扫描探针显微镜及其应用课件

CollegeofChemistry，JilinUnivercityEmail:zqzhang@Phone7ScanningProbingMicroscopies(SPMs)

张志权扫描探针显微镜及其应用Outline:1.Introduction

2.Instrumentation 3.Theory

4.Applications

REFERENCES:1.R.M.WightmanandD.O.Wipf,inElectroanalyticalChemistry,Vol:15,(A.J.Bard,Ed.),MarcelDekker,NewYork,1988,p.2672.A.J.Bard,F.Fan,J.KwakandO.Lev,Anal.Chem.,1989,61,1321989,61,1221.3.M.V.Mirkin,Anal.Chem.,1996,68,177A4.M.V.Mirkin,Mikrochim.Acta.,1999,130,1275.A.J.Bard,F.FanandM.V.Mirkin,inElectroanalyticalChemistry,Vol:18(A.J.Bard,Ed.),Marceldekker,NewYork,1993,p.2436.扫描力显微术，白春礼，田芳和罗克，科学出版社，2000Figure.(a)Representationoftunnelingbetweentipandsampleatoms.Shadedportionsdenoteelectrondistributions.(b)TipattachedtothreePiezoelementsusedtopositionthetipandscanitacrossasurfaceSTMitun=(constant)Vexp(-2x)=V/RtunWhereVisthetip-substratebias,xisthedistancebetweentipandsurface,1Å-1,AndRtunistheeffectiveresistanceofthetunnelinggap,typically109to1011ohms.Figure.CellforelectrochemicalSTM.Upper:schematicdiagram.Lower:NanoscopeIIIcell,topview.Figure.STMimagesofHOPG.Gray-scaleimagesatlowresolution(left)andhigherresolutiontopographicplot(right)ScanningElectrochemicalMicroscopy(SECM)Scanningelectrochemicalmicroscopy(SECM)wasintroducedin1989byBardandco-workersattheUniversityofTexasatAustinwhopublishedaseriesofpapersdescribingtheinstrumentationtheory,principlesandapplicationsofthetechnique.SECMisanovelin-situelectrochemicaltechniquewithitsspatialresolutionbetweenopticalmicroscopyandSTM.Sinceitsintroduction,ithasprovidedconsiderableinsightsinto,andanunderstandingof,localizedsurfacereactivityatavarietyofsolid/liquidinterfacesrangingfrombiomaterials,polymersandmineralstoelectrodesurfaces.Ionandelectrontransferprocessesoccurringattheliquid/liquidinterfacehavealsobeenstudied.2.InstrumentationA.BasicApparatusThebasicSECMapparatusconsistsoffourparts:tippositioncontroller;electrochemicalcell(includingtip,substrate,counterandreferenceelectrodes);bipotentiostatanddataacquisitionsystemB.MicroprobesTheinformationobtainablefromSECMmeasurementsdependsmostlyonthetypeandsizeoftheusedmicroprobe.(1)Amperometrictips:solidUMEs, micro-tonano-meterdiskUMEs(2)Potentiometrictips:Ion-selectivemicroelectrodes(3)Dual-functionaltips:Antimony(Sb),dual-channeltips(4)TipsbasedonCharge-transferacrossliquid/liquidinterface:electrontransfer,iontransferprocesses(Micropipettes)SECM探针为被绝缘层包围的超微圆盘电极(UMDE),常为贵金属或碳纤维,半径在微米或亚微米级。制作时把清洗过的微电极丝放入除氧毛细玻璃管内,两端加热封口,然后打磨至电极部分露出,由粗到细用抛光布依次抛光至探针尖端为平面。也少量涉及到半球面电极。而锥形的电极尖端因探针电流不随d而变化,故很少使用。再小心地把绝缘层打磨成锥形,以在实验中获得尽可能小的探针-基底间距(d)。探针的制备探针的质量SECM的分辨率主要取决于探针的尺寸、形状及探针-基底间距(d)。能够做出小而平的超微盘电极是提高分辨率的关键所在,且足够小的d与a能够较快获得探针稳态电流。同时要求绝缘层要薄,减小探针周围的归一化屏蔽层尺寸RG(RG=r/a,r为探针尖端半径)值,以获得更大的探针电流响应。尽可能保持探针端面与基底的平行,以正确反映基底形貌信息。Fulian等人报道边界元法(BEM)可用于模拟和考察非规则形状的SECM电极。另外,也可通过数值处理或探针位置调制-锁相检测技术来提高扫描图像的清晰度。探针的新发展1995年,Bard等人研制出一种新型玻璃微管探针。它利用电子在两种互不相溶的电解质溶液界面的迁移进行检测。用于半导体电化学研究的探针也有报道,可检测基底上光化学反应的产物。近年来,又研究出纳米级探针和亚纳升体积的SECM微电解池,而且对于超微电极的研究也从平板电极和半球体电极发展到了超微圆环电极及环盘电极。iT,=4nFDCa半径(A)91；(B)27；(C)1.8nm玻璃微、纳米管及其在电分析化学中的应用介绍玻璃微、纳米管的发展历史及其制备进展。对其在分析化学中的应用进展,特别对其在液/液界面电化学和电分析化学研究中的应用进行了介绍。微米管纳米管纳、微米管的SEM图玻璃微、纳米管(Micro/nano-Pipettes)较早应用于神经科学研究,使用此技术的德国人Neher和Sakmann曾于1991年获得诺贝尔生理和医学奖。由于玻璃微、纳米管的尺寸在从微米到纳米的范围内,选择适当的配体可用做微选择性电极,适用于微区、活体、现场直接检测。同时由于制备仪器、制备技术的不断进步,到目前可以制备出单、双、多通道和Theta(H)以及膜片钳(Patch/Claming)等多种多样、各种用途的玻璃微、纳米管,促进了它们在分析化学中的应用。制备方面的进展由于玻璃微、纳米管在生命科学上的独特应用,人们一直致力于制备技术的改进以期得到管头极好(Ultrafine)的玻璃微、纳米管。1931年DuBois

设计出第一台拉制机

。随后人们一直致力于拉制机的改进,Livington

等和Alexander等分别对拉制机作了较大的改进。1956

年Winsbury

设计出垂直拉制机,拉制出多通道微米管。1960年Lux发现微米管的管头在使用空气流加速冷却时可以缩短。1974

年才由Brown和Flaming制备得到管头极好且较短的微米管1977年Brown和Flaming逐渐采用各种新技术,设计了一系列玻璃微、纳米管拉制机P277、P280、P287、P297(SutterInstrumentCo.,美国)。P-2000

以激光为热源,可制备出管头平整、较短的单、双、多通道和Theta(H)微、纳米管。辅助一些其它技术还可以得到一些特殊管头的玻璃微、纳米管,如通过斜截式摩擦(Beveling)可使管头容易穿透组织进入细胞,同时可以减少对细胞的损害;又如膜片钳(Patch/Clamping)技术中应用的玻璃微、纳米管,可以研究细胞膜上的单离子通道以及所夹取的细胞膜微片的跨膜电流、膜阻抗和膜电容。70年代,Neher和Sakmann用膜片钳技术研究细胞膜上的离子通道,记录了离子流动的微弱电信号(pA级),同时阐明了细胞分泌机理,为此他们荣获1991年诺贝尔生理和医学奖。诺贝尔委员会评价他们的工作是对当代生物学的一次革命,有助于理解几种疾病的基本的细胞内机理,其中包括糖尿病和囊性纤维变性。值得一提的是,玻璃微、纳米管技术是基因工程领域的一项重要技术,它可为药物传输提供新的方式和途径。例如对基因定位,向细胞内住入某种人造基因物质,使其在细胞内繁殖产生特定的可用于医疗目的的某种物质。因此,这项技术有助于丰富人们的医药知识,并推动人们对医药的实际应用。另外,在目前很时髦的克隆技术中,玻璃微、纳米管也得到了广泛的应用。在离子传感和其它分析技术方面的应用离子选择性电极是一种能在多种离子存在下,用电位法测定溶液中给定离子活度的分析测量工具,因而又称为电位型化学传感器。为适应实时在线和活体分析,离子选择性电极也在向微型化发展。选择适当的配体,玻璃微、纳米管可以成为一个微、纳米级的离子选择性微电极。作为选择性微电极,它具备很多优点,例如尖端直径很小,可插入细胞内直接、快速、连续测定微区离子浓度及离子浓度的变化;结构简单,分析操作简便,可用于流动分析;所需试液体积小,样品溶液往往不需要预处理;易于测量自动化等。1954年Caldwell制作出第一个端径为80μm的玻璃选择性微电极,随后各种不同类型的玻璃选择性微电极得到了发展。1971年Walker将玻璃管壁硅烷化,改变了它的亲水性能和绝缘性能,首先研制成功第一个离子交换型液膜微电极,端径为0.1～1μm。在液/液界面电化学和电分析化学上的应用电荷(电子和离子)在液/液界面或称之为两种互不相溶电解质溶液界面(ITIES)上的转移反应过程是最基本的物理化学过程之一。应用各种电化学技术研究这些过程就称之为液/液界面电化学,它是介于常规的电化学和化学传感器之间的一种新的电化学和电分析化学分支。从实验的角度来讲,对于一个在固体金属/电解液界面上经常碰到的电化学测量问题,在液/液界面上更加严重。例如很难完全消除由于所用有机溶剂而带来的高阻抗引起的iR降,以及很难分离Faraday电流和充电电流。所以采用大的液/液界面(毫米级)进行电荷转移反应的研究时,由于受电阻和电容效应的影响,所得到的数据并不完全可靠。1应用微、纳米管进行微-液/液界面电荷转移反应研究的优点自从1986年Girault等开创了将微-液/液界面(Micro-ITIES)支持在微米管上,应用微米管进行液/液界面电荷转移反应研究引起了人们的极大兴趣,最近Shao等又用实验证实了纳米级-液/液界面(Nano-ITIES)可支持在纳米管上。将微、纳米级-液/液界面支持在微、纳米管上,在一定的实验条件下,其作用就象一个微、纳米级的液体电极,具有微电极或称之为超微电极(UMEs)的许多优点。我们知道,当微电极的一维尺寸在微、纳米级,表现出许多优良的电化学性质。当其尺寸在微米级时,呈现传质快、响应迅速、iR降小以及灵敏度高的电化学性质,适合于微区和痕量分析及进行快扫伏安和电极过程动力学研究。当其直径进一步降至纳米级时,则会出现非常快的传质过程,甚至会发生量子现象,出现许多新的性质,集中反映在极快的传质速率和极高的分辨率两个方面。纳米电极适于高阻抗体系、超临界液体、固体甚至是气体介质的研究,有利于异相和均相快速电化学反应研究。与大-液/液界面相比,支持在微、纳米管上的微、纳米级液/液界面具有许多优点,如可以克服充电电流和iR降,相对简单的数据分析,较高的传质速率,因而十分适合研究离子和加速离子在液/液界面上的快速转移反应动力学,是解决该理论问题的一个切实可行的实验手段。另外,与金属超微电极相比,微、纳米管很容易制备。虽说碳纳米管可作为纳米电极,但玻璃纳米管作为纳米电极在实际应用中要方便得多。与普通固体微电极相比,玻璃微、纳米管在液/液界面电化学研究中有其独特和巧妙之处。例如,对于一个简单离子转移反应,若用微米管进行循环伏安研究,可观察到一个不对称的循环伏安图。这是因为其独特的结构使其具有不对称的扩散场,即电荷从管外转移到管内是球形扩散而电荷从管内转移到管外由于受管子大小的限制是线性扩散,前者对应的伏安曲线是稳态曲线,而后者产生峰形伏安曲线。另外,玻璃微、纳米管通常是亲水的,可在管内直接灌入水相,也可通过对管内壁的硅烷化在管内灌入有机相。因此,可根据研究对象的不同,将微、纳米管灌入水相或有机相,然后插入到有机相或水相中形成微、纳米级-液/液界面。在应用扫描电化学显微镜研究生物体系时,有机溶剂对于大多数生物样品是有毒的,只有将它们放在水相中作为基底,用充有有机相的微、纳米管作为探头进行研究。AqueousPhaseOrganicPhaseAqueousPhaseOrganicPhaseAsymmetricDiffusionField2应用微、纳米管进行液/液界面电荷转移反应研究的进展Campbell等通过加速离子准可逆稳态分析,以及Stewart等应用计算机模拟技术,发展了采用微米管研究电荷在微-液/液界面上转移反应的理论。Stewart等应用微米管具有不对称扩散场的特点,研究了哪种离子转移通过界面并决定液/液界面工作电位窗的问题。玻璃微、纳米管在液/液界面研究上的应用就象微电极在常规电化学及电分析化学中的应用一样,可以克服iR降的影响,允许在较低极性介质中进行电荷转移反应研究。Shao等应用支持在玻璃微米管上的微-液/液界面研究二苯基-18-冠-6(DB18C6)加速K+从水相转移到阻抗性有机介质时证实,当有机相中的支持电解质的浓度降低到微摩尔(μmol)时仍可观察到加速K+转移。利用支持在微米管上的微-液/液界面,可以准确测定载体和络合离子的扩散系数比,也可用于研究加速离子转移反应机理。Beattie等通过实验证实,中性载体DB18C6加速K+转移反应不受电荷转移控制,而仅受反应物质的扩散控制,表明电荷转移过程比扩散过程快得多;同时采用不同内径的微米管进行伏安研究,发现支持在微米管上的微-液/液界面的稳态行为介于微半球形电极和微球形电极之间,并提出其稳态电流的经验公式。Shao等利用微米管观察到DB18C6加速K+离子从水相转移到1,2-二氯乙烷(DCE)相的反应的循环伏安图是一稳态曲线,不象简单离子转移反应产生的不对称的循环伏安图,证实了DB18C6加速K+离子从水相转移到DCE相的反应机理是界面络合转移反应(TIC)和界面离解转移反应(TID),并提出了加速离子转移反应的四种可能的机理,即界面络合转移(TIC)、界面离解转移(TID)、水相络合转移(ACT)、转移油相络合(TOC)反应。ACTTOCTICTIDwowowowoIdentifyofdifferentmechanismsoffacilitatediontransfers最近Shao等采用了一种新颖的G/C(产生/收集)技术研究了离子转移反应和离子在溶液中的同相化学反应,即应用一根dual－微米管,包括两个充水相的微米级或亚微米级的管子。某一阳离子从一根管子“Generator”中进入有机相,再由有机相进入另外一根管“Collector”。应用此技术首次观察到K+离子从水相到DCE相直接转移的伏安波形,证实了可通过G/C技术研究溶液中的离子反应,并可对同时发生在液/液界面上的不同电荷转移过程进行定量分析(如,K+的简单转移,冠醚加速K+转移和支持电解质离子转移)。这项技术可以不受电位窗的限制研究许多发生在正电位或负电位的重要反应(如,碱金属离子从水相到有机相的转移),还适于对包含离子或离子中间体的快速同相反应的动力学进行研究。Idisk=4nFaDCIpip=3.35nFaDCWhyIpipisabout2.63timesbiggerthanIdisk?Silanizationplaysveryimportantrolehere!Anal.Chem.,1998,70,p3155-31613微、纳米管用作SECM的探头扫描电化学显微镜(SECM)是一种新的电化学现场检测技术,近几年来在研究电荷在液/液界面上的转移反应方面起到了积极的作用,而超微电极是其中的重要组成部分。Solomon等首次证明微米管可作为SECM的探头,DCE相中的TCNQ和水相中铁氰化物之间的电子转移反应,可将微-液/液界面支持在微米管上作为SECM探头来进行研究,而且微米管探头也象固体探头一样可得到基底的图象。Wei等采用双通道微米管作为SECM的探头,其中一个微米管是离子选择性电极,另外一个作为距离的敏感器,这样可以得到酶反应活性的图像以及选择性的测量微电极扩散层内的浓度分布图等。Shao等首次将SECM应用到简单离子和加速离子转移过程的研究中,对二苯基-18-冠-6加速K+离子以及1,10-邻菲罗啉加速H+在1,2-二氯乙烷/水界面上的转移反应进行了研究,用实验证实了采用非电活性物质也可实现正、负反馈模式,并推广到简单离子在液/液界面上的转移反应研究,通过此方法得到了多孔聚碳酸酯膜的图象。同时采用数值模拟方法,发展了玻璃微米管作为SECM探头时,其探头电流(i)和探头与基底距离(d)曲线的公式。这种液体探头与原来常用的固体探头相比,其优点是很容易制备和进行化学修饰,不仅电子转移反应(氧化还原反应,电活性物质)而且离子转移反应(非电活性物质)也可用它们来研究,使原来许多不能用来研究的非电活性物质,例如与生命科学和生物体系密切相关的Cl-、NH+4、碱金属和碱土金属离子,乙酰胆碱等均可用来进行研究,大大扩展了SECM在生物体系方面的应用,特别是在模拟生物膜方面的研究。Current-distancecurvesobtainedwithdifferentconcentrationsofTEAClintheaqueousphase.(1)0,(2)0.4,and(3)10mM.TEA+(w)=TEA+(o)RG=1.1Constantheightmodegrayscaleimagesofporesinpolycarbonatemembrane未来的展望随着分析化学的迅速发展,在分析方法上追求高灵敏度、高选择性、现场、活体、实时的倾向导致由宏观向微观尺度的迈进。应用微、纳米管电极来研究非常小体积下(例如,nL、pL及fL)的电化学和电分析化学,在非常小的体积下,由于物质的数量有限,其氧化还原反应及离子传质应与大体积不同;另外,微、纳米管的尺寸在微米到纳米之间,结合高分辨率的表面技术(如扫描探针显微学等)和谱学电化学方法以及其它高灵敏度的分析、分离检测技术(如毛细管电泳)可以扩展到研究多肽、酶、生物膜(因为它们的大小也在这个范围内)等的现场电化学,研究电荷在液/液界面及修饰的液/液界面上的相转移催化反应以及抗体和抗原间的相互作用等。对这些问题进行深入的研究,对单细胞检测和单分子测量具有重要的意义。为了达到上述目的,探索制备尖头短,管头平的纳米管是当务之急。TheeffectoffacilitatedK+transferacrossalipid-GramicidinmodifiedLiquid/LiquidInterface液/液界面电化学是一个快速筛选化学传感器Receptor的方法制备一个K+传感器,二苯基-18-冠-6作为receptor30mins,可以筛选receptors可以测量K+和receptor的浓度AqueousPhaseOrganicPhaseAqueousPhaseOrganicPhaseAsymmetricDiffusionField电极有机相生物膜模型液/液界面电极/电解质界面

膜/溶液界面人工膜、支撑膜和BLM3.TheoryA.ModesofOperationTheSECMcanbeusedinavarietyofways,e.g.,asanelectrochemicaltooltostudyheterogeneousandhomogeneousreactions,asanimagingdevice(microscope),andformicrofabrication.TheseapplicationsmakeuseofdifferentmodesoftheSECMoperation.(1)Amperometricfeedbackmode:(2)Generation/Collectionmodeandpotentiometricmeasurements:(3)PenetrationMode:(4)Iontransferfeedbackmode:SECM是以电化学原理为基础的一种扫描探针新技术,它具有多种不同的操作模式。1.2.1电流反馈模式(Feedback)在电流反馈模式中,SECM的探头插入含有电活性中介体(如还原型,R)的溶液中,样品固定在基底上,在探头上施加足够正的电位,则有如下反应发生：R-ne→O(1)此反应的速率受R向探头的扩散控制。当探头离基底很远时,探头上的稳态扩散电流iT,∞:

iT,∞=4nFDca(2)式中n为转移的电子数,F为法拉第常数,D为R的扩散系数,c为R的浓度,a为探头的半径。式(2)是针对超微圆盘电极推导出来的,对于其它形状的电极同样适用。当探头不断靠近基底时,探头上的电流iT将随基底性质的不同而发生相应的改变,若基底是导体,则探头上的氧化产物O将在基底上被还原为R,R扩散至探头,使式(1)继续发生,从而使探头电流增大,即iT>iT,∞,这种现象称为“正反馈”;反之,若基底是绝缘体,则iT将随探头靠近基底而减小,即iT<iT,∞,这种现象称为“负反馈”。氧化性物质O在基底上被还原的速率决定了探头电流变化的程度,通过这种变化,可以研究相关反应的动力学过程。2.2产生/收集模式(Generation/Collection)及电位测量在产生/收集模式中,探头和基底都可作为工作电极,其中一个电极发生反应,另一个电极对产物进行收集检测。产生/收集模式可以分为探头产生/基底收集(TG/SC)和基底产生/探头收集(SG/TC)两种模式。

SG/TC模式不仅可以研究电活性物质,同时也可以研究非电活性物质(如碱金属离子和葡萄糖等)。在SG/TC模式中,探头的运动范围不得超出基底产物的扩散层。同时,由于常规的伏安式(或称为安培式)探头会对扩散层的物质浓度造成影响,因此一般采用电位式探头用于SG/TC的实验。在此模式中通过探头电流iT

及收集效iT/iS(iS

表示基底电流)可以检测基底产物的流量绘制浓度剖面图。1.2.3穿透模式(Penetration)在穿透模式中,利用非常小的SECM探头穿透微结构。例如,可以用SECM探头穿透一个含有电活性中介体的几微米厚的高分子膜,获得膜内浓度变化、动力学及热力学的相关信息。当探头穿透膜以后,探头电流会随探头与膜之间距离的变化而变化,这与反馈模式极为相似。1.2.4离子转移反馈模式(IonTransfer)这一模式是最近才发展起来的,通过离子转移使探头上产生反馈电流,主要用来研究界面间的离子转移和界面图像。采用这种模式,可以用SECM研究许多非电活性物质。1.2.5平衡扰动模式(EquilibriumPerturbation)这种模式主要是利用探头上的反应快速消耗溶液中的物质从而干扰基底(通常是界面)的平衡状态。在这一过程中,探头电流对溶液平衡的变化非常敏感,例如,可将其应用于吸附/脱附体系及其它动态平衡体系。另外,对于不能或不适于被穿透的微结构,可采用此模式获得相应的信息。1.2.6电位测定模式(PotentiometricDetection)应用离子选择性的超微电极作为SECM的探头,可以测量各种离子的浓度变化,利用这种变化引起的电位改变获得动力学信息。目前,这种模式的应用主要集中在对生物膜和生化过程的研究上,如可以用SECM来研究酶促反应中产生的离子以及膜的渗透性。尽管SECM技术具有不同的操作模式,但在实际应用中很难通过单一的模式去研究复杂的体系,通常是各种模式的综合应用,甚至结合其它的分析技术来研究相关问题。B.KineticMeasurementsandImagingSurfaceReactivityTherearetwoimportantadvantagesofSECMforheterogeneouskineticmeasurements:(1)highmass-transferrateallowingonetostudyfastreactionsundersteady-stateconditions;(2)availabilityofpowerfulmeansforprobingthemechanismandphysicallocalizationofinterfacialreaction(HighSpatialresolution).ThemasstransferrateinSECMisafunctionofthetip-substratedistance:d>>a,mD/ad<a,mD/dD=1x10-5cm2/s,d=0.1m,m=1cm/s10cm/sHighSpatialResolution:about3050nmlimitforconductingsubstratesand2nmforinsulatingsubstrates3.TheoryoftheSECMTheconsiderablecomplexityofSECMtheoryisduetothecombinationofacylindricaldiffusiontothemicro-tipelectrodewithathin-layerdiffusionspace.Thegeneralsolutionofthediffusionproblemforanuncomplicatedquasi-reversiblenon--steady-stateprocessinSECMwasobtainedasasystemoftwo-dimensionalintegralequations.Twolimitingcases,adiffusion-controlledprocessandonewithtotallyirreversiblekinetics,weretreatednumerically.Theseresultsandthetheoryforcomplexprocesses.Includinghomogeneouschemicalstagesandadsorption-desorptionkinetics,havebeenreviewed.ITk=ISk(1-ITins/ITc)+Itins

ISk=0.78377/L(1+1/Λ)+[0.68+0.3315exp(-1.0672/L)]/[1+F(L,Λ)]F(L,Λ)=(11+7.3Λ)/(Λ(110-40L))

ITc=0.78377/L+0.3315exp(-1.0672/L)+0.68 ITins=1/{0.15+1.5358/L+0.58exp(-1.14/L)+0.0908exp[(L-6.3)/(1.017L)]}

ITk表示基底反应受动力学控制的归一化的探头电流ISk表示动力学控制的基底电流ITc,ITins分别表示扩散控制的，基底是导体和绝缘体探头归一化电流Λ=kfd/DR,DR为还原物质的扩散系数kf为动力学过程的反应速率常数L为归一化距离(L=d/a)SECM反馈曲线的理论拟合公式RG=Rg/aBardetal.havedevelopedthetheoryforRG10cases.However,formicropipettesasthetipsforSECM,theRGsareusually2.UsingsoftwarepackagePDEase(SPDE,Inc.),wehavesolvedthetheoreticali-dcurvesforRG2.J.Phys.ChemB.,1998,102,p9915-9921RG=Rg/a=b/aL=d/a4. ApplicationsA.StudyofheterogeneousreactionkineticsB.ImagesC.Micro-fabrications4SECM的应用4.1样品表面扫描成像探针在靠近样品表面扫描并记录作为X-Y-Z坐标位置函数的探针电流,可以得到三维的SECM图像。SECM已用于导体或绝缘体等各种样品表面的成像,得到表面化学或生物活性分布图及表征纳米孔中的扩散传质。4.2异相电荷转移反应研究SECM的探针可移至非常靠近样品电极表面从而形成薄层池,达到很高的传质系数,且SECM探针电流测量很容易在稳态进行,具有很高的信噪比和测量精度,也基本不受iR降和充电电流的影响,被广泛用于异相电荷转移反应及其动力学研究。4.3均相化学反应动力学研究基于SECM的收集模式、反馈模式及其与计时安培法、快扫描循环伏安法等电化学方法的联用,已用于测定均相化学反应动力学和其它类型的与电极过程耦联的化学反应动力学。4.4薄膜表征SECM可监测微区反应,因此也是研究电极表面薄膜的十分有效的技术。它既可以通过媒介反应进行测量,也可以把探针伸入膜中直接测量,为研究高分子膜内传质过程提供了十分重要的手段。已用于研究膜动力学与光电化学性质,考查膜性质和用离子选择膜证明离子流的存在等。4.5液/液界面研究SECM用于液/液界面研究时,两相的电位取决于两相中电对的浓度。此时电子转移在探针附近微区内发生,而离子转移在整个相界面发生,因而可以区分电子转移与离子转移过程,减少电容电流和非水相iR降的影响。主要用于研究界面电子转移及膜的形成、界面离子的转移和界面反应活性。4.6生物体系测量和成像用SECM的电流法或电位法可观察人工或天然的生物体系。这方面的例子包括天然皮肤的离子渗透、生物酶活性的分布和测定、原生质光合作用、抗原抗体的成像、有机和生物分子微结构研究、活细胞研究及媒介反应动力学等。4.7微区加工当探针移至样品表面时,电子转移局限于靠近样品表面的很小的区域,故可用SECM进行微区沉积或刻蚀。探针可以作为工作电极或对极来直接进行表面加工,也可以在探针上产生试剂与样品作用。已用于制作生物传感器的生物分子沉积。4.8联用技术包括:(1)SECM与石英晶体微天平(QCM)联用。由SECM提供电化学信息,由QCM提供质量效应信息来研究有机或无机薄膜性质。(2)SECM与原子力显微镜(AFM)联用,同时提供高空间分辨率的电化学和基底形貌信息,已用于表面刻蚀和固/液界面研究。(3)SECM与扫描光学显微技术联用,同时进行扫描电化学、光学研究获得空间分辨信息。TipSteady-statevoltammogramsfortheoxidationof5.8mMFCin0.52MTBABF4inMeCNata1.08mradiusPttip.Solidlinescalculatedwithk0=3.70.6cm/sand=0.370.02.ScanningelectronmicrographofGaAs(Crdoped)etchedinthreeplacesfor5,6,and20minina0.02MHBrand0.1MHClsolutionwitha25mPtmicroelectrodeScanningelectronmicrographofGaAs(Crdoped)etchedinthreeplacesfor5,6,and20minina0.02MHBrand0.1MHClsolutionwitha25mPtmicroelectrodeImageofmicatreatedwithDNA(2.96kbp)specimensonmicatakeninhumidairImageofmicatreatedwithDNA(2.96kbp)specimensonmicatakeninhumidairSchematicrepresentationoftheprinciplesofSECMwithmicro-ITIESSECMimageobtainedusingamicro-ITIESprobe(5-mtip).Substratewassiliconwithparallelplatinumbands.J.Electroanal.Chem.,1997,439,p137-143PositivefeedbackNegativeFeedbackApproachabigL/LinterfaceApproachasolidsubstrateAqueousPhaseOrganicPhaseCurrent-distancecurvesobtainedwithdifferentconcentrationsofTEAClintheaqueousphase.(1)0,(2)0.4,and(3)10mM.TEA+(w)=TEA+(o)RG=1.1ConstantheightmodegrayscaleimagesofporesinpolycarbonatemembraneTCNQ+Fe(CN)64-=TCNQ.-+Fe(CN)63-Fe(CN)63-(w)+e=Fe(CN)64-(w)E1o=0.41VvsSHETCNQ(o)+e=TCNQ.-(o)E2o=0.22VvsSHEow=owo+(RT/nF)ln[ai(o)/ai(w)]

ow<<E2o-E1o(-190mV)owTBA+o=-225mVReverseElectronTransferReactionsApproachcurveforthesystem:H2O,TPAsCl,1mMFe(CN)63-||DCE,1mMTPAsTPB,10mMTCNQ;showingtheelectrontransferdrivenbythephasetransfercatalystTPAs+.Fromtoptobottom,theexperentcurveareshownforKp=10,5,2,1. A:TPAssystem.B:TBAsystem.DependenceoftheeffectiveETrateconstantonconcentrationofTCNQinDCE.Thekvaluewereusedtofittheapproachcurevwitha=10mand.FromtoptobottomtheKpvaluewasshownfor10,5,2. A:TPAssyetem.B:TBAsystem.DependenceoftheeffectiveETrateconstantonpotentialdropacrosstheITIES.

A:TPAs.B:TBA.SECMStudiesofETReactionsacrossIce/LiquidInterface长春的冬天创新点：在国际上首次采用SECM研究了冰/有机相溶液界面。用实验证明了此界面是稳定、微观上平整的。CombinationofSECMandpolarizedliquid/liquidinterfacesFc(o)+Fe(CN)63-(w)=Fc+(o)+Fe(CN)64-FigureExperimentalapproachcurves(dot)fittedwiththeoreticalvalues(line).TheDCEphasecontained0.01MTBATPBCland0.2mMferrocene.Theaqueousphasecontained0.1MLiCl+xMK3Fe(CN)6+yMK4Fe(CN)6.(D)x=y=0.2mM.Fromtoptobottom,theexternal-potentialwere-0.10V,-0.05V,0V,0.05V,0.10V,0.20Vand0.30V.Alloftheapproachrateswere1μm/s.InvestigationofModifiedElectrodesSurfacepKaFigure:SchematicdiagramoftheapplicationofSECMtoprobefacilitatediontransferatanexternallypolarizedLiquid/LiquidinterfaceProbingfacilitatediontransferatanexternallypolarizedL/LinterfaceStudyofsimpleion,facilitatedionandelectrontransferacrossaliquid/liquidinterfacebythree-electrodesystemFigure:Cyclicvoltammogramsobtainedforchargetransferreactionsbyuseofathree-electrodesetup(a)PotentialwindowandfacilitatedK+transferreaction,thecellis:Ag/AgTPBCl/10mMTBATPBCl+0.25mMDB18C6)//100mMKCl/AgCl/Ag(b)

(b)Potentialwindowandelectron

transferreaction,thecellis:Ag/AgTPBCl/10mMTBATPBCl+0.2mMTCNQ)//1MLiCl+10mMK3Fe(CN)6+400mMK4Fe(CN)6/AgCl/Ag(c)

(c)PotentialwindowandTEA+transferreaction,thecellis:Ag/AgTPBCl/10mMTBATPBCl//100mMLiCl+0.4mMTEACl/AgCl/AgFigure:Experimentalapproachcurvesofa238-nm-radiuspipetfittedwiththetheoreticalvalues.Thetippotentialis0.45V,thesubstratepotentialis(■)0.20V(╳)0.225V(□)0.25V(▲)0.275V(*)0.30V(О)0.325V(●)0.35V(△)0.375V(

)0.40V(◆)0.425v(––)curve1theoreticalcurvefordiffusioncontrolledprocess,curves2-6theoreticalcurvesforkineticscontrolledprocess.TheinsetshowsdependenceoftheheterogeneousrateconstantsondifferentEs-Eso’.Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,No.18,3445-3448

ApproachestoImagingBiologicalandBiochemicalSystemsA.NegativeFeedbackImagingB.Non-SpecificPositiveFeedbackImagingC.Enzyme-MediatedFeedbackImagingD.Generation-CollectionModeFigure1:MechanismofimageformationwithanSTM-likeapparatusatbiomoleculesoninsulatingsupportsasproposedbyFanandBard.Athighrelativehumiditybothbiomoleculesandsupportarecoveredbyawaterfilmthatpermitsionmigration,andfaradaicreactionsatthetipapexandthedistantgoldcontact.

F-RFFan,AJBard.STMonWetInsulators.Science270:1849-1851,1995.A.NegativeFeedbackImagingB.Non-SpecificPositiveFeedbackImagingFigure2:Reducedpositivefeedbackoveraconductingsupportcoveredbyalayerofbiomoleculesorotherorganicsurfactants.Theexampleshowsanlinescanaboveaglassycarbonelectrodewhichwascoveredbyalayerofadsorbedubiquinone-10atthelocation(135<x/µm<210).Experimentalparameters;ET=+660mV(SCE),ES=-250mV(SCE),a=5µm,vt=7µms-1,solution2mMferrocenemonocarboxylicacid,0.1MKCl,0.1Mphosphatebuffer,pH7.4.(G.Wittstock,1996).C.Enzyme-MediatedFeedbackImagingFigure3:Schematicoftheenzyme-mediatedpositivefeedbackforanenzymaticoxidationofthesubstrate.E,redoxenzyme;SandP,substrateandproductoftheenzymaticreaction;R,SECMmediatoraddedtotheworkingsolution,Ox,oxidizedformofRgeneratedbyafaradaicreactionatthetipelectrode.RhastobeselectedsuchthatOxisanactivecofactoroftheenzymetobeinvestigated.Asdiscussedinthetext,thefollowinglistofcompoundsprovidesaworkingexampleofthismode:E=glucoseoxidase(GOx),S=glucose,P=gluconolactone,R=ferrocenemonocarboxylicacid(Fc),andOx=Fc+.OfcoursetheimagingprinciplecanalsobeusedforenzymaticreductionsifasuitablemediatorOxisaddedtotheworkingsolutionandisreducedatthetipelectrode.Figure4:Normalizedcurrent(iT/iT∞,iss=iT)vs.normalizeddistanced/a(a=4µm,RG=20)overmodifiednylonsurfacesinsolutionof0.5mMferrocenemonocarboxylicacid,0.1Mphosphate/perchloratebufferpH7.0.Thesurfacewasmodifiedwitha)maximumglucoseoxidase(GOx)coverage,b)lessthanmaximumGoxcoverageandc)maximumGox,coverage.Curvecwasrecordedwithnoglucoseintheworkingsolution.Fora)andb)50mMD-glucosewasaddedtotheworkingsolution.DTPierce,PRUnwin,AJBard.ScanningElectrochemicalMicroscopy.17.StudiesofEnzyme-MediatorKineticsforMembrane-andSurface-ImmobilizedGlucoseOxidase.AnalChem64:1795-1804,1992.Figure5:SECMimages(5