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介绍

Gamry Framework™软件中可用的许多电化学技术，包括方波伏安法，一种脉冲伏安法。本应用报告介绍什么是方波伏安法以及所涉及的参数。

方波伏安法背后的理论

我们从施加一系列阶梯电位信号开始。阶梯波形上还添加了一个方波，因此随着电位在每一步中突然阶跃，方波与该阶跃叠加。在步骤的一半，方波改变极性。这种重复的阶梯加方波信号产生出具有特点的电压序列施加在样品上，如图1所示。

记录对电极和工作电极之间的电流随时间的变化。测量工作电极参比和参比电极之间的电压。

图1 方波伏安法中电压如何随时间变化的示意图

一个方波周期和阶跃的时间τ

方波周期和单步电压阶跃时间都需要时间τ。周期时间的倒数就是频率1/τ。

扫速

扫速反过来取决于每步的时间，τ：

在扫描期间，在正向脉冲和反向脉冲结束时记录电流，这意味着每个周期对其采样两次。脉冲结束时采样可以避免涉及充电电流。

方波伏安实验中使用的频率f通常约为1至125Hz。如此高的f意味着方波伏安法比其他脉冲实验快得多。

实验参数设置

以下是Gamry Framework™软件提供的参数设置窗口示例：

图2 Gamry Framework™方波脉冲设置页面。采用模式有3中选择，包含Surface模式

Surface模式

在数字扫描中，标准惯例是在每个步骤的ZH获取一个数据点。Gamry将此方法称为Fast模式。这种采样方法可以区分任何电容性电流或表面结合反应。在阶跃初始时任何由电容充电产生或仅限电极表面法拉第电流都会衰减，不会影响测试电流。

另一种采样模式是Noise Reject，也就是每个阶跃后20%的平均值。与Fast模式相比，Noise Reject提高了信噪比。同时仍主要捕获的是扩散过程的电流。

对于Surface模式，Gamry采用独特的采样模式来消除阶跃和斜坡之间的差异。在Surface模式下，对整个阶跃过程都进行数据采集，然后取平均值。这样可以捕获电容充电电流和表面发生反应的法拉第电流。。其他电化学工作站生产商均未提供Surface模式。

对于涉及表面反应的方波伏安测量，我们建议在扫描过程中选用Surface模式。

绘图

软件将两个电流值相减，得到的差值（Idiff）与扫描电位（Vstep）绘制成图。结果是该方法给出了由法拉第过程引起的峰值。峰高于该物质的浓度直接相关。

举例

缓冲溶液中的镉

我们以测量溶解在醋酸盐缓冲溶液中的Cd²⁺（6ppm）为例。用Gamry电化学工作站以τ = 0.1 s（也就是10Hz频率）进行方波伏安法测试。整个测试仅需6.1s（0.1s采点61个）。数据以Idiff（正向和方向电流之差）与Vstep的关系表示在图3中。

图3 6ppm的Cd²⁺在醋酸盐缓冲溶液中的方波伏安图，τ = 0.1 s

如果我们改变Cd²⁺浓度，则峰高与[Cd²⁺]成正比。在溶液中添加另一种离子（比如Pb²⁺），曲线则会在其他电位上出现第二个峰。

痕量铜的定量测试

此例中，用方波伏安法测试了酸性水溶液中不同浓度（百万分之几范围）铜离子以及空白实验。这一系列实验（参见表1）显示了不同浓度铜离子如何与峰高直接相关。

图4 不同浓度铜离子的方波伏安图，灰线是空白实验

表1 方波伏安法测定铜离子浓度及其相应的峰高，R²=0.9755

三种采样模式的比较

为了展示Gamry电化学工作站Surface模式的灵敏度，图5展示了使用生物传感器分别在三种采样模式（Fast，Noise Reject和Surface）记录的扣除背景的扫描曲线。

图5 在生物传感器上以三种采样模式记录的100Hz采样频率下的方波伏安曲线

蓝线是Fast模式，红线是Noise Reject模式，紫线是Surface模式

脉冲数显表
我们的数显表是单独为了配套我们脉冲信号的拉线编码器定制的，接收的信号就是脉冲信号，所以我们一般都叫脉冲数显表。
但是脉冲信号又要分很多种信号，一般我们都知道推挽信号、长线驱动信号和集电极开路信号。
为了方便，我们的数显表这些信号都是可以接收并且实时显示的。
分辨率可以调，因为是六位显示的，所以分辨率Z小可以调到0.00001，不过，估计很少有能用上的，毕竟前面还要显示拉线编码器的位移值，个位数量程的拉线编码器用的毕竟还是少的，如果用上了，我们也是可以达到要求的。
小数点一般默认是2位，显示的Z多数值就是9999.99，也就是两位小数点的时候拉线编码器的量程Z大只能到9999.99mm，再大就装不下了，再大就超量程了，就显示--Er--了，依此类推，你品，你细品。。。
脉冲数显表的供电电压也是可以选择的，选型的时候要记得加上供电电压的电压值，比如脉冲数显表型号：SX-XF01-P-DC24V,这就是一个完整的型号，如果只写了SX-XF01-P那么我们就默认供电电压是AC220V的了。
脉冲信号的拉线编码，输出的电缆数量都不一样，我们的脉冲数显表只接电源+、电源—、A、B,这4跟就够了，一般拉线编码器脉冲信号的电源+都是接DC24v的，长线驱动信号的编码器记得要把电源+接到5v标志的地方。
脉冲数显表还有一些其他的功能，比如继电器、起始点变换、变送输出一类的，这些功能也是有的，具体的要跟工作人员沟通或者去我们产品简介里了解了。

脉冲核磁共振（成像）技术的发展

      核磁共振是一种物理现象,早在1945年,Purcell和Bloch小组分别独立发现了核磁共振现象,作为一种分析手段广泛的应用于物理、化学领域,用作研究物质的分子结构。70年代初提出的脉冲核磁共振技术和后来的核磁共振成像，在核磁共振这一领域中已多次获得诺贝尔物理学奖。脉冲核磁共振的概念十分直观，即由原来的连续波射频变为脉冲射频。两者在理论上是完全一致的。较之连续波，脉冲核磁共振在很多方面有自身的特色：

1、强而狭的脉冲的频谱很宽，这种脉冲的作用等效于一个多道频率发射机，当接收机的带宽足够宽时，核磁共振仪是一台多道频谱分析仪，它可以同时激励样品的所有频率，也可以同时接收所有频率的信号，每次需要的时间却很短。这样可以用计算机技术把采样结果累加，使得频谱的信噪比在较短的时间内增强几个数量级；

2、脉冲核磁共振成像技术为测量弛豫时间提供了比连续波更为精确和直接的手段； 

其中的脉冲波发射相当于一个多道发射机：它的时间极大缩短、很容易观察到核磁共振现象、检测灵敏度提高4倍。

脉冲核磁共振成像仪简介：

      脉冲核磁共振成像仪的工作方式是利用短而强的射频脉冲，使所有的核同时发生共振，从而在很短的时间内完成一张谱图的记录。

目前，脉冲NMR技术已取代连续波技术。脉冲NMR有如下诸多优势：

1）在脉冲作用下，某同位素的所有核同时共振；

2）脉冲作用时间短；

3）采用分时装置，信号的接收在脉冲发射之后；

4）可以采用脉冲序列。

EDUMR脉冲核磁共振成像技术教学仪是一款专为核磁共振成像技术教学实验而设计的小型台式MRI仪器。可配合物理相关专业（如近代物理、应用物理、无线电物理、电子信息工程等专业）和医学相关专业（如大型YL器械、医学影像技术、生物医学工程等专业）开设核磁共振原理、核磁共振成像演示等实验课程；也可以配合核磁共振工程类专业开设设备硬件结构方向的拓展性实验课程。EDUMR脉冲核磁共振成像技术教学仪可辅助搭建以下平台：

1）教学示范平台；

2）核磁共振成像实验平台；

3）科研实验教学平台；

4）NMR继续教育深造平台。

EDUMR脉冲核磁共振成像技术教学仪具有两大特点：开放性和真实性。

开放性：配套软、硬件均具有高度的开放性。

1.硬件的开放：体现在针对实验教学、工程实训、课堂演示时可以模拟连续波式NMR实验仪实验，更可对硬件结构进行现场拆卸及装配。配合示波器、万用表等辅助工具，不但能够锻炼学生的动手能力，更加增强了学生对于脉冲核磁共振教学仪硬件结构的了解，能够符合现代实验教学对于学生实践能力的要求；

2.软件的开放：主要体现在K空间原始数据的开放，可进行图像重建的仿真实验，针对信号处理及数据处理方向，可以为学生、老师提供大量真实且有效的数据，从而开展更多算法优化、图像后处理等方面的拓展性研究。

EDUMR脉冲核磁共振成像技术教学仪实验效果展示：

（来源：苏州纽迈分析仪器股份有限公司）