光電化學——實驗與數據分析

目的

本應用報告是Gamry光電化學系列報告中的第二部分。

第一部分主要介紹光譜方面的重要術語和參數等基本概念。描述光電化學實驗裝置，介紹Gamry光譜設備。

第二部分討論在Gamry Framework軟件中進行光譜實驗，介紹各參數的含義，如何用Echem Analyst進行數據分析，以具體實驗為例來闡述新的光譜分析工具。

前言

Gamry提供專門的光譜電化學軟件包，用戶可以同步進行電化學掃描和光譜實驗。

下面的章節詳細介紹了Gamry Framework中各光譜實驗參數，以及在Echem Analyst中如何進行數據分析。

實驗部分

所有的光譜電化學實驗方法均位于Framework軟件中，experiment菜單下的“SPECTRO – Spectroelectrochemistry”軟件包內，如圖1：

圖1：Gamry Framework菜單中的“SPECTRO – Spectroelectrochemistry”軟件包，以及其中包含的5個實驗方法。

除Optical Spectroscopy之外，所有的實驗方法都結合了光譜與電化學測試。

單獨的光譜測試（Optical Spectroscopy）

如前所述，Optical Spectroscopy方法只進行單獨的光譜測試，記錄光譜曲線。

通過該實驗，可以為之后的測試摸索合適的實驗條件，例如積分時間、待測物濃度或光路長度。參數設置窗口如圖2。

圖2：光譜實驗參數設置窗口

用戶首先需要定義輸出數據文件的名稱（數據將會被自動保存），并選擇測試類型：“吸光度Absorbance”、“原始光譜Raw Counts”、 “透光率Transmission”， 或者 “原始光譜扣除暗光譜Dark Subtracted Raw”.

另外還可以調整幾個實驗參數。積分時間確定了檢測器收集光子，獲得單張光譜圖的時間長度，Gamry光譜儀積分時間范圍是1 ms 至 65 s。

“# to Average”是指測定的次數，軟件自動對平行多次測得的數據進行取平均處理，以提高信噪比。

后的兩項輸入光譜掃描的波長范圍，通常覆蓋全范圍的數據。

實驗開始時，將有彈出窗口詢問：是否需要在實際樣品測試之前，測定暗光譜dark spectrum和空白光譜blank spectrum？接下來會出現幾個對話框，提示如何進行測試。后得到的樣品數據是自動扣減暗光譜和空白光譜后的結果

暗光譜（Dark Spectrum）

即使在沒有光的情況下，檢測器仍能檢測到背景信號，實際樣品的測量值需要扣除該背景噪聲電流值來進行校正。

記錄暗光譜時，測量池需要*避光，防止外界光線進入，另外，光源或快門也需要關閉。

空白光譜（Blank Spectrum）

當分析樣品的時候，并非所有來自樣品的信號都是我們感興趣的，例如溶劑的信號。如果選擇測量空白光譜，后得到的樣品結果是自動扣除空白值，進行校正之后的數據。

原始光譜（Raw Count Spectrum）

如果用戶只希望測量原始光譜，軟件將不會記錄暗光譜和空白光譜。也可以后期在Analyst中，手動扣除暗光譜和空白光譜，計算吸光度值。

扣除暗光譜的原始光譜（Dark Subtracted Raw）

一般情況下，對所有的測試來說，暗光譜都是一樣的，它主要取決于溫度和光源。如果選擇“Dark Subtracted Raw”，在原始光譜測量之前會首先測量暗光譜。因此，后期在Analyst中計算吸光度時，軟件僅僅會扣除暗光譜值

圖3是在Gamry Framework中，選擇Optical Spectroscopy方法進行的吸光度測試得到的光譜圖。樣品：亞甲基藍的KNO3溶液；積分時間：0.1s

圖3： 0.1mM亞甲基藍+1mM KNO3吸收光譜圖

光譜電化學技術

用戶可以使用SPECTRO軟件包同時進行電化學和光譜實驗，提供的測試方法包括：

• 光譜同步計時電流法 Spectro Chronoamperometry
• 光譜同步計時庫侖法 Spectro Chronocoulometry
• 光譜同步循環伏安法 Spectro Cyclic Voltammetry
• 光譜同步線性掃描伏安法 Spectro Linear Sweep Voltammetry

所有這四種方法與PHE200 軟件包中的非光譜實驗方法類似，只需另外設置幾個光譜相關的參數。（見圖4）

圖4：光譜電化學實驗參數設置界面

用戶在電化學掃描的同時，可以選擇記錄原始計數、吸光度或透光率曲線，這與Optical Spectroscopy方法相似。所有光譜相關的參數都在一個單獨的界面進行設置。

當光譜電化學測試開始后，Framework中將同時顯示兩個單獨的窗口：一個窗口實時顯示電化學掃描曲線，另一個實時顯示光譜曲線。

電化學掃描一開始，軟件也將同時記錄光譜曲線。預處理或者OCP測量時，是不記錄光譜曲線的。光譜圖實時更新，每次記錄的都是全波長范圍的數據。更新的時間間隔取決于光譜實驗參數中設定的積分時間。

電化學實驗結束時，記錄后一次光譜曲線，然后光譜實驗結束。

數據分析

電化學和光譜實驗數據都可以在Echem Analyst軟件中進行分析。下面將討論輸出數據文件格式及如何進行數據分析。

輸出文件

光譜電化學實驗將生成兩個單獨的^*.DTA數據文件，一個文件對應所有的電化學實驗數據，另一個對應所有的光譜數據。

電化學數據的名稱與參數設置窗口設定的名稱一致，文件格式也與PHE200 軟件包中的非光譜實驗相同。

光譜實驗有專門的文件名稱，不同的名稱對應Echem Analyst中不同的分析工具。表1列出了所有的實驗方法相對應的數據文件名稱。

表1：光譜電化學實驗方法對應的數據文件名稱

另外，還有下面這樣的文件名稱：

SPECTRONAME<tab>LABEL<tab>SpectraFor_OutputFile
Name.DTA<tab>File Name for Spectra

該文件名中包含了光譜數據文件名，并結合了電化學數據文件名。光譜文件名包含前綴“SpectraFor_”，后面緊接著電化學數據的文件名。

當在Echem Analyst中打開電化學數據時，對應的光譜數據將自動在新窗口顯示。

當在Echem Analyst中打開單獨的光譜數據文件時，只顯示光譜數據。

光譜數據分析

當在Echem Analyst中打開光譜電化學數據時，光譜數據有相應的數據分析工具。圖5是光譜分析的工具菜單。

圖5：Echem Analyst軟件中的光譜分析工具菜單

下面將用具體實例來介紹每種分析工具。

選定波長分析Add Wavelength Slices

選擇“Add Wavelength Slices”，用戶可以選擇幾個特定的波長，生成光譜數據（如吸光度、原始計數或透光率）隨時間的變化曲線。

圖6顯示的是光譜同步計時電流法實驗中，在不同時間（0min、1 min、20 min、 40 min、60 min - 顏色由暗變亮）下的5條吸光度曲線。

圖6：0.1mM亞甲基藍+1mM KNO3溶液，在不同時間的光譜同步計時電流法實驗曲線

0.1mM亞甲基藍（藍色）+1mM KNO3溶液在設定的電位下，還原成為亞甲基白。工作電極：鉑網；工作電極電位：-0.35 V vs. Ag/AgCl

隨時間變化，待測物藍色越來越淺，245 nm、 290 nm、 610 nm及 660 nm處的吸收峰持續降低。

使用“Add Wavelength Slices”工具，可以直觀地了解吸光度隨時間的變化情況。在彈出的參數設置界面，用戶可以一次定義多達4個不同的波長（見圖7）

圖7：“Add Wavelength Slices”工具參數設置

點OK確認之后，Echem Analyst中將出現一個新的窗口，顯示設定的每個波長對應的曲線。（見圖8）

圖8：亞甲基藍還原過程中，4個不同波長對應的吸光度隨時間變化曲線

重復使用“Add Wavelength Slices”工具，可以生成更多的曲線，如果不需要一次分析4個波長，可以在波長處輸入0。

扣除光譜Subtract Spectrum

用戶可以使用“Subtract Spectrum”分析工具，在當前光譜曲線基礎上扣除另一條光譜曲線。扣除的前提是兩條曲線都屬同種測試類型（例如，都是測吸光度、原始計數或者透光率）。

首先，需要選定待扣除的光譜曲線數據文件。軟件將在當前數據的整個波長范圍內進行扣減，得到的結果將生成新的縱坐標為“Subtracted”的曲線，并且“Subtracted”會自動加入到曲線選擇器“curve selector”中，方便用戶任意選擇橫縱坐標作圖。

圖9是從氧化峰處開始，不同電位下（顏色從暗變亮）CV和吸光度曲線。

循環伏安同步光譜電化學測試圖。工作電極：鉑網；參比電極：Ag/AgCl；電解液：5 mM K₃[Fe(CN)₆]+10 mM KCl

圖10是使用“Subtract Spectrum”扣除初始循環譜圖后，在固定電位下吸光度值的相對變化。

圖9：循環伏安同步光譜電化學測試的吸收光譜圖，右上方是CV圖。工作電極：鉑網；參比電極：Ag/AgCl；電解液：5 mM K₃[Fe(CN)₆]+10 mM KCl

圖10：使用“Subtract Spectrum”扣除光譜后的相對吸光度值變化。

測試過程中，Fe(II) 被氧化成為 Fe(III)，230 nm 及 260 nm附近吸光度值降低，而300 nm 和 420 nm附近值在上升。

整個過程是可逆的。為了簡化，這里沒有顯示還原步驟。使用“Smooth Data”工具對所有曲線進行了略微的平滑處理，以降低噪聲影響。

計算吸光度值Calculate Absorbance

這是一個簡單實用的工具，可以將原始計數轉換成為吸光度值。

用戶只需在Echem Analyst中，按照要求打開原始計數的光譜文件，軟件將會自動轉換成吸收光譜圖。

找峰Peak Find

使用“Peak Find”工具，用戶可以在選定范圍內找出所有的峰。

首先，用“Select Portion”選定找峰的區域，然后點擊“Peak Find”，軟件會自動標出所有的峰（吸光度或原始計數大值，透光率小值）并編號。在新的窗口自動生成詳細列表，列出所有峰相關的數據。

圖11是亞甲基藍硝酸鉀溶液的吸收光譜圖，所有峰都被標識出來，圖12是相應的列表。

圖11：0.1mM亞甲基藍+1mM硝酸鉀溶液的吸收光譜圖，所有峰都被標識出來。

圖12：圖11中峰的相關信息列表

“Peak find”工具使用一種判斷斜率變化的算法，在預先定義的范圍進行線性擬合，并且比較斜率變化的趨勢。這種算法可以有效過濾被誤識別為峰的噪音信息。

清除峰Clear Peaks

該工具可以清除所有用“Peak find”獲取的峰信息。包含所有峰信息的列表將會被刪除。

總結

本應用報告是Gamry光電化學系統系列報告中的第二部分。主要討論光譜電化學的具體實驗及數據分析。

介紹了Framework中光譜及光譜電化學測試的參數設置，以及其中一些重要的參數。另外，詳細討論了測試步驟、數據導出格式等。

后，闡釋了在Echem Analyst中如何進行數據分析，并通過具體實例詳細講解每種分析工具的使用。