基于表面等离子共振的电化学显微镜研制

Various electrochemical microscopy techniques have been playing very important roles in the development of electrochemistry. The most widely-used principle to acquire electrochemical images is to scan the sample with specially-designed microelectrodes. Although appropriate spatial resolution could be obtained with such approaches, the scanning mode generally compromised the temporal resolution, which further limited their applications in fast and dynamic processes. A novel approach was therefore proposed here to achieve the improved temporal resolution (micro- to milliseconds) while maintaining the spatial resolution around the optical diffraction limit. The key principle relies on the sensitive dependence of surface plasmon resonance optical signal with the local electrochemical current, which thus enables the optical readout of local electrochemical current distribution. It is believed that systematic investigations on the instrumentation as well as its analytical applications in nano-science, life science and surface science would lead to a novel scientific instrument that can effectively resolve the electrochemical information from optical images.

电化学显微镜以其能够获取观测对象表面电化学反应图像的独特优势一直是电化学研究的热点之一。目前的电化学显微镜采用扫描探针模式获取电化学图像，虽然可以获得较高的空间分辨率，但是时间分辨率较低，难以应用于快速动态过程的实时成像研究。本项目拟研制一种基于光学读出的高时空分辨电化学显微镜，在基本保持现有空间分辨率的同时将时间分辨率由目前的数秒大幅提高到毫秒甚至微秒水平。其关键技术原理是基于表面等离子共振光学信号和局部电流信号之间的光-电定量关系，创造性地以光学读出方式获取电化学图像，从而有效克服了扫描探针对其时间和空间分辨率的限制。此外，该技术能够方便地对同一样本进行电化学和荧光显微成像，有助于对样品的全面分析。本项目将致力于研制此电化学显微镜的硬件和软件平台使之成熟化、集成化和仪器化，并推广其在纳米科学、生命科学和表面科学中的创新应用，为我国电化学基础理论和应用研究的持续发展提供有价值的技术工具。

电化学显微镜以其能够获取观测对象表面电化学反应图像的独特优势一直是电化学研究的热点之一。目前的电化学显微镜采用扫描探针模式获取电化学图像，虽然可以获得较高的空间分辨率，但是时间分辨率较低，难以应用于快速动态过程的实时成像研究。本项目研制了一种基于光学读出的高时空分辨电化学显微镜，在基本保持现有空间分辨率的同时将时间分辨率由目前的数秒大幅提高到毫秒甚至微秒水平。其关键技术原理是基于表面等离子共振光学信号和局部电流信号之间的光-电定量关系，创造性地以光学读出方式获取电化学图像，从而有效克服了扫描探针对其时间和空间分辨率的限制。本项目目前已经实现了对电化学电流、电位和电荷的成像，并发展了该成像技术在单纳米粒子电化学、蛋白质磷酸化动力学，神经元细胞动作电位成像和纳米材料力学的创新性应用。该技术能够方便地实现对同一样本进行电化学和原子力显微成像，有助于对样品的全面分析。本项目致力于研制此电化学显微镜的硬件和软件平台使之成熟化、集成化和仪器化，并推广其在纳米科学、生命科学和表面科学中的创新应用，为我国电化学基础理论和应用研究的持续发展提供有价值的技术工具。