基于损失模式共振光纤传感器的增强型光谱电化学装置

       光谱电化学（SEC）测量在分析化学中起着至关重要的作用，利用透明或半透明电极对电化学过程进行光学分析。电化学读数提供了有关电极状态的信息，而透射光谱的变化有助于识别电化学反应的产物。

       据麦姆斯咨询报道，近日，波兰华沙理工大学（Warsaw University of Technology）的研究人员开发了一种增强型光谱电化学装置，其中，基于双域（光学和电化学）光纤的传感器直接用作工作电极，同时像光谱电化学一样单独测量分析物的光学特性。该传感器采用反射（探针状）配置，其中只有短纤芯部分涂有氧化铟锡（ITO）并浸入分析物中。对ITO纳米涂层的性能进行了优化，以满足在期望的反射光谱范围内获得损失模式共振（LMR）的条件。基于LMR和分光光度计的测量在单独的光路中进行。这产生了一种具有电化学激活的两个垂直定向光谱通道的新形式。相关研究成果以“Enhanced spectroelectrochemistry with lossy-mode resonance optical fiber sensor”为题发表在Scientific Reports期刊上。

      在这项工作中，ITO-LMR传感器是基于聚合物包层的石英（PCS，芯径 = 380 μm）多模光纤。由于传感器设计为反射（探针状）配置以有效地引导在光纤端面之一处反射的光，因此使用直流磁控溅射技术在其中一个光纤端面上沉积一层铝膜。必须注意的是，只有当LMR传感器用作工作电极时，传感器/电极的光学询问（通道2中的光学测量）才是可能的，而当使用铂网或ITO涂覆的载玻片时则不可能。

增强型SEC装置（LMR传感器作为工作电极）的示意图

      增强型SEC装置提供了三种类型的询问读数：电化学测量、与分析物体积相对应的光谱分析（类似于标准SEC）、反映传感器/电极表面状态的LMR光谱分析。在每个询问路径中，分别用铁氰化钾和亚甲基蓝两种氧化还原反应探针进行循环伏安法（CV）实验。随后，在传感器的计时电流（CA）测量期间进行同步测量，并检查读数之间的相互关系。

（A）铁氰化钾和亚甲基蓝溶液中LMR传感器的CV扫描；（B）LMR光谱的演变，其中施加电压以诱导氧化还原探针的氧化和还原；（C）计时电流响应，显示LMR传感器在亚甲基蓝溶液中的可重复响应。

LMR传感器支持的增强型SEC配置中的多步电流法测量结果（铁氰化钾作为氧化还原探针）

LMR传感器支持的增强型SEC配置中的多步电流法测量结果（亚甲基蓝作为氧化还原探针）

       总而言之，研究人员开发了一种基于ITO的损失模式共振光纤传感器的增强型光谱电化学测量系统。由于ITO膜的优化厚度和光学性质，在光学域中观察到了LMR，而ITO的电学性质允许将传感器也用作电化学装置中的工作电极。通过检测两种氧化还原探针，即铁氰化钾和亚甲基蓝，证明了该方法。由于LMR强烈地依赖于外部介质的属性和传感器表面发生的变化，因此外加电压的变化会引起共振波长的移动以及特定波长的透射。此外，外加电压引起的变化具有高度可逆性。与标准工作电极相比，“针状”形式的传感器结构紧凑，因此在测量系统内传感器的放置方面提供了很大的灵活性，并能够减小分析样品的体积。此外，这种传感器的制造具有可扩展性，高度可重复性和低成本。利用ITO-LMR增强型光谱电化学装置，增加了关于工作电极表面状态、氧化还原反应本身的信息，并交叉验证了获得的结果，从而提高了分析的灵敏度。这种三通道系统将来可以应用于其他分析，也可以应用于需要使用便携式系统的传感应用。

论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41598-023-42853-0

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