CHI400C系列電化學(xué)石英晶體微天平

    CHI400C系列電化學(xué)石英晶體微天平(EQCM)是CH Instruments與武漢大學(xué)合作的產(chǎn)品。石英晶體微天平(QCM)可進(jìn)行極靈敏的質(zhì)量測量。在適當(dāng)?shù)臈l件下，石英晶體上沉積的質(zhì)量變化和振動頻率移動之間關(guān)系呈簡單的線性關(guān)系(Sauerbrey公式)：Df = -2f_o² Dm / [A · sqrt(mr)]。式中是f_o晶體的基本諧振頻率，A是鍍在晶體上金盤的面積，r是晶體的密度(=2.684g/cm³)，m是晶體切變系數(shù)(= 2.947´10¹¹ g/cm·s²)。對于我們的晶體(f_o = 7.995MHz, A = 0.196 cm²)，每赫茲的頻率改變相當(dāng)于1.34 ng。QCM和EQCM被廣泛應(yīng)用于金屬沉積，高分子膜中離子傳遞，生物傳感器，以及吸附解吸動力學(xué)的研究等等。
    CHI400C系列電化學(xué)石英晶體微天平含石英晶體振蕩器，頻率計(jì)數(shù)器，快速數(shù)字信號發(fā)生器，高分辨高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電位電流信號濾波器，信號增益，iR降補(bǔ)償電路，以及恒電位儀／恒電流儀（440C）。電位范圍為±10V，電流范圍為±250mA。電流測量下限低于50pA。石英晶體微天平和恒電位儀/恒電流儀集成使得EQCM測量變得十分簡單方便。CHI400C系列采用時(shí)間分辨的方式測量頻率的改變。傳統(tǒng)的方法是采用頻率直接計(jì)數(shù)的方法，要得到1Hz的QCM分辨率，需要1秒的采樣時(shí)間。要得到0.1Hz的QCM分辨率，需要10秒的采樣時(shí)間。我們是將QCM的頻率和一標(biāo)準(zhǔn)頻率的差值作周期測量，從而大大縮短了采樣時(shí)間，提高了時(shí)間分辨。我們可在毫秒級的時(shí)間里得到1Hz或0.1Hz或更好的頻率分辨。當(dāng)和循環(huán)伏安法結(jié)合時(shí)，可允許在0.5V/s的掃描速度下獲得QCM的信號。這對需要較快速的測量(例如動力學(xué)測量)尤為重要。允許與QCM結(jié)合的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括CV，LSV，CA，i-t，CP。
    400C系列在測量QCM頻率變化的同時(shí)，還能測量晶體諧振網(wǎng)絡(luò)的電阻變化。
    400C系列也是相當(dāng)快速的儀器。信號發(fā)生器的更新速率為10MHz，數(shù)據(jù)采集速率為1MHz。循環(huán)伏安法的掃描速度為1000V/s時(shí)，電位增量僅0.1mV。又如交流伏安法的頻率可達(dá)10KHz。儀器可工作于二，三，或四電極的方式。四電極對于大電流或低阻抗電解池（例如電池）十分重要，可消除由于電纜和接觸電阻引起的測量誤差。由于儀器集成了多種常用的電化學(xué)測量技術(shù)，使得儀器可用作通用電化學(xué)測量，也可單獨(dú)用作石英晶體微天平的測量(不同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)測量)。
    CHI400C系列EQCM還包括一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的電解池，如圖1(a)所示。電解池由三塊圓形的聚四氟乙烯組成。直徑為35mm，總高度為37mm。上面的是蓋子，用于安裝參比電極和對極。中間的是用于放溶液的池體。石英晶體被固定于中間和底下的部件之間，通過橡膠圈密封，并用螺絲固定。石英晶體的直徑為13.7mm，晶體兩面的中間鍍有5.1mm直徑的金盤電極(其它電極材料需特殊定做)。新晶體的諧振頻率是7.995 MHz。
    圖2顯示了1mM Pb²⁺在0.1MHClO₄溶液中欠電位沉積的循環(huán)伏安圖和作為電位函數(shù)的相應(yīng)的頻率改變。掃描速度為0.05V/s。在-0.42V出現(xiàn)的陰極峰是由于單層欠電位沉積。-0.29V處的陽極峰是由于鉛的溶出。頻率-電位圖顯示了由于鉛沉積而使頻率下降了25Hz(相當(dāng)于33.5ng)。