《電化學分析儀器設計與應用》共6章，主要內容包括電化學分析儀器的發展史、電化學分析基本概念和技術方法、電化學分析儀器電路原理及設計方法、電化學分析儀器應用軟件設計、電化學分析儀器的微型化、電化學分析儀器聯用技術。本書在介紹電化學分析儀器上重點向讀者展示了電化學分析儀器與聯用技術的測量原理，電化學分析儀器總體架構與軟硬件設計思路，並以實驗室自主研發設計並實現商品化的電化學工作站、掃描電化學顯微鏡、表面等離子體共振儀、石英晶體微天平為例，進行了較為詳細的介紹。

本書適合電化學分析工作者、電化學分析儀器研發人員閱讀，也可作為高等院校相關專業教師、研究生以及高年級本科生的參考書。

1  電化學分析儀器的發展歷史 1

1.1  電化學的歷史—理論的探索 2

1.1.1  Galvani和Volta的發現 2

1.1.2  Faraday和Nernst的理論貢獻 4

1.1.3  早期電化學分析技術 6

1.2  電分析技術—儀器技術和材料學 9

1.2.1  儀器技術 9

1.2.2  電分析方法與電極材料 12

1.3  電分析技術的發展—跨界的趨勢 18

1.3.1  電化學的邊界 18

1.3.2  化學的邊界 20

參考文獻 24



2  電化學分析基本概念和技術方法 26

2.1  電化學和電化學分析的基礎概念 27

2.2  電化學分析方法概述 28

2.2.1  控制電勢掃描技術方法 29

2.2.2  控制電勢階躍技術方法 32

2.2.3  脈衝測量技術方法 34

2.2.4  控制電流技術 39

2.2.5  交流阻抗技術方法 40

2.2.6  針對電化學腐蝕、電池和超級電容器的技術方法 44

參考文獻 47



3  電化學分析儀器電路原理及設計方法 49

3.1  運算放大器 51

3.1.1  理想運放的性質 51

3.1.2  非理想運放的性質 52

3.2  運算放大器基本電路 52

3.2.1  加法器 53

3.2.2  減法器 54

3.2.3  積分器 55

3.2.4  微分器 56

3.2.5  電壓跟隨器 56

3.2.6  電流-電壓變換器 56

3.3  恆電位儀 57

3.3.1  基本原理 57

3.3.2  加法式恆電位儀 58

3.3.3  改進的加法式恆電位儀 59

3.3.4  壓控電流源型恆電位儀 60

3.3.5  全差分型恆電位儀 61

3.3.6  雙恆電位儀 62

3.4  恆電流儀 63

3.5  波形控制與數據采集 65

3.5.1  波形控制 65

3.5.2  數據采集 68

3.6  濾波器設計 71

3.6.1  低通濾波器主要技術指標 72

3.6.2  有源低通濾波器設計 73

3.6.3  濾波器設計步驟 76

3.7  IR補償 76

3.7.1  電路原理 77

3.7.2  電阻自動測量測試 78

3.8  電化學阻抗測量及電路設計 78

3.8.1  電解池的等效電路 78

3.8.2  交流阻抗測量方法 80

參考文獻 83



4  電化學分析儀器應用軟件設計 85

4.1  電化學分析儀器應用軟件的發展 86

4.2  電化學分析儀器的需求分析與功能設計 88

4.2.1  實驗模塊 90

4.2.2  數據存儲 91

4.2.3  數據後處理 92

4.2.4  顯示與繪圖 97

4.3  電化學分析儀器應用軟件的結構和設計方式 97

4.3.1  上位機與下位機通信方案 97

4.3.2  數據流——管道結構設計 98

4.3.3  面向對像結構設計與設計模式 100

4.3.4  軟件產品線與DSL——基於領域定義語言的結構設計 104

參考文獻 114



5  電化學分析儀器的微型化 116

5.1  電化學分析儀器的微型化趨勢 117

5.2  嵌入式繫統簡介 118

5.2.1  嵌入式繫統的含義及發展趨勢 118

5.2.2  嵌入式ARM微處理器 120

5.2.3  常見的嵌入式操作繫統 122

5.3  嵌入式圖形用戶界面設計 127

5.3.1  嵌入式圖形用戶界面設計簡介 127

5.3.2  MiniGUI圖形界面開發介紹 128

5.3.3  QT/Embedded圖形界面開發介紹 128

5.3.4  μC/GUI圖形界面開發介紹 129

5.4  微型化的恆電位儀電路設計 130

5.4.1  恆電位儀的結構與工作原理 130

5.4.2  恆電位儀電路的設計與簡化 131

5.5  便攜式檢測設備電源管理繫統簡介 134

5.5.1  電源管理繫統簡介 134

5.5.2  電源管理芯片的發展趨勢 135

5.6  短距離無線通信方式簡介 136

5.6.1  ZigBee技術介紹 137

5.6.2  藍牙技術介紹 138

5.6.3  Wi-Fi技術介紹 139

5.7  微型電化學檢測儀器的基本原理與設計 140

5.7.1  安培式電化學儀器 141

5.7.2  電位式電化學儀器 144

5.7.3  阻抗式電化學儀器 147

5.7.4  電容式電化學儀器 153

參考文獻 156



6  電化學分析儀器聯用技術 159

6.1  電化學分析儀器聯用技術概述 160

6.2  電化學與光譜儀器的聯用 161

6.2.1  光譜電化學概述 161

6.2.2  紫外-可見吸收光譜 163

6.2.3  紅外光譜 167

6.2.4  拉曼光譜 171

6.3  電化學與等離子體共振檢測技術的聯用 174

6.3.1  表面等離子體共振檢測技術簡介 174

6.3.2  電化學與表面等離子體共振檢測技術聯用原理 177

6.3.3  電化學與表面等離子體共振檢測技術聯用儀器結構 179

6.3.4  電化學與表面等離子體共振檢測技術聯用應用舉例 182

6.4  電化學與掃描探針技術的聯用 186

6.4.1  掃描探針技術簡介 186

6.4.2  掃描電化學顯微鏡結構和工作原理 188

6.4.3  掃描電化學顯微鏡應用 194

6.5  電化學與石英晶體微天平的聯用 198

6.5.1  石英晶體微天平技術簡介 198

6.5.2  石英晶體特征 200

6.5.3  石英晶體微天平儀器簡介 205

6.5.4  石英晶體微天平測量原理與儀器結構 208

6.5.5  電化學石英晶體微天平聯用原理 214

6.5.6  電化學與石英晶體微天平總體結構 216

6.5.7  電化學與石英晶體微天平聯用技術的應用 217

參考文獻 220



索引 231

電子、質子是構成物質結構的基本粒子，化學反應的發生，必然涉及電子的轉移或偏移，將化學變化與電的現像緊密聯繫起來的學科便是電化學。應用電化學的基本原理和實驗技術，依據物質的電化學性質來測定物質組成及含量的分析方法稱為電化學分析或電分析化學。電分析化學儀器就是用來測量和記錄化學變化過程中電流、電阻、電勢強度和變化的設備，它把化學過程中的現像以電勢差、電流、電量、電阻等形式進行測量和表達，其特點是能夠進行快速分析，儀器簡單、易自動控制，靈敏度高，適合微量、痕量分析，測量範圍寬，在科學發展中有著不可低估的作用。

在20世紀80年代中期以前，電化學分析的基本方法已經廣泛建立，我國電化學儀器也完成電子管向晶體管的過渡，中國科學院長春應用化學研究所在60～70年代研制了示波和方波極譜儀、伏安和循環伏安儀、脈衝極譜儀，80年代研制出多功能新極譜儀，並獲國家優秀新產品金龍獎。從20世紀80年代中期到90年代初期，隨著電子技術的發展和微型計算機的普及，計算機控制的電化學分析儀器迅速發展，EG＆G PARC、Pine、Solartron等國際先進儀器大量進入。我國的一些大學和研究所等研究機構在此階段也開始研究電化學儀器的計算機控制技術和數據處理技術，包括中國科學院長春應用化學研究所、武漢大學、廈門大學、中國科學技術大學、瀋陽金屬腐蝕與防護研究所、中國礦業大學等，對我國電化學儀器技術的早期開拓探索作出了貢獻。江蘇電分析儀器廠與中國科學技術大學合作推出我國自行研制的代MEC-12A多功能微機電化學分析儀。20世紀80年代及90年代，我國的研究者在電分析化學理論和實驗方法及測試技術方面也進行了深入研究，我國的電化學儀器技術進一步發展，在專用和常用儀器方面，出現了一批我國自主生產的儀器，90年代末期，以中國科學院長春應用化學研究所為主研制出的全面綜合通用型ECS 2000電化學測試繫統，標志著我國已經全面掌握了電化學儀器技術。在進入21世紀以後，尤其是近幾年，隨著嵌入式電子技術的發展和分布式檢測需求的增加，電化學分析儀器在向著微型化、網絡化的方向發展，無線通信方式迅速發展，並在某些場合取得了應用。

中華人民共和國科學技術部一直十分重視科學儀器研制與開發工作。“九五”和“十五”期間都將“科學儀器研制與開發”列為國家科技攻關計劃的重要組成部分，在我國科研工作者及儀器廠商的努力下攻克了一批共性關鍵技術，取得上百項具有自主創新性的科學儀器產品，帶動了我國相關儀器設備的發展，一些量大面廣的分析儀器國內市場占有率從13%提高到了50%，但在高端分析儀器方面與國際先進儀器還具有一定差距，導致一些重點領域科學研究進度緩慢。

科學儀器設備是科學技術發展的基石，也是支撐我國經濟社會發展和國防安全的重要手段，本書以筆者實驗室多年從事分析儀器研發為例，從電化學發展歷史、電化學分析方法、硬件電路實現、配套軟件設計等多角度闡述了自行研發的電化學工作站、掃描電化學顯微鏡、表面等離子體共振儀、石英晶體微天平等儀器。本書適合電化學分析工作者、電化學分析儀器研發人員閱讀，也可作為高等院校相關專業教師、研究生以及高年級本科生的參考書。

由於筆者水平有限，誤漏在所難免，懇請讀者批評指正。



牛利     

2021年2月