电化学分析方法作为常见的定性定量检测手段，可对未知物质的存在形式、浓度和反应活性等进行分析，在材料、化学、化工、生物、医疗等领域有着广泛的应用，为科学研究提供着可靠、准确的分析检测支持。电极是电化学分析方法的重要组成部分之一，电极的材料、形貌和尺寸都极大地影响着电极表面物质的传输，进而影响电流的响应。人们对电极的研究、开发和应用从未停止。根据外观形貌的不同，常见的工作电极可被分为圆盘电极、片状电极、微盘电极、网状电极、盘环电极等，不同电极适用于不同反应环境和测试要求。、

在电化学检测中，常见的单一的工作电极模式可提供目标物质（反应）的在线检测，反映反应过程中的物质浓度、扩散系数、电极表面积等信息。除上述常见的单工作电极检测外，可同步进行不同反应的双通道工作电极模式具有特别的存在意义。双工作电极由独立控制的两个工作电极所组成，可实现对不同反应的同时空控制，从而提供比传统单电极模式更为丰富的物质变化信息，为利用电化学方法实现反应过程中痕量物质的检测提供了有力手段。

电化学检测中通常所使用（也几乎是唯一可用）的双通道工作电极为旋转环盘电极（Rotating Ring Disk Electrode，RRDE），可被用于催化反应产物的实时检测等。旋转环盘电极由一对圆盘电极（即发生电极）和圆环电极（即收集电极）所组成，如图1所示。RRDE的两个工作电极之间间隔约0.5mm，可独立承载不同的电势，在其表面实现不同的电化学反应。作为传统的双通道模式工作电极，RRDE存在一些不足之处：（1）收集率较低，收集率为收集电极与发生电极上平衡电流之比，RRDE在双通道模式下对待测反应产物的收集效率通常为20%至40%，低收集率极大地影响着其应用的推广。（2）信噪比较低，RRDE在操作过程中需要借助机械搅拌实现两个工作电极间物质的单向传输，然而该操作会扰动液面带来较大的信号噪声，同时搅拌装置体积较大，也不适于特殊操作环境下的使用。

图1. 旋转环盘结构示意图

除RRDE，叉指电极（Interdigitated Array Electrodes，IDA）也可被用于双工作电极模式。IDA电极由两个独立控制的微米级工作电极（即发生电极和收集电极）阵列所组成，如图2所示。每个工作电极由规则排列的数十根电极分支所组成，其电极分支相互交错、紧密排列，又互不接触，可对其进行独立的电势控制。

相对于RRDE，IDA电极具有一些显著的优势：

（1）较高的收集率（IDA电极收集率可达95%以上）。IDA电极微米级的电极尺寸以及特殊的阵列结构使其在反应过程中可通过自发的扩散进行物质传输，从发生电极上生成的产物可以在收集电极上被迅速探测，反应物及产物可最大限度地在相邻电极的扩散层之内循环往复，而有效避免了物质向体溶液的逸散，因此IDA电极表现出较高的收集率。

（2）较高的信噪比。在IDA电极的使用过程中，物质通过扩散的方式实现在电极之间的传输，从而避免了如RRDE使用过程中强制机械搅拌所带来的噪音，可极大降低探测信号的噪音，获得较高的信噪比。

（3）特殊的反馈效应。不同于RRDE中物质单向传输、发生电极不受收集电极影响，IDA在反应过程中存在着物质于相邻电极分支之间的小循环（如图2（b）所示），也就是说收集电极的反应可能会反过来影响和促进发生电极。该作用模式可起到类似于“信号放大”的作用，进一步提高电极的检测能力。因此，IDA电极的结构和尺寸特点使其特别适合与对痕量（10-5 M）或不稳定中间产物（亚毫秒级）的检测。

图2 （a）IDA电极结构及（b）反应过程示意图

人们对IDA电极的研究始于上世纪八十年代，主要集中于IDA电极的制备和应用。IDA电极常被用于生物、医学等方面的检测，最常见的应用便是利用IDA两个工作电极之间阻抗的变化来实现对待测物浓度的检测，例如将IDA电极置于待测溶液中并通过生物特异性联结使电极表面状态发生改变，通过检测IDA电极两个工作电极之间阻抗的变化得到待测溶液中目标物质浓度的变化。目前应用较多的是金属材料IDA电极，这得益于金属材料微纳加工工艺的发展，而电化学最常用的具有较宽电势窗和稳定电化学性质的碳材料为基底的IDA电极的制备一直是研究难点。

西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院应用化学系智能传感课题组对IDA电极的研究主要包括碳材料IDA电极的制备，并致力于拓展其在电化学探测方面的应用。课题组开发了具有微米级/亚微米级尺寸的碳材料IDA电极，该电极具有良好的电化学表现，收集率80%以上，最高可达95%（如图3所示）。

图3 （a）IDA电极扫描电镜图；（b）IDA电极在1 mM K3[Fe(CN)6]和0.1 M KCl水溶液中的循环伏安曲线，0.005 V/s。

此外，该团队将该碳IDA电极应用于电催化反应产物的探测，成功实现了对分子电催化剂作用下的电催化产氢及产氧反应产物的实时探测（ In situ detection of the product of the CoPi-catalyzed oxygenevolution reaction. Electrochemistry Communications. 2020(121), 106851；The real-time investigation of the nickel–iron hydroxide catalyzedoxygen evolution reaction with interdigitated array electrodes, Nanotechnology, 2021(32), 375706；Quantitative Analysis of Homogeneous Electrocatalytic Reactions at IDA Electrodes: The Example of [Ni(PPh2NBn2)2]2+, Electrochimica Acta, 2016(222), 323-330 ）。比如对电催化产氢的产物氢分子的探测，通过控制电势使IDA发生电极上进行催化反应，产生产物氢分子，该产物即可通过扩散的方式来到收集电极表面，继而在合适的电势下在收集电极表面发生反应产生电流信号。

用该IDA电极特殊的操作方式考察其相邻电极分支间物质的传输，可由实验结果计算获得物质扩散系数。具体来讲，物质由发生电极扩散至收集电极所消耗的时间可由IDA两个工作电极的信号响应延迟获得，利用该扩散时间以及扩散距离（即电极分支间距）即可获得物质的扩散系数。使用该方法对扩散系数进行测定时只需获得电极尺寸（电极分支间距）以及溶液中的物质浓度便可计算得到扩散系数，避免了传统计算方法中众多变量（如电极表面积、扩散距离、扩散时间等）可能带来的误差，为扩散系数的测量提供了不同的选择（ Time of Flight Electrochemistry: Diffusion Coefficient Measurements Using Interdigitated Array (IDA) Electrodes. Journal of The Electrochemical Society, 2014(161), H3015-H3019. ）。

总之，IDA电极以其独特的结构和操作特点在分析化学领域起着独特的作用，在双工作电极模式下的电化学检测中具有较广的应用空间及较大的应用潜力，希望IDA电极这一高效灵敏简便的电化学检测工具能在更多生产生活、科研前沿领域发挥出自己的潜能。

*感谢西安电子科技大学“智能传感”研究团队对本文的大力支持

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