素瘤

(均相分布并且谷氨酸浓度较高)

Fig 5 PVDF膜上的香蕉液污点，由样品发生-探针收集模式使用多巴氨检测谷氨酸酶

　　近来，在燃料电池催化剂表面活性位表征，锂离子电池金属锂负极枝晶的行成机制，正极材料的溶解导致的性能下降和充放电过程中材料表面电阻变化与容量之间的关系等研究展现出广阔前景。

Fig 6  锂离子电池原位测试池，LEIS用于检测锂离子电池正极材料

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