在真空度為10^-5>Pa下的液體電化學(xué)-飛行時間二次離子質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究

夏海倫 華鑫 龍億濤

摘?要?傳統(tǒng)電化學(xué)檢測手段致力于研究電活性物質(zhì)在電極表面的電子轉(zhuǎn)移過程，卻很難獲得關(guān)于電極-電解質(zhì)界面分子水平的信息。在分子水平實現(xiàn)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)中間體的原位檢測，對研究電化學(xué)反應(yīng)機理具有重要意義。本研究以輔酶Q0（CoQ0）在金電極表面的氧化還原過程為研究模型，通過構(gòu)建可用于高真空環(huán)境下使用的微流控電化學(xué)反應(yīng)池，在真空度低于105 Pa環(huán)境中實現(xiàn)液體電化學(xué)-飛行時間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）聯(lián)用。CoQ0及池體材料氮化硅在電極擊穿前后的ToF-SIMS成像結(jié)果表明，此聯(lián)用技術(shù)可用于高真空條件下液體樣品的直接檢測。由電化學(xué)工作站對微流控電化學(xué)池中的工作電極施加不同電壓后，可檢測到CoQ0、CoQ0H2及中間體的存在，其隨電壓相互轉(zhuǎn)化關(guān)系與CoQ0在水溶液中的氧化還原行為一致。CoQ0及其還原產(chǎn)物的質(zhì)譜信號強度的相對變化情況提供了電極表面CoQ0氧化還原過程的直接分子證據(jù)，進一步表明此聯(lián)用技術(shù)在電極-電解質(zhì)界面原位檢測方面具有應(yīng)用潛力，為電極表面電化學(xué)反應(yīng)機理研究提供了更多信息。

關(guān)鍵詞?輔酶Q0; 電極-電解質(zhì)界面; 原位電化學(xué)檢測; 飛行時間-二次離子質(zhì)譜

1?引 言

電極表面是發(fā)生電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的場所，伴隨著電子的轉(zhuǎn)移以及電活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。電極-電解質(zhì)界面通常僅有幾個分子層厚度，但其對于催化材料[1]、仿生界面[2]、鋰離子電池[3，4]等領(lǐng)域的研究都具有指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)電化學(xué)檢測手段致力于研究電活性物質(zhì)在電極表面的電子傳遞過程，但無法直接提供電活性物質(zhì)在電極表面的轉(zhuǎn)化信息。實現(xiàn)對電活性物質(zhì)界面行為的原位實時監(jiān)測，對電化學(xué)反應(yīng)機理的理解有重要意義。

電極-電解質(zhì)界面檢測的一大難點在于其厚度非常小，通常為亞微米級或納米級[5];同時，有機電化學(xué)反應(yīng)中間體通常穩(wěn)定性差、壽命短，很難實現(xiàn)直接檢測。傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測手段提供的信息有限，需與其它高分辨率、高靈敏度的表面分析技術(shù)，如光譜[6]、X射線技術(shù)[7，8]、質(zhì)譜[9，10]等聯(lián)用以獲取更多關(guān)于電極界面的結(jié)構(gòu)及化學(xué)信息。其中質(zhì)譜-電化學(xué)聯(lián)用技術(shù)具有高靈敏度與高化學(xué)特異性，可提供關(guān)于界面物種的直接分子信息。飛行時間-二次離子質(zhì)譜（Time-of-flight secondary ion mass spectrometry，ToF-SIMS）是一種高靈敏的表面分析技術(shù)，兼具對樣品表面化學(xué)組成分布成像及縱向化學(xué)成分變化的分析能力，廣泛應(yīng)用于材料表征[11，12]、細(xì)胞成像[13，14]和微區(qū)分析[15，16]等方面。最近，其在液態(tài)樣品（如水團簇研究領(lǐng)域[17]）檢測亦備受關(guān)注。如能實現(xiàn)ToF-SIMS與液體電化學(xué)池檢測的聯(lián)用，將其用于電極-電解質(zhì)界面的原位動態(tài)分析，可為電化學(xué)反應(yīng)過程中電活性物質(zhì)的界面行為變化提供分子水平的信息。

輔酶Q是生物體內(nèi)廣泛存在的一類化合物，在生物體呼吸鏈質(zhì)子轉(zhuǎn)移與電子傳遞過程中起重要作用[18]。本研究以輔酶Q0（CoQ0）在金電極表面的氧化還原過程為模型，構(gòu)建適用于高真空環(huán)境下的微流控電化學(xué)反應(yīng)池，結(jié)合ToF-SIMS檢測技術(shù)，實現(xiàn)了液體電化學(xué)-ToF-SIMS聯(lián)用。擬通過聚焦離子束轟擊電極背面，直接對電化學(xué)池中電解質(zhì)溶液進行分析，獲得不同電壓下電解質(zhì)溶液的質(zhì)譜碎片，觀察CoQ0及相關(guān)產(chǎn)物在金電極表面的強度變化情況，以期為電化學(xué)反應(yīng)機理研究提供直接的分子依據(jù)。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

ToF-SIMS V飛行時間-二次離子質(zhì)譜（德國ION-ToF公司）; CHI660E電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）。

CoQ0（98%，薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司）; KNO3（分析純，國藥集團化學(xué)試劑（上海）有限公司）; 聚二甲基硅氧烷（PDMS，美國Dow Corning公司）; 聚四氟乙烯管（PTFE，美國Sigma-Aldrich公司）。實驗用水為超純水（電導(dǎo)率 18 MΩ·cm），由Milli-Q（美國Millipore公司）凈化。氮化硅電極芯片由上海納騰儀器有限公司加工制得。

2.2?實驗方法

2.2.1?微流控電化學(xué)池制備?微流控電化學(xué)反應(yīng)池由三部分組成：氮化硅電極芯片、PDMS池體、外接電極導(dǎo)線。氮化硅電極芯片以金為工作電極，對電極及參比電極均為鉑。電化學(xué)池池體通過PDMS澆筑而成，氮化硅電極芯片與PDMS池體表面經(jīng)空氣等離子體預(yù)處理60 s后，使氮化硅芯片與PDMS進行不可逆鍵合，確保ToF-SIMS高真空腔中電化學(xué)池的密封性。用銀膠固定氮化硅電極芯片上的外接導(dǎo)線，接通PTFE導(dǎo)管，進行PDMS密封，即可獲得高真空相容的電化學(xué)池。確認(rèn)微流控電化學(xué)池整體密封性良好，可于105 Pa真空環(huán)境下使用后，即可向反應(yīng)池內(nèi)注入CoQ0溶液，池中電解質(zhì)溶液體積約15 μL，密封并固定于ToF-SIMS樣品托上備用。

2.2.2?液體電化學(xué)ToF-SIMS聯(lián)用?液體電化學(xué)ToF-SIMS聯(lián)用分析于高真空條件下進行，實驗過程中，ToF-SIMS內(nèi)部真空腔壓力低于1×105 Pa。微流控電化學(xué)池整體結(jié)構(gòu)及ToF-SIMS檢測原理如圖1所示。ToF-SIMS分析源采用30 ×104 eV Bi3+離子束，離子束束流約0.15 pA，橫向分辨率為150 nm。在負(fù)離子模式下進行檢測，以CH、CH2、O、OH 和Au對質(zhì)譜峰進行校正。為實現(xiàn)液體電化學(xué)的原位實時檢測，需于氮化硅表面構(gòu)建微孔。通過模擬高真空環(huán)境下，不同孔徑微孔中電解質(zhì)溶液的形貌[19]，并兼顧實際檢測過程中離子信號的提取及孔內(nèi)液體穩(wěn)定性，選擇2 μm的圓孔作為ToF-SIMS實際分析區(qū)域。通過聚焦離子束在樣品表面進行逐點掃描，循環(huán)往復(fù)，直至微孔被擊穿，同時獲得微孔表面各處各物種化學(xué)分布情況。借助孔內(nèi)液體的表面張力以避免池內(nèi)液體溢出，維持ToF-SIMS腔內(nèi)真空度。再經(jīng)ToF-SIMS外接電路對真空腔內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)池施加電位，獲得不同電位情況下，孔內(nèi)金電極表面的電解質(zhì)溶液的二次離子信息，分析金電極表面CoQ0氧化還原反應(yīng)情況。

3?結(jié)果與討論

3.1?CoQ0在電化學(xué)池中的循環(huán)伏安特性

考察了CoQ0在微流控電化學(xué)池中的電化學(xué)響應(yīng)行為，在100 mV/s掃描速率下，檢測了1 mmol/L CoQ0在所構(gòu)建微流控電化學(xué)池中的循環(huán)伏安響應(yīng)曲線。以KNO3為支持電解質(zhì)，當(dāng)其濃度較高時，會存在基質(zhì)效應(yīng)，對ToF-SIMS檢測產(chǎn)生影響。此外，由于微流控電化學(xué)池整體將于1×105 Pa的高真空環(huán)境下使用，ToF-SIMS分析區(qū)域內(nèi)的鹽溶液可能結(jié)晶析出，覆蓋分析區(qū)域，干擾ToF-SIMS檢測，故需綜合考慮電活性物質(zhì)在微流控電化學(xué)池中的電化學(xué)行為及實際檢測過程中輔酶Q0的信號強度。本研究擬降低支持電解質(zhì)濃度，以減弱這些因素對液體電化學(xué)-ToF-SIMS檢測的影響。

采用1 mmol/L KNO3溶液作為支持電解質(zhì)進行研究，在100 mV/s的掃描速率條件下，比較了2 mm金盤電極及在微流控電化學(xué)池中1 mmol/L CoQ0的循環(huán)伏安響應(yīng)曲線（圖2）。由圖2A可知，使用金盤電極為工作電極，以飽和甘汞電極為參比電極時，在低電解質(zhì)濃度情況下，CoQ0有一對對稱的氧化還原峰，對應(yīng)CoQ0在金電極表面的一步兩電子轉(zhuǎn)移過程。由于支持電解質(zhì)濃度較低，其峰電位為0.14 V （Ia1）和0.42 V （Ic1），峰電位差值為280 mV。其氧化峰和還原峰電流比值為1.0，表明一步兩電子轉(zhuǎn)移為可逆反應(yīng)。而在所用微流控電化學(xué)池中，由于其金電極面積相對較小，所得循環(huán)伏安曲線電流響應(yīng)較低（圖2B），其氧化還原峰電位為0.34 V （Ia2）和0.55 V （Ic2），峰電位差值為0.21 V。與圖2A相比，其峰電位存在位移，這是由于所使用參比電極為鉑。此外，由于所構(gòu)建微流控電化學(xué)池為一薄層池結(jié)構(gòu)，電解質(zhì)的擴散受到限制，使其峰電位差值相對降低。氧化峰和還原峰電流比值為0.8，接近1。此結(jié)果與CoQ0在大電極體系下的循環(huán)伏安特性相近，說明在所構(gòu)建微流控電化學(xué)池中，使用1 mmol/L KNO3作為支持電解質(zhì)即可獲得較好的循環(huán)伏安曲線，故無需進一步提高支持電解質(zhì)濃度，說明所構(gòu)建微流控電化學(xué)池可用于電化學(xué)檢測。

3.2?液體ToF-SIMS原位檢測性能

鑒于ToF-SIMS可獲得檢測過程中二次離子碎片強度隨時間的變化情況，并可提供二次離子碎片在分析區(qū)域內(nèi)的化學(xué)分布情況。本研究觀察了在高真空（壓力小于105 Pa）環(huán)境下，離子束轟擊氮化硅電極芯片構(gòu)建2 μm微孔的過程及微孔形成前后CoQ0和SiN2在微孔附近的化學(xué)成像分布圖，以確定此電化學(xué)池用于ToF-SIMS檢測的可行性。如圖3A所示，隨著離子束的持續(xù)轟擊，于320 s左右可明顯觀察到SiN2信號強度的下降，而Au和CoQ0的信號則同時開始上升。SiN2信號來源于氮化硅膜，而Au和CoQ0則分別來自氮化硅膜上的金電極及金電極下的電解質(zhì)溶液。故此變化表明氮化硅電極芯片被擊穿形成微孔，以及孔中存在電解質(zhì)溶液。在微孔擊穿前后，ToF-SIMS真空腔內(nèi)壓力變化小于106 Pa，說明微流控電化學(xué)池表面微孔的構(gòu)建對ToF-SIMS真空度未產(chǎn)生明顯影響，即表明孔中液體相對穩(wěn)定，不存在快速漏液情況。

氮化硅芯片表面微孔構(gòu)建過程中，CoQ0和SiN2在微孔內(nèi)的化學(xué)成像分布如圖3B所示，在微孔構(gòu)建前，SiN2的信號分布于整個分析區(qū)域內(nèi)，且?guī)缀鯖]有CoQ0的信號。待微孔形成后，分析區(qū)域內(nèi)SiN2的整體信號強度明顯降低，呈零星分布;而CoQ0的信號此時開始出現(xiàn)，且分布較為集中，整體呈圓形分布，其面積略小于ToF-SIMS分析區(qū)域。此結(jié)果表明，通過ToF-SIMS離子束轟擊可于氮化硅電極芯片表面構(gòu)建微孔用于液體樣品在高真空環(huán)境下的分析。

3.3?液體電化學(xué)ToF-SIMS聯(lián)用

為考察此微流控電化學(xué)池用于液體電化學(xué)-ToF-SIMS聯(lián)用性能，檢測了對微流控電化學(xué)池施加不同電壓后，CoQ0及相關(guān)還原產(chǎn)物的二次離子信號強度隨電壓的改變情況。在不同電壓條件下，微流控電化學(xué)池中電解質(zhì)溶液的質(zhì)譜圖見圖4。

由圖4A可知，在開路電壓下在，CoQ0相對分子質(zhì)量（182.1733 g/mol）處可觀察到CoQ0的分子離子峰CoQ0。與之相鄰的較為明顯的質(zhì)譜信號為Au，來源于氮化硅電極芯片表面的金電極。對此電化學(xué)池施加0.7 V（vs. Pt）電壓（圖4B），電化學(xué)池中的CoQ0將發(fā)生還原反應(yīng)，生成其還原產(chǎn)物。在對應(yīng)的質(zhì)譜圖中可觀察到，施加電位后，m/z 183和m/z 184處的二次離子信號明顯上升。鑒于該電勢條件下微流控電化學(xué)池中CoQ0的循環(huán)伏安特性，m/z 184處的二次離子信號應(yīng)為CoQ0H2-，即對應(yīng)為還原產(chǎn)物CoQ0H2的分子離子峰，而m/z 183處的信號則可能對應(yīng)于CoQ0電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間體CoQ0H。

由圖4B可知，在0.1 V（vs. Pt）電壓下還原反應(yīng)產(chǎn)生的CoQ0H2將被重新氧化成CoQ0。為進一步證明驗證CoQ0H2及CoQ0H的存在是由CoQ0的還原形成的，而非質(zhì)譜檢測過程中CoQ0相關(guān)的加氫峰，在微流控電化學(xué)池上施加0.7 V（vs. Pt）電壓后，繼續(xù)施加0.1 V（vs. Pt）電壓，觀察相關(guān)物種的信號強度變化情況。如圖4C所示，施加0.1 V（vs. Pt）電壓后，其對應(yīng)質(zhì)譜圖中，CoQ0信號強度明顯上升，而m/z=183和m/z 184處的信號則明顯下降。此結(jié)果與CoQ0的氧化還原反應(yīng)相一致，表明m/z 183和m/z 184處的信號的確對應(yīng)于微流控電化學(xué)池中CoQ0的氧化還原過程中產(chǎn)生的CoQ0H2及CoQ0H。上述結(jié)果表明，通過微流控電化學(xué)池與ToF-SIMS檢測聯(lián)用，可成功檢測液體電化學(xué)反應(yīng)進程中電極界面的物質(zhì)轉(zhuǎn)過過程，實現(xiàn)電化學(xué)氧化還原過程中電極-電解質(zhì)界面的原位實時監(jiān)測。

4?結(jié) 論

基于氮化硅電極制作了具有高真空相容性的微流控電化學(xué)反應(yīng)池，構(gòu)建了液體電化學(xué)-ToF-SIMS聯(lián)用系統(tǒng)。 以CoQ0在金電極表面的氧化還原過程為模型，觀測不同電壓下，金電極表面CoQ0及其還原產(chǎn)物隨電壓的變化情況。本方法實現(xiàn)了高真空環(huán)境下液體電化學(xué)檢測與ToF-SIMS技術(shù)的聯(lián)用，針對電極-電解質(zhì)界面進行原位實時監(jiān)測，可提供電極界面氧化還原過程的直接分子證據(jù)，為電化學(xué)反應(yīng)機理的研究提供了分子水平的信息。

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