Jump to content

Диэлектрическая спектроскопия

Спектр диэлектрической диэлектрической проницаемости на широком диапазоне частот. Показаны реальные и воображаемые части диэлектрической проницаемости, и изображены различные процессы: ионная и диполярная релаксация, а также атомные и электронные резонансы при более высоких энергиях. [ 1 ]

Диэлектрическая спектроскопия (которая попадает в подкатегорию спектроскопии импеданса ) измеряет диэлектрические свойства среды в зависимости от частоты . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Он основан на взаимодействии внешнего поля с электрическим дипольным моментом образца, часто выражаемого проницаемостью .

Это также экспериментальный метод характеристики электрохимических систем. Этот метод измеряет импеданс системы на диапазоне частот, и, следовательно, частотная характеристика системы, включая свойства хранения энергии и диссипации, выявляется. Часто данные, полученные с помощью электрохимической спектроскопии импеданса ( EIS ), выражены графически на графике Bode или на графике Nyquist .

Импеданс является противодействием потоку переменного тока (AC) в сложной системе. Пассивная комплексная электрическая система включает в себя элементы как диссипатор энергии ( резистор ), так и элементы хранения энергии ( конденсатор ). Если система является чисто резистительной, то противодействие переменному или постоянному току (DC) является просто сопротивлением . Материалы или системы, демонстрирующие несколько фаз (такие как композиты или гетерогенные материалы), обычно показывают универсальный диэлектрический отклик , в результате чего диэлектрическая спектроскопия выявляет взаимосвязь с властным законом между импедансом (или обратным термином, допуском ) и частотой ω применяемого АКС поле.

Почти любая физико-химическая система, такая как электрохимические клетки , генераторы массового луча и даже биологическая ткань, обладают свойствами хранения и рассеяния энергии. EIS рассматривает их.

Этот метод значительно выросла в статусе за последние несколько лет и в настоящее время широко используется в широком спектре научных областей, таких как тестирование топливных элементов , биомолекулярное взаимодействие и микроструктурная характеристика. Часто EIS выявляет информацию о механизме реакции электрохимического процесса: различные этапы реакции будут доминировать на определенных частотах, а частотная отклика, показанная EIS, может помочь определить этап ограничения скорости.

Диэлектрические механизмы

[ редактировать ]
Диэлектрическая спектроскопическая машина

Существует ряд различных диэлектрических механизмов, связанных с тем, как изучаемая среда реагирует на приложенное поле (см. Иллюстрацию рисунка). Каждый диэлектрический механизм сосредоточен вокруг его характерной частоты, которая является взаимным характеристическим временем процесса. В целом, диэлектрические механизмы можно разделить на расслабления и резонанса процессы . Наиболее распространенными, начиная с высоких частот, являются:

Электронная поляризация

[ редактировать ]

Этот резонансный процесс происходит в нейтральном атом, когда электрическое поле вытесняет электронную плотность относительно ядра, которое он окружает.

Это смещение происходит из -за равновесия между восстановлением и электрическими силами. Электронная поляризация может быть понята, предполагая атом как точечное ядро, окруженное сферическим электронным облаком равномерной плотности заряда.

Атомная поляризация

[ редактировать ]

Атомная поляризация наблюдается, когда ядро ​​переориентации атома в ответ на электрическое поле. Это резонансный процесс. Атомная поляризация является присущей природе атома и является следствием прикладного поля. Электронная поляризация относится к плотности электронов и является следствием приложенного поля. Атомная поляризация обычно невелика по сравнению с электронной поляризацией.

Дипольная релаксация

[ редактировать ]

Это происходит от постоянных и индуцированных диполей, выравнивающих электрическое поле. Их ориентация поляризация нарушена тепловым шумом (который неправильно вырабатывает дипольные векторы от направления поля), и время, необходимое для расслабления диполей, определяется локальной вязкостью . Эти два факта делают дипольную релаксацию сильно зависеть от температуры , давления , [ 6 ] и химическое окружение.

Ионная релаксация

[ редактировать ]

Ионная релаксация включает в себя ионную проводимость и межфазное и ослабление космического заряда. Ионная проводимость преобладает на низких частотах и ​​вносит только потери в систему. Межфазная релаксация происходит, когда носители заряда попадают в ловушку на разделах гетерогенных систем. Связанным эффектом является поляризация Maxwell-Wagner-Sillars , где носители заряда блокировались на внутренних диэлектрических пограничных слоях (по мезоскопическим масштабам) или внешние электроды (по макроскопическим масштабам) приводят к разделению зарядов. Заряды могут быть разделены на значительное расстояние и, следовательно, вносить вклад в диэлектрические потери, которые на порядки на величину больше, чем отклик из -за молекулярных колебаний. [ 2 ]

Диэлектрическая релаксация

[ редактировать ]

Диэлектрическая релаксация в целом является результатом движения диполей (дипольная релаксация) и электрических зарядов (ионная релаксация) из -за приложенного чередующегося поля и обычно наблюдается в диапазоне частот 10 2 -10 10 Гц Механизмы релаксации относительно медленные по сравнению с резонансными электронными переходами или молекулярными вибрациями, которые обычно имеют частоты выше 10 12 Гц

Принципы

[ редактировать ]

Устойчивое состояние

[ редактировать ]

Для окислительно -восстановительной реакции Ведущий O + E, без ограничения массового переноса, взаимосвязь между плотностью тока и электродом переоценка задается уравнением дворецкого-Volmer : [ 7 ] с Плотность обменного тока и и являются факторами симметрии.

Рис. 1: Устойчивая плотность тока в зависимости от окислительно-восстановительной реакции для окислительно-восстановительной реакции

Кривая против. не является прямой линией (рис. 1), поэтому окислительно -восстановительная реакция не является линейной системой. [ 8 ]

Динамическое поведение

[ редактировать ]

Фарадаический импеданс

[ редактировать ]

В электрохимической ячейке фарадайским импедансом границы раздела электролита-электрода является электрическим сопротивлением и емкостью на этом графике.

Предположим, что отношения Батлера-Вольмера правильно описывает динамическое поведение окислительно-восстановительной реакции:

Динамическое поведение окислительно-восстановительной реакции характеризуется так называемой сопротивлением переноса заряда определено::

Значение сопротивления переноса заряда изменяется с переполнением. Для этого простейшего примера фарадайский импеданс сводится к сопротивлению. Стоит заметить, что: для .

Двойная емкость

[ редактировать ]
Рис. 2: Эквивалентная схема для реакции редоксина без ограничения массового перевода
Рис. 3: Электрохимики Найквистская диаграмма параллельной цепи RC. Стрелка указывает на увеличение угловых частот.

Электрод Интерфейс электролита ведет себя как емкость, называемая электрохимической двойной емкостью Полем Эквивалентная схема для окислительно-восстановительной реакции на рис. 2 включает в себя двойную емкость а также сопротивление передаче заряда Полем Другая аналоговая схема, обычно используемая для моделирования электрохимического двойного слоя, называется постоянным фазовым элементом .

Электрический импеданс этой схемы легко получается, запоминая импеданс емкости, которая дается: где является угловой частотой синусоидального сигнала (рад/с) и .

Это получено:

Найкистская диаграмма импеданса схемы, показанной на рис. 3, представляет собой полукруг с диаметром и угловая частота на вершине, равной (Рис. 3). Можно использовать другие представления, бодные сюжеты или черные планы. [ 9 ]

Омическое сопротивление

[ редактировать ]

Омическое сопротивление Появляется последовательно с импедансом электрода реакции, а диаграмма Nyquist переводится вправо.

Универсальный диэлектрический отклик

[ редактировать ]

В условиях переменного тока с различной частотой ω гетерогенные системы и композитные материалы демонстрируют универсальный диэлектрический отклик , в котором общее допуск демонстрирует область масштабирования властного закона с частотой. . [ 10 ]

Измерение параметров импеданса

[ редактировать ]

Построение диаграммы Nyquist с потенциостатом [ 11 ] А анализатор импеданса , чаще всего включаемый в современные потенциостаты, позволяет пользователю определять сопротивление передаче заряда, двойную емкость и омическую сопротивление. Плотность тока обмена может быть легко определить измерение импеданса окислительно -восстановительной реакции для .

Диаграммы Nyquist изготовлены из нескольких дуг для реакций, более сложных, чем окислительно-восстановительные реакции, и с ограничениями массового переноса.

Приложения

[ редактировать ]

Электрохимическая спектроскопия импеданса используется в широком диапазоне применений. [ 12 ]

В индустрии красок и покрытий это полезный инструмент для исследования качества покрытий [ 13 ] [ 14 ] и обнаружить наличие коррозии. [ 15 ] [ 16 ]

Он используется во многих биосенсорных системах в качестве метода без метки для измерения бактериальной концентрации [ 17 ] и для обнаружения опасных патогенов, таких как Escherichia coli O157: H7 [ 18 ] и сальмонелла , [ 19 ] и дрожжевые клетки. [ 20 ] [ 21 ]

Электрохимическая спектроскопия импеданса также используется для анализа и характеристики различных пищевых продуктов. Некоторые примеры - оценка взаимодействия с пищевым пакетом, [ 22 ] анализ композиции молока, [ 23 ] Характеристика и определение замораживающей конечной точки мороженого смесей, [ 24 ] [ 25 ] мера старения мяса, [ 26 ] Расследование зрелости и качества в фруктах [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] и определение свободной кислотности в оливковом масле . [ 30 ]

В области мониторинга здоровья человека более известен как анализ биоэлектрического импеданса (BIA) [ 31 ] и используется для оценки состава тела [ 32 ] а также различные параметры, такие как общая вода для тела и масса свободного жира. [ 33 ]

Электрохимическая спектроскопия импеданса может использоваться для получения частотной характеристики батарей и электрокаталитических систем при относительно высоких температурах. [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]

Биомедицинские датчики, работающие в микроволновом диапазоне, основаны на диэлектрической спектроскопии, чтобы обнаружить изменения в диэлектрических свойствах в диапазоне частот, таких как неинвазивный непрерывный мониторинг глюкозы в крови. [ 37 ] [ 38 ] База данных IFAC можно использовать в качестве ресурса для получения диэлектрических свойств для тканей тела человека. [ 39 ]

Для гетерогенных смесей, таких как суспензии, спектроскопия импедансного импеданса может использоваться для мониторинга процесса седиментации частиц. [ 40 ]

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Из страницы диэлектрической спектроскопии исследовательской группы доктора Кеннета А. Маурица .
  2. ^ Jump up to: а беременный Кремер Ф., Шонхалс А., Удача В. Широкополосная диэлектрическая спектроскопия. -Springer-Verlag, 2002.
  3. ^ Сидорович А.М., Диэлектрический спектр воды. - Украинский физический журнал, 1984, вып. 29, № 8, с. 1175-1181 (на русском языке).
  4. ^ Hippel ar -диэлектрики и волны. - Нью -Йорк: Джон Уайли и сыновья, 1954.
  5. ^ Волков А.А., Прохоров как широкополосная диэлектрическая спектроскопия твердых веществ . - Радиофизика и квантовая электроника , 2003, вып. 46, выпуск 8, с. 657–665.
  6. ^ Floudas G., Paluch, M., Grzybowski A., Ngai KL Молекулярная динамика стеклообразующих систем - эффекты давления. Springer-Verlag, 2011.
  7. ^ Окаджима, Йошинао; Шибута, Ясуши; Suzuki, Toshio (2010). «Модель фазового поля для реакций электродов с кинетикой Батлера-Volmer». Вычислительное материаловедение . 50 (1): 118–124. doi : 10.1016/j.commatsci.2010.07.015 .
  8. ^ Линейные и нелинейные системы в измерениях импеданса, архивные 5 декабря 2008 года на машине Wayback
  9. ^ «Объяснена таинственная таинственная стабильность Potentiostat» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-23 . Получено 2011-11-08 .
  10. ^ Чжай, Чонпу; Ханаор, Дориан; Ган, Йиксиан (2017). «Универсальность возникающего масштабирования в конечных случайных бинарных сети перколяции» . Plos один . 12 (2): E0172298. BIBCODE : 2017PLOSO..1272298Z . doi : 10.1371/journal.pone.0172298 . PMC   5312937 . PMID   28207872 .
  11. ^ Импеданс, прием, Найквист, Боде, черный и . Д. т
  12. ^ Ласия А. Электрохимическая спектроскопия импеданса и ее применение. В «современных аспектах электрохимии», том 32 . С. 143–248.
  13. ^ Макинтайр, JM; Pham, HQ (1996). «Электрохимическая спектроскопия импеданса; инструмент для оптимизации органических покрытий». Прогресс в органических покрытиях . 27 (1–4): 201–207. doi : 10.1016/0300-9440 (95) 00532-3 .
  14. ^ Амирудин, а.; Thieny, D. (1995). «Применение электрохимической спектроскопии импеданса для изучения деградации металлов, покрытых полимером». Прогресс в органических покрытиях . 26 (1): 1–28. doi : 10.1016/0300-9440 (95) 00581-1 .
  15. ^ Бонора, пл; Deflorian, F.; FedRizzi, L. (1996). «Электрохимическая спектроскопия импеданса как инструмент для исследования коррозии недостатки». Электрохимика Акта . 41 (7–8): 1073–1082. doi : 10.1016/0013-4686 (95) 00440-8 .
  16. ^ Покатайте, U.; Рейнхард Г. (1992). «Применение электрохимической спектроскопии импеданса (EIS) для характеристики коррозионных характеристик органических покрытий на металлах». Прогресс в органических покрытиях . 21 (2–3): 205–226. doi : 10.1016/0033-0655 (92) 87005-U .
  17. ^ Maalouf, R.; Fournier-Wirth, C.; Coste, J.; Chebib, H.; Saikali, Y.; Vittori, O.; Errachid, A.; Cloarec, JP; Martete, C.; Jaffrezic-Renault, N. (2007). «Обнаружение бактерий без метки с помощью электрохимической спектроскопии импеданса: сравнение с поверхностным плазмонным резонансом». Аналитическая химия . 79 (13): 4879–4886. doi : 10.1021/ac070085n . PMID   17523594 . S2CID   38589225 .
  18. ^ Руан, C.; Ян, Л.; Ли, Ю. (2002). «Иммунобиосенсорные чипы для обнаружения Escherichia coli O157: H7 с использованием электрохимической спектроскопии импеданса». Аналитическая химия . 74 (18): 4814–4820. doi : 10.1021/ac025647b . PMID   12349988 . S2CID   2068234 .
  19. ^ Nandakumar, v.; La Belle, JT; Рид, Дж.; Шах, М.; Cochran, D.; Джоши, Л.; Alford, TL (2008). «Методология быстрого обнаружения сальмонеллы тайфимуриум с использованием электрохимической спектроскопии импеданса без меток». Биосенсоры и биоэлектроника . 24 (4): 1039–1042. doi : 10.1016/j.bios.2008.06.036 . PMID   18678481 .
  20. ^ Soley, A.; Lecina, M.; Gamez, x.; Каир, JJ; Риу, П.; Розелл, х.; Bragos, R.; Godia, F. (2005). «Онлайн-мониторинг роста дрожжевых клеток с помощью спектроскопии импеданса». Журнал биотехнологии . 118 (4): 398–405. doi : 10.1016/j.jbiotec.2005.05.022 . PMID   16026878 .
  21. ^ Чен, Х.; Хенг, CK; Puiu, Pd; Чжоу, XD; Ли, AC; Lim, TM; Тан, С.Н. (2005). «Обнаружение Saccharomyces cerevisiae, иммобилизованное на самоорганизации монослоя (SAM) алканетиолата с использованием электрохимической спектроскопии импеданса». Analytica Chimica Acta . 554 (1–2): 52–59. doi : 10.1016/j.aca.2005.08.086 .
  22. ^ Hollaender, J. (2009). «Быстрая оценка взаимодействия пищи/упаковки с помощью электрохимической спектроскопии импеданса (EIS)». Пищевые добавки и загрязнители . 14 (6–7): 617–626. doi : 10.1080/02652039709374574 . PMID   9373526 .
  23. ^ Мабрук, MF; Петти, MC (2003). «Влияние композиции на электрическую проводимость молока». Журнал продовольственной инженерии . 60 (3): 321–325. doi : 10.1016/s0260-8774 (03) 00054-2 .
  24. ^ Гросси, Марко; Lanzoni, Massimo; Лаззарини, Роберто; Рикко, Бруно (август 2012 г.). «Автоматическая характеристика мороженого путем измерения импеданса для оптимальной настройки машины» (PDF) . Измерение . 45 (7): 1747–1754. Bibcode : 2012Meas ... 45.1747G . doi : 10.1016/j.measurement.2012.04.009 . S2CID   110783818 .
  25. ^ Grossi, M.; Lazzarini, R.; Lanzoni, M.; Рикко Б. (октябрь 2011 г.). «Новая техника контроля мороженого мороженого с помощью анализа электрических характеристик» (PDF) . Журнал продовольственной инженерии . 106 (4): 347–354. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2011.05.035 .
  26. ^ Damez, JL; Clerion, S.; Abouelkaram, S.; Lepetit, J. (2008). «Спектроскопия электрического импеданса говяжьего мяса и восприятие анизотропии для неинвазивной ранней оценки старения мяса». Журнал продовольственной инженерии . 85 (1): 116–122. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2007.07.026 .
  27. ^ Rehman, M.; Абу Изнед, JA; Абдулха, MZ; Аршад, М.Р. (2011). «Оценка качества фруктов с использованием спектроскопии импеданса». Международный журнал по науке о продовольствии и техниках . 46 (6): 1303–1309. doi : 10.1111/j.1365-2621.2011.02636.x . S2CID   23053716 .
  28. ^ Харкер, Фр; Forbes, SK (1997). «Созревание и развитие травм охлаждения у плодов хурмы: исследование электрического импеданса» . Новая Зеландия Журнал урожая и садоводства . 25 (2): 149–157. doi : 10.1080/01140671.1997.9514001 .
  29. ^ Bauchot, AD; Харкер, Фр; Арнольд, WM (2000). «). Использование спектроскопии электрической импедансной деятельности для оценки физиологического состояния киви». Posharvest Biology and Technology . 18 (1): 9–18. doi : 10.1016/s0925-5214 (99) 00056-3 .
  30. ^ Grossi, M.; Lecce, G.; Галлина Тоши, Т.; Рикко Б. (декабрь 2014 г.). «Новый электрохимический метод для определения кислотности оливкового масла» (PDF) . Microelectronics Journal . 45 (12): 1701–1707. Doi : 10.1016/j.mejo.2014.07,006 . S2CID   13168066 .
  31. ^ Кайл, UG; Босей, я.; Лоренцо, AD; Deurenberg, P.; Элия, М.; Гомес, JM; Хейтманн, Бл; Кент-Смит, Л.; Мелхиор, JC; Pirlich, M.; Scharfetter, H.; Schols, A.; Small, C. (2004). "Анализ биоэлектрического импеданса - питания Клиника 23 (5): 1226–1243. два 10.1016/j.clnu.2004.06.004:  15380917PMID  21000697S2CID
  32. ^ Tengvall, M.; Ellegard, L.; Malmros, v.; Bosaeus, n.; Lissner, L.; Босей, И. (2009). «Состав тела у пожилых людей: эталонные значения и спектроскопия биоэлектрического импеданса для прогнозирования общей скелетной мышечной массы тела». Клиническое питание . 28 (1): 52–58. doi : 10.1016/j.clnu.2008.10.005 . PMID   19010572 .
  33. ^ Van Loan, MD; Withers, P.; Мэтти, Дж.; Mayclin, PL Использование биоимпедантской спектроскопии для определения внеклеточной жидкости, внутриклеточной жидкости, общей воды для тела и без жира. Глава в составе тела человека, объем 60 серии основных наук о жизни . С. 67–70.
  34. ^ M. Radtke, C. Hess, Легкая установка для высокотемпературной (до 1100 ° C) Спектроскопия электрохимического импеданса, J. ​​Materi Eng и выполнение (2022). https://doi.org/10.1007/s11665-022-06653-3
  35. ^ Макдональд, Дигби Д. (2006). «Размышления об истории электрохимической спектроскопии импеданса». Электрохимика Акта . 51 (8–9): 1376–1388. doi : 10.1016/j.electacta.2005.02.107 .
  36. ^ Докко, К.; Мохамеди, М.; Fujita, Y.; Itoh, T.; Nishizawa, M.; Umeda, M.; Учида, И. (2001-05-01). «Кинетическая характеристика отдельных частиц LICOO2 с помощью импеданса переменного тока и методов потенциального этапа». Журнал электрохимического общества . 148 (5): A422 - A426. Bibcode : 2001jels..148a.422d . doi : 10.1149/1.1359197 . ISSN   0013-4651 .
  37. ^ Choi, H.; Найлон, Дж.; Luzio, S.; Beutler, J.; Birchall, J.; Martin, C. и Porch, A., «Дизайн и in vitro Interference Test of Microwave неинвазивный датчик мониторинга глюкозы в крови», IEEE Trans. Микроу. Теория Techn., Vol. 63, нет. 10, с. 3016-3025, октябрь 2015 г. https://doi.org/10.1109/tmtt.2015.2472019
  38. ^ Choi, H.; Luzio, S.; Beutler, J.; и Porch, A., «Микроволновый неинвазивный датчик мониторинга глюкозы в крови: результаты клинических испытаний человека», в 2017 году Международный микроволновый симпозиум (IMS) IEEE, с. 876-879, Гонолулу, HI, USA, 4–9 июня. 2017. https://doi.org/10.1109/mwsym.2017.8058721
  39. ^ D.Andreuccetti, R.Fossi и C.Petrucci (1997). «Интернет -ресурс для расчета диэлектрических свойств тканей тела в диапазоне частот 10 Гц - 100 ГГц» . На основе данных, опубликованных C.Gabriel et al. в 1996 году. IFAC-CNR, Флоренция (Италия).
  40. ^ Doppelhammer, Nikolaus; Пелленс, Ник; Киршхок, Кристина Э.А.; Якоби, Бернхард; Рейхель, Эрвин К. (2020). «Использование спектроскопии импеданса движущегося электрода для мониторинга седиментации частиц» . IEEE Sensors Journal . 21 (8): 9636–9641. doi : 10.1109/jsen.2020.3004510 . ISSN   1530-437X .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d365c6671ade2388cdd71237425f2d1f__1723548240
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d3/1f/d365c6671ade2388cdd71237425f2d1f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Dielectric spectroscopy - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)