डाइलेक्ट्रिक स्पेक्ट्रोस्कोपी

परावैद्युत स्पेक्ट्रोस्कोपी (जो प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी की एक उपश्रेणी में आती है) आवृत्ति के कार्य के रूप में एक माध्यम के ढांकता हुआ गुणों को मापता है।  यह नमूना के विद्युत द्विध्रुवीय पल के साथ बाहरी क्षेत्र की बातचीत पर आधारित है, जिसे अक्सर पारगम्यता द्वारा व्यक्त किया जाता है।

यह विद्युत रासायनिक सेल को चिह्नित करने का एक प्रायोगिक तरीका 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 प्रतिक्रिया प्रकट होती है। अक्सर, 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 है। एक निष्क्रिय जटिल विद्युत प्रणाली में ऊर्जा अपव्यय (प्रतिरोधक) और ऊर्जा भंडारण (संधारित्र) दोनों तत्व शामिल होते हैं। यदि सिस्टम विशुद्ध रूप से प्रतिरोधी है, तो एसी या एकदिश धारा (डीसी) का विरोध केवल विद्युत प्रतिरोध है। कई चरणों को प्रदर्शित करने वाली सामग्री या प्रणालियां (जैसे कंपोजिट या विषम सामग्री) आमतौर पर एक सार्वभौमिक ढांकता हुआ प्रतिक्रिया दिखाती हैं, जिससे ढांकता हुआ स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रतिबाधा (या उलटा शब्द, प्रवेश) और आवृत्ति, ω, लागू एसी के बीच एक शक्ति कानून संबंध प्रकट करता है। मैदान।

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

यह तकनीक पिछले कुछ वर्षों में कद में जबरदस्त 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। अक्सर, ईआईएस एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया की प्रतिक्रिया तंत्र के बारे में जानकारी प्रकट करता है: विभिन्न प्रतिक्रिया चरण कुछ आवृत्तियों पर हावी होंगे, और ईआईएस द्वारा दिखाए गए आवृत्ति प्रतिक्रिया दर सीमित कदम की पहचान करने में सहायता कर सकते हैं।

ढांकता हुआ तंत्र
कई अलग-अलग ढांकता हुआ तंत्र हैं, जिस तरह से एक अध्ययन किया गया माध्यम लागू क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करता है (आंकड़ा चित्रण देखें)। प्रत्येक ढांकता हुआ तंत्र अपनी विशिष्ट आवृत्ति के आसपास केंद्रित होता है, जो प्रक्रिया के विशिष्ट समय का व्युत्क्रम है। सामान्य तौर पर, ढांकता हुआ तंत्र को ढांकता हुआ विश्राम और अनुनाद प्रक्रियाओं में विभाजित किया जा सकता है। उच्च आवृत्तियों से शुरू होने वाले सबसे आम 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 बीच संतुलन के कारण होता है। एक समान चार्ज 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 प्रतिक्रिया 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 आमतौर पर छोटा होता है।

द्विध्रुवीय विश्राम
यह एक विद्युत क्षेत्र से संरेखित स्थायी और प्रेरित द्विध्रुव से उत्पन्न होता है। उनका अभिविन्यास ध्रुवीकरण थर्मल शोर (जो क्षेत्र की दिशा से द्विध्रुवीय वैक्टर को गलत-संरेखित करता है) से परेशान 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, पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं। और रासायनिक आसपास।

आयोनिक विश्राम
आयनिक विश्राम में आयनिक चालकता (ठोस अवस्था) और इंटरफेशियल और स्पेस चार्ज छूट शामिल हैं। आयनिक चालकता कम आवृत्तियों पर प्रबल होती है और सिस्टम को केवल नुकसान पहुंचाती है। इंटरफैसिअल रिलैक्सेशन तब होता है जब चार्ज वाहक विषम प्रणालियों के इंटरफेस पर फंस जाते हैं। एक संबंधित प्रभाव मैक्सवेल-वैगनर-सिलर्स ध्रुवीकरण है, जहां चार्ज वाहक आंतरिक ढांकता हुआ सीमा परतों (मेसोस्कोपिक स्केल पर) या बाहरी इलेक्ट्रोड (मैक्रोस्कोपिक स्केल पर) पर अवरुद्ध हो जाते हैं, जिससे चार्ज अलग हो जाते हैं। आरोपों को काफी दूरी से अलग किया जा सकता है और इसलिए ढांकता हुआ नुकसान में योगदान देता है जो आणविक उतार-चढ़ाव के कारण प्रतिक्रिया से बड़े परिमाण के आदेश हैं।

ढांकता हुआ विश्राम
एक पूरे के रूप में ढांकता हुआ विश्राम एक लागू वैकल्पिक क्षेत्र के कारण द्विध्रुव (द्विध्रुवीय विश्राम) और विद्युत आवेशों (आयनिक विश्राम) के संचलन का परिणाम है, और आमतौर पर आवृत्ति रेंज 10 में देखा जाता है2-1010 हर्ट्ज। गुंजयमान इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण या आणविक कंपन की तुलना में विश्राम तंत्र अपेक्षाकृत धीमा होता है, जिसमें आमतौर पर 10 से ऊपर की आवृत्ति होती है12 हर्ट्ज।

स्थिर अवस्था
एक रिडॉक्स  प्रतिक्रिया के लिए आर $$ \leftrightarrow $$ ओ + ई, द्रव्यमान-स्थानांतरण सीमा के बिना, वर्तमान घनत्व और इलेक्ट्रोड ओवरपोटेंशियल के बीच 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 है (चित्र 1), इसलिए एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया एक रैखिक प्रणाली नहीं है।

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

आइए हम मान लें कि बटलर-वोल्मर संबंध रेडॉक्स प्रतिक्रिया 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 प्रतिक्रिया के गतिशील व्यवहार को तथाकथित चार्ज ट्रांसफर प्रतिरोध द्वारा परिभाषित किया गया है: $$R_{\text{ct}} = \frac{1}{\partial j_{\text{t}} / \partial \eta } = \frac{1}{f\, j_0\, \left(\alpha_{\text{o}} \exp(\alpha_{\text{o}}\,f\, \eta)+\alpha_{\text{r}} \exp(-\alpha_{\text{r}} \, f\, \eta) \right)}$$ चार्ज ट्रांसफर रेजिस्टेंस का मान ओवरपोटेंशियल के साथ बदलता है। इस सरलतम उदाहरण के लिए फैराडिक प्रतिबाधा एक प्रतिरोध में कम हो जाती है। यह ध्यान देने योग्य है कि: $$R_{\text{ct}} = \frac{1}{f\,j_0}$$ के लिए $$ \eta = 0$$.

डबल-लेयर कैपेसिटेंस
एक इलेक्ट्रोड $$|$$ इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस एक कैपेसिटेंस की तरह व्यवहार करता है जिसे विद्युत दोहरी परत  | इलेक्ट्रोकेमिकल डबल-लेयर कैपेसिटेंस कहा जाता है $$ C_{\text{dl}}$$. चित्र 2 में रेडॉक्स प्रतिक्रिया के समतुल्य सर्किट में डबल-लेयर कैपेसिटेंस के साथ-साथ चार्ज ट्रांसफर प्रतिरोध भी शामिल है। इलेक्ट्रोकेमिकल डबल-लेयर को मॉडल करने के लिए आमतौर पर 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) की कोणीय आवृत्ति है, और $$i^2 = -1$$.

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 है $$R_{\text{t}}$$ और शीर्ष पर कोणीय आवृत्ति बराबर होती है $$1/(R_{\text{t}}\,C_{\text{dc}})$$ (चित्र 3)। अन्य अभ्यावेदन, बोड प्लॉट या ब्लैक प्लान का उपयोग किया जा सकता है।

ओमिक प्रतिरोध
ओमिक प्रतिरोध $$ R_\Omega $$ प्रतिक्रिया के इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा के साथ श्रृंखला में प्रकट होता है और Nyquist आरेख को दाईं ओर अनुवादित किया जाता है।

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

प्रतिबाधा मापदंडों का मापन
Nyquist आरेख को क्षमता  के साथ प्लॉट करना और एक प्रतिबाधा विश्लेषक, 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 $$j_0$$ के लिए एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया की प्रतिबाधा को मापकर आसानी से निर्धारित किया जा सकता है $$\eta=0$$.

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

अनुप्रयोग
इलेक्ट्रोकेमिकल 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। इलेक्ट्रोकेमिकल 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 साथ ही विभिन्न पैरामीटर जैसे कुल शरीर का पानी और मुक्त वसा द्रव्यमान। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर बैटरी और इलेक्ट्रोकैटलिटिक सिस्टम की आवृत्ति प्रतिक्रिया 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 ढांकता 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)