Импеданс проточной измерительной электрохимической ячейки с системой планарных встречно-штыревых микроэлектродов

В статье рассмотрена проточная электрохимическая ячейка с планарными встречно-штыревыми микроэлектродами, предназначенная для импедансных исследований жидких веществ. Для оценки влияния высоты ячейки и геометрических параметров встречно-штыревых микроэлектродов на импеданс ячейки предложен аналитический подход, в котором используется несколько уровней моделирования электрохимических процессов в ячейке. Вначале в структуре ячейки выделяется элементарная двумерная подобласть, для которой определяется распределение потенциала путем решения дифференциального уравнения электропроводности. Используя полученное распределение потенциала, определяются линейные параметры элементарной подобласти, ее линейное сопротивления и линейная емкость, на основе которых находятся сопротивление и емкость системы встречно-штыревых микроэлектродов. Импеданс электрохимической ячейки с встречно-штыревыми микроэлектродами определяется с помощью ее эквивалентной электрической схемы, которая включает сопротивление и емкость системы встречно-штыревых микроэлектродов, емкость двойного электрического слоя на поверхности каждого микроэлектрода и сопротивление выводов встречно-штыревых микроэлектродов. Используя выражение для импеданса электрохимической ячейки, определяются ее диаграммы Найквиста и Боде для различных значений высоты ячейки и геометрических параметров системы встречно-штыревых микроэлектродов (ширины штырей и расстояния между ними). Представленный аналитический подход может найти применение при анализе процессов в проточной электрохимической ячейке с встречно-штыревыми микроэлектродами, ее проектировании и разработке методического обеспечения для импедансных исследований жидких веществ с ее помощью.

1. Lvovich V. F. Impedance spectroscopy: applications to electrochemical and dielectric phenomena. New Jersey: John Wiley & Sons, 2012. 356 p. ISBN 978-0-470-62778-5.

2. Stulik K., Amatore C., Holub K. [et al.]. Microelectrodes. Definitions, characterization, and applications (Technical report) // Pure and Applied Chemistry. 2000. Vol. 72. P. 1483–1492. DOI: 10.1351/pac200072081483.

3. Olthuis W., Streekstra W., Bergveld P. Theoretical and experimental determination of cell constants of planarinterdigitated electrolyte conductivity sensors // Sensors and Actuators B: Chemical. 1995. Vol. 24. P. 252–256. DOI: 10.1016/0925-4005(95)85053-8.

4. Timmer B., Sparreboom W., Olthuis W. [et al.]. Optimization of an electrolyte conductivity detector for measuring low ion concentrations // Lab on a Chip. 2002. Vol. 2. P. 121–124. DOI: 10.1039/B201225A.

5. Lvovich V. F., Liu C. C., Smiechowski M. F. Optimization and fabrication of planar interdigitated impedance sensors for highly resistive non-aqueous industrial fluids // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. Vol. 119. P. 490–496. DOI: 10.1016/j.snb.2006.01.003.

6. den Otter M. W. Approximate expressions for the capacitance and electrostatic potential of interdigitated electrodes // Sensors and Actuators A: Physical. 2002. Vol. 96. P. 140-144. DOI: 10.1016/S0924-4247(01)00783-X.

7. Igreja R., Dias C. J. Analytical evaluation of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure // Sensors and Actuators A: Physical. 2004. Vol. 112. P. 291–301. DOI: 10.1016/j.sna.2004.01.040.

8. Igreja R., Dias C. J. Extension to the analytical model of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure // Sensors and Actuators A. Physical. 2011. Vol. 172. P. 392–399. DOI: 10.1016/j.sna.2011.09.033.

9. Yang L., Li Y., Griffis C. L. [et al.]. Interdigitated microelectrode (IME) impedance sensor for the detection of viable Salmonella typhimurium // Biosensors and bioelectronics. 2004. Vol. 19. P. 1139–1147. DOI: 10.1016/j.bios.2003.10.009.

10. Ibrahim M., Claudel J., Kourtiche D. [et al.]. Physical and electrical modeling of interdigitated electrode arrays for bioimpedance spectroscopy // New Developments and Applications in Sensing Technology. 2011. P. 169–189. DOI: 10.1007/978-3-642-17943-3_9.

11. Ibrahim M., Claudel J., Kourtiche D. [et al.]. Geometric parameters optimization of planar interdigitated electrodes for bioimpedance spectroscopy // Journal of Electrical Bioimpedance. 2013. Vol. 4. P. 13–22. DOI: 10.5617/jeb.304.

12. Ngo T. T., Shirzadfar H., Kourtiche D. [et al.]. A planar interdigital sensor for bio-impedance measurement: Theoretical analysis, optimization and simulation // Journal of Nanoand Electronic Physics. 2014. Vol. 6. 01011. 7 p.

13. MacKay S., Hermansen P., Wishart D. [et al.]. Simulations of interdigitated electrode interactions with gold nanoparticles for impedance-based biosensing applications // Sensors. 2015. Vol. 15. P. 22192–22208. DOI: 10.3390/s150922192.

14. McNealy B. E., Jiang J., Hertz J. L. A precise, reducedparameter model of thin film electrolyte impedance // Journal of The Electrochemical Society. 2015. Vol. 162. P. F537–F546. DOI: 10.1149/2.0281506jes.

15. Blume S. O. P., Ben-Mrad R., Sullivan P. E. Modelling the capacitance of multi-layer conductor-facing interdigitated electrode structures // Sensors and Actuators B: Chemical. 2015. Vol. 213. P. 423–433. DOI: 10.1016/j.snb.2015.02.088.

16. Dias C. J., Igreja R. A method of recursive images to obtain the potential, the electric field and capacitance in multilayer interdigitated electrode (IDE) sensors // Sensors and Actuators A: Physical. 2017. Vol. 256. P. 95–106. DOI: 10.1016/j.sna.2017.01.021.

17. Dizon A., Orazem M. E. On the impedance response of interdigitated electrodes // Electrochimica Acta. 2019. Vol. 327. 135000. 13 p. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.135000.

18. Dizon A., Orazem M. E. On experimental determination of cell constants for interdigitated electrodes // Electrochimica Acta. 2020. Vol. 337. 135732. 12p. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.135732.

19. Kozlov A. G., Fadina E. A. Analysis of electrophysical processes in system of interdigitated microelectrodes used in microchannels // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2016. P. 1–5. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819032.