在真空度為10^-5>Pa下的液體電化學-飛行時間二次離子質譜聯用技術研究

夏海倫 華鑫 龍億濤

摘?要?傳統電化學檢測手段致力于研究電活性物質在電極表面的電子轉移過程，卻很難獲得關于電極-電解質界面分子水平的信息。在分子水平實現電化學氧化還原反應中間體的原位檢測，對研究電化學反應機理具有重要意義。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，通過構建可用于高真空環境下使用的微流控電化學反應池，在真空度低于105 Pa環境中實現液體電化學-飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）聯用。CoQ0及池體材料氮化硅在電極擊穿前后的ToF-SIMS成像結果表明，此聯用技術可用于高真空條件下液體樣品的直接檢測。由電化學工作站對微流控電化學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，其隨電壓相互轉化關系與CoQ0在水溶液中的氧化還原行為一致。CoQ0及其還原產物的質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，進一步表明此聯用技術在電極-電解質界面原位檢測方面具有應用潛力，為電極表面電化學反應機理研究提供了更多信息。

關鍵詞?輔酶Q0; 電極-電解質界面; 原位電化學檢測; 飛行時間-二次離子質譜

1?引 言

電極表面是發生電化學氧化還原反應的場所，伴隨著電子的轉移以及電活性物質的轉化。電極-電解質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]等領域的研究都具有指導意義。傳統電化學檢測手段致力于研究電活性物質在電極表面的電子傳遞過程，但無法直接提供電活性物質在電極表面的轉化信息。實現對電活性物質界面行為的原位實時監測，對電化學反應機理的理解有重要意義。

電極-電解質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，有機電化學反應中間體通常穩定性差、壽命短，很難實現直接檢測。傳統的電化學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，如光譜[6]、X射線技術[7，8]、質譜[9，10]等聯用以獲取更多關于電極界面的結構及化學信息。其中質譜-電化學聯用技術具有高靈敏度與高化學特異性，可提供關于界面物種的直接分子信息。飛行時間-二次離子質譜（Time-of-flight secondary ion mass spectrometry，ToF-SIMS）是一種高靈敏的表面分析技術，兼具對樣品表面化學組成分布成像及縱向化學成分變化的分析能力，廣泛應用于材料表征[11，12]、細胞成像[13，14]和微區分析[15，16]等方面。最近，其在液態樣品（如水團簇研究領域[17]）檢測亦備受關注。如能實現ToF-SIMS與液體電化學池檢測的聯用，將其用于電極-電解質界面的原位動態分析，可為電化學反應過程中電活性物質的界面行為變化提供分子水平的信息。

輔酶Q是生物體內廣泛存在的一類化合物，在生物體呼吸鏈質子轉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，構建適用于高真空環境下的微流控電化學反應池，結合ToF-SIMS檢測技術，實現了液體電化學-ToF-SIMS聯用。擬通過聚焦離子束轟擊電極背面，直接對電化學池中電解質溶液進行分析，獲得不同電壓下電解質溶液的質譜碎片，觀察CoQ0及相關產物在金電極表面的強度變化情況，以期為電化學反應機理研究提供直接的分子依據。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

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

CoQ0（98%，薩恩化學技術（上海）有限公司）; KNO3（分析純，國藥集團化學試劑（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?微流控電化學池制備?微流控電化學反應池由三部分組成：氮化硅電極芯片、PDMS池體、外接電極導線。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。電化學池池體通過PDMS澆筑而成，氮化硅電極芯片與PDMS池體表面經空氣等離子體預處理60 s后，使氮化硅芯片與PDMS進行不可逆鍵合，確保ToF-SIMS高真空腔中電化學池的密封性。用銀膠固定氮化硅電極芯片上的外接導線，接通PTFE導管，進行PDMS密封，即可獲得高真空相容的電化學池。確認微流控電化學池整體密封性良好，可于105 Pa真空環境下使用后，即可向反應池內注入CoQ0溶液，池中電解質溶液體積約15 μL，密封并固定于ToF-SIMS樣品托上備用。

2.2.2?液體電化學ToF-SIMS聯用?液體電化學ToF-SIMS聯用分析于高真空條件下進行，實驗過程中，ToF-SIMS內部真空腔壓力低于1×105 Pa。微流控電化學池整體結構及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。在負離子模式下進行檢測，以CH、CH2、O、OH 和Au對質譜峰進行校正。為實現液體電化學的原位實時檢測，需于氮化硅表面構建微孔。通過模擬高真空環境下，不同孔徑微孔中電解質溶液的形貌[19]，并兼顧實際檢測過程中離子信號的提取及孔內液體穩定性，選擇2 μm的圓孔作為ToF-SIMS實際分析區域。通過聚焦離子束在樣品表面進行逐點掃描，循環往復，直至微孔被擊穿，同時獲得微孔表面各處各物種化學分布情況。借助孔內液體的表面張力以避免池內液體溢出，維持ToF-SIMS腔內真空度。再經ToF-SIMS外接電路對真空腔內的電化學反應池施加電位，獲得不同電位情況下，孔內金電極表面的電解質溶液的二次離子信息，分析金電極表面CoQ0氧化還原反應情況。

3?結果與討論

3.1?CoQ0在電化學池中的循環伏安特性

考察了CoQ0在微流控電化學池中的電化學響應行為，在100 mV/s掃描速率下，檢測了1 mmol/L CoQ0在所構建微流控電化學池中的循環伏安響應曲線。以KNO3為支持電解質，當其濃度較高時，會存在基質效應，對ToF-SIMS檢測產生影響。此外，由于微流控電化學池整體將于1×105 Pa的高真空環境下使用，ToF-SIMS分析區域內的鹽溶液可能結晶析出，覆蓋分析區域，干擾ToF-SIMS檢測，故需綜合考慮電活性物質在微流控電化學池中的電化學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濃度，以減弱這些因素對液體電化學-ToF-SIMS檢測的影響。

采用1 mmol/L KNO3溶液作為支持電解質進行研究，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池中1 mmol/L CoQ0的循環伏安響應曲線（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，在低電解質濃度情況下，CoQ0有一對對稱的氧化還原峰，對應CoQ0在金電極表面的一步兩電子轉移過程。由于支持電解質濃度較低，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，表明一步兩電子轉移為可逆反應。而在所用微流控電化學池中，由于其金電極面積相對較小，所得循環伏安曲線電流響應較低（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，由于所構建微流控電化學池為一薄層池結構，電解質的擴散受到限制，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。此結果與CoQ0在大電極體系下的循環伏安特性相近，說明在所構建微流控電化學池中，使用1 mmol/L KNO3作為支持電解質即可獲得較好的循環伏安曲線，故無需進一步提高支持電解質濃度，說明所構建微流控電化學池可用于電化學檢測。

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域內的化學分布情況。本研究觀察了在高真空（壓力小于105 Pa）環境下，離子束轟擊氮化硅電極芯片構建2 μm微孔的過程及微孔形成前后CoQ0和SiN2在微孔附近的化學成像分布圖，以確定此電化學池用于ToF-SIMS檢測的可行性。如圖3A所示，隨著離子束的持續轟擊，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溶液。在微孔擊穿前后，ToF-SIMS真空腔內壓力變化小于106 Pa，說明微流控電化學池表面微孔的構建對ToF-SIMS真空度未產生明顯影響，即表明孔中液體相對穩定，不存在快速漏液情況。

氮化硅芯片表面微孔構建過程中，CoQ0和SiN2在微孔內的化學成像分布如圖3B所示，在微孔構建前，SiN2的信號分布于整個分析區域內，且幾乎沒有CoQ0的信號。待微孔形成后，分析區域內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，且分布較為集中，整體呈圓形分布，其面積略小于ToF-SIMS分析區域。此結果表明，通過ToF-SIMS離子束轟擊可于氮化硅電極芯片表面構建微孔用于液體樣品在高真空環境下的分析。

3.3?液體電化學ToF-SIMS聯用

為考察此微流控電化學池用于液體電化學-ToF-SIMS聯用性能，檢測了對微流控電化學池施加不同電壓后，CoQ0及相關還原產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，微流控電化學池中電解質溶液的質譜圖見圖4。

由圖4A可知，在開路電壓下在，CoQ0相對分子質量（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。對此電化學池施加0.7 V（vs. Pt）電壓（圖4B），電化學池中的CoQ0將發生還原反應，生成其還原產物。在對應的質譜圖中可觀察到，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池中CoQ0的循環伏安特性，m/z 184處的二次離子信號應為CoQ0H2-，即對應為還原產物CoQ0H2的分子離子峰，而m/z 183處的信號則可能對應于CoQ0電化學反應過程中產生的中間體CoQ0H。

由圖4B可知，在0.1 V（vs. Pt）電壓下還原反應產生的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，而非質譜檢測過程中CoQ0相關的加氫峰，在微流控電化學池上施加0.7 V（vs. Pt）電壓后，繼續施加0.1 V（vs. Pt）電壓，觀察相關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，其對應質譜圖中，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。此結果與CoQ0的氧化還原反應相一致，表明m/z 183和m/z 184處的信號的確對應于微流控電化學池中CoQ0的氧化還原過程中產生的CoQ0H2及CoQ0H。上述結果表明，通過微流控電化學池與ToF-SIMS檢測聯用，可成功檢測液體電化學反應進程中電極界面的物質轉過過程，實現電化學氧化還原過程中電極-電解質界面的原位實時監測。

4?結 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反應池，構建了液體電化學-ToF-SIMS聯用系統。 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及其還原產物隨電壓的變化情況。本方法實現了高真空環境下液體電化學檢測與ToF-SIMS技術的聯用，針對電極-電解質界面進行原位實時監測，可提供電極界面氧化還原過程的直接分子證據，為電化學反應機理的研究提供了分子水平的信息。

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