CHI900D/920D扫描电化学显微镜

CH Instruments与University of Taxes at Austin的化学系的Allen J. Bard教授合作实现了电化学扫描显微镜的仪器商品化，从而使得这一强有力的研究方法走进了更多的实验室。

         扫描电化学显微镜与扫描隧道显微镜(STM)的工作原理类似。但SECM测量的不是隧道电流，而是由化学物质氧化或还原给出的电化学电流。尽管SECM的分辨率较STM低，但SECM的样品可以是导体，绝缘体或半导体，而STM只限于导体表面的测量。SECM除了能给出样品表面的地形地貌外，还能提供丰富的化学信息。其可观察表面的范围也大得多。

         在SECM的实验中，探头先移动到非常靠近样品表面，然后在X-Y的平面上扫描。探头是双恒电位仪的*个工作电极。如果样品也是导体，则通常作为第二个工作电极。探头的电位控制在由传质过程控制的氧化或还原的电位。而样品的电位被控制在其逆反应的电位。由于探头很靠近样品，探头上的反应产物扩散到样品表面又被反应成为原始反应物并回到探头表面再作用，从而造成电流的增加。这被称为＂正反馈＂方式。正反馈的程度取决于探头和样品间的距离。如果样品是绝缘体，当探头靠近样品时，反应物到电极表面的扩散流量受到样品的阻碍而造成电流的减少。这被称为＂负反馈＂方式。负反馈的程度亦取决于探头和样品间的距离。探头电流和探头与导体或绝缘体样品间的距离的关系可通过现有理论计算得到。

         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，溶液/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。

         CHI900D/920D扫描电化学显微镜是CHI900C/920C的改进型。仪器由双恒电位仪/恒电流仪，高分辨的三维定位装置，和样品／电解池架子组成。三维定位装置采用步进电机(CHI900D)或者步进电机与压电晶体的组合(CHI920D)，可允许50毫米的运行距离并达到纳米的空间分辨。与CHI900B/910B采用的步进电机相比，新的步进电机的线性度和分辨率都明显改善。步进电机移动平台的分辨率可达4纳米。这使得大部分SECM的应用可以仅用步进电机定位器(CHI900D)来实现。从而进一步降低了仪器的价格。在需要不断调整定位器而达到电流控制或其它控制的情况下，可采用步进电机与压电晶体闭环控制定位器的组合(CHI920D)。CHI920D的压电晶体闭环控制定位器为XYZ三维空间。

         CHI900D/920D扫描电化学显微镜集成了数字信号发生器和高分辨数据采集系统。电位范围为±10V，电流范围为±250mA。仪器的噪声极低，其电流测量可低于1pA。两个工作电极的电位可单独控制，也允许同步扫描或阶跃。与CHI900B相比，CHI900D在保持低噪声的条件下，速度大为提高。信号发生器的更新速率为10MHz，数据采集采用两个同步16位高分辨低噪声的模数转换器，双通道同时采样的高速率为1MHz。循环伏安法的扫描速度为1000V/s时，电位增量仅0.1mV，当扫描速度为5000V/s时，电位增量为1mV。仪器增加了交流测量方法，如交流阻抗的测量频率可达1MHz，交流伏安法的频率可达10KHz。CHI900D仍具备恒电流仪，正反馈iR降补偿，用于旋转电极转速控制的模拟电压输出信号(0-10V)，外部信号输入通道，以及一个16位高分辨高稳定的电流偏置电路。

         除了SECM成像以外，仪器还提供探头扫描曲线，探头逼近曲线和表面成像处理。探头可沿X，Y，或Z的方向扫描，探头和第二工作电极的电位可独立控制并分别测量两个通道的电流。当电流达到某一设定值时，探头会停止扫描。探头逼近表面时采用PID控制，可自动调节移动步长使得快速逼近但又避免探头碰撞样品表面。仪器的控制软件是多用户界面的视窗程序，十分友好易用。仪器的其他特点还包括灵活的实验控制，数据分析，并集成了三维图形。除了电流检测方式，探头的电位也能被检测，从而允许用电位法做SECM。仪器还允许多种常规电化学测量方法。