Диэлектрическая спектроскопия

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 ]
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.

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 ]

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 ]- Debye Relaxation
- Диэлектрическое поглощение , ультра-низкие частоты изменений
- Диэлектрическая потеря
- Электрохимия
- Эллипсометрия
- Зеленые отношения
- Индуцированная поляризация (IP)
- Крамерс - Крониг Отношения
- Функция линейного ответа
- Увеличен
- Спектральная поляризация (SIP)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Из страницы диэлектрической спектроскопии исследовательской группы доктора Кеннета А. Маурица .
- ^ Jump up to: а беременный Кремер Ф., Шонхалс А., Удача В. Широкополосная диэлектрическая спектроскопия. -Springer-Verlag, 2002.
- ^ Сидорович А.М., Диэлектрический спектр воды. - Украинский физический журнал, 1984, вып. 29, № 8, с. 1175-1181 (на русском языке).
- ^ Hippel ar -диэлектрики и волны. - Нью -Йорк: Джон Уайли и сыновья, 1954.
- ^ Волков А.А., Прохоров как широкополосная диэлектрическая спектроскопия твердых веществ . - Радиофизика и квантовая электроника , 2003, вып. 46, выпуск 8, с. 657–665.
- ^ Floudas G., Paluch, M., Grzybowski A., Ngai KL Молекулярная динамика стеклообразующих систем - эффекты давления. Springer-Verlag, 2011.
- ^ 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 .
- ^ Линейные и нелинейные системы в измерениях импеданса, архивные 5 декабря 2008 года на машине Wayback
- ^ «Объяснена таинственная таинственная стабильность Potentiostat» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-23 . Получено 2011-11-08 .
- ^ 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 .
- ^ Импеданс, прием, Найквист, Боде, черный и . Д. т
- ^ Ласия А. Электрохимическая спектроскопия импеданса и ее применение. В «современных аспектах электрохимии», том 32 . С. 143–248.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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).
- ^ 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 .