電化學(xué)分析儀器

前言

　　科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史表明，科學(xué)儀器對認(rèn)識自然界的規(guī)律，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和革命，起著非常重要的作用?？茖W(xué)儀器水平直接反映了一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平。世界發(fā)達(dá)國家都將科學(xué)儀器作為信息產(chǎn)業(yè)源頭，列入新興產(chǎn)業(yè)范疇，把發(fā)展科學(xué)儀器工業(yè)作為提高整個社會勞動生產(chǎn)力和社會經(jīng)濟效益的強有力的支柱。所以發(fā)展科學(xué)儀器對我國科技進(jìn)步和經(jīng)濟、社會發(fā)展具有極為重要的戰(zhàn)略意義?！　》治鰞x器是科學(xué)儀器的重要組成部分。當(dāng)前，分析儀器的儀器擁有量增加很快，據(jù)統(tǒng)計，2002年分析儀器全球銷售額比2000年增長了23％.我國分析儀器進(jìn)口額，2002年比2000年增長了78％。分析儀器的應(yīng)用范圍也越來越廣，特別在營養(yǎng)與食品安全、藥物與代謝產(chǎn)物、生態(tài)環(huán)境、材料科學(xué)、石化與油田化學(xué)、公共衛(wèi)生等直接關(guān)系到人類生存和發(fā)展的各學(xué)科和領(lǐng)域的應(yīng)用，更受到普遍的關(guān)注。同時，由于新原理、新技術(shù)、新材料和新工藝的廣泛采用，分析儀器得到了日新月異的發(fā)展。儀器的小型化、微型化、智能化發(fā)展十分迅速；為適應(yīng)過程分析要求，各種實時、非侵入式在線分析儀器得到快速發(fā)展，科學(xué)儀器也正從通用型轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ眯停桓鞣N新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，使儀器靈敏度更高、分析速度更快、適用范圍更廣；儀器可靠性和自動化程度不斷提高，儀器的操作更為簡便。因此，加強分析儀器知識的繼續(xù)教育，對分析儀器研究、開發(fā)、生產(chǎn)、使用者，乃至一切關(guān)心我國分析儀器發(fā)展的同志都是一個極為重要的問題。

內(nèi)容概要

本書是《分析儀器使用與維護叢書》的分冊之一。書中概括介紹了電化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展歷史、電化學(xué)分析儀器的分類及發(fā)展趨勢。重點介紹了電化學(xué)測量基礎(chǔ)知識，電化學(xué)分析儀器原理和電化學(xué)分析儀器技術(shù)。對電化學(xué)分析數(shù)據(jù)處理和模擬、電化學(xué)掃描探針顯微技術(shù)、電化學(xué)傳感器、常見的電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)都做了比較詳細(xì)的介紹。對電化學(xué)分析儀器的智能化、自動化發(fā)展趨勢以及電分析化學(xué)技術(shù)在未來電分析科學(xué)隊伍中的使命也做了適當(dāng)?shù)慕榻B。    本書適合于電化學(xué)分析工作者閱讀，對電化學(xué)分析儀器實驗室管理人員、電化學(xué)分析儀器教學(xué)人員也有很高的閱讀價值。本書也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)教師、研究生以及高年級本科生的參考書。

書籍目錄

第1章  引論1  1.1 電化學(xué)分析技術(shù)1  1.2 電化學(xué)以及電化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展2    1.2.1 電化學(xué)發(fā)展簡介2    1.2.2 電化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展歷史5  1.3 電化學(xué)分析儀器分類6    1.3.1 分析儀器分類及其特征7    1.3.2 電化學(xué)分析儀器分類8  1.4 電化學(xué)分析儀器的發(fā)展趨勢9  參考文獻(xiàn)11第2章  電化學(xué)測量基礎(chǔ)12  2.1 電化學(xué)基礎(chǔ)概念12    2.1.1 氧化還原與電化學(xué)反應(yīng)12    2.1.2 法拉第過程和非法拉第過程13    2.1.3 電化學(xué)池14    2.1.4 電解質(zhì)溶液16    2.1.5 極化19    2.1.6 鹽橋21    2.1.7 界面雙電層22    2.1.8 電極分類23  2.2 電化學(xué)分析基礎(chǔ)25    2.2.1 電極過程動力學(xué)簡介25    2.2.2 電極過程的速度控制步驟26    2.2.3 電極反應(yīng)與電極反應(yīng)速率27    2.2.4 交換電流30    2.2.5 電流-超電勢方程31    2.2.6 電極反應(yīng)的可逆性33    2.2.7 電極體系中的傳質(zhì)過程33  2.3 電化學(xué)測量基礎(chǔ)36    2.3.1 電化學(xué)測量的原理36    2.3.2 電化學(xué)測量中的電極反應(yīng)體系的組成和結(jié)構(gòu)37    2.3.3 相對電極電勢及其測量38    2.3.4 電流的測量44    2.3.5 穩(wěn)態(tài)測量與暫態(tài)測量44  參考文獻(xiàn)46第3章  電化學(xué)分析儀器技術(shù)48  3.1 控制電勢階躍技術(shù)48    3.1.1 常用的階躍電勢波形48    3.1.2 控制電勢階躍的電流-電勢特征49    3.1.3 擴散控制下的電勢階躍49    3.1.4 計時電流法與計時庫侖法51    3.1.5 雙電勢階躍51    3.1.6 恒電勢法應(yīng)用53  3.2 控制電流技術(shù)56    3.2.1 控制電流階躍過程的特點56    3.2.2 常見的階躍電流波形57    3.2.3 控制電流階躍的一般理論58    3.2.4 控制電流階躍的電勢-時間曲線特征60    3.2.5 控制電流技術(shù)的應(yīng)用61  3.3 脈沖技術(shù)65    3.3.1 原理65    3.3.2 常見的脈沖波形66    3.3.3 庫侖脈沖法67    3.3.4 脈沖伏安法67    3.3.5 脈沖伏安法的應(yīng)用71  3.4 線性電勢掃描技術(shù)71    3.4.1 線性電勢掃描過程中響應(yīng)電流的特點72    3.4.2 線性電勢掃描伏安法73    3.4.3 循環(huán)伏安法78    3.4.4 薄層伏安法81    3.4.5 線性電勢掃描技術(shù)的應(yīng)用82  3.5 交流阻抗技術(shù)84    3.5.1 交流電路的基本性質(zhì)85    3.5.2 法拉第阻抗88    3.5.3 由法拉第阻抗求動力學(xué)參數(shù)90    3.5.4 交流阻抗的測量技術(shù)91    3.5.5 交流電化學(xué)阻抗譜93    3.5.6 交流伏安法94  3.6 光譜電化學(xué)技術(shù)97    3.6.1 現(xiàn)場光譜技術(shù)98    3.6.2 非現(xiàn)場光譜技術(shù)107    3.6.3 現(xiàn)場顯微技術(shù)110    3.6.4 其他現(xiàn)場技術(shù)110  參考文獻(xiàn)112第4章  電化學(xué)分析儀器原理115  4.1 基本工作原理115    4.1.1 運算放大器115    4.1.2 電流反饋117    4.1.3 電壓反饋119    4.1.4 恒電勢儀120    4.1.5 恒電流儀123  4.2 電勢法分析儀器124    4.2.1 基本原理125    4.2.2 儀器組成127    4.2.3 離子選擇性電極128    4.2.4 常見的電位法分析儀器及使用129  4.3 電導(dǎo)法分析儀器139    4.3.1 基本原理139    4.3.2 儀器組成141    4.3.3 電磁濃度計工作原理142    4.3.4 常見的電導(dǎo)法分析儀器介紹143  4.4 電量式分析儀器147    4.4.1 基本原理148    4.4.2 控制電勢庫侖分析法148    4.4.3 恒電流庫侖分析法151    4.4.4 微庫侖分析法153    4.4.5 常見的電量法分析儀器介紹156  參考文獻(xiàn)161第5章  電化學(xué)分析數(shù)據(jù)處理和模擬163  5.1 拉普拉斯變換（Laplace）技術(shù)163    5.1.1 電化學(xué)問題中的偏微分方程163    5.1.2 拉普拉斯變換定義164    5.1.3 Laplace的基本性質(zhì)和定理165    5.1.4 單位階躍函數(shù)及其Laplace變換166    5.1.5 微分方程的解法166  5.2 泰勒(Taylor)展開式167    5.2.1 多變量函數(shù)的展開168    5.2.2 單變量函數(shù)的展開168  5.3 傅里葉分析168    5.3.1 傅里葉級數(shù)168    5.3.2 傅里葉變換169    5.3.3 Fourier平滑、Fourier插值及Fourier卷積和自去卷積169    5.3.4 Fourier分析應(yīng)用170  5.4 小波分析171    5.4.1 小波的定義172    5.4.2 用小波實現(xiàn)多分辨分析172    5.4.3 小波變換173    5.4.4 小波分析在電分析化學(xué)中的應(yīng)用174  5.5 電化學(xué)數(shù)值模擬176  參考文獻(xiàn)181第6章  電化學(xué)掃描探針顯微技術(shù)183  6.1 掃描隧道顯微鏡184    6.1.1 掃描隧道顯微鏡的原理184    6.1.2 掃描隧道顯微鏡的兩種模式184    6.1.3 掃描隧道顯微鏡儀器及特點185  6.2 電化學(xué)掃描隧道顯微鏡186    6.2.1 電化學(xué)SIM的工作環(huán)境及隧道理論186    6.2.2 ECSTM裝置188    6.2.3 針尖189    6.2.4 ECSTM應(yīng)用190  6.3 原子力顯微鏡191    6.3.1 AFM的基本原理192    6.3.2 AFM的工作模式193    6.3.3 電化學(xué)原子力顯微鏡(ECAFM)193    6.3.4 ECAFM的應(yīng)用194    6.3.5 ECAFM的展望196  6.4 掃描電化學(xué)顯微鏡196    6.4.1 SECM的裝置196    6.4.2 SECM的原理197    6.4.3 SECM的定量分析理論199    6.4.4 SECM的應(yīng)用200    6.4.5 SECM的展望203  參考文獻(xiàn)203第7章  電化學(xué)傳感器205  7.1 電化學(xué)生物傳感器205    7.1.1 電化學(xué)生物傳感器概述205    7.1.2 電化學(xué)生物傳感器的基本組成207    7.1.3 電化學(xué)生物傳感器信號轉(zhuǎn)化器207    7.1.4 電化學(xué)生物傳感器的分類207    7.1.5 電化學(xué)生物傳感器進(jìn)展211    7.1.6 電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用213  7.2 電化學(xué)氣體傳感器213    7.2.1 電化學(xué)氣體傳感器的基本組成213    7.2.2 電化學(xué)氣體傳感器的分類214    7.2.3 電化學(xué)氣體傳感器應(yīng)用218  參考文獻(xiàn)219第8章  常見的電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)220  8.1 電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)概述220  8.2 CHI系列電化學(xué)工作站221    8.2.1 CHI電化學(xué)工作站原理221    8.2.2 CHI電化學(xué)工作站功能222  8.3 Princeton公司電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)225    8.3.1 PAR電化學(xué)儀器225    8.3.2 VersaSTAT227  8.4 部分國內(nèi)外電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)介紹229    8.4.1 蘭力科公司電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)229    8.4.2 韋斯儀器公司電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)230    8.4.3 科斯特公司CS系列電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)231    8.4.4 Solartron(輸力強)綜合電化學(xué)測試儀233  參考文獻(xiàn)233第9章  電化學(xué)分析儀器的新發(fā)展235  9.1 電化學(xué)分析儀器的自動化與智能化235  9.2 各種聯(lián)用技術(shù)在電化學(xué)分析儀器設(shè)計中的應(yīng)用236    9.2.1 流動注射-電化學(xué)檢測聯(lián)用技術(shù)236    9.2.2 液相色譜-電化學(xué)檢測238    9.2.3 毛細(xì)管電泳-電化學(xué)檢測243  9.3 電化學(xué)分析儀器的現(xiàn)場/原位技術(shù)研發(fā)244  9.4 單分子分析中的電分析方法和儀器設(shè)計245  9.5 未來電分析化學(xué)儀器設(shè)計研發(fā)的方向和未來電化學(xué)分析的使命246參考文獻(xiàn)247

章節(jié)摘錄

　　1.2.2 電化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展歷史　　電化學(xué)分析技術(shù)的演變過程可以從電分析化學(xué)的發(fā)展歷史看出，實際上，電化學(xué)分析技術(shù)的不斷更新與發(fā)展促進(jìn)了電分析化學(xué)學(xué)科的形成。電分析化學(xué)是利用物質(zhì)的電學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征和測量的學(xué)科。電分析化學(xué)的發(fā)展具有悠久的歷史，是與尖端技術(shù)和學(xué)科的發(fā)展緊密相關(guān)的.電分析化學(xué)作為分析化學(xué)分支之一，它的基本理論和發(fā)展與電化學(xué)密切相關(guān)，如前所述，早在1791年Galvani發(fā)表了其著名的關(guān)于“青蛙實驗”的論文，揭示了生物學(xué)和電化學(xué)之間的深奧聯(lián)系。作為一種分析方法，早在18世紀(jì)就出現(xiàn)電解分析和庫侖滴定法，19世紀(jì)出現(xiàn)電導(dǎo)滴定法，玻璃電極測pH值和高頻滴定法。1922年極譜法問世，標(biāo)志著電分析化學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。19世紀(jì)后期，有關(guān)電化學(xué)電池的Nernst方程式的建立，表明這一時期電化學(xué)研究的熱力學(xué)基礎(chǔ)。極譜學(xué)創(chuàng)始人海洛夫斯基獲得了諾貝爾獎。20世紀(jì)中期發(fā)展并形成了電極過程動力學(xué)理論和方法。20世紀(jì)中后期交叉科學(xué)方法的發(fā)展使電化學(xué)／電分析化學(xué)的研究進(jìn)入了分子水平。但傳統(tǒng)的電化學(xué)研究僅僅限制在對電極一電解液界面的被動認(rèn)識上。20世紀(jì)60年代離子選擇性電極及酶電極相繼問世，而且離子選擇性電極已進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展時期，在環(huán)境、醫(yī)藥、在線分析等方面獲得廣泛應(yīng)用，70年代發(fā)展了不限于酶體系的各種傳感器。1973年，Lane和Hubbard提出改變電極表面結(jié)構(gòu)以控制電化學(xué)過程的新概念，標(biāo)志著化學(xué)修飾電極的萌芽。

編輯推薦

　　本書以“簡明實用、選材新穎、特色鮮明、通俗易懂”為主導(dǎo)思想，著重介紹了電化學(xué)分析儀器的結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用領(lǐng)域，也扼要介紹了電化學(xué)分析儀器的使用方法、維護要點、故障處理與校正，力求反映電化學(xué)分析儀器領(lǐng)域的基本知識、基本方法以及最新成果。

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