电化学双极性原理及其在复合微电极阵列中的应用

Electrochemical bipolar behavior is one of important properties of the electrochemical interface under certain conditions. However, the mechanism and properties of the electrochemical bipolar are not well understood. This project plans to design and fabricate complex microelectrode arrays, and investigate systematically the electrochemical bipolar behavior by theoretical and experimental methods. The studies include the capability of bipolar metallic film to depress the overlapping of the diffusion layers, the generality of metallic film for bipolar behavior, the relationship between the rate of electron transfer of electrochemical probe and the area of the metallic film, and the profiles of the potential and the corresponding concentration of the electrochemical probe. And the bipolar behavior will be used to increase the detection sensitivity, selectivity and other functions of the microelectrode arrays. The above studies benefit understanding the electrochemical bipolar behavior, and providing instructions for its applications in microelectrode arrays and micro electrochemical systems. The project can help to understand the electrochemical interface and accelerate the development of fundamental electrochemistry.

电化学双极性是电化学界面在特定条件下具有的重要性质，然而，目前对电化学体系中双极性机理和特性认识匮乏。本项目拟通过设计并加工复合微电极阵列，利用理论和实验方法从不同角度对电化学双极性行为进行系统研究。研究内容包括探明金属膜双极性抑制微电极之间扩散层交叠的能力，金属膜材料对双极性的普适性，不同电子转移速率的电化学探针对金属膜有效面积的要求以及金属膜处于双极性状态时电势分布以及相应的电化学探针浓度分布等。并利用该性质对金属膜在微电极阵列中增强电化学检测灵敏度、选择性以及功能化方面的应用进行研究。通过以上研究可望深入理解电化学双极性原理，为其在微电极阵列以及电化学微系统研究中的应用提供实验依据和理论指导。本项目研究对深入认识特殊电化学界面以及促进电化学基本理论发展有重要的学术意义。

与经典的产生-收集模式相比，双极性模式仅仅需要单恒电位仪便可满足实验要求，而且，基于微电极阵列的浓差诱导型双极性不需要使用外加的强电场诱导产生双极性。浓差诱导型双极性的以上特点使得其在微系统电化学应用研究中具有重要意义。本项目设计并加工复合微电极阵列，利用理论和实验方法从不同角度对电化学双极性行为进行系统研究。研究内容包括系统研究单组份可逆探针分子在平面-凹微盘阵列电极上电化学行为，结果表明该复合微电极的平面金属膜上存在浓差诱导双极性行为，并利用浓差诱导双极性机理提高微电极阵列的电极密度；利用复合微电极阵列在扩散层区域内扩散相互交叠以及反应物之间相互影响的特点，将干扰物消除，从而对待测物进行选择性和高灵敏度检测；不同电子转移速率的电化学探针对金属膜有效面积的要求；研究电化学活性物种组成的双组分体系在复合微电极阵列上的电化学行为，通过对比双组分体系的产生-收集模式和双极性模式的电化学行为，揭示了在浓差诱导双极工作模式下一种有效增强氧化还原效率的新路径；并进一步探索了离子液体体系中电化学活性物种在凹微盘电极阵列上的电化学行为。以上研究加深了对电化学双极性原理的理解，为其在微电极阵列以及电化学微系统研究中的应用提供实验依据和理论指导。