单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置及方法，所述装置包括：单色激光调节模块，用于将单色激光引入暗场成像中并调节所述单波长的范围；粒子激发模块，与所述单色激光调节模块连接，用于激发具有局域等离子共振的贵金属的单个纳米粒子的散射共振，包括平凸透镜和电化学池；电压施加模块，与所述粒子激发模块连接，用于给所述电化学池施加周期性调制电压；粒子散射强度检测模块，与所述电压施加模块和粒子激发模块相连接，包括锁相放大器和光电倍增管；本发明专利技术将单色激光引入暗场成像中，在检测器方面将光电倍增管配备锁相放大器，这使得可以在电压调制下通过直接检测单个纳米粒子的散射强度值变化，获得单个纳米粒子的电化学阻抗谱。

【技术实现步骤摘要】
单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置及方法
本专利技术涉及电化学阻抗谱测定领域，具体涉及一种单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置及方法。
技术介绍
电化学阻抗谱不仅是研究电极表面变化的最有用的电化学方法之一，而且还可以为化学和生物传感器的应用提供一个非常有前景的研发平台。基于电化学阻抗谱的电化学方法已经被广泛地应用于不同领域，例如，从最初的用于测定电极表面的双电层电容发展到如今的可以直接追踪化合物的形成过程、构建新型的免疫学检测方法以及优化设计燃料电池的性能等并且由于电化学阻抗谱对电极表面的变化十分敏感，因此它被广泛用作一个传感平台去研究生物大分子之间的识别和生物传感器的开发。然而，传统电化学阻抗谱方法呈现的是整个电极表面的电化学行为。但是，在实际中，整个电极表面不是均一的，局部区域存在较大差异。为了使得电化学阻抗谱能研究电极表面局域地方的电化学行为，基于局域的电化学阻抗谱被研发了出来，它可以直接用于对电极局域部分进行成像和交流阻抗分析。虽然这种局域的电化学阻抗谱可以用于研究电极表面不同地方的电化学行为，但是它存在空间分辨率不足的缺陷。为了弥补这个缺陷，基于表面等离子体共振的显微电化学阻抗谱法被研发了出来，该方法不仅可以对电极表面的局部进行阻抗分析，同时它还具备了亚微米级别的空间分辨率，该方法被广泛用于研究单个细胞中的化学反应过程、分子间的识别作用以及小分子物质的检测，但目前鲜有人研究纳米级别的单个纳米粒子的电化学阻抗谱。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置和方法，其解决了只能针对直流电压即DC模式调控下的纳米粒子的充放电行为和在低频范围会内受到电解质溶液的离子重排影响的问题。技术方案：本专利技术所述的单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置，该装置包括：单色激光调节模块，用于将单色激光引入暗场成像中并调节所述单色激光的单波长范围。所述声光调节模块包括单色激光光源和声光可调滤波器；粒子激发模块，与所述声光调节模块连接，用于激发具有局域等离子共振的贵金属的单个纳米粒子发生散射共振，包括平凸透镜和电化学池；电压施加模块，与所述粒子激发模块连接，用于给所述电化学池施加周期性调制电压；粒子散射强度检测模块，与所述电压施加模块和粒子激发模块相连接，用于记录所述具有局域等离子共振的贵金属的单个纳米粒子的散射幅值与其对应的相位信息，获得所述单个纳米粒子的电化学阻抗谱，包括锁相放大器和光电倍增管。优选的，所述单色激光光源和声光可调滤波器连接，所述声光可调滤波器用于单波长的输出。优选的，所述电化学池的电极表面固定所述具有局域等离子共振的贵金属纳米材料，并加入电解质溶液。优选的，所述电压施加模块包括函数发生器和电化学工作站，所述函数发生器控制所述电化学工作站给所述电化学池施加调制电压。优选的，所述粒子激发模块还包括反射模块，所述反射模块包括两块反射镜和夹在两个反射镜之间的狭缝，通过所述狭缝选择所述贵金属的单个纳米粒子。优选的，所述贵金属的单个纳米粒子散射光，由相机记录所述贵金属的单个纳米粒子散射强度值，数据采集卡同步记录相机工作状态和电化学工作站的电压与电流，可用于同步记录单个纳米粒子的散射强度值变化和施加的电压电流信号，或者由所述光电倍增管收集进入所述锁相放大器，由所述锁相放大器记录在不同电压调制频率下的单个纳米粒子的散射幅值与相应的相位信息，用于采集最终阻抗谱。本专利技术还提供一种根据上述装置实现单个纳米粒子的电化学阻抗谱的测定方法，测定方法步骤包括：(1)合成具有局域等离子共振的贵金属纳米材料；(2)搭建单粒子暗场显微成像系统；(3)采集所述贵金属纳米材料的电化学阻抗谱。优选的，步骤(2)中，所述成像系统搭建时将单色激光作为激发光源，并和声光可调滤波器连接，调节单波长的波长范围，所述单色激光输出之后经过平凸透镜进入暗场聚光器；将光电倍增管连接锁相放大器直接检测所述单个纳米粒子散射强度值的变化。优选的，步骤(3)中，所述采集所述贵金属纳米材料的电化学阻抗谱包括：(31)将合成的所述贵金属纳米材料固定在所述电化学池的电极表面，加入电解质溶液；(32)筛选单个纳米粒子最大散射强度值的波长；(33)确定最大波长后，通过所述函数发生器控制所述电化学工作站给所述电化学池施加一个频率变化的周期性调制电压，反射模块选择所述贵金属的单个纳米粒子，其由光电倍增管收集进入锁相放大器，由所述锁相放大器记录在不同电压调制频率下的所述贵金属的单个纳米粒子的散射幅值与相应的相位信息；(34)用所述散射幅值和相位信息分别对所述调制电压的频率作图，得到所述贵金属的单个纳米粒子的电化学阻抗谱。优选的，步骤(32)中，所述最大散射强度值的波长筛选方法为利用所述函数发生器控制的电化学工作站给所述电化学池施加一个频率固定的调制电压，所述声光可调滤波器输出单波长，同时相机记录每个单波长下的所述贵金属的单纳米粒子的散射强度值，数据采集卡同步记录相机工作状态和电化学工作站的电压和电流。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术将传统暗场显微成像研究低频(即DC模式)电压调制下的单个纳米粒子的充放电行为推进到高频率电压(即AC模式)调制下的单个纳米粒子的充放电行为，通过直接检测单个纳米粒子的散射强度值变化，获得单个纳米粒子的电化学阻抗谱。附图说明图1是本专利技术涉及的装置的结构示意图；图2是本专利技术涉及的方法的流程图；图3A是本专利技术合成的金纳米棒的波长与吸光度的关系图；图3B是本专利技术合成的金纳米棒的扫面电子显微镜表征图；图4A是本专利技术在不同电压下的单个金纳米棒的散射光谱图；图4B是本专利技术单个金纳米棒在不同波长的散射强度变化图；图5A是本专利技术在不同单波长的单个金纳米棒散射强度幅值图；图5B是本专利技术单个金纳米棒散射幅值与电压关系的线性图；图5C和5D是本专利技术单个金纳米棒在充放电时的散射强度值变化图；图6A和6B是本专利技术记录电化学池的电流幅值和相位图；图7A是本专利技术分析电化学阻抗谱时的等效电路模型；图7B为电压调制频率下的单个金纳米棒粒子散射强度幅值图；图7C为记录单个金纳米棒散射幅值和相位信息图；图8A和8B是单个金纳米棒散射幅值和溶液浓度和种类的关系图；图9A是合成的金纳米棒的尺寸示意图；图9B是在不同频率下的单个金纳米棒的散射强度变化率图；图9C是散射波长蓝移数目与散射强度值变化之间的关系图。具体实施方式实施例1如图1，本装置将单色激光引入暗场成像中，作为具有局域等离子共振的贵金属的单个纳米粒子的激发光源11，在本实施例中选择超连续的白色激光作为激发光源，该光源配备一个声光可调滤波器12，该滤波器可在单波长500-900nm范围可调。通过单波长的选择获得单个纳米粒子的最大散射信号。在激光进入暗场聚光器25之前，为了激光的扩束加了一个平凸透镜21，平凸透镜21和声光可调滤波器12连接，然后自制一个电化学池22，将合成的贵金属纳米材料24固定在自制电化学池的ITO电极表面，加入一定浓度的KCl电解质溶液。首先，用两块洁净的导电玻璃(ITO)自制一个电化学池22。ITO用丙酮、乙醇、水中各自超声30min后，再用超纯水冲洗干净且氮气吹干，备用。取两块洁净的ITO，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)粘在一起，构建一个进行单个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置，其特征在于，包括：单色激光调节模块(1)，包括单色激光光源(11)和声光可调滤波器(12)，用于将单色激光引入暗场成像中并调节所述单波长的范围；粒子激发模块(2)，与所述单色激光调节模块(1)连接，用于激发具有局域等离子共振的贵金属的单个纳米粒子的散射共振，包括平凸透镜(21)和电化学池(22)；电压施加模块(3)，与所述粒子激发模块(2)连接，用于给所述电化学池(22)施加周期性调制电压；粒子散射强度检测模块(4)，与所述电压施加模块(3)和粒子激发模块(2)相连接，用于记录在不同电压调制频率下所述贵金属的单个纳米粒子的散射强度幅值与其对应的相位信息，获得所述单个纳米粒子的电化学阻抗谱，包括锁相放大器(41)和光电倍增管(42)。

【技术特征摘要】
1.一种单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置，其特征在于，包括：单色激光调节模块(1)，包括单色激光光源(11)和声光可调滤波器(12)，用于将单色激光引入暗场成像中并调节所述单波长的范围；粒子激发模块(2)，与所述单色激光调节模块(1)连接，用于激发具有局域等离子共振的贵金属的单个纳米粒子的散射共振，包括平凸透镜(21)和电化学池(22)；电压施加模块(3)，与所述粒子激发模块(2)连接，用于给所述电化学池(22)施加周期性调制电压；粒子散射强度检测模块(4)，与所述电压施加模块(3)和粒子激发模块(2)相连接，用于记录在不同电压调制频率下所述贵金属的单个纳米粒子的散射强度幅值与其对应的相位信息，获得所述单个纳米粒子的电化学阻抗谱，包括锁相放大器(41)和光电倍增管(42)。2.根据权利要求1所述的电化学阻抗谱测定装置，其特征在于，所述单色激光光源(11)和声光可调滤波器(12)连接，所述声光可调滤波器(12)用于单波长的输出。3.根据权利要求1所述的电化学阻抗谱测定装置，其特征在于，所述电化学池(22)的电极表面固定所述贵金属纳米材料(24)，并加入电解质溶液。4.根据权利要求1所述的电化学阻抗谱测定装置，其特征在于，所述电压施加模块(3)包括函数发生器(31)、电化学工作站(32)，所述函数发生器(31)控制所述电化学工作站(32)给所述电化学池(22)施加频率变化的周期性调制电压。5.根据权利要求1所述的电化学阻抗谱测定装置，其特征在于，由所述粒子激发模块(2)选择所述贵金属的单个纳米粒子，并由所述光电倍增管(42)收集进入所述锁相放大器(41)，由所述锁相放大器(41)记录不同电压调制频率下的单个纳米粒子的散射强度幅值与相应的相位信息。6.一种根据权利要求1所述的装置实现单个纳米粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，刘涛，李萌，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32