伏安法是仪器分析课程的重要章节，也是常用的测试手段，在材料能源等领域应用广泛。在实际教学过程中，师生反映伏安法理解困难，是教学的难点与痛点。循环伏安法(CV)测定铁氰化钾电极反应参数是伏安法最基础的实验方案，在众多高校广泛开设。然而，该实验仍存在一些不足：学生做完实验后，对伏安图“峰型”的形成机理仍难以理解^[1]，对不同形状伏安图的变化规律不能领悟，对伏安法的应用模式及前沿动态也无从感知。

现行伏安法实验教学常采用传统三电极体系，包括玻碳工作电极(WE)、饱和甘汞参比电极(RE)和铂丝对电极(CE) (图 1)，存在电极成本高、装置集成度差、可演示内容有限、试剂用量大等不足，限制了实验教学的知识覆盖度和可拓展性。本论文将材料学领域的最新研究进展——激光诱导石墨烯(laser-induced graphene，LIG)技术^[2]引入伏安法实验教学。该技术采用聚酰亚胺(PI)胶带作为原材料，经过一步激光雕刻即可制备出高导电、高电活性的LIG电极。激光雕刻技术具有批量生产和图形化设计能力，可快速批量制备成本低、形状尺寸可调控的集成化LIG三电极体系(图 2)，大幅降低电极处理时间和实验试剂用量，可在单位时间内开展内容更为丰富的实验。

本实验设计在有限时间内融合多方法、多应用场景的实验内容，得到多种类型的伏安图，有助于理解伏安法的基本原理、应用模式和数据解析方法，主要新意包括：(1) 加入扩散电流理论的验证实验，帮助学生理解多电位阶跃的图形转换与参数意义；(2) 引入多个与应用紧密联系的伏安实验，如阳极溶出、微电极、电催化等，阐述其伏安原理及图形演化规律；(3) 加入奶粉香兰素检测的样品实验，以展示伏安法的应用特性。

学习激光雕刻石墨烯电极的制备、封装和使用方法，由此理解三电极体系的结构原理及电化学工作站测定伏安曲线的方式。通过对典型性实验体系中伏安曲线形状变化规律的学习，掌握其图形解析方法，并通过对伏安参数的分析，判断电极反应的性质，从而达到通过实验教学深刻理解伏安重难点知识的目的。在此基础上，通过实际样品测试实验，了解伏安法作为一种重要的电化学测试技术的应用模式与应用场景。

激光诱导石墨烯(LIG)技术使用激光雕刻机直接在绝缘聚合物基底上雕刻石墨烯电极阵列，无需复杂的合成或制备过程。在本实验中，我们选用已被广泛接受的PI胶带作为LIG的前驱体，在空气中使用405 nm激光雕刻机可以将其转化为三维多孔石墨烯电极。LIG技术的作用原理是激光照射PI胶带时产生的瞬时高温诱导PI原位石墨烯化，结合激光雕刻设备的图案化加工能力，能在PI胶带表面快速批量制备高导电、高电活性的LIG电极。该方法的仪器设备廉价便携、制备过程简单可控、电极性能优良、材料成本低，可根据需求定制不同形状尺寸、功能多样的集成化三电极体系，非常适合伏安法实验教学。

伏安法是一种以工作电极为探头、电位扫描信号为输入信号、电流–电位曲线为输出信号的电化学扫描分析方法^[3]。伏安法测试装置是由工作电极、参比电极和对电极组成的三电极体系(图 1、图 2)。其中，工作电极与参比电极组成电位回路，控制电位输入信号；工作电极与对电极组成电流回路，采集电流输出信号。

扩散电流理论是伏安法的理论基础，也是该章节学习的难点。将伏安法的连续动态电位扫描简化为一系列的多电位阶跃，通过电位阶跃固定物质消耗速度，然后研究该阶跃电位下的物质供应及扩散电流随时间的变化(i–t曲线)，提取任一时刻下不同阶跃电位产生的扩散电流，即得到该时刻下的电流–电位关系曲线，从而建立扩散电流理论(图 3)。

对于扩散控制的可逆电极反应，其伏安图的峰电流i_p与物质浓度c及电位扫描速率v之间的关系可用Randles-Sevcik方程^[4]描述：i_p = 2.69 × 10⁵n^3/2AD^1/2cv^1/2。其中，i_p与c之间的线性关系是伏安法的定量基础。同时，在电位扫描过程中，工作电极上发生的电极反应一般由两个基本过程控制：异相电子转移和溶液物质扩散。然而，实际的电极反应过程中可能还存在吸/脱附、化学转化等过程(图 4)。通过研究i_p与v之间的关系，可以判断电极反应是吸附控制(i_p–v)还是扩散控制(i_p–v^1/2)的过程。

在伏安三电极测试体系中，工作电极上电流的形成涉及三个过程(图 5)。其中，电极上电子输运速度远快于异相电子转移和液相扩散传质，这两个较慢步骤之间的“供求关系”决定了伏安图的形状特征。当电子转移速率快时，容易在电极表面附近产生浓度贫化，得到“峰型”伏安图；当扩散传质快时，容易达到稳态扩散模式，得到“S型”伏安图。下面利用阳极溶出伏安法、微电极和电催化这三个典型的伏安应用体系进行阐述。

微电极在活体或单细胞电分析领域应用广泛。当常用圆盘电极的尺寸从常规毫米级降至接近或小于扩散层厚度时，溶液中物质的扩散传质模式由常规尺寸电极的平面供应变为微电极的三维半球形供应(图 6)，极大加速了扩散传质速率，容易达到稳态扩散模式^[5]，其伏安图也由常规尺寸电极的“峰型”变为微电极的“S型”^[6]。

血糖试纸常采用人工合成的电子媒介体，如二茂铁(Fc)，传导葡萄糖、葡萄糖氧化酶(GOD)与电极之间的电子转移(图 7)。当仅存在Fc和GOD时，Fc氧化还原产生典型的“峰型”伏安图(过程a)；当加入高浓度葡萄糖后，通过一系列电子转移反应，可加快Fc的供应速度、形成稳态扩散模式，得到近乎“S型”伏安图(过程b) ^[7]。

阳极溶出伏安法是检测重金属离子最有效的电分析方法^[8]。该方法利用阴极恒电位电解将溶液中待测金属离子还原富集到电极表面形成金属单质或合金，然后阳极电位扫描使不同的金属单质在不同的电位被氧化而溶出(图 8)。在阳极溶出过程中，富集态金属单质都在电极表面，其溶出过程只有消耗而无供应，因此阳极溶出伏安图一般为“峰型”而非“S型”。

LIG电极的高集成、高电活性及低成本特性使其可以用于许多实际样品的检测，例如奶粉中的香兰素含量测定。合理添加香兰素可改善奶粉口感，监测其添加是否超标对维护食品安全具有重要意义^[9]。奶粉样品选用市面上两种标注含或不含香兰素的样品，通过样品的加标法进行定性及半定量实验。

本实验除使用常见的试剂耗材外，还用到如下试剂(表 1)和仪器(表 2)。

将宽5 cm的PI胶带粘贴到PET胶片上，清洗烘干后待用(步骤1) (图 9)。在电脑上绘制工作电极直径为3 mm的三电极阵列图案，用激光雕刻机对PI胶带进行雕刻(步骤2)，其雕刻功率35%、雕刻速度80%、聚焦高度2.4 cm。之后，用勾线笔蘸取适量指甲油，对LIG电极进行绝缘封装(步骤3)。可根据需要在参比电极的检测区域部位涂布Ag/AgCl。

裁剪一个LIG电极，用定制的电极夹夹住三个引线，并与电化学工作站相连。往LIG电极检测区滴加20 μL测试溶液，即可开始实验。如无特殊说明，所有伏安法的电位扫描速率(v)为100 mV∙s⁻¹，所有LIG电极均指集成工作、参比和对电极的三电极体系(图 2)，且参比电极未涂布Ag/AgCl。

采用传统三电极体系(图 1)，玻碳工作电极经过抛光清洗后在5 mmol∙L⁻¹ K₃Fe(CN)₆ + 1 mol∙L⁻¹ KCl中进行CV扫描，重复上述操作六次，测量其相对标准偏差(RSD)。

对于同一批次LIG电极，随机选取6个，在上述溶液中进行CV扫描，测量其RSD；随机选取不同批次的6个LIG电极，测量其RSD。

测试单个LIG电极在上述溶液中的多重循环伏安图，观察其稳定性及可重复使用性。

使用单个LIG电极，分别在0.1、0.05、0、−0.05、−0.1、−0.125、−0.15、−0.2、−0.25及−0.3 V下进行电位阶跃实验：

① 用单个LIG电极测试1 mol∙L⁻¹ KCl在不同电位下的i_c–t图。i_c为充电电流。

② 用单个LIG电极测试5 mmol∙L⁻¹ K₃Fe(CN)₆ + 1 mol∙L⁻¹ KCl在不同电位下的电流–时间曲线，得到(i_c + i_f)–t图。i_f为法拉第电流。

③ 所有电位下的(i_c + i_f)–t与i_c–t图相减得到i_f–t图，将其转化为i_f–E图。

(1) 浓度关系

在500 μL离心管中分别配制0、0.25、0.5、1.0、2.0 mmol∙L⁻¹ K₃Fe(CN)₆ + 1 mol∙L⁻¹ KCl混合溶液。使用单个LIG电极，对五份溶液从稀到浓进行CV测试。每个样品测完后，用移液枪和滤纸除去残留溶液，加入下一个高浓度溶液。

(2) 吸附或扩散控制判断

使用单个LIG电极，对5 mmol∙L⁻¹ K₃Fe(CN)₆ + 1 mol∙L⁻¹ KCl溶液进行CV测试，设置v为10、25、50、100和150 mV∙s⁻¹，取峰电流(i_p)对v^1/2作图，考察其线性。

(1) 微电极的制备

设置电极引线宽1 mm、长10 mm、间隔1 mm，批量雕刻该电极阵列，用指甲油封装中间位置，得到常规尺寸LIG电极。将工作电极的检测区用指甲油完全覆盖，干燥后用尖头镊子扎一个微孔，形成微环结构的LIG微电极(图 10)。

(2) 溶液测试

用常规尺寸和微电极LIG对5 mmol∙L⁻¹ K₃Fe(CN)₆ + 1 mol∙L⁻¹ KCl进行CV测试。

(1) 溶液配制

向500 μL离心管中加入20 μL 0.1 mol∙L⁻¹磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH 7.4)、10 μL 10 mg∙mL⁻¹ GOD水溶液和4 μL 10 mmol∙L⁻¹二茂铁甲酸(Fc-COOH)水溶液，充分混匀。

(2) 伏安测试

将10 μL上述溶液与10 μL水或10 μL 50 mmol∙L⁻¹葡萄糖溶液均匀混合，作为不含或含葡萄糖的测试溶液，进行CV测试。

(1) 溶液配制

用1% HAc (V/V)配制浓度100 mg∙L⁻¹及10 mg∙L⁻¹ Pb²⁺和Cd²⁺储备液，用0.01 mol∙L⁻¹硝酸配制0.2 mmol∙L⁻¹ Bi³⁺储备液。Bi³⁺用于电解富集提高检测灵敏度。使用上述溶液配制含有2 mg∙L⁻¹ Pb²⁺和Cd²⁺及0.1 mmol∙L⁻¹ Bi³⁺的溶液，标记为I；含有20 mg∙L⁻¹ Pb²⁺和Cd²⁺及0.1 mmol∙L⁻¹ Bi³⁺的溶液，标记为II。

(2) 伏安法检测重金属离子

① 对1% HAc和II，分别进行线性扫描伏安法(LSV)测试，电位范围0 → −1.2 V，无富集。

② 对I进行阳极溶出伏安法(ASV)测试。富集电位−1.2 V，富集时间180 s；溶出电位范围−1.2 → 0 V。

(1) 不含香兰素的奶粉样品

在500 μL离心管中加入19 μL 150 mg∙mL⁻¹奶粉溶液和1 μL 1 mg∙L⁻¹香兰素标液；另一个离心管中加入18 μL奶粉溶液和2 μL香兰素标液。对加与不加标的三个奶粉样品，进行微分脉冲伏安(DPV)测试，确定香兰素的氧化峰电位。

(2) 含香兰素的奶粉样品

在500 μL离心管中加入100 μL 150 mg∙mL⁻¹奶粉溶液和1 μL 1 mg∙L⁻¹香兰素标液；另一个离心管中加入50 μL奶粉溶液和1 μL香兰素标液。采用DPV法检测三个奶粉样品中的香兰素。

与传统三电极体系抛光电极重复使用不同，激光雕刻技术可批量制备LIG三电极体系。因此，LIG电极制备的可控性或重现性决定其能否用于实验教学。如图 11所示，在信号强度、重现性和可逆性等方面，LIG电极与传统电极接近，同一批次效果更佳(图 11A–C)。同时，单个LIG电极连续循环扫描10圈后，其伏安图形状和位置均无显著的变化(图 11D)。因此，LIG具有较好的重现性和稳定性，可采用单个电极开展某些系列对照或控制实验。

实际电位阶跃实验中会产生双电层充放电的非法拉第电流i_c，而扩散电流理论仅适用于法拉第电流i_f。为此，分别在1 mol∙L⁻¹ KCl (图 12A)及5 mmol∙L⁻¹ K₃Fe(CN)₆ + 1 mol∙L⁻¹ KCl溶液中进行i–t测试(图 12B)。选定第40 s记录电流值，将其与阶跃电位作图，得到i–E曲线(图 12C)。5 mmol∙L⁻¹ K₃Fe(CN)₆ + 1 mol∙L⁻¹ KCl溶液得到的i值包含i_f和i_c，扣除KCl溶液中的i_c后，剩余电流i_f对E作图，得到“S型”曲线(图 12D)及相关伏安参数，如半波电位E_1/2和极限扩散电流i_d，由此验证扩散电流理论。

前期研究表明，K₃Fe(CN)₆在LIG电极上的电极反应为扩散控制的可逆过程^[10]，其伏安图的峰电流i_p与物质浓度c、扫描速率v之间的关系可用Randles-Sevcik方程描述：i_p = 2.69 × 10⁵n^3/2AD^1/2cv^1/2，该理论公式的部分关系为图 13的实验结果所证实。

如图 14所示，常规尺寸LIG电极的氧化还原信号为“峰型”伏安图，而LIG微电极为“S型”伏安图。因此，通过简单可行的操作即可改变电极尺寸，进而影响物质供应模式及伏安图形状，有助于帮助学生理解和分析不同电极反应体系的异相电子转移与液相扩散传质行为特征。

另外，常规电极的氧化和还原电流分别处于纵坐标零点的两侧，分别对应于反应物K₃Fe(CN)₆和产物K₄Fe(CN)₆的反应信号；然而，微电极的“S型”伏安图基本上在横轴上侧，即都为反应物K₃Fe(CN)₆的还原电流。这是微电极与常规尺寸电极的另一个差别，源于微电极较大的扩散传质速率，电极反应还原产物K₄Fe(CN)₆在反向扫描之前就已经扩散远离电极表面，导致无反向的K₄Fe(CN)₆氧化峰出现。

对于使用Fc作为电子媒介体的葡萄糖电化学生物传感器，葡萄糖、GOD、Fc和电极之间的物质及电荷传递对于其响应信号具有较大的影响。如图 15所示，葡萄糖加入前后，Fc的伏安图从其自身的“峰型”变化为近乎“S型”，较好地验证了图 7中的工作原理。

鉴于血糖试纸的普及使用及重要应用价值，该实验可有效激发学生对伏安法和安培法等重要电化学测试技术的学习兴趣。

如图 16A所示，利用LSV法直接还原检测20 mg∙L⁻¹ Pb²⁺和Cd²⁺时，未得到任何有用的峰型伏安信号(曲线b)，−1.0 V处溶解氧的干扰也较大(曲线a)。然而，采用ASV法时，2 mg∙L⁻¹ Pb²⁺和Cd²⁺分别在不同的电位产生显著的“峰型”伏安信号，还可完全克服溶解氧的干扰(曲线c)，其检测灵敏度显著提高。该实验不但可用于阐述伏安图形的变化规律，也可以实证溶出伏安法的工作原理及应用特点。

如图 17所示，标注不含香兰素的奶粉中未检测到香兰素，而标注含有香兰素的奶粉中于0.65 V处出现香兰素的氧化峰，表明LIG电极可用于奶粉中香兰素的伏安检测。

对于实验方案的实施，授课教师可事先优化实验条件，并制作相应的实验教案与实验操作视频，供学生提前预习。在此基础上，可根据专业方向及课程学时设计实验教学内容(表 3)。比如，常见的6学时课时安排，可以选择3.1 + 3.2、3.1 + 3.3或3.1 + 3.4–3.7中的单个拓展实验组合；对于12学时课时安排，可以选择3.1 + 3.2 + 3.3组合，也可以选择3.1 + 3.4 + 3.5两个拓展实验组合，或者选择3.1 + 3.6 + 原子吸收或3.1 + 3.7 + 色谱等其他仪器分析技术组合。

本文提出的伏安法实验教学新方案在LIG电极的基础上展开，使本科生能够提前接触到LIG技术这一研究前沿并理解其基本原理。由于LIG电极可承载多样化的实验内容，新实验方案的知识覆盖面广，能够促进学生在实验过程中深入学习和掌握诸如扩散电流理论、伏安图形解析及其变化机理等重难点知识；也能够增进学生对伏安法在实际生产生活中应用的了解，达到融会贯通的效果。实验还要求学生能够熟练操作电化学工作站，掌握CV、计时电流(CA)、DPV等电化学测试方法。

除此之外，本实验方案还对学生的动手操作能力提出了较高要求：包括如何在电极封装过程保证其良好的一致性、如何准确添加20 μL溶液至电极测试区、如何控制针尖造孔的孔径及深度以达到微电极的效果等，这些也赋予实验一定的挑战度。关键操作的具体流程有相关视频作为辅助材料，可供学生提前预习，确保实验教学的顺利开展。通过实验训练，学生将从知识获取及操作技能培养等多个方面受益，以增强其获得感和成就感。

通过分析现行本科教学中伏安法实验的局限，引入材料学前沿研究进展——激光诱导石墨烯技术，以性能优异、成本低廉的LIG电极代替传统三电极。同时拓展实验内容，一方面扩充基础实验的覆盖面，另一方面选取具有学术价值或实际应用的典型性伏安现象作为进阶(设计)实验内容。溶出伏安法、微电极和电催化实验的操作难度低、实验效果显著，实际样品测试富有实用性及趣味性，不但能帮助学生理解理论知识，还有利于增强动手能力和了解前沿技术。此外，对实验教学模式进行创新。实验设计层层递进，可根据专业方向自由组合打造个性化教学方案。在学时安排方面，可根据需要将本实验方案不同内容组合使用，也可以适当增加定量分析实验内容，还可与其他电分析、原子光谱或色谱等分析方法组合使用。简而言之，本实验方案涵盖伏安法重点理论，与教学相关性强，操作性佳，且紧密联系科技前沿，具有良好的推广前景。