CN108732215B - 一种电化学原位光谱电解池及应用 - Google Patents

一种电化学原位光谱电解池及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电化学原位光谱电解池及其应用，包括一电解池本体，该电解池本体包括一进液口、一出液口和一光学检测窗，该进液口和出液口设于电解池本体的相对的二侧壁，该进液口连通流动注射装置或微流控装置，该光学检测窗设于电解池本体的上部。本发明的电化学原位光谱电解池具有能适应合适的光谱波长范围、较高的光学灵敏度、可适用于各类溶剂、较小的池时间常数、易填充清洗且兼具电化学法样品前处理和废水处理等特点，解决了现有电化学原位光谱检测装置的技术缺陷。

Description

一种电化学原位光谱电解池及应用
技术领域
本发明属于电化学检测技术领域，具体涉及一种电化学原位光谱电解池及应用。
背景技术
常规电化学方法不具有表征具体分子的能力，仅可提供电极反应的各种微观信息的总和，无法适应深入至微观研究的要求，难以准确地鉴别电极上的各反应物、中间物和产物等并解释电化学反应机理，已不能适应当代电化学日益深入和扩大的研究对象需要。
随着谱学仪器性能的不断提高和新技术的涌现，其应用范围不断扩展，大大加速了从分子水平研究电化学体系的进程，把拉曼、红外、紫外和荧光光谱等在内的谱学技术与电化学体系联用可以提供纯粹电化学实验无法得到的电化学体系的信息，并进行电极表面吸附物种检测以及其随化学、电化学环境改变的变化。以此为基础可推测电化学反应途径和反应动力学，以在分子水平上认识电化学反应机理，形成电化学和光谱技术联用的光谱电化学测试体系，并可对电化学等效电路中的中间产物的有效性提供佐证。
光谱电化学技术应用于电化学和光谱研究领域的关键之一是光谱电化学池的设计。由于化学反应过程中常涉及到多步反应以及实际应用中的分步测定，传统的三电极电化学原位光谱检测装置已不能满足测定的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种电化学原位光谱电解池。
本发明的另一目的在于提供用上述电化学原位光谱电解池进行分析检测的方法。
本发明的技术方案如下：
一种电化学原位光谱电解池，包括一电解池本体，该电解池本体包括一进液口、一出液口和一光学检测窗，该进液口和出液口设于电解池本体的相对的二侧壁，该进液口连通流动注射装置或微流控装置，该光学检测窗设于电解池本体的上部；
电解池本体的底壁沿进液口方向至出液口方向依次设有正对上述光学检测窗且与恒电位仪电连接的至少一电化学前处理电极、至少一电化学检测电极和至少一电化学后处理电极；
待测液体通过连通流动注射装置或微流控装置以设定的流速从进液口流动至出液口，该至少一电化学前处理电极(采用基于电化学方法的样品前处理)将待测液体中的干扰杂质去除后，该待测液体在该至少一电化学检测电极上实现目标物的定性和定量检测，并在该至少一电化学后处理电极进行电化学后端处理以减少或除去可能污染环境的有害物质；光谱检测仪器通过光学检测窗检测在该至少一电化学检测电极所在的区域发生的电化学行为。
在本发明的一个优选实施方案中，所述电解池本体的材质包括聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、玻璃或石英。
在本发明的一个优选实施方案中，所述光学检测窗的材质包括氟化钙、硅、锗、石英或玻璃。
在本发明的一个优选实施方案中，所述进液口密封连通流动注射装置或微流控装置。
在本发明的一个优选实施方案中，所述电解池本体的侧壁设有对应所述至少一电化学前处理电极的至少一第一电极更换口。
在本发明的一个优选实施方案中，所述电解池本体的侧壁设有对应所述至少一电化学检测电极的第二电极更换口。
在本发明的一个优选实施方案中，所述电解池本体的侧壁设有对应所述至少一电化学后处理电极的第三电极更换口。
一种用上述电化学原位光谱电解池进行分析检测的方法，包括：
通过流动注射装置或微流控装置驱动所述待测液体在从所述进液口流入所述电解池本体，并从所述出液口流出所述电解池本体，待测液体依次通过所述至少一电化学前处理电极、至少一电化学检测电极和至少一电化学后处理电极；
根据所述目标物和所述杂质的电化学特征，在所述电化学前处理电极、电化学检测电极和电化学后处理电极上通过恒电位仪施加合适的电极电位，使得待测液体在设定的流速下于电化学前处理电极上完成干扰严重的杂质去除，在电化学检测电极上实现目标物的定性和定量检测，在电化学后处理电极上除去可能污染环境的有害物质；
在电化学检测电极上实现目标物的定性和定量检测的同时，利用光谱检测仪器通过光学检测窗开展光谱学实验，从而获得所述目标物在电化学检测电极界面的包括分子状态和表面结构在内的信息。
本发明的有益效果是：
1、本发明的电化学原位光谱电解池具有能适应合适的光谱波长范围、较高的光学灵敏度、可适用于各类溶剂、较小的池时间常数、易填充清洗且引入电化学样品处理等特点，解决了现有电化学原位光谱检测装置在针对复杂样品检测方面的技术缺陷。
2、本发明的电化学原位光谱电解池与流动注射装置或微流控装置连接，以实现流路中溶液流速和流量的精确可控，不仅分析速度快、易于自动连续分析，且通过连接恒电位仪，实现流路所经过电极上分析溶液的样品前处理、测定和后处理等过程，提高了测试的准确性和可靠性，简化了操作步骤，明显提升了测试效率。在分析检测方面应用前景广阔。
3、本发明的电化学原位光谱电解池可实现与各种光谱仪器联用，达到对检测物的反应产物、中间产物及吸附物种等原位检测的目的，从而推测电化学反应途径以进一步掌握界面分子层的微观信息，并研究目标物在工作电极界面的分子状态、表面结构等信息，以获得反应机理和定性定量分析鉴别目标物。
4、本发明的电化学原位光谱电解池通用性强、适用范围广、结构简单、加工方便、成本低廉、可以同时实现多种情况下工作电极上电化学响应和光谱信号的检测。
附图说明
图1为本发明实施例1的电化学原位光谱电解池的部分结构透视图。
图2为本发明实施例1的电化学原位光谱电解池的俯视角度的部分结构透视图。
图3为本发明实施例1的实验结果图之一。
图4为本发明实施例1的实验结果图之二。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
如图1和图2所示，一种电化学原位光谱电解池，包括一电解池本体1，该电解池本体1包括一进液口11、一出液口12和一光学检测窗13，该进液口11和出液口12设于电解池本体1的相对的二侧壁，该进液口11密封连通流动注射装置或微流控装置，该光学检测窗13设于电解池本体1的上部；
电解池本体1的底壁沿进液口11方向至出液口12方向依次设有正对上述光学检测窗13且与恒电位仪电连接的一电化学前处理电极14、一电化学检测电极15和一电化学后处理电极16，该电化学前处理电极14、电化学检测电极15和电化学后处理电极16均为丝网印刷电极；所述电解池本体1的侧壁设有对应所述电化学前处理电极14的第一电极更换口141、对应所述电化学检测电极15的第二电极更换口151和对应所述电化学后处理电极16的第三电极更换口161；
待测液体通过连通流动注射装置或微流控装置以设定的流速从进液口11流动至出液口12，该电化学前处理电极14将待测液体中的干扰杂质去除后，该待测液体在该电化学检测电极15上实现目标物的定性和定量检测，并在该后处理电极除去可能污染环境的有害物质；光谱检测仪器通过光学检测窗13检测在该电化学检测电极15所在的区域发生的电化学行为。
所述电解池本体1的材质包括聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、玻璃或石英。所述光学检测窗13的材质包括氟化钙、硅、锗、石英或玻璃。
本实施例用上述电化学原位光谱电解池对水体中的二价汞离子污染进行分析检测，包括：
通过流动注射装置或微流控装置驱动所述待测液体在从所述进液口11流入所述电解池本体1，并从所述出液口12流出所述电解池本体1，待测液体的流速控制为1mL/min并依次通过所述电化学前处理电极14、电化学检测电极15和电化学后处理电极16；
根据所述目标物和所述杂质的电化学特征，在所述电化学前处理电极14、电化学检测电极15和电化学后处理电极16上通过恒电位仪施加合适的电极电位，使得待测液体在设定的流速下于电化学前处理电极14上完成干扰严重的杂质去除，在电化学检测电极15上实现目标物的定性和定量检测，在电化学后处理电极16上除去可能污染环境的有害物质，具体的：
在电化学前处理电极14上施加1.2V的电位完成水体中有机物等的氧化，以避免对检测电极造成干扰，如图3所示；在电化学检测电极15上先施加-0.1V的电位使得水体中的二价汞离子在电化学检测电极15表面富集，然后再用方波阳极溶出伏安法从0V扫到0.8V得到汞离子的溶出峰，如图4所示；在电化学后处理电极16上施加-0.5V的电位使得二价汞离子富集于电化学后处理电极16表面以免造成环境污染；
在电化学检测电极15上实现目标物的定性和定量检测的同时，将电化学原位光谱电解池置于拉曼光谱仪的显微镜下，调节激光波长为785nm，通过光学检测窗13对电化学前处理电极14、电化学检测电极15和电化学后处理电极16其中之一上所发生的反应进行原位检测，开展光谱学实验，从而研究所述目标物在电化学检测电极15界面的包括分子状态和表面结构在内的信息。
通过对比可以发现相比未经过前处理的水样，经过前处理的水样可以检测到水体中含有的微量汞离子，如图3所示。打开拉曼光谱仪，得到拉曼光谱信号，对电极表面上发生的化学反应过程进行原位监测，从而获得所述目标物在电极界面的包括分子状态和表面结构在内的信息。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种电化学原位光谱电解池，其特征在于：包括一电解池本体，该电解池本体包括一进液口、一出液口和一光学检测窗，该进液口和出液口设于电解池本体的相对的二侧壁，该进液口连通流动注射装置或微流控装置，该光学检测窗设于电解池本体的上部；
电解池本体的底壁沿进液口方向至出液口方向依次设有正对上述光学检测窗且与恒电位仪电连接的至少一电化学前处理电极、至少一电化学检测电极和至少一电化学后处理电极；
待测液体通过连通流动注射装置或微流控装置以设定的流速从进液口流动至出液口，该至少一电化学前处理电极将待测液体中的干扰杂质去除后，该待测液体在该至少一电化学检测电极上实现目标物的定性和定量检测，并在该至少一电化学后处理电极除去可能污染环境的有害物质；光谱检测仪器通过光学检测窗检测在该至少一电化学检测电极所在的区域发生的电化学行为；
用其进行分析检测的方法包括：
通过流动注射装置或微流控装置驱动所述待测液体在从所述进液口流入所述电解池本体，并从所述出液口流出所述电解池本体，待测液体依次通过所述至少一电化学前处理电极、至少一电化学检测电极和至少一电化学后处理电极；
根据所述目标物和所述杂质的电化学特征，在所述电化学前处理电极、电化学检测电极和电化学后处理电极上通过恒电位仪施加合适的电极电位，使得待测液体在设定的流速下于电化学前处理电极上完成干扰严重的杂质去除，在电化学检测电极上实现目标物的定性和定量检测，在电化学后处理电极上除去可能污染环境的有害物质；
在电化学检测电极上实现目标物的定性和定量检测的同时，利用光谱检测仪器通过光学检测窗开展光谱学实验，从而获得所述目标物在电化学检测电极界面的包括分子状态和表面结构在内的热力学和动力学信息。
2.如权利要求1所述的一种电化学原位光谱电解池，其特征在于：所述电解池本体的材质包括聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、玻璃或石英。
3.如权利要求1所述的一种电化学原位光谱电解池，其特征在于：所述光学检测窗的材质包括氟化钙、硅、锗、石英或玻璃。
4.如权利要求1所述的一种电化学原位光谱电解池，其特征在于：所述进液口密封连通流动注射装置或微流控装置。
5.如权利要求1所述的一种电化学原位光谱电解池，其特征在于：所述电解池本体的侧壁设有对应所述至少一电化学前处理电极的至少一第一电极更换口。
6.如权利要求1所述的一种电化学原位光谱电解池，其特征在于：所述电解池本体的侧壁设有对应所述至少一电化学检测电极的第二电极更换口。
7.如权利要求1所述的一种电化学原位光谱电解池，其特征在于：所述电解池本体的侧壁设有对应所述至少一电化学后处理电极的第三电极更换口。
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