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电化学分析

伏安分析法 Voltammetry

　　伏安分析法是指以被分析溶液中电极的电压-电流行为为基础的一类电化学分析方法。与电位分析法不同，伏安分析法是在一定的电位下对体系电流的测量；而电位分析法是在零电流条件下对体系电位的测量。极谱分析方法（Polarography）是伏安分析方法的早期形式，1922年由Jaroslav Heyrovsky创立。因其在这一研究中的杰出贡献，1959年Heyrovsky被授予诺贝尔化学奖。从六十年代末，随着电子技术的发展，以及固体电极，修饰电极的广泛使用以及电分析化学在生命科学与材料科学中的广泛应用，使伏安分析法得到了长足的发展，过去单一的极谱分析方法已经成为伏安分析法的一种特例。本节重点介绍伏安分析目前最常用的三种方法即循环伏安法、极谱分析法和电流型生物传感器。

1 循环伏安分析方法

　　1.1循环伏安法概述

　　伏安分析法是在一定电位下测量体系的电流，得到伏安特性曲线。根据伏安特性曲线进行定性定量分析。所加电位称为激励信号，如果电位激励信号为线性电位激励，所获得的电流响应与电位的关系称为线性伏安扫描；如果电位激励信号如图1.14（左）那样的三角波激励信号，所获得的电流响应与电位激励信号的关系称为循环伏安扫描。正向扫描时，电位从E₁扫到E₂，即从-0.2扫到0.2V vs SCE。电位辐值为0.4V。反扫时电位从E₂扫到E₁（从0.2到-0.2 V vs SCE）。E^c_p, E^a_p, 分别为阴极峰值电位与阳极峰值电位。I^c_p, I^a_p分别为阴极峰值电流与阳极峰值电流。这里P代表峰值，a代表阳极，c代表阴极。循环伏安扫描时的电位范围确定的基本要求是建立在对背景（电化学窗口）扫描的基础上的（图1.14中曲线2）。换句话说，背景扫描应为一条稳定的基线。基线的特征应主要表现为电极表面的电容特性。它与电极的性质，表面粗糙度，电极表面积以及设定的灵敏度相关。

图1.14 循环伏安扫描中的激励信号（左）与响应信号（右）。

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　　1.2 可逆体系下的循环伏安扫描

　　Fe(CN)₆^3-与Fe(CN)₆^2-是典型可逆的氧化还原体系。图1.15是Fe(CN)₆^3-在金电极上典型的循环伏安扫描曲线。电位激励信号为三角波信号。E₁与E₂分别为0.8, -1.2 V vs SCE，电位辐值为1.0V。E^c_p, E^a_p, 分别为阴极峰值电位与阳极峰值电位。I^c_p, I^a_p分别为阴极峰值电流与阳极峰值电流。确定峰值电流的方法可以采用切线法。
　　正扫时（向左的扫描）为阴极扫描：
　　　　　　Fe(CN)₆^3- + e^- = Fe(CN)₆^2- 　　　　　　　　　　　　（1.23）
　　反扫时（向右的扫描）为阳极扫描：
　　　　　　Fe(CN)₆^2- - e^- = Fe(CN)₆^3- 　　　　　　　　　　　　（1.24）
　　在该电极体系中，式（1.23）与式（1.24）还原与氧化过程中的电荷转移的速率很快，电极过程可逆。这可以从伏安图中还原峰值电位与氧化峰值电位之间的距离得到判断。一般地，阳极扫描峰值电位E^a_p与阴极扫描峰值电位E^c_p的差值（DE_p）可以用来检测电极反应是否是Nernst反应。当一个电极反应的DE_p接近2.3 RT/nF (或59/n mV，25°C)时，我们可以判断该反应为Nernst反应，即是一个可逆反应。从图1.15左图可见，DE_p相差接近于59 mV，还原电流与氧化电流增加较快。这是因为，在阴极过程中，Fe(CN)₆^3-获得电子还原成Fe(CN)₆^2-的速度较快，电极表面Fe(CN)₆^3-离子浓度迅速降低，反应电流迅速增加。由于反应电流增加的较快导致电极表面Nernst层恢复Nernst平衡的倾向增加，在阴极扫描中出现峰值电流及峰值电位。当反向扫描时，在电极表面产物Fe(CN)₆^2-离子的浓度接近于反应离子Fe(CN)₆^3-的初始浓度。换句话说，反扫描所获得伏安扫描曲线相当于在与Fe(CN)₆^3-初始浓度相同的Fe(CN)₆^2-离子的阳极伏安扫描。于是阴极波与阳极波基本上是对称的。伏安扫描曲线可以作半微分处理，得到伏安曲线灵敏度有较大的提高（图1.15右图）。
　　所谓电极反应可逆体系是由氧化还原体系，支持电解质与电极体系构成。同一氧化还原体系，不同的电极，不同的支持电解质，得到的伏安响应不一样。因此，寻找合适的电极，支持电解质，利用伏安分析方法进行氧化还原体系的反应粒子浓度以及该体系的电化学性质研究是电分析化学重要任务。

图1.15 Fe(CN)₆^3-在金电极上的循环伏安扫描（左）及半微分扫描（右）。
Fe(CN)₆^3-：25mM; KNO₃ 1M。扫描速度：20mV/s。

　　图1.15伏安扫描图谱中的电化学响应来源于铁中心离子的氧化还原。铁离子在溶液中的形态不同，所获得的伏安响应不同。例如当铁的活性中心处于细胞色素C（一种生物体系中的电子传递蛋白）中时，伏安响应将发生变化（图1.16）。

图1.16 细胞色素C在PGE电极上的循环伏安扫描。
从内到外扫描速度为： 1, 5, 10 mVs^-1。

　　从图1.15到图1.16，我们可以看到铁在不同的状态下伏安图谱是不一样的。前者是一种配合物状态；后者是铁活性粒子与蛋白质的相互作用。实际上不同的蛋白质结构，尽管都含有铁活性中心，其伏安图谱是不一样的。例如血红蛋白，肌红蛋白与细胞色素C都含有铁活性中心，但其伏安行为是不同的。对于同一种蛋白，不同构象，伏安行为也不同。因此，伏安分析方法不仅可以用来分析不同的电子传递蛋白，而且可以用来分析不同蛋白质构象情况下的电子传递行为。

1.3 不可逆体系下的循环伏安扫描

　　当电极反应不可逆时，氧化峰与还原峰的峰值电位差值相距较大。相距越大不可逆程度越大（图1.17）。一般地，我们利用不可逆波来获取电化学动力学的一些参数，如电子传递系数a以及电极反应速度常数k等。这部分内容请参考有关参考文献（如A.J. 巴德，L.R. 福克纳，电化学方法原理与应用化学工业出版社，1986）。

图1.17 可逆与不可逆伏安图谱的比较

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