光电化学——实验与数据分析

目的

本应用报告是Gamry光电化学系列报告中的第二部分。

第一部分主要介绍光谱方面的重要术语和参数等基本概念。描述光电化学实验装置，介绍Gamry光谱设备。

第二部分讨论在Gamry Framework软件中进行光谱实验，介绍各参数的含义，如何用Echem Analyst进行数据分析，以具体实验为例来阐述新的光谱分析工具。

前言

Gamry提供专门的光谱电化学软件包，用户可以同步进行电化学扫描和光谱实验。

下面的章节详细介绍了Gamry Framework中各光谱实验参数，以及在Echem Analyst中如何进行数据分析。

实验部分

所有的光谱电化学实验方法均位于Framework软件中，experiment菜单下的“SPECTRO – Spectroelectrochemistry”软件包内，如图1：

图1：Gamry Framework菜单中的“SPECTRO – Spectroelectrochemistry”软件包，以及其中包含的5个实验方法。

除Optical Spectroscopy之外，所有的实验方法都结合了光谱与电化学测试。

单独的光谱测试（Optical Spectroscopy）

如前所述，Optical Spectroscopy方法只进行单独的光谱测试，记录光谱曲线。

通过该实验，可以为之后的测试摸索合适的实验条件，例如积分时间、待测物浓度或光路长度。参数设置窗口如图2。

图2：光谱实验参数设置窗口

用户首先需要定义输出数据文件的名称（数据将会被自动保存），并选择测试类型：“吸光度Absorbance”、“原始光谱Raw Counts”、 “透光率Transmission”， 或者 “原始光谱扣除暗光谱Dark Subtracted Raw”.

另外还可以调整几个实验参数。积分时间确定了检测器收集光子，获得单张光谱图的时间长度，Gamry光谱仪积分时间范围是1 ms 至 65 s。

“# to Average”是指测定的次数，软件自动对平行多次测得的数据进行取平均处理，以提高信噪比。

后的两项输入光谱扫描的波长范围，通常覆盖全范围的数据。

实验开始时，将有弹出窗口询问：是否需要在实际样品测试之前，测定暗光谱dark spectrum和空白光谱blank spectrum？接下来会出现几个对话框，提示如何进行测试。后得到的样品数据是自动扣减暗光谱和空白光谱后的结果

暗光谱（Dark Spectrum）

即使在没有光的情况下，检测器仍能检测到背景信号，实际样品的测量值需要扣除该背景噪声电流值来进行校正。

记录暗光谱时，测量池需要*避光，防止外界光线进入，另外，光源或快门也需要关闭。

空白光谱（Blank Spectrum）

当分析样品的时候，并非所有来自样品的信号都是我们感兴趣的，例如溶剂的信号。如果选择测量空白光谱，后得到的样品结果是自动扣除空白值，进行校正之后的数据。

原始光谱（Raw Count Spectrum）

如果用户只希望测量原始光谱，软件将不会记录暗光谱和空白光谱。也可以后期在Analyst中，手动扣除暗光谱和空白光谱，计算吸光度值。

扣除暗光谱的原始光谱（Dark Subtracted Raw）

一般情况下，对所有的测试来说，暗光谱都是一样的，它主要取决于温度和光源。如果选择“Dark Subtracted Raw”，在原始光谱测量之前会首先测量暗光谱。因此，后期在Analyst中计算吸光度时，软件仅仅会扣除暗光谱值

图3是在Gamry Framework中，选择Optical Spectroscopy方法进行的吸光度测试得到的光谱图。样品：亚甲基蓝的KNO3溶液；积分时间：0.1s

图3： 0.1mM亚甲基蓝+1mM KNO3吸收光谱图

光谱电化学技术

用户可以使用SPECTRO软件包同时进行电化学和光谱实验，提供的测试方法包括：

• 光谱同步计时电流法 Spectro Chronoamperometry
• 光谱同步计时库仑法 Spectro Chronocoulometry
• 光谱同步循环伏安法 Spectro Cyclic Voltammetry
• 光谱同步线性扫描伏安法 Spectro Linear Sweep Voltammetry

所有这四种方法与PHE200 软件包中的非光谱实验方法类似，只需另外设置几个光谱相关的参数。（见图4）

图4：光谱电化学实验参数设置界面

用户在电化学扫描的同时，可以选择记录原始计数、吸光度或透光率曲线，这与Optical Spectroscopy方法相似。所有光谱相关的参数都在一个单独的界面进行设置。

当光谱电化学测试开始后，Framework中将同时显示两个单独的窗口：一个窗口实时显示电化学扫描曲线，另一个实时显示光谱曲线。

电化学扫描一开始，软件也将同时记录光谱曲线。预处理或者OCP测量时，是不记录光谱曲线的。光谱图实时更新，每次记录的都是全波长范围的数据。更新的时间间隔取决于光谱实验参数中设定的积分时间。

电化学实验结束时，记录后一次光谱曲线，然后光谱实验结束。

数据分析

电化学和光谱实验数据都可以在Echem Analyst软件中进行分析。下面将讨论输出数据文件格式及如何进行数据分析。

输出文件

光谱电化学实验将生成两个单独的^*.DTA数据文件，一个文件对应所有的电化学实验数据，另一个对应所有的光谱数据。

电化学数据的名称与参数设置窗口设定的名称一致，文件格式也与PHE200 软件包中的非光谱实验相同。

光谱实验有专门的文件名称，不同的名称对应Echem Analyst中不同的分析工具。表1列出了所有的实验方法相对应的数据文件名称。

表1：光谱电化学实验方法对应的数据文件名称

另外，还有下面这样的文件名称：

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

该文件名中包含了光谱数据文件名，并结合了电化学数据文件名。光谱文件名包含前缀“SpectraFor_”，后面紧接着电化学数据的文件名。

当在Echem Analyst中打开电化学数据时，对应的光谱数据将自动在新窗口显示。

当在Echem Analyst中打开单独的光谱数据文件时，只显示光谱数据。

光谱数据分析

当在Echem Analyst中打开光谱电化学数据时，光谱数据有相应的数据分析工具。图5是光谱分析的工具菜单。

图5：Echem Analyst软件中的光谱分析工具菜单

下面将用具体实例来介绍每种分析工具。

选定波长分析Add Wavelength Slices

选择“Add Wavelength Slices”，用户可以选择几个特定的波长，生成光谱数据（如吸光度、原始计数或透光率）随时间的变化曲线。

图6显示的是光谱同步计时电流法实验中，在不同时间（0min、1 min、20 min、 40 min、60 min - 颜色由暗变亮）下的5条吸光度曲线。

图6：0.1mM亚甲基蓝+1mM KNO3溶液，在不同时间的光谱同步计时电流法实验曲线

0.1mM亚甲基蓝（蓝色）+1mM KNO3溶液在设定的电位下，还原成为亚甲基白。工作电极：铂网；工作电极电位：-0.35 V vs. Ag/AgCl

随时间变化，待测物蓝色越来越浅，245 nm、 290 nm、 610 nm及 660 nm处的吸收峰持续降低。

使用“Add Wavelength Slices”工具，可以直观地了解吸光度随时间的变化情况。在弹出的参数设置界面，用户可以一次定义多达4个不同的波长（见图7）

图7：“Add Wavelength Slices”工具参数设置

点OK确认之后，Echem Analyst中将出现一个新的窗口，显示设定的每个波长对应的曲线。（见图8）

图8：亚甲基蓝还原过程中，4个不同波长对应的吸光度随时间变化曲线

重复使用“Add Wavelength Slices”工具，可以生成更多的曲线，如果不需要一次分析4个波长，可以在波长处输入0。

扣除光谱Subtract Spectrum

用户可以使用“Subtract Spectrum”分析工具，在当前光谱曲线基础上扣除另一条光谱曲线。扣除的前提是两条曲线都属同种测试类型（例如，都是测吸光度、原始计数或者透光率）。

首先，需要选定待扣除的光谱曲线数据文件。软件将在当前数据的整个波长范围内进行扣减，得到的结果将生成新的纵坐标为“Subtracted”的曲线，并且“Subtracted”会自动加入到曲线选择器“curve selector”中，方便用户任意选择横纵坐标作图。

图9是从氧化峰处开始，不同电位下（颜色从暗变亮）CV和吸光度曲线。

循环伏安同步光谱电化学测试图。工作电极：铂网；参比电极：Ag/AgCl；电解液：5 mM K₃[Fe(CN)₆]+10 mM KCl

图10是使用“Subtract Spectrum”扣除初始循环谱图后，在固定电位下吸光度值的相对变化。

图9：循环伏安同步光谱电化学测试的吸收光谱图，右上方是CV图。工作电极：铂网；参比电极：Ag/AgCl；电解液：5 mM K₃[Fe(CN)₆]+10 mM KCl

图10：使用“Subtract Spectrum”扣除光谱后的相对吸光度值变化。

测试过程中，Fe(II) 被氧化成为 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。

整个过程是可逆的。为了简化，这里没有显示还原步骤。使用“Smooth Data”工具对所有曲线进行了略微的平滑处理，以降低噪声影响。

计算吸光度值Calculate Absorbance

这是一个简单实用的工具，可以将原始计数转换成为吸光度值。

用户只需在Echem Analyst中，按照要求打开原始计数的光谱文件，软件将会自动转换成吸收光谱图。

找峰Peak Find

使用“Peak Find”工具，用户可以在选定范围内找出所有的峰。

首先，用“Select Portion”选定找峰的区域，然后点击“Peak Find”，软件会自动标出所有的峰（吸光度或原始计数大值，透光率小值）并编号。在新的窗口自动生成详细列表，列出所有峰相关的数据。

图11是亚甲基蓝硝酸钾溶液的吸收光谱图，所有峰都被标识出来，图12是相应的列表。

图11：0.1mM亚甲基蓝+1mM硝酸钾溶液的吸收光谱图，所有峰都被标识出来。

图12：图11中峰的相关信息列表

“Peak find”工具使用一种判断斜率变化的算法，在预先定义的范围进行线性拟合，并且比较斜率变化的趋势。这种算法可以有效过滤被误识别为峰的噪音信息。

清除峰Clear Peaks

该工具可以清除所有用“Peak find”获取的峰信息。包含所有峰信息的列表将会被删除。

总结

本应用报告是Gamry光电化学系统系列报告中的第二部分。主要讨论光谱电化学的具体实验及数据分析。

介绍了Framework中光谱及光谱电化学测试的参数设置，以及其中一些重要的参数。另外，详细讨论了测试步骤、数据导出格式等。

后，阐释了在Echem Analyst中如何进行数据分析，并通过具体实例详细讲解每种分析工具的使用。