Spectroscopie dielectrică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un spectru de permitivitate dielectrică pe o gamă largă de frecvențe. Partea reală și imaginară a permitivității sunt prezente și sunt prezentate diverse procese: relaxare ionică și dipolară, rezonanță atomică și electronică. [1]

Spectroscopia dielectrică (parte a spectroscopiei de impedanță mai generică) este o tehnică de măsurare a proprietăților dielectrice ale unui mediu material, în funcție de frecvență . [2] [3] [4] [5] Această tehnică se bazează pe interacțiunea unui câmp extern cu momentul dipol electric al probei, adesea exprimat prin permitivitate .

Este, de asemenea, o metodă experimentală pentru caracterizarea sistemelor electrochimice și din acest motiv este uneori numită spectroscopie de impedanță electrochimică (cunoscută cu acronimul englez EIS , spectroscopie de impedanță electrochimică ). Tehnica constă în măsurarea impedanței unui sistem pe o gamă largă de frecvențe și, prin urmare, răspunsul sistemului la aceste frecvențe diferite. Răspunsul evaluat se referă atât la acumularea de energie, cât și la proprietățile disipative. Rezultatele acestei analize sunt exprimate prin intermediul unui complot Bode sau al unui complot Nyquist .

Impedanța este tendința unei substanțe de a se opune trecerii curentului alternativ (AC) într-un sistem complex, format atât din rezistențe, cât și din condensatori. Dacă sistemul este pur rezistiv, atunci opoziția la curent alternativ sau curent continuu (DC) este pur și simplu rezistența circuitului

Aproape fiecare sistem chimico-fizic, cum ar fi o celulă electrochimică sau chiar un țesut biologic, are proprietăți de acumulare a energiei și disiparea acesteia, care fac obiectul analizei EIS.

În ultimul deceniu, EIS s-a dezvoltat considerabil pentru a fi aplicat în diverse domenii ale cercetării științifice, precum testarea pilelor de combustibil, caracterizarea microstructurilor sau proiectarea senzorilor chimici. Adesea EIS dezvăluie informații despre mecanismul de reacție al unui proces electrochimic, deoarece anumite etape predomină atunci când se lucrează la o anumită frecvență. Mai mult, răspunsul final reprezentat de EIS poate ajuta la identificarea care este etapa cinetică determinantă (RDS).

Mecanisme dielectrice

Există mai multe mecanisme dielectrice, fiecare dintre ele fiind legat de o frecvență caracteristică. În general, mecanismele dielectrice pot fi împărțite în relaxare și rezonanță. Cele mai frecvente, începând de la frecvențele înalte, sunt:

Aparat de spectroscopie dielectrică

Polarizarea electrică

Polarizarea atomică

Relaxare dipolară

Relaxare ionică

. [2]

Relaxare dielectrică

Principii

Fig. 1: densitatea curentului în starea de echilibru (starea de echilibru) vs. potențialul excesiv al unei redox.

Stare echilibrată

Pentru o reacție redox R. O + și, fără limite la transferul de masă , relația dintre densitatea curentului și superpotențialul electrodului este dată de ecuația Butler-Volmer : [6]

cu

. este densitatea curentului de schimb, în ​​timp ce Și sunt factori de simetrie.

Curba nu este o linie dreaptă (fig. 1), prin urmare o redox nu este un sistem liniar. [7]

Comportament dinamic

Impedanță faradică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: impedanța Faradic .

Într-o celulă electrochimică, impedanța faradică la interfața electrod-electrolit este combinația de rezistență electrică și capacitate la acea interfață.

Presupunând că comportamentul dinamic al reacției redox poate fi urmat corect prin intermediul relației Butler-Volmer:

Comportamentul dinamic al redox-ului este caracterizat de așa-numita rezistență la transfer de încărcare, definită ca:

Valoarea acestei rezistențe se modifică odată cu potențialul.

Este important să rețineți că:

de sine .

Capacitatea stratului dublu electric la interfața electrod-soluție

Interfața electrod / electrolit se comportă ca o capacitate numită capacitate electrică cu strat dublu . Circuitul electric echivalent, din Fig. 2, include capacitatea dublu strat, precum și rezistența la transferul de încărcare. Un alt circuit similar vede în schimb utilizarea unui element de fază constantă (CPE).

Impedanța electrică a acestui circuit este obținută prin simpla amintire că impedanța unei capacități este dată de:

Fig. 2: circuit echivalent pentru transfer nelimitat de masă redox.

unde este este frecvența unghiulară a unui semnal sinusoidal (rad / s) e . Primesti:

Diagrama Nyquist a impedanței circuitului prezentată în fig.3 este un semicerc cu un diametru și o frecvență unghiulară de vârf egală cu . [8]

Fig. 3: Diagrama Nyquist a unui circuit RC în paralel. Săgeata indică creșterea frecvenței unghiulare.

Rezistență ohmică

Rezistența ohmică este în serie cu impedanța electrodului și diagrama Nyquist este deplasată spre dreapta.

Măsurarea parametrilor necesari

Desenarea diagramei Nyquist cu un potențiometru [9] și un analizor de impedanță îi permite utilizatorului să determine rezistența la transferul de încărcare, capacitatea bistratului încărcat și rezistența ohmică. Densitatea curentului de schimb poate fi ușor determinată prin măsurarea impedanței unei reacții redox pentru .

Aplicații

EIS este aplicat în multe sectoare. [10]

În industria vopselei este o metodă excelentă de investigare a calității acoperirilor [11] [12] și de detectare a prezenței coroziunii . [13] [14]

Este utilizat în biosenzori pentru a măsura concentrația bacteriană [15] și pentru a arăta prezența sau absența agenților patogeni periculoși precum Escherichia coli O157: H7 [16] și Salmonella [17] , precum și a celulelor organismelor fungice . [18] [19]

Spectroscopia de impedanță electrochimică este, de asemenea, utilizată pentru a analiza și caracteriza diferite alimente. Câteva exemple se referă la interacțiunile dintre alimente și ambalaje [20] , analiza compoziției laptelui, [21] caracterizarea și determinarea punctelor de înghețare ale amestecurilor de înghețată, [22] [23] măsurarea îmbătrânirii cărnii , [24] investigarea maturității și calității fructelor [25] [26] [27] și studiul acidității altor matrice, cum ar fi uleiul de măsline și vinul. [28]

În domeniul acestei tehnici, sănătatea umană este mai bine cunoscută sub numele de impedanță bioelectrică de analiză a impedanței (BIA, bioelectrical impedance analysis) [29] și este utilizată pentru a estima compoziția corpului subiectului, de exemplu, utilizând parametri precum cantitatea totală de apă și grăsime. [30] [31]

Spectroscopia de impedanță electrochimică poate fi utilizată și pentru studierea bateriilor. [32] [33]

Notă

  1. ^ De pe pagina de spectroscopie dielectrică a grupului de cercetare al Dr. Kenneth A. Mauritz .
  2. ^ a b Kremer F., Schonhals A., Luck W. Spectroscopy Dielectric Broadband. - Springer-Verlag, 2002.
  3. ^ Sidorovich AM, Spectrul dielectric al apei. - Jurnalul fizic ucrainean, 1984, vol. 29, nr. 8, p. 1175-1181 (în rusă).
  4. ^ Hippel AR Dielectrics and Waves. - NY: John Willey & Sons, 1954.
  5. ^ Volkov AA, Prokhorov AS, Spectroscopia dielectrică în bandă largă a solidelor . - Radiofizică și electronică cuantică , 2003, vol. 46, Numărul 8, p. 657-665.
  6. ^ Yoshinao Okajima, Yasushi Shibuta și Toshio Suzuki, Un model de câmp de fază pentru reacțiile electrodului cu cinetica Butler - Volmer , în Computational Materials Science , vol. 50, nr. 1, pp. 118–124, DOI :10.1016 / j.commatsci.2010.07.015 .
  7. ^ Liniar vs. sisteme neliniare în măsurători de impedanță Arhivat 5 decembrie 2008 Data în care nu se potrivesc URL: 5 decembrie 2008 la Internet Archive .
  8. ^ Misterul stabilității potențiostatului explicat ( PDF ), pe bio-logic.info . Adus la 8 noiembrie 2011 (arhivat din original la 23 octombrie 2013) .
  9. ^ Impedanță, admitere, Nyquist, Bode, Black etc. Arhivat la 21 iulie 2011 Data în care nu se potrivesc URL: 21 iulie 2011 la Internet Archive .
  10. ^ A. Lasia, Spectroscopia de impedanță electrochimică și aplicațiile sale. În „Aspecte moderne ale electrochimiei”, volumul 32 , pp. 143–248.
  11. ^ JM McIntyre și HQ Pham, spectroscopie de impedanță electrochimică; un instrument pentru optimizarea acoperirilor organice , în Progress in Organic Coatings , vol. 27, n. 1-4, 1996, pp. 201–207, DOI : 10.1016 / 0300-9440 (95) 00532-3 .
  12. ^ A. Amirudin și D. Thieny, Aplicarea spectroscopiei de impedanță electrochimică pentru a studia degradarea metalelor acoperite cu polimer , în Progress in Organic Coatings , vol. 26, n. 1, 1995, pp. 1-28, DOI : 10.1016 / 0300-9440 (95) 00581-1 .
  13. ^ PL Bonora, F. Deflorian și L. Fedrizzi, Spectroscopia de impedanță electrochimică ca instrument pentru investigarea coroziunii sub vopsea, în Electrochimica Acta , vol. 41, nr. 7-8, 1996, pp. 1073-1082, DOI : 10.1016 / 0013-4686 (95) 00440-8 .
  14. ^ U. Rammelt și G. Reinhard, Aplicarea spectroscopiei de impedanță electrochimică (EIS) pentru caracterizarea performanței de protecție împotriva coroziunii a acoperirilor organice pe metale , în Progress in Organic Coatings , vol. 21, n. 2-3, 1992, pp. 205–226, DOI : 10.1016 / 0033-0655 (92) 87005-U .
  15. ^ R. Maalouf, C. Fournier-Wirth, J. Coste, H. Chebib, Y. Saikali, O. Vittori, A. Errachid, JP Cloarec, C. Martelet și N. Jaffrezic-Renault, Detectarea fără etichete a bacteriilor prin spectroscopie de impedanță electrochimică: comparație cu rezonanța plasmonului de suprafață , în chimia analitică , vol. 79, nr. 13, 2007, pp. 4879–4886, DOI : 10.1021 / ac070085n .
  16. ^ C. Ruan, L. Yang și Y. Li, Immunobiosensor Chips for Detection of Escherichia coli O157: H7 Using Electrochemical Impedance Impedance , in Analytical Chemistry , vol. 74, nr. 18, 2002, pp. 4814–4820, DOI : 10.1021 / ac025647b .
  17. ^ V. Nandakumar, JT La Belle, J. Reed, M. Shah, D. Cochran, L. Joshi și TL Alford, O metodologie pentru detectarea rapidă a Salmonella typhimurium utilizând spectroscopie de impedanță electrochimică fără etichete , în Biosensors & Bioelectronics , vol. . 24, n. 4, 2008, pp. 1039-1042, DOI : 10.1016 / j.bios.2008.06.036 .
  18. ^ A. Soley, M. Lecina, X. Gamez, JJ Cairo, P. Riu, X. Rosell, R. Bragos și F. Godia, Monitorizarea on-line a creșterii celulelor de drojdie prin spectroscopie de impedanță , în Journal of Biotechnology , vol. . 118, nr. 4, 2005, pp. 398–405, DOI : 10.1016 / j.jbiotec.2005.05.022 .
  19. ^ H. Chen, CK Heng, PD Puiu, XD Zhou, AC Lee, TM Lim și SN Tan, Detectarea Saccharomyces cerevisiae imobilizate pe monostrat auto-asamblat (SAM) de alcanetiolat utilizând spectroscopie de impedanță electrochimică , în Analytica Chimica Acta , vol. 554, nr. 1-2, 2005, pp. 52–59, DOI : 10.1016 / j.aca.2005.08.086 .
  20. ^ J. Hollaender, Evaluarea rapidă a interacțiunilor produselor alimentare / pachet prin spectroscopie de impedanță electrochimică (EIS) , în Aditivi alimentari și contaminanți , vol. 14, n. 6-7, 2009, pp. 617–626, DOI : 10.1080 / 02652039709374574 .
  21. ^ MF Mabrook și MC Petty, Efectul compoziției asupra conductanței electrice a laptelui , în Journal of Food Engineering , vol. 60, n. 3, 2003, pp. 321-325, DOI : 10.1016 / S0260-8774 (03) 00054-2 .
  22. ^ Marco Grossi, Massimo Lanzoni, Roberto Lazzarini și Bruno Riccò, Caracterizarea automată a înghețatei prin măsurători de impedanță pentru setarea optimă a mașinii , în Measurement , vol. 45, n. 7, august 2012, pp. 1747–1754, DOI : 10.1016 / j.measurement.2012.04.009 .
  23. ^ M. Grossi, R. Lazzarini, M. Lanzoni și B. Riccò, O tehnică nouă pentru controlul înghețării înghețatei prin analiza caracteristicilor electrice , în Journal of Food Engineering , vol. 106, nr. 4, octombrie 2011, pp. 347–354, DOI : 10.1016 / j.jfoodeng.2011.05.035 .
  24. ^ JL Damez, S. Clerion, S. Abouelkaram și J. Lepetit, Spectroscopia de impedanță electrică a cărnii de vită și detectarea anizotropiei pentru evaluarea neinvazivă precoce a îmbătrânirii cărnii , în Journal of Food Engineering , vol. 85, nr. 1, 2008, pp. 116–122, DOI : 10.1016 / j.jfoodeng.2007.07.026 .
  25. ^ M. Rehman, JA Abu Izneid, MZ Abdullha și MR Arshad, Evaluarea calității fructelor folosind spectroscopia de impedanță , în International Journal of Food Science & Technology , vol. 46, nr. 6, 2011, pp. 1303-1309, DOI : 10.1111 / j.1365-2621.2011.02636.x .
  26. ^ FR Harker și SK Forbes, Maturarea și dezvoltarea leziunilor de răcire la fructele de curmale: un studiu de impedanță electrică , în New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science , vol. 25, nr. 2, 1997, pp. 149–157, DOI : 10.1080 / 01140671.1997.9514001 .
  27. ^ AD Bauchot, FR Harker și WM Arnold, ). Utilizarea spectroscopiei de impedanță electrică pentru a evalua starea fiziologică a kiwi , în Postharvest Biology and Technology , vol. 18, nr. 1, 2000, pp. 9-18, DOI : 10.1016 / S0925-5214 (99) 00056-3 .
  28. ^ M. Grossi, G. Di Lecce, T. Gallina Toschi și B. Riccò, O nouă metodă electrochimică pentru determinarea acidității uleiului de măsline , în Microelectronics Journal , vol. 45, n. 12, decembrie 2014, pp. 1701–1707, DOI : 10.1016 / j.mejo.2014.07.006 .
  29. ^ UG Kyle, I. Bosaeus, AD De Lorenzo, P. Deurenberg, M. Elia, JM Gomez, BL Heitmann, L. Kent-Smith, JC Melchior, M. Pirlich, H. Scharfetter, A. Schols și C. Pichard , Analiza impedanței bioelectrice - partea I: revizuirea principiilor și metodelor , în Nutriție clinică , vol. 23, n. 5, 2004, pp. 1226–1243, DOI : 10.1016 / j.clnu.2004.06.004 , PMID 15380917 .
  30. ^ M. Tengvall, L. Ellegard, V. Malmros, N. Bosaeus, L. Lissner și I. Bosaeus, Compoziția corpului la vârstnici: valori de referință și spectroscopie de impedanță bioelectrică pentru a prezice masa totală a mușchilor scheletici ai corpului , în Nutriția Clinică. , vol. 28, nr. 1, 2009, pp. 52–58, DOI : 10.1016 / j.clnu.2008.10.005 .
  31. ^ MD Van Loan, P. Withers, J. Matthie și PL Mayclin, Utilizarea spectroscopiei bioimpedanței pentru a determina fluidele extracelulare, fluidele intracelulare, apa totală a corpului și masa fără grăsimi. Științele vieții , pp. 67-70.
  32. ^ Digby D. Macdonald, Reflections on the history of electrochemical impedance spectroscopy , în Electrochimica Acta , vol. 51, nr. 8-9, pp. 1376–1388, DOI :10.1016 / j.electacta.2005.02.107 .
  33. ^ (EN) Dokko K., M. Mohamedi, Y. Fujita, T. Itoh, M. Nishizawa, M. Umeda și I. Uchida, Caracterizarea cinetică a particulelor individuale de LiCoO2 prin impedanță AC și metode potențiale de etapă , Journal of the Societatea electrochimică , vol. 148, nr. 5, 1 mai 2001, pp. A422 - A426, DOI : 10.1149 / 1.1359197 , ISSN 0013-4651 ( WC ACNP ) .

Elemente conexe

Alte proiecte

Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica