Scanning
Electrochemical Microscopy
扫描电化学显微镜
作者：Allen J. Bard, Michael V. Mirkin
出版：CRC Press
索书号：Q-336/S283(3)/2022/ Y
ISBN: 978-0-367-43056-6
藏书地点:武大外教中心
扫描电化学显微镜（SECM）是扫描探针显微镜（SPM）类别中的一项技术，广泛应用于测量液体/固体、液体/气体以及液体/液体界面的局部电化学行为。这一技术的初步探索可追溯至1989年德克萨斯大学电化学家艾伦·J·巴德（Allen J. Bard）。自那时以来，其理论基础得以完善，使得该技术在化学、生物学和材料科学领域得以广泛应用。通过测量超微电极（UME）尖端的电流，以感知感兴趣基板上精确位置的方式，可以获取空间分辨的电化学信号。这些信号的解释基于扩散限制电流的理论。
SECM与其他表面表征方法相辅相成，例如表面等离子体共振（SPR）、电化学扫描隧道显微镜（ESTM）以及原子力显微镜（AFM），用于研究各种界面现象。除了形态学信息外，SECM还常被用于探测固态材料、电催化材料、酶以及其他生物物理系统的表面反应性。此外，SECM及其变种也可用于微加工、表面图案化和微结构。
SECM是扫描探针显微镜（SPM）的一种技术，通过扫描小型超微电极尖端并记录相应的反应来获得表面的三维图像。本章将简要回顾电化学电池中微小超微电极（UME）的行为，以便更好地理解SECM的操作和响应。其中定位系统是一个重要组成部分，包括定位元件、平移平台和电机控制器。数据采集系统同样至关重要，首先使用双恒电位仪来放大尖端信号。探头安装系统和电化学电池是SECM实验的关键附件。在实验中，通过原子力显微镜（AFM）测量，可以独立确定零距离，并帮助精确定位尖端。在扫描显微镜的超微电极（UME）上产生的光可以通过自由基离子湮灭方法或核心反应物途径来实现。
由于其简便使用和可量化的结果，扫描电化学显微镜（SECM）已成为研究表面反应性的不可或缺的工具。近年来，新型探头、商用仪器以及实际应用的引入，使得SECM领域迅速扩张。本书第三版将在独立的章节中深入阐述基础背景和特定应用。在过去30多年中，SECM的持续活力和不断普及在很大程度上依赖于其多功能性以及在不断变化的科学和技术环境中的实用性。过去十年间报道的新应用反映了当前生物医学和能源研究的显著进展。此次全面更新的版本将全面审视SECM的各个方面。领域内专家撰写的新章节涵盖了SECM在不同领域的最新进展，包括nanoSECM、表面反应与薄膜、电池和燃料电池。此外，书中还扩展了电催化、表面探测以及光电化学和光电催化的内容。无论是从生物系统到纳米图案，这本书都将对广泛的跨学科研究提供有价值的指导，对于那些有兴趣学习和应用SECM的人来说，将具有不可估量的价值。
在块状溶液中，氧化物质在尖端被还原，产生受到半球形扩散限制的稳态电流。当尖端接近溶液中的导电基板时，尖端产生的还原物质在导电表面被氧化，增加尖端电流并产生再生的“正”反馈回路。然而，在探测绝缘表面时，观察到相反的效应，因为氧化物质无法再生，尖端接近基板时，由于物理障碍而抑制扩散，导致“负”反馈回路，降低尖端电流。探测绝缘表面时还需考虑电极护套直径rg，因为它会导致扩散受到物理障碍。
另一种操作模式是尖端生成/底物收集（TG / SC）。在TG / SC模式下，尖端保持在足够的电位上以使电极反应并产生“生成”产物，而基板则保持在足够的电位上，使电极产物与基底反应，或被基底“收集”。这种方法的互补是底物生成/尖端收集（SG/TC），其中底物的作
在ac-SECM中，正弦偏置施加到SECM探头的直流偏置上，允许测量样品的阻抗，就像电化学阻抗谱中的情况一样。与dc-SECM技术不同，ac-SECM不需要使用氧化还原介质。这对于氧化还原介质可能影响所研究系统的化学性质的测量特别有利。例子包括腐蚀研究，其中氧化还原介质可能起到抑制或增强腐蚀速率的作用，以及氧化还原介质可能对所研究的活细胞有毒的生物学研究。
在AC-SECM技术中，测量的反馈响应取决于样品的特性以及实验条件。对于绝缘性样品，测得的阻抗随着探针与样品距离缩小而逐渐增加。然而，对于导电性样品，情况并非如此。在高电导率电解质中进行测量的导电样品或在低交流频率下测量的电极样品，缩小探针到样品的距离将导致阻抗的增加。然而，在低电导率电解质或高交流频率下测量导电样品时，减小探针到样品的距离将导致测量阻抗的降低。
电流变化与电极尖端与基板表面之间的距离密切相关，通过在表面上移动尖端并测量尖端电流，可以获得有关绝缘性和导电性表面拓扑和反应性信息的成像。
其中一种常见的扫描模式是恒定高度模式，在此模式下，尖端高度保持不变，然后在整个表面的x-y平面上进行扫描。另一种方法是恒定距离测量，即在探针在x-y平面上扫描时，可以调整z位置以保持探针与样品的距离。恒定距离测量可以基于电信号进行，类似于恒流模式，其中设备试图通过调整基板到尖端的距离并记录距离变化d来保持恒定电流。机械信号也可以用于控制探针到样品的距离，例如间歇接触（IC）-SECM和剪切力技术，这些技术利用探针振动的变化来保持探针与样品的距离。
扫描电化学显微镜是一种非接触式的电化学显微镜，利用微电极和探针之间的电流响应来获取样品表面的电化学信息。SECM能够测量微区域的电流、电势和电导率等电化学参数，从而揭示样品表面的电化学特性。在研究电化学反应动力学、电极材料的电化学活性、电解质传输和界面反应等基础科学问题上，扫描电化学显微镜具有重要作用。
此外，扫描电化学显微镜在生物、化学、材料和环境等领域也有广泛应用，如生物传感器、腐蚀研究、电化学催化和生物电化学等。SECM的工作原理建立在微电极和探针之间的电流和电势响应上，通过控制和扫描微电极与探针之间的距离和位置，可以获取样品表面的电化学信息。这种技术可以实现样品表面的电化学成像，获得高分辨率的电化学图像。
扫描电化学显微镜可以在不同的电化学模式下运行，包括接近态模式、距离控制模式和常规模式，以满足不同的实验需求。它具有高灵敏度和高空间分辨率的特点，可用于检测和定位微小的电化学事件。此外，扫描电化学显微镜可以实现对样品表面局部电化学反应的定量分析，如反应速率、传输系数和反应机理等。
扫描电化学显微镜还可以与其他技术（如光学显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱等）结合使用，实现多模式的表征和成像。在薄膜材料制备和表征方面，SECM具有重要的应用，可以评估薄膜表面的电化学性能和质量。此外，SECM可以研究电解液中离子传输和扩散，为电化学传感器和电化学储能器件等领域的研究和开发提供支持。
对于电极材料的设计和制备，SECM可以评估微电极表面的电化学活性和稳定性，帮助优化材料性能。它还可以研究电极表面的反应动力学和机理，以及纳米材料的电化学性质。扫描电化学显微镜的操作较为复杂，需要熟悉电化学原理和显微镜操作技术，以及对实验条件的精确控制。虽然在发展中仍存在一些挑战，如提高空间分辨率、降低干扰信号和提高测量速度等，但扫描电化学显微镜的应用前景仍然广阔，将为电化学过程和界面现象的深入理解以及相关领域的研究和应用提供新的途径和方法。
《扫描电化学显微镜》一书于2022年由CRC Press出版，作者是Allen J. Bard, Michael V. Mirkin。
《扫描电化学显微镜》一书中，研究人员介绍了扫描电化学显微镜的基本概念，重点是最近的技术发展，讨论的主题主要包括十八个章节。《扫描电化学显微镜》一书从各个方面讲解了扫描电化学显微镜的基础内容和研究方法，旨在为想要进一步研究扫描电化学显微镜的研究人员提供简明易懂的介绍以及方法技术指导。
《扫描电化学显微镜》一书作为扫描电化学显微镜专业研究读物，观点新颖独到，内容饱满详实、语言浅显易懂，除此之外，还包括一些其他的特点：
1、本书分为十八个章节，既讲解了扫描电化学显微镜的基础知识，还讲解了深入研究扫描电化学显微镜的应用范围，是一本应用性很强的书籍，对于想要学习研究扫描电化学显微镜的研究人员来说是一本很有意义的指导书籍。
2、每个章节都是由相关领域的专业人士所撰写，因此，本书讲解既详细又专业，读者能够从中了解到扫描电化学显微镜相关的专业知识以及最新的前沿进展。
总的说来，《扫描电化学显微镜》一书为想要了解扫描电化学显微镜的研究方法的人员提供了清晰的导读路径，作为扫描电化学显微镜领域的一本前沿研究图书，是一本值得为想要涉足该领域的人员推荐的专业书籍。
本书目录：
第1章
导言和原则
作者：艾伦·巴德
第2章
用于纳米级扫描电化学显微镜的尖端制备和仪器
作者：Jiyeon Kim， Kevin C. Leonard
第3章
扫描电化学显微成像
作者：凯文·伦纳德、苔丝·苏弗林、金智妍、范富仁
第4章
理论
编者：Michael V.
Mirkin， Yixian Wang
第5章
非均相反应电子转移反应
作者：阿弥宫茂
第6章
电催化和表面询问
作者：Hyun S. Ahn， Cynthia G. Zoski， Allen J. Bard
第7章
纳米级秒管
作者：王翔、高哈尔·阿斯卡罗娃、迈克尔·米尔金
第8章|
膜中的分子转运
作者：沈美、阿弥茂
第9章|36 页
电位探头
作者：Guy Denauult， Geza Nagy， Klara Tóth
第10章
扫描电化学显微镜的生物技术应用
作者：Benjamin R.
Horrocks， Gunther Wittstock
第11章
活细胞的扫描电化学显微镜
作者：杜昌岳、蒂里尼·苏杜维拉、伊莎贝尔·博利厄、斯蒂恩·舒加德、珍妮·毛泽罗尔
第12章
表面反应和薄膜
作者：让-马克·诺埃尔、菲利普·哈皮奥特
第13章
用于太阳能驱动化学转化的半导体材料光催化活性的局部研究SECM技术
作者：Caleb M. Hill， Shanlin Pan
第14章
微和纳米图案
使用扫描电化学显微镜 （SECM）
丹尼尔·曼德勒报道
第15章
用于电化学成像和测量的微量和纳米移液器
作者：克里斯汀·阿拉尼斯、萨莎·埃琳娜·奥尔登、莱恩·艾伦·贝克、埃达帕利尔·萨西桑·阿努普里亚、亨利·大卫·杰特莫尔、沈梅
第16章
应用于电池和燃料电池
作者：扎卡里·戈萨奇、肯德里奇·哈特菲尔德、赵元雅、拉古拉姆·加达姆、迪波布拉托·萨巴帕利、阿比罗普·米什拉、华金·罗德里格斯-洛佩斯
第17章
混合扫描电化学技术
方法和应用
作者：Christine Kranz， Christophe Demaille
第18章
其他近期应用和前景
作者：Andreas Lesch， Allen J. Bard， Hubert H. Girault
林岚 武汉大学生命科学学院 博士研究生