Введение
Диэлектрическая спектроскопия (является подкатегорией импедансной спектроскопии) измеряет диэлектрические свойства среды как функцию частоты. Она основана на взаимодействии внешнего поля с электрическим дипольным моментом образца, часто выражаемым диэлектрической проницаемостью. Это также экспериментальный метод для характеристики электрохимических систем. Данный метод измеряет импеданс системы в широком диапазоне частот, и, следовательно, выявляет частотную характеристику системы, включая свойства накопления и рассеяния энергии. Часто данные, полученные с помощью электрохимической импедансной спектроскопии (EIS), графически представляются в виде графика Боде или графика Найквиста. Импеданс – это сопротивление прохождению переменного тока (AC) в сложной системе. Пассивная сложная электрическая система состоит из элементов, рассеивающих энергию (резисторов), и элементов, накапливающих энергию (конденсаторов). Если система чисто резистивная, то сопротивление переменному или постоянному току (DC) является просто сопротивлением. Материалы или системы, содержащие несколько фаз (например, композиты или гетерогенные материалы), обычно демонстрируют универсальный диэлектрический отклик, при котором диэлектрическая спектроскопия выявляет степенную зависимость между импедансом (или обратной величиной – проводимостью) и частотой ω приложенного переменного поля. Почти любая физико-химическая система, такая как электрохимические ячейки, колебательные системы с сосредоточенной массой и даже биологические ткани, обладает свойствами накопления и рассеяния энергии. EIS исследует эти свойства. Этот метод значительно расширил свои возможности за последние несколько лет и в настоящее время широко используется в различных научных областях, таких как тестирование топливных элементов, изучение биомолекулярных взаимодействий и микроструктурный анализ. Часто EIS предоставляет информацию о механизме электрохимической реакции: различные стадии реакции доминируют на определенных частотах, и частотная характеристика, полученная с помощью EIS, может помочь определить лимитирующую стадию.
Диэлектрические механизмы
Существует ряд различных диэлектрических механизмов, связанных с тем, как исследуемая среда реагирует на приложенное поле (см. иллюстрацию). Каждый диэлектрический механизм характеризуется своей собственной частотой, которая является величиной, обратной характерному времени процесса. В общем случае, диэлектрические механизмы можно разделить на процессы релаксации и резонанса. Наиболее распространенные, начиная с высоких частот, включают:
Электронная поляризация
Этот резонансный процесс происходит в нейтральном атоме, когда электрическое поле смещает электронную плотность относительно ядра, которое оно окружает. Это смещение возникает из-за равновесия между силами упругого восстановления и электрическими силами. Электронную поляризацию можно представить, рассматривая атом как точечное ядро, окруженное сферическим облаком электронов с однородной плотностью заряда.
Атомная поляризация
Атомная поляризация наблюдается, когда ядро атома переориентируется под воздействием электрического поля. Это резонансный процесс. Атомная поляризация является неотъемлемым свойством атома и возникает вследствие приложенного поля. Электронная поляризация связана с изменением электронной плотности и является следствием приложенного поля. Обычно атомная поляризация значительно меньше электронной поляризации.
Дипольная релаксация
Это возникает из-за ориентации постоянных и индуцированных диполей в электрическом поле. Ориентационная поляризация нарушается тепловым шумом (который дезориентирует дипольные векторы относительно направления поля), а время, необходимое для релаксации диполей, определяется локальной вязкостью. Эти два фактора делают дипольную релаксацию сильно зависимой от температуры, давления и химической среды.
Оммовое сопротивление
Омное сопротивление возникает последовательно с импедансом электродного процесса, и диаграмма Найквиста сдвигается вправо.
Универсальный диэлектрический отклик
В условиях переменного тока с изменяющейся частотой ω, гетерогенные системы и композитные материалы демонстрируют универсальный диэлектрический отклик, при котором общая проводимость демонстрирует область степенной зависимости от частоты.
Измерение параметров импеданса
Построение диаграммы Найквиста с помощью потенциостата и анализатора импеданса, который часто входит в состав современных потенциостатов, позволяет пользователю определить сопротивление переносу заряда, емкость двойного слоя и омическое сопротивление. Плотность тока обмена можно легко определить, измеряя импеданс окислительно-восстановительной реакции. Диаграммы Найквиста состоят из нескольких дуг для реакций, более сложных, чем окислительно-восстановительные, и при наличии ограничений массопереноса.
Nyquist diagrams are made of several arcs for reactions more complex than redox reactions and with mass transfer limitations.
Приложения
Электрохимическая импедансная спектроскопия используется в широком спектре приложений. В лакокрасочной и покрытийной промышленности это полезный инструмент для исследования качества покрытий и выявления коррозии. Она применяется во многих биосенсорных системах как метод, не требующий использования меток, для измерения концентрации бактерий и обнаружения опасных патогенов, таких как Escherichia coli O157:H7 и Salmonella, а также клеток дрожжей. Электрохимическая импедансная спектроскопия также используется для анализа и характеристики различных пищевых продуктов. Примеры включают оценку взаимодействия пищевых продуктов с упаковкой, анализ состава молока, характеристику и определение конечной точки замерзания смесей для мороженого, измерение созревания мяса, исследование зрелости и качества фруктов, а также определение свободной кислотности оливкового масла. В области мониторинга здоровья человека она более известна как анализ биоэлектрического импеданса (BIA) и используется для оценки состава тела, а также различных параметров, таких как общее содержание воды в организме и масса свободных жиров. Электрохимическая импедансная спектроскопия может быть использована для получения частотной характеристики батарей и электрокаталитических систем при относительно высоких температурах. Биомедицинские датчики, работающие в микроволновом диапазоне, используют диэлектрическую спектроскопию для обнаружения изменений диэлектрических свойств в определенном диапазоне частот, например, для неинвазивного непрерывного мониторинга уровня глюкозы в крови. База данных IFAC может служить источником информации о диэлектрических свойствах тканей человеческого тела. Для гетерогенных смесей, таких как суспензии, импедансная спектроскопия может использоваться для контроля процесса осаждения частиц.