C. L. Bentley, D. Perry, P. R. Unwin
摘要
纳米电化学是电化学的一个重要且不断发展的分支，它涵盖了许多关键研究领域，包括（电）催化、储能、生物医学/环境传感和电化学成像。纳米级电化学测量通常在狭窄的环境中进行，使用简化的双电极格式的非隔离准参比对电极 （QRCE） 进行较长时间的实验时间。在此，我们考虑了常用的 Ag/AgCl QRCE 的稳定性，包括 AgCl 涂层的导线，采用纳米移液器配置，模拟了纳米电化学系统中常见的受限电化学池排列。Ag/AgCl QRCE 即使在制备后立即使用以及在Cl-中部署时也具有非常稳定的参比电位–游离电解质介质（例如，0.1 M HClO4） 在扫描离子电导显微镜 （SICM） 格式中，漂移仅约 1 mV/h在几个小时的时间尺度上。此外，与以前的一些报道相反，当以扫描电化学池显微镜 （SECCM） 格式（弯月面与工作电极表面接触）使用时，Ag/AgCl QRCE 至少在 6 小时的时间尺度上不会导致表面结垢（即，与可溶性氧化还原副产物，如 Ag]），只要遵守有关电极处理和在纳米移液器内的放置的适当预防措施。这些实验观察结果通过有限元方法 （FEM） 模拟进行了验证，该模拟考虑了 SECCM 和 SICM 配置中纳米移液器探针内的 Ag 传输。这些结果证实，Ag/AgCl 在受限电化学环境中是一种稳定而坚固的 QRCE，例如 SICM 中使用的纳米移液器，用于纳米孔测量、打印和图案化，以及 SECCM，证明了该电极在纳米电化学及其他领域的广泛使用是合理的。
介绍
制造和表征方法的重大进步使现代电化学科学受到纳米技术革命的巨大影响，有效地催生了被称为“纳米电化学”的新研究分支。(1,2)在纳米电化学中，电化学探针或传感器（例如，纳米孔、纳米间隙、纳米移液器或纳米电极）的尺寸被缩小到纳米级，以便研究 1 至 100 nm 长度尺度的现象。这使得基础研究能够在“单一实体水平”上进行，其中单个纳米粒子、囊泡、分子、细胞等使用“静态”（例如，DNA 传感、单纳米粒子影响研究等）或“动态”（例如，高分辨率电化学成像） 电化学探针。
除了小长度尺度外，纳米电化学越来越多地在有限的体积中进行，与传统的“宏观”电化学相比，纳米尺度固有的高质量传输速率产生了一系列全新的实验考虑/复杂性。在纳米电化学中，通常需要大型数据集才能获得统计学意义（例如，在单分子/纳米颗粒检测中和/或确保在电化学成像中映射足够大小的区域，这可能会导致测量时间延长。此外，纳米级实验通常以简化的双电极形式进行，其中工作电极 （WE） 由单个“准参比对电极”（QRCE） 平衡，当测得的电流足够小（例如，fA 到 nA）以防止参比电位的显着极化时，这是合理的。由于尺寸、成本和复杂性的限制，传统的烧结 QRCE 通常不用于纳米级电化学系统，而经常使用非孤立的 QRCE（例如 Ag/AgCl）。
测量时间延长的一个主要后果是，为了确保高保真数据，定义的参考电位（即 QRCE 电位）的稳定性至关重要。此外，相对于 WE（或生物实体，如活细胞成像） 也是一个重要的考虑因素，最近的文章报道了受限电化学电池中 QRCE 的 Ag/AgCl 污染引起的 WEs 伪影。例如，Perera 和 Rosenstein报道了纳米移液管接触形式（也称为扫描电化学细胞显微镜，SECCM）中金属纳米颗粒的原位生成，他们将其归因于在 Ag/AgCl 或 Cu/CuCl2下产生可溶性氧化还原副产物他们研究中使用的 QRCE。在该报告中，作者声称在使用一系列 WE 材料 [玻璃碳(GC) 和铂] 和电解质（氯化物、磷酸盐和硫酸盐）运行仅 40 分钟后就观察到了 QRCE 污染诱导的影响。这一观察结果具有超越纳米电化学的深远影响，因为非孤立的 Ag/AgCl 准参比电极广泛用于电化学芯片实验室设备在丝网印刷电极中，以及纳米孔器件和纳米移液器成像技术，例如扫描离子电导显微镜 （SICM）。
尽管使用无污染的 QRCE（例如钯-氢(Pd–H2)), 在 cm 长度尺度 （td = L2/2D，其中 td是扩散时间，L 是扩散长度，D 是扩散系数），表明结垢应该只在数十小时的时间尺度上成为一个问题，并仔细定位 QRCE。然而，鉴于上述最近的报告，并鉴于在各种应用中越来越多地使用简单的 AgCl 涂层 Ag 线作为 QRCE，我们在这里考虑 Ag/AgCl QRCE 的稳定性和位置，使用纳米移液器配置 （vide infra） 来模拟受限电化学电池。在互补有限元法 （FEM） 仿真的支持下，实验表明 Ag/AgCl QCRE 可以长时间使用，而不会出现任何污染或潜在不稳定的问题。
实验部分
化学试剂和电极材料
高氯酸 （HClO4、Sigma-Aldrich，70%）和氯化钾（KCl，Sigma-Aldrich）按制造商提供。所有溶液均用去离子水制备（25 °C 时电阻率 = 18.2 MΩ.cm，Integra HP，Purite，英国）。GC 基材（HTW Hochtemperatur-Werkstoffe GmbH，德国）用 0.05 μm Al 的水浆抛光2O3（Buehler， U.S.A.）。Ag/AgCl QRCE 的制备方法是用 P1200 砂纸（美国 Buehler）研磨直径为 0.25 mm 的退火银丝（Goodfellow，英国，99.99%），超声处理，然后在 KCl 的饱和溶液中阳极氧化（与 Pt 丝对电极相比）。应该注意的是，Ag/AgCl 电极的稳定性可以通过“老化”进一步提高，这里没有进行（Ag/AgCl QRCE 在制备后立即使用）。
电化学实验
在 QRCE 稳定性实验组中，将 Ag/AgCl QRCE 放入单管纳米移液器探针（尖端直径，dt≈ 500 nm），其中填充了电解质溶液 （0.1 M HClO）4).随后将探针尖端放入电解质浴（也是 0.1 M HClO4），并使用 FAS2 Femtostat（Gamry Instruments，美国）上的“开路电位”模块，针对商用 Ag/AgCl 参比电极（3.4 M KCl，ET072-1，eDAQ，澳大利亚）监测 Ag/AgCl QRCE 的电位。在另一组实验中，在探针上施加 ±1 nA 的电流 （dt≈ 100 nm），采用 3 电极格式（散装 Ag/AgCl 丝用作对电极），使用 FAS2 Femtopstat 上的“计时电位计”模块。
QRCE 放置实验集在自制的电化学工作站上以 SECCM 格式进行。简而言之，将 Ag/AgCl QRCE 放入单管纳米移液器探针 （dt≈ 100 nm），其中充满了电解质溶液 （0.1 M HClO）4）并安装在 xyz 压电定位器（P-611.3S，Physik Instrumente，德国）上。请注意，此处使用的探针尺寸介于所使用的最小 SECCM 探针之间 （dt≈ 30 纳米）和几百纳米的，常规使用。使用步进电机（8303 Picomotor Actuator，Newport，U.S.A.）将纳米移液器探针定位在基板表面上方进行粗略移动，并使用 xyz 压电定位器进行精细移动。在每次接近过程中，表面电流 （i冲浪） 用作反馈信号来检测弯月面细胞何时与 WE 表面接触。请注意，纳米移液器本身从未与 WE 表面接触。
如前所述，WE 的电化学测量是使用循环伏安“跳跃”机制进行的。简而言之，纳米移液器探针在网格中的一系列预定义位置接近 WE 表面，并且在每次着陆时，都会记录独立的循环伏安图 （CV）。对于每个 CV，电位最初保持在 -0.7 V 5 秒（约 -0.23 V 与标准氢电极 SHE，足以通过以扩散限制速率还原为 Ag 来电沉积任何 Ag），在 0.1 V s 时循环至 +0.4 之前–1电氧化剥离 Ag.作为比较，Perera 和 Rosenstein+在 0.1 V s 下在 ±0.4 V 与 Ag/AgCl QRCE 之间连续循环电位–1.跳跃距离（即每个像素之间的间隔）设置为 1 μm，以确保每个 CV 都是在“新鲜”GC 表面获得的（即，每次测量都独立于前一次测量）。
整个 SECCM 设置位于铝制法拉第笼中，配备散热器和真空板，以最大限度地减少热漂移和噪声。法拉第笼安装在带有自动调平隔离器（Newport，S-2000A-423.5）的光学平台（RS2000，美国纽波特）上。将气相色谱底物 （WE） 置于环境控制池中，用加湿空气或氩气（Ar、BOC 气体、Pureshield、99.998%）持续吹扫。QRCE 的电位相对于接地受到控制，并且使用自制静电计测量流向 WE的电流，保持在公共接地处。一种国产八阶（低通）砖墙滤波器装置，时间常数 （tc） 的 2 或 10 ms 的 mm 值。使用 FPGA 卡 （PCIe-7852R） 进行数据采集和仪器控制，该卡由运行 Warwick 电化学扫描探针显微镜 （WEC-SPM， www.warwick.ac.uk/electrochemistry） 软件的 LabVIEW 2016 （National Instruments， U.S.A.） 接口控制。
单管纳米移液器探针由硼硅酸盐玻璃丝状毛细管（GC120F-10，美国哈佛仪器公司）使用 CO 制成2-激光拉拔器（P-2000，Sutter Instruments，美国）。拉取参数 （dt≈ 500 nm）：第 1 行：HEAT 350、FIL 3、VEL 40、DEL 220、PUL -;2 号线：HEAT 350、FIL 3、VEL 40、DEL 180、PUL 100。拉取参数 （dt≈ 100 nm）：第 1 行：HEAT 350、FIL 3、VEL 30、DEL 220、PUL -;2 号线：HEAT 350、FIL 3、VEL 40、DEL 180、PUL 120。在纳米移液器探针中加入电解质溶液 （0.1 M HClO4）使用 MicroFil 注射器（美国 World Precision Instruments Inc.），在上面添加一层薄薄的硅油（DC 200，Sigma-Aldrich）以尽量减少蒸发。然后将新鲜制备的 QRCE 通过硅层插入电解质溶液中，并如上所述安装在 xyz 压电定位器上。QRCE 末端和纳米移液器尖端之间的距离约为 3 cm。制备的探针的图像以及其他实验结果显示在支持信息中，第 S1 节。完成探针制备和记录第一个 CV（即 t = 0）之间的时间约为 30 分钟。
采集后，使用 Matlab R2015b （8.6.0.267246，Mathworks，美国）软件包处理原始数据。使用 OriginPro 2016 64 位（b9.3.226，OriginLab，美国）软件包进行数据绘图。
FEM 模拟
FEM 仿真在 COMSOL Multiphysics v5.2a（瑞典 COMSOL Inc.）中进行。模拟包括纳米移液器探针的二维表示，其尺寸从透射电子显微镜 （TEM） 图像中提取，(37)位于基板 （WE） 表面上方（SECCM 模拟）或浸入块状溶液（SICM 模拟）中。在 SECCM 模拟中，在衬底表面考虑了三个条件：（i） 衬底是无通量边界，在 WE处没有发生反应;（ii） [Ag+]冲浪= 0（即，Ag 沉积以质量传递受控速率发生，WE 是 Ag 汇）;（iii） 最初是无通量边界条件，然后是 [Ag++]冲浪2、5 或 20 小时后 = 0（即，在以质量传输受控速率“开启”反应之前，允许 Ag 积累一段时间）。在 SICM 模拟中，在位于纳米移液管中的电极上施加 +100 mV 的偏压，并将探针孔口（尖端）处的 Ag 通量计算为时间的函数。更多详细信息在支持信息中 S2 节中提供。
结果与讨论
Ag/AgCl 准参比对电极稳定性
如上所述，QRCE 电位的稳定性至关重要，尤其是在较长的实验测量时间下。Ag/AgCl QRCE （EQRCE）取决于氯化物的活性 （a_{Cl^-}） 在溶液中：
假设 AgCl 的溶解速度与任何普遍的扩散速率相比都很快，事实确实如此。(40,41)这种关系假设溶液中没有暴露的 Ag+（Ag/Ag 对可以移动参比电位），并且不存在干扰物质（例如，Br–).
为了测试 Ag/AgCl QRCE 在作条件下的稳定性，纳米移液器 （dt≈ 500 nm） 配置，类似于 SICM 中使用的配置或纳米孔实验用于模拟受限电化学电池环境，如图 1a. HClO 所示4被选为 Cl–游离电解质，因为我们过去曾将其广泛用于 Ag/AgCl 和 Pd-H2QRCE 的。在 6.5 小时的时间内，针对商用 Ag/AgCl 参比电极在散装溶液中监测 Ag/AgCl QRCE 的电位，如图 1b 所示。显然，EQRCE即使在这种 Cl 中，在较长的实验时间尺度上也非常稳定–游离电解质，在 6.5 h 期间漂移小于 10 mV（约 1.4 mV/h).
应该注意的是，在“真实”SICM 或双筒 SECCM 实验中，QRCE 偏压以产生通常约为 ±1 nA 的离子电流。因此，为了研究 Ag/AgCl QRCE 在“典型使用”情况下随时间推移的稳定性，进行了第二组实验，同样在纳米移液器配置中 （dt≈ 100 nm，尺寸更接近实际 SICM 实验中使用的探针，除了这一次，在 6.5 h 的时间内，以 20 分钟的间隔定期在尖端施加 0（即“开路电位”，OCP）、+1 和 -1 nA 的恒定电流（即，在每种条件下进行 7 次单独测量），如图 1c 所示。显然，EQRCE即使在较长的实验时间尺度上以约 ±30 mV（即“典型使用”条件）偏置时也非常稳定，在 6.5 小时期间（约 0.8 mV/h）漂移约 5 mV).
我们最近的工作证明了大跳跃模式 SECCM和 SICM数千个像素的扫描可以在不到一小时内完成，这意味着漂移约为 1 mV/h在这个实验时间尺度上实际上可以忽略不计。早期的 SECCM 研究也是在数十分钟的时间尺度上进行的，对于这种水平的潜在漂移来说，这种水平的潜在漂移可以忽略不计。最后，值得注意的是，这项工作是用新鲜制备的 Ag/AgCl 电极进行的;正如其他地方报道的那样，它有可能通过使用前的“老化”程序进一步提高 QRCE 电位的稳定性。
Ag/AgCl 准参比对电极放置
如上所述，由于 WE 中可能存在 Ag/AgCl 污染，因此将 QRCE 放置在受限电化学电池中是一个重要的考虑因素。Ag+ 和 Cl–都是电活性物质，由于 AgCl 的溶解度有限，最初存在于 QRCE 附近，如上图 2 所示。这本身不是问题，除非Ag+ 和 Cl–被运输到 WE （基材） 附近，在那里它们可能会被还原 （Ag0/Ag+） 和氧化 （Cl–/Cl2），分别（取决于施加的电位），干扰感兴趣的氧化还原过程。预计在受限电化学池中测量时间延长，此问题会加剧。
为了研究在密闭电化学电池环境下的作条件下 Ag/AgCl 污染的可能性，以 SECCM 格式进行测量，(17,21,26)如图 2 a 所示。 在这种配置中，伏安测量是在由拉动的纳米移液器 （dt≈ 100 nm） 探针和衬底 （WE） 表面。本文使用了“跳跃模式”协议，其中纳米移液器尖端在一系列预定义的位置依次接近 WE，并在每次着陆时记录 CV。此处应用的 E-t 波形如图 2b-i 所示;着陆后，E 最初在 −0.7 V 下保持 5 s，以“收集”（还原）溶液中的 Ag（类似于阳极溶出伏安法中的电解前步骤+(31)），然后在 0.1 V s 下在 −0.7 和 +0.4 之间扫描–1通过伏安溶出分析检测 Ag。图 2b-ii 显示了针对仔细定位的 QRCE（黑色迹线）以及 AgCl 片段在 GC WE 处被故意脱落（红色迹线）测量的 CV 示例。对于红色迹线，E < −0.45 V 时的还原过程和 E ≈ +0.1 V 时的尖锐氧化峰归因于 Ag 还原和 Ag++0氧化。如下文更详细地报告的那样，后一种反应仅在受损的 QRCE 中观察到，并且这种损害很容易避免。
在此，Ag/AgCl QRCE 的末端始终位于距离纳米移液器探针末端约 3 cm 的位置，如支持信息、图 S1a 和 b 所示。扩散时间的简单 “back-of-the-envelope” 计算，(31)假设距离为 3 cm，扩散系数约为 1.65 × 10–5厘米2s–1,(40)表明 Ag/AgCl 污染应该只在几十小时的时间尺度上成为一个问题。然而，这里使用的实验设置类似于 Perera 和 Rosenstein 采用的实验设置，(25)他们声称在仅运行 40 分钟后就观察到 Ag/AgCl 污染（即原位金属纳米颗粒形成）。
在 623 分钟内记录的 400 个 CV 的完整集显示在支持信息中，图 S2c。其中大多数与图 3 中所示的非常相似，但在一些 CV 中也很明显 （约 35%） 分别归因于 Ag 纳米颗粒 （NP） 的氧化和 AgCl NP 的还原，即纳米颗粒影响库仑法。(14)图 S3 显示了对一条 CV 迹线尖峰的分析;假设电流尖峰对应于球形 AgCl NP 的完全氧化，直径 （dNP的） 分别针对位于 −0.380、– 0.539 和 −0.606 V 处的尖峰计算出仅 3.6、6.1 和 5.3 nm。
使用受损的 Ag/AgCl QRCE 获得的 CV（图 3c）与 Perera 和 Rosenstein 报道的 CV 在质量上相似。(25)尽管测得的电流要低得多（他们测量的 pA 级电流具有数十 pA 的“尖峰”），并且可以解释为什么他们在 40 分钟的时间尺度上观察到污染伪影。我们已经通过实验表明，如果采取适当的护理（即，放置 3 cm，对 QRCE 无损伤），WE 的 Ag/AgCl 污染在至少 6 小时内不会发生。鉴于 6 小时可能比纳米移液器探针的“寿命”长，纳米移液器探针通常在一组实验后被丢弃，很明显，这种污染伪影在 SECCM、SICM 或相关的纳米移液器研究中并不重要。为了进一步证实这一点，下面通过 FEM 模拟探讨了 Ag 从 QRCE 到 WE 表面的运输（或在 SICM 的情况下进入块状溶液）。+
结论
在狭窄的电化学电池环境（即纳米移液器）中，在较长的测量时间（即几个小时尺度）下研究了 Ag/AgCl QRCE 的稳定性和结垢特性。发现新鲜制备的 Ag/AgCl QRCE 的参考电位在 Cl–中非常稳定游离电解质介质 （0.1 M HClO4） 当限制在 SICM 格式的纳米移液器探针中时，以约 1 mV/h 的速率漂移超过 6.5 小时。与之前的报告相反，在 SECCM 配置中扫描至少 6 小时后，只要遵守有关电极处理（以防止 AgCl 物理脱落）和放置（距纳米移液器尖端末端至少 3 cm）的适当预防措施，就不会发现源自 Ag/AgCl QRCE 的可溶性氧化还原副产物（例如 Ag）的 WE 污染。这些实验得到了 FEM 模拟的支持，FEM 模拟考虑了 SECCM 和 SICM 配置中纳米移液器探针内 Ag 的传输。这项工作证实了 Ag/AgCl 在仅限于纳米移液器探针时是一种稳定而稳健的 QRCE，这一结论得到了这一重要参比电极系统在纳米电化学及其他领域的广泛使用的支持。如果处理得当，该电极可以放心地用作双电极配置的 QRCE。++
最后，我们注意到基于移液器的电池的一个优点是，可以通过测量电导电流-电压特性来轻松评估受限溶液中欧姆效应的相对重要性。(37)对于大多数 SECCM 测量，由于氧化还原活性物质的 mM 水平和支持的电解质浓度通常高出两个数量级，因此对于伏安法测量（通常显示 pA 至数十 pA 的电流水平），这种影响可以忽略不计。(17,26)如果氧化还原磁通量和相关电流要高得多，以至于 QRCE 的欧姆效应或极化不再可以忽略不计，那么可以很容易地采用三电极 SECCM 布置。
来源：Bentley, C. L., Perry, D., & Unwin, P. R. (2018). Stability and Placement of Ag/AgCl Quasi-Reference Counter Electrodes in Confined Electrochemical Cells. Analytical Chemistry, 90(12), 7700–7707. doi:10.1021/acs.analchem.8b01588