锁相放大器在测定化学阻抗中的应用

仅仅通过表面观测无法对电镀或腐蚀等化学变化进行定量测定。使微小电流流过样品，测量它的阻抗，定量地表征化学变化的量叫做化学阻抗。
        
如图1所示，化学阻抗的测定是在电解液中设置两个电极——工作电极(working electrode)和对电极(counter electrode)，为了检出工作电极附近溶液的电压，再使用一个参考电极(reference electrode)(也有不能使用干电池等参考电极的情况)。
 

图1 化学阻抗与驱动装置

       
工作电极的表面(界面)是发生电荷迁移反应的场所，通过测量这里的阻抗，可以了解物质的性质和反应(腐蚀或电镀的进行状态)。化学阻抗的测定广泛应用于下面各领域：①腐蚀、防腐、电镀材料的研究；②细胞、体液、皮肤、生物体膜的研究；③各种电池、电解电容器、高分子电介质材料的评价。
      
根据样品的阻抗情况，化学阻抗采用如图1所示的驱动装置。在用恒定电压测量样品的场合，要用参考电极的检测电压加反馈(叫做电势启动)，在用恒定电流测量的场合，要用检出电流加反馈(叫做磁启动)。
      
电解液与电极接触构成的电化学系统的阻抗由以下三个部分构成：①电解液的电阻R；②界面空间电荷层构成的电容C_d；③发生氧化还原反应时电荷或物质的移动所产生的阻抗Z_f(法拉第阻抗)。其等效电路如图2所示。这是由电阻和电容构成的化学阻抗的等效电路。按照复频率进行测量，如图3所示，各频率中以实数成分尺为X轴，以虚数成分X为Y轴，做成所谓的Cole-Cole图，它能够表征化学阻抗的各参数。
 

图2 化学阻抗的等效电路
 

图3 Cole-Cole图

一般的化学阻抗中，C作为负的虚数成分标记在X轴的下方。不过在Cole—Cole图中，由于对象只是电阻和电容，所以C标记在X轴的上方，只表现在第一象限中。
       
在使用锁相放大器测量的场合，是电势启动连接。控制样品的电压为恒定，将来自样品的检测电流信号作为锁相放大器的输人信号，由振幅和相位求阻抗。
       
为了在复频率下进行化学阻抗的测量，采用被称为锁相放大器数字版的频率分析器(frequency response analyzer)进行测量，它能够进行频率扫描，使用更方便。