电化学

电化学（Electrochemistry），是研究化学现象与电现象之间的相互关系以及化学能与电能相互转化规律的学科。电和化学反应相互作用可通过电池来完成，也可利用高压静电放电来实现，二者统称电化学，后者为电化学的一个分支，称放电化学。通常情况下，电化学往往专指“电池的科学”，其常用于化学电源、电解、金属腐蚀与防护方面等。

电化学是物理化学学科的一个分支，其是从电学现象与化学现象的联系去寻找化学变化规律的学科。经典电化学的主要理论支柱是电化学热力学、界面双电层和电极过程动力学。电化学热力学适用于平衡电化学体系，电极过程动力学适用非平衡电化学体系，双电层则为二者变化的桥梁。现代电化学又将统计力学和量子力学引入电化学的理论体系，开辟了在微观水平研究电化学的新领域。因为电化学最早的研究对象是电池、电解、电镀过程，所以最初把电化学看作是研究电现象和化学现象之间的关系及电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。这些关系包括两个方面：原电池装置—当体系内自动发生一个化学变化时，体系产生电能；电解池装置—在外加电压作用下体系内发生化学变化。在第一种变化中化学能转变为电能，在第二种变化中电能转变为化学能。

电化学的研究对象

电和化学反应相互作用可通过电池来完成，也可利用高压静电放电来实现，二者统称电化学，后者为电化学的一个分支，称放电化学。通常情况下，电化学往往专指“电池的科学”。电化学研究的对象包括三个部分：第一类导体、第二类导体、两类导体的界面性质以及界面上所发生的一切变化。因此电化学也可定义为：研究出现在一个电子导体相和一个离子导体相界面上的各种效应的科学。

原电池是将化学能转变为电能的装置，说明原电池的电能来源于化学反应。由吉布斯函数的判别式可知，在等温、等压及可逆的条件下，体系吉布斯函数的改变值等于体系所做的最大可逆非体积功，即

。若此处非体积功

即为电工。对一恒温、恒压下的可逆电池，若发生了1mol反应，输出的电子为zmol（即阴、阳极发生得失zmol电子的化学反应），则每摩尔反应的电功等于摩尔电池反应的电量与电池电动势的乘积，故有

式中F为法拉第常数，E代表可逆电池电动势。由

，则有

此关系说明：可逆电池的电能来源于化学反应的化学能。这个关系十分重要，它是联系热力学与电化学的桥梁。有了它就可以通过可逆电池电动势的测定等电化学方法求得反应的

，并通过化学热力学中的基本公式，可以求得电池中化学反应的热力学平衡常数值，也可以较精确地计算反应的

和

等热力学函数的改变值，进而解决热力学问题。同时也揭示了化学能转变为电能的最高限度，为改善电池性能或开发新的化学电源提供了理论依据。

绝大多数分散相粒子与极性溶液或极性介质相接触时，两相界面上都将带电（特殊条件除外）。即使是石蜡一类的惰性碳氢化合物，在水溶液通过时，表面也带电荷。 一般认为带电的机理是：溶解、电离、吸附、极化等等。当分散体系表面带电时，还会吸引与表面电荷相反的水溶液中的离子（也称反离子，或称配衡离子）在其周围，以使整个体系成为电中性。这样就构成了双 电层。构成这些双电层中电荷的来源可能是：

• 离子吸附，一般的固体表面容易带负电， 因为阴离子与阳离子相比，前者水化能力差，被吸附的倾向更大， 有时某些已带电的表面还会选择性地吸附高价的异性离子，甚至能使表面原来的电性符号改变。
• 电离，例如一些蛋白质分子在水溶液中电离后，留下COO 和

  基团，净结果是正还是负取决于溶液的pH值。

• 离子溶解，一些离子型物质，由于晶格中阴、阳两种离子溶解于水的能力不同而带电，例如在水中的AgI，晶格对Ag离子的拉力就不如对I离子那样牢固，因此表面上容易带负电。

电极是发生电化学反应的空间，而化学物质则是以水溶液的形式出现的。由此，电流、电极、化学溶液组成了电化学体系，而这个体系工作的过程，就是电极过程。电极过程动力学是研究界面上的反应，一般情况下是指固相和液相之间的界面。液相中的反应物质在固/液界面反应，生成的产物或者进入溶液，或者以气体形式离开，或者以固体形式沉积在固体表面，或者进入固体中。电化学是电极过程动力学的基础理论，电极过程动力学则是电化学应用特别是在电沉积的应用中的基础理论。

电化学的研究内容应包括两个方面：

• 电解质的研究，即电解质学（或离子学），包括电解质的导电性质、离子的传输特性、参与反应离子的平衡性质等。
• 电极研究，即电极学，包括电极界面（通常称“电子导体/离子导体”界面）和“离子导体/离子导体”界面（两者通常称电化学界面）的平衡性质和非平衡性质。电化学十分重视研究电化学界面结构、界面上的电化学行为及其动力学。

电解质学和电极学的研究都会涉及电化学热力学、电化学动力学和物质结构。电化学的热力学研究电化学系统中没有电流通过时系统的性质，主要处理和解决电化学反应的方向和倾向问题，电化学动力学研究电化学系统中有电流通过时系统的性质，主要处理和解决电化学反应的速率和机理问题。

电化学研究内容

一般公认电化学起源于意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani 1737～1798）发现解剖刀或金属能使蛙腿肌肉抽搐的“动物电”现象。1780年，伽伐尼发现铁制解剖刀能使铜盘里的蛙腿肌肉抽缩，因而认为有微电流流过。他于1791年发表关于此现象的论文，提出了所谓的“动物电”来解释此现象，也由此揭开了电化学研究的序幕。

1792年，意大利物理学家伏打（A.Volta）看过伽伐尼的论文后，也开始研究伽伐尼的青蛙实验。他发现，是金属的接触作用所产生的电流刺激了青蛙的神经，从而引起肌肉的收缩。他还总结出两种不同的金属接触时会产生电动势，并排出了一些金属的电动势序。 经过研究，伏打于1800年发明了人类第一个电池，它是交替地将铜片和锌片放在已浸泡了酸溶液的毛毡两侧叠成的伏打电堆。伏打发明的电池是人类历史上第一次产生可人为控制的持续电流，其标志着电化学这门学科的正式诞生。伏打电堆发明的这一年，英国的尼科尔森（W.Nicholson）和卡里斯尔（A.Carlisle）即利用它进行了电解水的尝试，意大利的布鲁纳特利（Brugnatelli）也进行了电镀银的研究，电化学研究开始迅速发展。1803年戴维用电解法成功得到金属钾和金属钠。1833年，英国化学家法拉第（M.Faraday）提出了法拉第定律。其阐明了通过一定电量就能沉积出一定量物质的普遍规律。此外，他还为电化学创造了一系列术语，如电解、电解质、电极、阴极、阳极、离子、阴离子、阳离子等。1839年，德国物理学家克里斯蒂安·弗里德里希·尚贝（Christian Friedrich Schönbein）提出了燃料电池的原理，并在一些杂志上展示了他发明的第一个燃料电池。同年，威尔士物理学家、律师威廉·罗伯特·格罗夫（William Robert Grove）也发表了相关著作。1866年，法国工程师雷克兰士（G.Lec lanche）发明了碳锌电池，这一电池后来成为世界上广泛使用的化学电池。随后，电化学理论又从电极研究和电解液研究两方面获得了进一步发展。19世纪下半叶，亥姆霍兹（Helmholtz）和吉布斯（J.W.Gibbs）赋予电池的“起电力”（现称“电动势”）以明确的热力学含义。亥姆霍兹于1879年提出了双电层平板电容器模型，其开启了“电极/溶液”界面的理论研究。1887年，瑞典化学家阿伦尼乌斯（S.A.Arrhenius）提出了电离学说，揭示了电解质溶液的本质，他也因此获得了1903年的诺贝尔化学奖。1889年能斯特（W.H.Nernst）提出了能斯特公式，即用热力学导出了参与电极反应的物质浓度与电极电势的关系。

1902年，美国电化学学会成立。1905年，瑞士化学家塔菲尔（J.Tafel）通过大量实验结果总结出塔菲尔定律，即在电解过程中，电极上的超电势和通过电极的电流密度成正比，历史上电极过程动力学研究由此开始。1923年，德拜（P.Debye）和休克尔（E.Hückel）提出了强电解质稀溶液理论，大大促进了电化学在理论探讨和实验方法方面的发展。1924年，捷克化学家海洛夫斯基（Heyrovsky）创立了极谱技术，他因此获得1959年的诺贝尔化学奖。20世纪30年代和50～60年代期间，多种电化学方法和实验技术不断地涌现出来，越来越多的研究证明，电极反应中的许多物种是先吸附在电极表面，然后才发生电极反应。1950年以后，随着微电子和计算机技术的迅速发展，电化学实验测试技术也逐步完善起来。电化学测量技术系统地发展了传统电化学研究方法的稳态和暂态测试技术，尤其是暂态测试技术，为研究电界面结构和快速的界面电荷传递反应打下了基础。20世纪70年代兴起的电化学现场表面光谱技术（如紫外可见反射光谱、拉曼光谱、红外反射光谱、二次谱波、合频光谱等技术）、电化学现场波谱技术，以及非现场的表面和界面表征技术，尤其是许多高真空谱学技术，使界面电化学的分子水平研究成为可能。1992年，马库斯（Marcus）因电子传递理论（包括均相和异相体系的电子传递）而获得1992年的诺贝尔化学奖。

电极反应是一种特殊的氧化还原反应。氧化剂与还原剂不直接反应，而通过电子导体来实现电子转移，即还原剂失去的电子流经电子导体转移到氧化剂，电子发生定向流动。电化学氧化或还原反应都是在电极系统中完成的，电极系统是由两个相组成，一个相是电子导体相，另一个相是离子导体相，且有电荷通过它们互相接触的界面在两相之间进行转移。氧化反应和还原反应是空间分开进行的，而且是等物质的量进行的，即服从法拉第定律。

法拉第于1833年总结出了二条基本规则，称为法拉第定律。

• 在电极上发生电极反应的物质的量n与通过的电量Q成正比。

式中

—比例系数；

—电极上通过的电量；

—通过电极的电流；

—电极反应持续的时间。

• 若将几个电解池串联，通入一定的电量后，在各个电解池的电极上发生反应的物质，其物质的量相同。若回路上串联一个阴极反应

  ，当消耗1mol的X （即生成1mol的X）时，通过的电量为：

式中F—法拉第常数（96485C/mol），即1摩尔电子所带的电量；z—参与电极反应的电荷数。

法拉第定律是个很严格的定律，但在生产实践中由于副反应的存在，主反应会出现形式上不满足法拉第定律的现象。但如果把电极上所发生的所有反应加在一起，则仍然符合法拉第定律。所以，对于所需要的产物来说，存在着效率问题，因而提出了电流效率的概念，用它来表示用于主反应的电量在总电量中所占的比例。

电化学装置的两个电极之间存在着电势差，电势较高的称为正极，电势较低的称为负极。两个电极上还发生着不同类型的反应，失去电子，发生氧化反应的电极称为阳极；得到电子，发生还原反应的电极叫做阴极。

在电解池中，与外电源负极相连的电极是负极，得到电子；与外电源正极相连的电极为正极，失去电子；所以负极是阴极，正极是阳极。以电解HCl溶液来说明电解质溶液的导电机理。电解池是由与直流电源相连接的两个铂电极插入HCl水溶液而构成。当接通电源后，电流流入正极（阳极），电子则由正极流向外电路，再流入负极（阴极）。与此同时，溶液中的H向阴极迁移，Cl向阳极迁移。负极：

正极：

电解池

在原电池中，负极失去电子，经过外电路流向正极，正极得到电子；所以负极是阳极，正极是阴极。原电池是将两个铂电极插入到电解质HCl溶液中，用导线接通外电路，并使氢气和氯气分别冲打到金属片而构成。在通入H₂电极上，H₂失去电子被氧化成H进入溶液，造成H₂电极上电子密度较大，电势较低，而成为负极。而在通入Cl₂的电极上 ，Cl₂得到电子被还原成Cl进入溶液，造成Cl₂电极上因缺少电子而具有较高的电势，成为正极。负极：

正极：

原电池

凡溶于水后能导电的物质叫电解质，如盐酸（HCI）、硫酸（H₂SO₄）、 氢氧化钠（NaOH）、 氢氧化铵[ǎn]（NH₄OH)）、 氯化钠（NaCl）、硝酸钠（NaNO₃）、 氯酸钠（NaClO₃）等酸、碱、盐都是电解质。电解质的水溶液称为电解质溶液（简称电解液）。电解液浓度是指电解液中所含电解质的多少。电解质溶液导电能力与电解质在水中的状态有关。如NaCl在水中能100%电离，称为强电解质。强酸、强碱和大多数盐都是强电解质，它们在水中都能完全电离。弱电解质如氨（NH₃）、 醋酸（CH₃COOH）等在水中仅小部分电离成离子，大部分仍以分子状态存在。水也是弱电解质，它本身也能微弱离解成正的氢离子和负的氢氧根离子，故导电能力都很弱。金属是电子导体，导电能力强，电阻很小，随着温度的升高，其导电能力减弱。而电解质溶液是离子导体，其导电能力要比金属导体弱得多，电阻较大。随着电解质溶液温度的升高，其导电能力增强，在一定限度内，随着浓度增加，其导电能力也增强。但当浓度过高时，由于正、负离子间的相互作用力增强，其导电能力将有所下降。

由于金属原子都是由外层带负电荷的自由电子和带正电荷的金属阳离子所组成的，即使不接外接电源，当金属与它的盐溶液接触时，也常会发生电子得失的反应。例如，当铁与FeCl₂水溶液接触时，由于铁离子在水中具有的能级比其在溶液中成为水化离子的能级高，且不稳定，因此晶体界面上的铁离子就有与水分子作用生成水化铁离子进入溶液中的倾向，电子则留在金属表面上，即Fe→Fe+2e（溶解，氧化反应）。这样金属上有了多余的电子而带负电，溶液中靠近金属表面很薄的一层有多余的铁离子（Fe）而带正电。随着由金属晶体进入溶液的Fe数目增加，金属上负电荷增加，溶液中正电荷增加，由于静电引力作用，铁离子的溶解速度逐渐减慢。同时，溶液中的Fe亦有沉积到金属表面上去的趋向，即 Fe+2e→Fe（沉积，还原反应）。随着金属表面负电荷增多，溶液中Fe返回金属表面的速度逐渐增加，最后这两种相反的过程达到动态平衡。对于化学性能比较活泼的金属（如铁），其表面带负电，溶液带正电，形成一层极薄的双电层，金属愈活泼，这种倾向愈大。若金属离子在金属上的能级比在溶液中的低，即金属离子存在于金属晶体中比在溶液中更稳定，例如，把铜（Cu）放在CuSO₄溶液中，则铜表面带正电，靠近金属铜表面的溶液薄层带负电，也形成了双电层，金属愈不活泼，这种倾向也愈大。

金属双电层结构及分布

在给定溶液中建立起来的双电层，除了受静电作用外，由于离子的热运动，其构造并不像电容器那样生成紧密的双带电层，而是使双电层的离子层获得了分散的构造，只有在界面上极薄的一层，具有较大的电位差，由于双电层的存在，在正、负电层之间，即金属和电解液之间形成电位差。金属和其盐溶液之间所产生的电位差称为金属的电极电位，或平衡电极电位。

上述平衡电极电位发生在电极中没有电流通过的时候。当有电流通过时，电极的平衡状态遭到破坏，使阳极电位正向移动（代数值增大）、阴极电位负向移动（代数值减小）。这种现象称电极极化，极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位。

电化学反应过程中，阳极表面形成了一层紧密的极薄的覆盖层或氧的吸附层，使电流通过困难，引起阳极电位正移，反应减慢，称之为钝化现象。由于钝化主要是产生在阳极表面上，因此在利用阳极溶解原理的电化学加工过程中，若阳极溶解过程缓慢，则会影响生产率。使金属钝化膜破坏的过程称为活化。活化方法很多，例如将电解液加热，通入还原性气体或某些活性离子，采用机械办法破坏钝化膜等。

生物电化学是电化学、生物化学和生理学等多门学科的交叉学科，它应用电化学的基本原理和实验方法，在生物体和有机组织的整体以及分子和细胞两个不同水平上研究或模拟研究电荷在生物体系中的分布、传输和转移的规律。伽伐尼（Galvani）发现，铁制解剖刀能使铜盘里的蛙腿肌肉抽缩，表明动物的机体组织与电之间存在着相互作用。 一切生物体，无论是处于静止状态还是活动状态都存在电现象，即生物电现象。例如，肌电、心电、脑电等都属于生物电现象。生命现象最基本的过程是电荷运动，生物电流源于细胞膜内外两侧的电势差（生物膜电势），生物体的代谢以及各种生理现象都伴随电流和电势的产生及变化。一般生物细胞膜内的K浓度远大于细胞膜外的K浓度，而Na浓度小于细胞膜外Na浓度。细胞膜内、外浓度差的存在，导致K由浓度高的膜内向浓度低的膜外扩散，Na由膜外向膜内扩散；而膜内带负电荷的蛋白质大分子不能通过细胞膜，使膜内带有净的负电荷，膜外带有净的正电荷。膜内、外形成的电势差即膜电势。膜电势的大小由膜内、外两侧K的起始浓度差的大小决定。细胞内、外液体组成的电池可表示为

电化学广泛应用于化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、环保等各工程技术领域之中，主要的实际应用大致分为以下几方面。

在日常生活中，大至汽车的发动、轮船的航行与飞船的飞行，小到钟表的走动，都需要化学电源。化学电源是把化学能转换成电能的装置，也就是通常所说的电池，例如锌锰电池、铅酸蓄电池、镉镍[niè]蓄电池、氢镍蓄电池、金属锂电池、锂离子电池、燃料电池、空气电池、液流电池，以及介于传统静电电容和电池之间的新型的储能器件电化学超级电容器等。在许多微系统中，电源的重量占了整个体系重量的1/5～1/4。例如，微型飞机总质量为一百克左右，而其电源质量就高达二十余克。燃料电池的发电效率高，电化学能量转换的综合效率可达80％。电化学超级电容器由于其容量密度极大，从而适合工作于要求瞬间释放超大电流的场合，如可用作电池补充的功率源。

金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏现象或过程称为腐蚀。将金属置于大气中，在金属表面就会形成一层肉眼看不见的很薄的液膜。液膜中可溶解酸性气体如CO₂、SO₂、NO₂等（与大气污染有关），成为电解质溶液。大多数金属（除贵金属外）在这样的条件下，就自发地以金属离子的形式溶入液膜，金属中剩余的电子则将H还原为H₂，这样在金属表面就形成了腐蚀微电池，使腐蚀过程继续发生。

金属腐蚀原理

电化学保护是对金属施加外电压，使其电位移向免蚀区或钝化区以减小或防止腐蚀的方法。其只适用于电化学腐蚀情况，按作用原理可分为阴极保护和阳极保护。阴极保护的作用原理是通过对被保护结构物施加阴极电流使其阳极腐蚀溶解速度降至最低。阳极保护石将被保护设备与外加直流电源的正极相连，在一定的电解质溶液中将金属进行阳极极化至一定的电位，如果在此电位下金属处于钝态并维持其钝态，则阳极溶解过程受到抑制，从而使金属的腐蚀速率显著降低，这样设备就得到了保护。金属发生钝化的实质是其表面形成了氧化物固体膜或吸附膜，阻碍了阳极溶解过程的正常进行。

利用电解可冶炼、精炼金属，制备无机物、有机物等化工产品。电解冶金是通过电解法使金属离子在阴极还原析出，按其过程的目的及特点，可分为电解提取和电解精炼。电解提取时采用不溶性阳极，使电解液中的金属离子在阴极还原，制得纯金属。电解精炼则采用以其他方法炼制的粗金属作为阳极进行电解，通过选择性的阳极溶解及阴极沉积，达到分离杂质和提纯金属的目的。电解加工是在高电流密度下，于流动的电解液中，以被加工的金属工件作为阳极，利用阳极溶解原理进行金属加工方法。电解加工以其加工速度快、表面质量好、凡金属都能加工而且不怕材料硬、韧等优点，特别适用于形状复杂的零件和硬质合金材料的加工，广泛用于航空工业、军事工业、发电设备业加工各种叶片、叶轮、模具和其他零件。

表面处理工艺包括各种电镀、化学镀、电铸、阳极氧化、电泳涂漆等，目的是在基体材料表面上形成一层具有特定功能的表层。电镀是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。为了节约金属，减轻产品重量和降低成本，越来越多地采用非金属，尤其是塑料来代替金属。表面处理能为基体提供各种耐蚀性、装饰性或功能性涂镀层，种类繁多、应用广泛。如在钢铁表面镀锌、镀镉、镀锡或镀锌合金可提高耐蚀性，枪炮管内的硬铬镀层具有耐磨性，轴瓦上的铅锡合金镀层具有减摩性，转子发动机内腔的铬镀层是抗高温氧化镀层，机械零件上的铜镀层能防止基体钢铁进行热处理时渗碳。在电子信息产业微型化过程中，芯片制作、微机电系统等的发展，都离不开电镀工艺。用塑料代替金属可减轻产品重量和降低成本。塑料在电镀前一般需要经过除油、粗化、敏化、活化、化学沉积金属膜（化学镀镍、化学镀铜等）后，方能进行电镀。电镀后的塑料制品表面是金属，能够导电、导磁、焊接，而且力学性能、热稳定性和防老化能力等都有所提高。

电合成是指利用电解氧化（在阳极）和电解还原（在阴极）合成无机物或有机物的制备物质的方法。例如，氯酸盐、高氯酸盐、高锰酸盐、过硫酸盐等无机物就是无机电合成（电解氧化）的产品。有机电合成如尼龙66原料已二腈（用丙烯腈为原料在铅阴极上电还原制造己二腈）、塑料原料三聚氰胺、钙片主要成分葡萄糖酸钙的合成。

电化学法分离如应用于工业生产或废水处理中的电渗析法、电凝聚法、电气浮法、电氧化法、电还原法、电吸附法等分离技术。其一般会配合离子交换膜使用。电化学常用于解决环境污染问题，该方法治理废水一般无需添加化学药品，设备体积小，污泥量少，后处理极为简单，用电还原法处理重金属废水还可回收金属。利用电化学手段分离溶液中的金属离子、有机分子的方法，共分四类：

当溶液中存在两种或两种以上的金属离子时，如果它们的还原电位相近，则在电解时都会还原析出，达不到分离的目的。至于选择什么电位要看实验条件应用此法时，后被电解的离子的浓度不能超过先被电解的离子的浓度。

• 汞阴极电解分离法

H在汞阴极上被还原时，有很大的超电压，所以在酸性溶液中可以分离掉一些容易被还原的金属离子，使一些重金属（如铜、铅、镉、锌）沉积在汞阴极上，形成汞齐，同时保留少量不容易被还原的离子，如碱金属、碱土金属、铝、铁、镍、铬、钛、钒、钨、硅等。

在酸性溶液中，利用金属氧化-还原电位的不同，可以组成一个内电解池，即不需要外加电压就可以进行电解。例如要从大量铅中分离微量铜，在硫酸溶液中Cu比Pb先还原，因此可将铅板作为一个电极，与铂电极相连，组成一个内电解池，它产生一个自发的电动势，来源于Pb的氧化和Cu的还原。这个电动势使反应能够进行，直到电流趋近于零时，内电解池就不再作用了。内电解可以分离出微量的容易还原的金属离子，缺点是电解进行缓慢，因此应用不广。

液体中的离子或荷电质点能在电场的影响下迁移。由于离子的性质不同，迁移的速率也不同，正负电荷移动的方向也不同。当在电池的两极加上一个直流电压时，可以把一些有机物的混合物分离。如临床实验中常用此法研究蛋白质，将试样放在一个载器上，外加电场后，荷电质点沿着载器向电荷相反的电极迁移，因它们移动的速率不同而分离，一般能把血清蛋白分成五部分。改进实验技术可使浓缩斑点的宽度达到25微米左右，然后进行电渗析，可将血清蛋白分成二十个很清晰的部分。

电分析化学是利用物质的电学和电化学性质进行表征和测量的分析方法。它是使待测对象组成一个电化学池，通过测量电位、电流、电量或电导等物理量，实现对待测物质的组成及含量的分析。早期有库仑滴定法、电导滴定法、高频滴定法等。 也可以分为电势分析法、极谱和伏安法。极谱法标志着电分析方法的发展进入了新的阶段，溶出伏安法、微电极伏安法等分析方法不但易于实现连续自动记录分析结果，而且还有利于对痕量物质的检测。

电化学发光是指由电场诱导的化学发光过程。其中电化学发光免疫分析是以三联吡啶钌作为标记物，直接标记抗原或抗体，结合抗原-抗体结合的特异性所建立的发光免疫分析。电化学发光免疫分析引入亲合素-生物素系统，将捕获抗体标记生物素分子，而固相磁性微球包被亲合素，亲合素与生物素结合将结合状态的标记物（免疫复合物）固定在磁性微球表面。其采用连续流动洗涤微球的方式，与酶促化学发光和直接化学发光洗涤方式相比较，其洗涤效率更高。

传感器是指能感受特定的检测对象，并按照一定的规律转换成可输出的电信号、光信号或气体信号的器件或装置。电化学传感器是由识别系统即感应器和转换系统即转换器组成。其表面的微结构可以提供许多的可以利用的势场，这样就可以使待测的物质进行有效的分离、富集，凭借控制电极电位还能进一步提高选择性，并且可以把测定方法的灵敏性和表面物质化学反应的选择性相结合。

电化学传感器原理简易示意图

电化学生物传感器是指由生物材料作为敏感元件、电极作为转换元件，以电势、电流等为检测信号的传感器。根据敏感元件所用生物材料的不同，电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。其中酶电极传感器的研究和应用最为广泛。以酶作为敏感元件的电化学生物传感器也称为酶电极，它具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、操作简便和价格低廉等优点。例如，葡萄糖生物传感器（在氧电极表面采用聚丙烯酰胺凝胶固定葡萄糖氧化酶）是临床糖尿病诊断和患者血糖水平监测的重要工具。随着生物技术、生物材料科学及其他相关学科的不断发展和相互结合，生物电化学传感器不断得到发展和改进。如纳米生物传感器，它们被广泛应用于生理过程的模拟、跟踪，活体检测、在线分析，生物芯片及生物燃料电池等方面。

常用的测试金属材料电化学性质的仪器为电化学工作站，其在电化学测试中占有重要地位，它将恒电位仪、恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪有机地结合，既可以做3种基本功能的常规实验，也可以做基于这3种基本功能的程式化实验。

电化学工作站原理示意图

可采用电化学工作站进行的电化学测试包括电流分析法、差分脉冲安培法、差分脉冲伏安法、循环伏安法、常规脉冲伏安法、方波伏安法等。其特点主要包括：

• 简单易行，可将一般难以测定的化学参数直接转换成容易测定的电参数加以测定。
• 灵敏度高，因为电化学反应是按法拉第定律进行的，即使是微量的物质变化也可以通过容易测定的电流或电量来测定。
• 实时性好，利用高精度的特点，可以检测出微反应量，并对其进行定量。

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该页面最新编辑时间为 2024年6月5日