डाइलेक्ट्रिक स्पेक्ट्रोस्कोपी

डाइलेक्ट्रिक स्पेक्ट्रोस्कोपी आवृत्ति के कार्य के रूप में एक माध्यम के प्रक्रिया हुआ गुणों को मापता है।   यह नमूना के विद्युत द्विध्रुवीय पल के सापेक्ष बाहरी क्षेत्र की बातचीत पर आधारित होता है, जिसे प्रायः पारगम्यता द्वारा व्यक्त किया जाता है।

यह विद्युत रासायनिक सेल को चिह्नित करने का एक प्रायोगिक विधि भी है। यह तकनीक आवृत्तियों की एक सीमा पर एक प्रणाली के विद्युत प्रतिबाधा को मापती है, और इसलिए ऊर्जा भंडारण और अपव्यय गुणों सहित प्रणाली की आवृत्ति अभिक्रिया प्रकट होती है। प्रायः, विद्युत रासायनिक प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) द्वारा प्राप्त डेटा को ग्राफिकल रूप से बोडे प्लॉट या न्यक्विस्ट प्लॉट में व्यक्त किया जाता है।

प्रतिबाधा एक जटिल प्रणाली में प्रत्यावर्ती धारा (AC) के प्रवाह का विरोध करती है। एक निष्क्रिय जटिल विद्युत प्रणाली में ऊर्जा अपव्यय (प्रतिरोधक) और ऊर्जा भंडारण (संधारित्र) दोनों तत्व सम्मिलित होते हैं। यदि प्रणाली विशुद्ध रूप से प्रतिरोधी होती है, तो एसी या एकदिश धारा (डीसी) का विरोध केवल विद्युत प्रतिरोध करती है। कई चरणों को प्रदर्शित करने वाली सामग्री या प्रणालियां (जैसे कंपोजिट या विषम सामग्री) सामान्यतः एक सार्वभौमिक प्रक्रिया हुआ अभिक्रिया दर्शाती हैं, जिससे प्रक्रिया  हुआ स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रतिबाधा (या उलटा शब्द, प्रवेश) और आवृत्ति, ω, प्रारंभिक एसी मैदान के मध्य एक शक्ति कानून संबंध प्रकट करता है।

किसी भी भौतिक-रासायनिक प्रणाली, जैसे विद्युत रासायनिक कोशिकाएं, द्रव्यमान-किरण दोलक, और यहां तक ​​कि जैविक ऊतक में लगभग ऊर्जा भंडारण और अपव्यय गुण होते हैं। ईआईएस उनकी जांच करता है।

यह तकनीक पिछले कुछ वर्षों के कद में जबरदस्त रूप से बढ़ी है और अब व्यापक रूप से विभिन्न प्रकार के वैज्ञानिक क्षेत्रों जैसे कि ईंधन सेल परीक्षण, जैव-आणविक संपर्क और माइक्रोस्ट्रक्चरल लक्षण वर्णन में व्यापक रूप से नियोजित की जा रही है।ईआईएस प्रायः, एक  विद्युत रासायनिक प्रक्रिया की अभिक्रिया तंत्र के बारे में जानकारी प्रकट करता है: विभिन्न अभिक्रिया चरण कुछ आवृत्तियों पर हावी होंगे, और ईआईएस द्वारा दिखाए गए आवृत्ति अभिक्रिया दर सीमित कदम की पहचान करने में सहायता कर सकते हैं।

डाइलेक्ट्रिक प्रक्रिया
कई भिन्न-भिन्न प्रक्रिया वाला तंत्र हैं, जिस तरह से एक अध्ययन किया गया माध्यम प्रारंभिक क्षेत्र पर अभिक्रिया करता है। प्रत्येक प्रक्रिया तंत्र अपनी विशिष्ट आवृत्ति के आसपास केंद्रित होता है, जो प्रक्रिया के विशिष्ट समय का व्युत्क्रम होता है। सामान्य तौर पर, प्रक्रिया  हुआ तंत्र को प्रक्रिया विश्राम और अनुनाद प्रक्रियाओं में विभाजित किया जा सकता है। उच्च आवृत्तियों से प्रारंभ होने वाले सबसे आम विधि हैं:

इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण
यह गुंजयमान प्रक्रिया एक तटस्थ परमाणु में होती है जब विद्युत क्षेत्र परमाणु नाभिक के चारों ओर इलेक्ट्रॉन घनत्व को विस्थापित करता है।

यह विस्थापन बहाली और विद्युत बलों के मध्य संतुलन के कारण होता है।एक समान आवेश घनत्व के गोलाकार इलेक्ट्रॉन बादल से घिरे एक परमाणु को बिंदु नाभिक के रूप में मानकर इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण को समझा जा सकता है।

परमाणु ध्रुवीकरण
परमाणु ध्रुवीकरण तब देखा जाता है जब परमाणु का नाभिक विद्युत क्षेत्र की अभिक्रिया में पुन: अभिमुख होता है। यह एक अनुनादी प्रक्रिया है। परमाणु ध्रुवीकरण परमाणु की प्रकृति के लिए आंतरिक है और एक अनुप्रयुक्त क्षेत्र का परिणाम है। इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण इलेक्ट्रॉन घनत्व को संदर्भित करता है और एक अनुप्रयुक्त क्षेत्र का परिणाम है। इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण की तुलना में परमाणु ध्रुवीकरण सामान्यतः छोटा होता है।

द्विध्रुवीय विश्राम
यह एक विद्युत क्षेत्र से संरेखित स्थायी और प्रेरित द्विध्रुव से उत्पन्न होता है। उनका अभिविन्यास ध्रुवीकरण थर्मल शोर से परेशान होती है, और डिपोल को आराम करने के लिए आवश्यक समय स्थानीय चिपचिपाहट द्वारा निर्धारित किया जाता है। ये दो तथ्य द्विध्रुवीय विश्राम को तापमान, दबाव,और आसपास के रासायनिक पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं। पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं।

आयोनिक विश्राम
आयनिक विश्राम में आयनिक चालकता और इंटरफेशियल और स्पेस आवेश छूट सम्मिलित होता हैं। आयनिक चालकता न्यूनतम आवृत्तियों पर प्रबल होती है और प्रणाली को केवल हानि पहुंचाती है। अंतरापृष्ठीय रिलैक्सेशन तब होता है जब आवेश वाहक विषम प्रणालियों के इंटरफेस पर फंस जाते हैं। एक संबंधित प्रभाव मैक्सवेल-वैगनर-सिलर्स ध्रुवीकरण है, जहां आवेश वाहक आंतरिक प्रक्रिया हुआ सीमा परतों  या बाहरी इलेक्ट्रोड पर अवरुद्ध हो जाते हैं, जिससे आवेश पृथक हो जाते हैं। आरोपों को काफी दूरी से पृथक किया जा सकता है और इसलिए प्रक्रिया  हुआ हानि में योगदान देता है जो आणविक उतार-चढ़ाव के कारण अभिक्रिया से बड़े परिमाण के आदेश हैं।

प्रक्रिया हुआ विश्राम
एक पूरे के रूप में प्रक्रिया विश्राम एक प्रारंभिक वैकल्पिक क्षेत्र के कारण द्विध्रुव और विद्युत आवेशों के संचलन का परिणाम होता है, और सामान्यतः आवृत्ति रेंज 102-1010 हर्ट्ज में देखा जाता है। गुंजयमान इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण या आणविक कंपन की तुलना में विश्राम तंत्र अपेक्षाकृत धीमा होता है, जिसमें सामान्यतः 1012 हर्ट्ज से ऊपर की आवृत्ति होती है।

स्थिर अवस्था
एक रिडॉक्स  अभिक्रिया के लिए R↔ O + e,, द्रव्यमान-स्थानांतरण सीमा के बिना, वर्तमान घनत्व और इलेक्ट्रोड ओवरपोटेंशियल के मध्य संबंध बटलर-वोल्मर समीकरण द्वारा दिया गया है: $$ j_{\text{t}} = j_0 \left(\exp(\alpha_{\text{o}} \,f\, \eta)-\exp(-\alpha_{\text{r}}\,f\,\eta)\right) $$ साथ $$ \eta = E - E_{\text{eq}} ,\;f=F/(R\,T),\;\alpha_{\text{o}} + \alpha_{\text{r}} = 1.$$ $$j_0$$ विनिमय वर्तमान घनत्व है और $$\alpha_{\text{o}}$$ और $$\alpha_{\text{r}}$$ समरूपता कारक हैं।

वक्र $$ j_{\text{t}}$$ बनाम $$E $$ एक सीधी रेखा नहीं होती है,इसलिए एक रेडॉक्स अभिक्रिया एक रैखिक प्रणाली नहीं होती है।

फैराडिक प्रतिबाधा
एक विद्युत् रसायनिक सेल में एक इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस का फैराडिक प्रतिबाधा उस इंटरफ़ेस पर संयुक्त विद्युत प्रतिरोध और समाई जाती है।

मान लीजिये कि बटलर-वोल्मर संबंध रेडॉक्स अभिक्रिया के गतिशील व्यवहार का सही वर्णन करता है: $$ j_{\text{t}}(t) = j_{\text{t}}(\eta(t)) = j_0 \left(\exp(\alpha_{\text{o}}\,f\, \eta(t))-\exp(-\alpha_{\text{r}}\,f\,\eta(t))\right)$$ रेडॉक्स अभिक्रिया के गतिशील व्यवहार को तथा कथित आवेश स्थान्तरित प्रतिरोध द्वारा परिभाषित किया जाता है: $$R_{\text{ct}} = \frac{1}{\partial j_{\text{t}} / \partial \eta } = \frac{1}{f\, j_0\, \left(\alpha_{\text{o}} \exp(\alpha_{\text{o}}\,f\, \eta)+\alpha_{\text{r}} \exp(-\alpha_{\text{r}} \, f\, \eta) \right)}$$ आवेश स्थान्तरित प्रतिरोध का मान ओवरपोटेंशियल के सापेक्ष परिवर्तित होता है। इस सरलतम उदाहरण के लिए फैराडिक प्रतिबाधा एक प्रतिरोध में न्यूनतम हो जाती है। यह ध्यान देने योग्य है कि: $$R_{\text{ct}} = \frac{1}{f\,j_0}$$ के लिए $$ \eta = 0$$.होता हैं।

डबल-लेयर कैपेसिटेंस
एक इलेक्ट्रोड $$|$$ इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस विद्युत दोहरी परत कैपेसिटेंस $$ C_{\text{dl}}$$ की तरह व्यवहार करता है | विद्युत् रसायनिक डबल-लेयर कैपेसिटेंस कहा जाता है. चित्र 2 में रेडॉक्स अभिक्रिया के समतुल्य सर्किट में डबल-लेयर कैपेसिटेंस के साथ-साथ आवेश स्थानांतरण प्रतिरोध भी सम्मिलित होता है। विद्युत् रसायनिक डबल-लेयर को मॉडल करने के लिए सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले एक अन्य एनालॉग सर्किट को एक स्थिर चरण तत्व कहा जाता है।

इस सर्किट का विद्युत प्रतिबाधा एक समाई के प्रतिबाधा को याद करके आसानी से प्राप्त किया जाता है जो निम्न द्वारा दिया जाता है: $$Z_{\text{dl}}(\omega) = \frac{1}{i \omega C_{\text{dl}}}$$ कहाँ $$\omega$$ साइनसोइडल सिग्नल (rad/s) और $$i^2 = -1$$. की कोणीय आवृत्ति होती है,

यह प्राप्त होता है: $$Z(\omega) = \frac{R_{\text{t}}}{1 + R_{\text{t}} C_{\text{dl}} i \omega}$$ चित्र 3 में दिखाए गए सर्किट के प्रतिबाधा का निक्विस्ट आरेख एक व्यास वाला अर्धवृत्त $$R_{\text{t}}$$ होता है और शीर्ष पर कोणीय आवृत्ति $$1/(R_{\text{t}}\,C_{\text{dc}})$$ समान होती है। अन्य अभ्यावेदन, बोड प्लॉट या ब्लैक प्लान का उपयोग किया जा सकता है।

ओमिक प्रतिरोध
ओमिक प्रतिरोध $$ R_\Omega $$ अभिक्रिया के इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा के सापेक्ष श्रृंखला में प्रकट होता है और निक्विस्ट आरेख को दाईं ओर अनुवादित किया जाता है।

सार्वभौमिक प्रक्रिया अभिक्रिया
आवृत्ति ω के पृथक-पृथक सापेक्ष एसी स्थितियों के तहत, विषम प्रणाली और समग्र सामग्री एक सार्वभौमिक प्रक्रिया अभिक्रिया प्रदर्शित करती है, जिसमें समग्र प्रवेश आवृत्ति $$ Y \propto \omega^{\alpha} $$ के सापेक्ष शक्ति कानून स्केलिंग के एक क्षेत्र को प्रदर्शित करता है।.

प्रतिबाधा मापदंडों का मापन
एक पोटेंशियोस्टैट और एक प्रतिबाधा विश्लेषक, के साथ न्यक्विस्ट आरेख को प्लॉट करना होता हैं, जो प्रायः आधुनिक पोटेंशियोस्टैट्स में सम्मिलित होता है, उपयोगकर्ता को आवेश स्थानांतरण प्रतिरोध, डबल-लेयर कैपेसिटेंस और ओमिक प्रतिरोध निर्धारित करने की अनुमति देता है। विनिमय वर्तमान घनत्व $$j_0$$ के लिए एक रेडॉक्स अभिक्रिया की प्रतिबाधा को मापकर आसानी से निर्धारित किया जा सकता है $$\eta=0$$.

रिडॉक्स अभिक्रियाओं की तुलना में अधिक जटिल और द्रव्यमान-स्थानांतरण सीमाओं के सापेक्ष निक्विस्ट आरेख कई चापों से बने होते हैं।

जो अक्सर आधुनिक पोटेंशियोस्टैट्स में शामिल होता है, उपयोगकर्ता को चार्ज ट्रांसफर प्रतिरोध, डबल-लेयर कैपेसिटेंस और ओमिक प्रतिरोध निर्धारित करने की अनुमति देता है। विनिमय वर्तमान घनत्व

�

0

j_{0} के लिए एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया की प्रतिबाधा को मापकर आसानी से निर्धारित किया जा सकता है

�

=

0

\ ईटा = 0।

रिडॉक्स प्रतिक्रियाओं की तुलना में अधिक जटिल और द्रव्यमान-स्थानांतरण सीमाओं के साथ निक्विस्ट आरेख कई चापों से बने होते हैं।

अनुप्रयोग
विद्युत् रसायनिक प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जाता है। रँगना और कलई करना ्स उद्योग में, कोटिंग्स की गुणवत्ता की जांच करने के लिए यह एक उपयोगी उपकरण है  और क्षरण की उपस्थिति का पता लगाने के लिए। इसका उपयोग कई बायोसेंसर प्रणालियों में एक लेबल-मुक्त परिमाणीकरण के रूप में किया जाता है। जीवाणु  की एकाग्रता को मापने के लिए लेबल-मुक्त तकनीक और Escherichia coli O157:H7 जैसे खतरनाक रोगजनकों का पता लगाने के लिए और साल्मोनेला, और खमीर कोशिकाएं। विद्युत् रसायनिक प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग विभिन्न खाद्य उत्पादों के विश्लेषण और विशेषता के लिए भी किया जाता है। कुछ उदाहरण हैं भोजन-पैकेज की अंतःक्रियाओं का आकलन, दूध संरचना का विश्लेषण, आइसक्रीम मिश्रण के हिमीकरण अंत-बिंदु का लक्षण वर्णन और निर्धारण, मांस उम्र बढ़ने का उपाय, फलों में पकने और गुणवत्ता की जांच   और जैतून के तेल में जैतून के तेल की अम्लता का निर्धारण। मानव स्वास्थ्य निगरानी के क्षेत्र में बायोइलेक्ट्रिकल प्रतिबाधा विश्लेषण (BIA) के रूप में जाना जाता है। और शरीर संरचना का अनुमान लगाने के लिए प्रयोग किया जाता है सापेक्षही विभिन्न पैरामीटर जैसे कुल शरीर का पानी और मुक्त वसा द्रव्यमान। विद्युत् रसायनिक प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर बैटरी और इलेक्ट्रोकैटलिटिक प्रणाली की आवृत्ति अभिक्रिया प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है। माइक्रोवेव रेंज में काम करने वाले बायोमेडिकल सेंसर डाइइलेक्ट्रिक स्पेक्ट्रोस्कोपी पर निर्भर करते हैं ताकि फ्रीक्वेंसी रेंज में डाइइलेक्ट्रिक गुणों में बदलाव का पता लगाया जा सके, जैसे नॉन-इनवेसिव निरंतर रक्त ग्लूकोज मॉनिटरिंग। मानव शरीर के ऊतकों के लिए प्रक्रिया  हुआ गुण प्राप्त करने के लिए IFAC डेटाबेस का उपयोग संसाधन के रूप में किया जा सकता है। निलंबन (रसायन विज्ञान) जैसे विषम मिश्रणों के लिए प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कण अवसादन प्रक्रिया की निगरानी के लिए किया जा सकता है।

यह भी देखें

 * डेबी विश्राम
 * ढांकता हुआ अवशोषण, अल्ट्रा-कम आवृत्ति परिवर्तन
 * ढांकता हुआ नुकसान
 * विद्युत रसायन
 * इलिप्सोमेट्री
 * ग्रीन-कुबो संबंध
 * प्रेरित ध्रुवीकरण (आईपी)
 * क्रेमर्स-क्रोनिग संबंध
 * रैखिक प्रतिक्रिया समारोह
 * पोटेंशियोस्टेट
 * स्पेक्ट्रल प्रेरित ध्रुवीकरण (एसआईपी)