Кіріспе

Диэлектрлік спектроскопия (импеданстық спектроскопияның кіші саласы) ортаның диэлектрлік қасиеттерін жиіліктің өзгеруіне қарай өлшейді. Ол сыртқы өрістің сынаманың электрлік дипольдық моментімен әрекеттесуіне негізделген, бұл көбінесе диэлектрлік тұрақтымен сипатталады. Бұл электрохимиялық жүйелерді сипаттаудың тәжірибелік әдісі болып табылады. Бұл техника жүйедегі импедансты жиіліктер диапазонында өлшейді, соның салдарынан жүйенің жиіліктік жауабы, энергияны сақтау және тарату қасиеттері анықталады. Электрохимиялық импеданстық спектроскопия (ЭХИ) арқылы алынған деректер көбінесе Боде графигі немесе Найквист графигі түрінде бейнеленеді. Импеданс – күрделі жүйедегі айнымалы ток (АҚ) ағынына көрсетілетін қарсылық. Пассивті күрделі электр жүйесі энергияны таратушы (резистор) және энергияны сақтаушы (конденсатор) элементтерін қамтиды. Егер жүйе таза резистивті болса, айнымалы ток немесе тұрақты токқа (DC) қарсылық тек кедергі болып табылады. Көп фазалы материалдар немесе жүйелер (композиттер немесе гетерогенді материалдар сияқты) әдетте жалпы диэлектрлік жауап көрсетеді, осыған сәйкес диэлектрлік спектроскопия импеданс (немесе кері шамасы, сиымдылық) пен қолданылатын АҚ өрісінің жиілігі, ω арасындағы қуат заңдылығын анықтайды. Кез келген физикалық-химиялық жүйе, мысалы электрохимиялық жасушалар, массалық сәулелік осцилляторлар және тіпті биологиялық тіндер энергияны сақтау және тарату қасиеттеріне ие. ЭХИ оларды зерттейді. Бұл техника соңғы жылдары үлкен дамуға жетті және қазір отын жасушаларын сынау, биомолекулалық өзара әрекеттесу және микроқұрылымдық сипаттама сияқты ғылымның көптеген салаларында кеңінен қолданылуда. Көбінесе ЭХИ электрохимиялық процестің реакциялық механизмі туралы мәліметтерді ашады: әртүрлі реакциялық қадамдар белгілі бір жиіліктерде басым болады, ал ЭХИ көрсеткен жиіліктік жауап жылдамдық шектеуші қадамды анықтауға көмектеседі.

Диэлектрлік механизмдер

Зерттелетін ортаның қолданылған өріске қалай реакция ететініне байланысты бірнеше түрлі диэлектрлік механизмдер бар (суретте көрсетілген схеманы қараңыз). Әрбір диэлектрлік механизм өзінің ерекше жиілігіне ортасталған, ол процестің ерекше уақытының кері шамасы болып табылады. Жалпы алғанда, диэлектрлік механизмдерді релаксациялық және резонанстық процестерге бөлуге болады. Ең көп таралғандары, жоғары жиіліктерден бастап:

Электрондық поляризация

Бұл резонанстық процесс бейтарап атомда электр өрісі оны қоршаған ядроға қатысты электрон тығыздығын ығыстырғанда жүзеге асады. Бұл ығыстыру, қайта қалпына келтіру және электр күштері арасындағы тепе-теңдік нәтижесінде пайда болады. Электрондық поляризацияны атомды біркелкі заряд тығыздығымен қоршалған нүктелік ядро ретінде қарастыру арқылы түсінуге болады.

Атомдық поляризациясы

Атомдық поляризация атом ядросының электр өрісіне жауап ретінде қайта бағытталуынан байқалады. Бұл резонанстық процесс. Атомдық поляризация атомның ішкі қасиеті болып табылады және қолданылған өрістің нәтижесі. Электрондық поляризация электрондық тығыздыққа байланысты және қолданылған өрістің нәтижесі. Атомдық поляризация көбінесе электрондық поляризациядан кішідірек болады.

Диполды сергіту

Бұл тұрақты және шақырылған дипольдердің электр өрісіне бағытталуынан туындайды. Олардың бағытталған поляризациясы жылу шуымен бұзылады (бұл диполь векторларын өріс бағытынан қате бағыттайды), ал дипольдердің қайта орналасуына қажетті уақыт жергілікті тұтқырлықпен анықталады. Осы екі фактор дипольдік релаксацияны температураға, қысымға және химиялық ортаға өте сезімтал етеді.

Оммдық кедергі

Омдық кедергі реакция электродының импедансымен тізбектелесіп пайда болады және Найквист диаграммасы оңға қарай жылжиды.

Жалпы диэлектрлік жауап

Кезекті ток (AC) жағдайында, өзгеретін жиілік ω-да, гетерогенді жүйелер мен композиттік материалдар әмбебап диэлектрлік жауап көрсетеді, онда жалпы өткізгіштік жиілікке қарай қуат заңы бойынша өзгеретін аймақ байқалады.

Импеданс параметрлерін өлшеу

Найквист диаграммасын потенциостат және импеданс анализаторы арқылы сызу, көбінесе қазіргі заманғы потенциостаттарға енгізілген, пайдаланушыға заряд тасымалдау кедергісін, қос қабат сыйымдылығын және омикалық кедергіні анықтауға мүмкіндік береді. Тоқ алмасу тығыздығын редокс реакциясының импедансын өлшеу арқылы оңай анықтауға болады. Редокс реакцияларынан гөрі күрделірек және зат алмасу шектеулері бар реакциялар үшін Найквист диаграммалары бірнеше доғадан тұрады.

Қолданбалар

Электрохимиялық импеданстық спектроскопиясы кең ауқымды қолданыстарда қолданылады. Бояу және жабын өнеркәсібінде, ол жабындардың сапасын зерттеу және коррозияның болуын анықтау үшін пайдалы құрал болып табылады. Бактериялық концентрацияны өлшеу және Escherichia coli O157:H7 және Salmonella сияқты қауіпті патогендерді, сондай-ақ ашытқы жасушаларын анықтау үшін ол көптеген биосенсорлық жүйелерде маркерсіз әдіс ретінде қолданылады. Электрохимиялық импеданстық спектроскопиясы әртүрлі тағамдық өнімдерді талдау және сипаттау үшін де қолданылады. Мысалдарға тағамдық өнімдер мен қаптама арасындағы өзара әрекеттестікті бағалау, сүттің құрамын талдау, мұзжұмсақ қоспаларының қату температурасын сипаттау және анықтау, еттің пісуін өлшеу, жемістердің пісіп-жетілуін және сапасын тексеру, зәйтүн майының еркін қышқылдығын анықтау жатады. Адам денсаулығын бақылау саласында бұл биоэлектрлік кедергі талдауы (BIA) ретінде жақсы танымал және дене құрамын, сондай-ақ жалпы дене суы және май массасы сияқты әртүрлі параметрлерді бағалау үшін қолданылады. Электрохимиялық импеданстық спектроскопиясын батареялар мен электрокатализдік жүйелердің жиілік жауабын салыстырмалы түрде жоғары температурада алу үшін де пайдалануға болады. Микротолқындық диапазонда жұмыс істейтін биомедициналық сенсорлар жиілік диапазонында диэлектрлік қасиеттердегі өзгерістерді анықтау үшін диэлектрлік спектроскопияға сүйенеді, мысалы, инвазивті емес үздіксіз қандағы глюкоза деңгейін бақылау. Адам тіндерінің диэлектрлік қасиеттерін алу үшін IFAC деректер базасын ресурс ретінде пайдалануға болады. Суспензиялар сияқты гетерогенді қоспалар үшін бөлшектің тұну процесін бақылау үшін импеданстық спектроскопияны қолдануға болады.