从筛选到机制知情分析：用于氧化还原物种发现的标准高通量电化学平台

《Device》：From screening to mechanism-informed analysis: A standardized high-throughput electrochemistry platform for redox species discovery

　　

系统评估氧化还原活性分子对于发现储能化学至关重要，但传统电化学工作流程通量有限且缺乏跨条件标准化。在此，研究人员提出HT-EChem，一种将循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）与96孔格式相结合的高通量平台，可利用微升规模样品实现快速、可重复的测量。利用铁-氨基多羧酸盐配合物和有机氧化还原分子，HT-EChem解析了氧化还原电位和可逆性的pH依赖性变化，从而能够构建电位-pH图和稳定性-pH曲线。高密度测量进一步区分了配体依赖性行为：Fe-1,3-丙二胺四乙酸（PDTA）表现出两个还原特征，与涉及结构重组的电化学-化学过程一致，而Fe-乙二胺四乙酸（EDTA）和Fe-二乙烯三胺五乙酸（DTPA）在可比条件下仅显示一个主导还原峰。通过将自动化样品处理与结构化数据处理相结合，HT-EChem能够可扩展地生成可比较的电化学数据集，用于氧化还原材料筛选和下游计算分析。

**论文解读：HT-EChem——从高通量筛选到机制知情分析的标准电化学平台**

可再生能源发电的规模化部署对长时储能技术提出了迫切需求，液流电池（flow battery, FB）因功率与能量可独立扩展、安全性好等优势而备受关注。氧化还原活性物种作为FB的核心组成部分，其化学性质直接影响电池的电压、容量、效率和循环寿命。然而，传统电化学测试方法通常以逐样品、逐条件的方式进行循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）测量，存在通量低、耗时长、试剂消耗大和数据标准化不足等瓶颈。计算预测方法虽已取得进展，但金属配合物氧化还原电位的理论计算仍与实验存在偏差，机器学习方法亦受限于高质量实验数据集的匮乏。因此，开发标准化、高通量的电化学实验工作流程对于加速氧化还原物种发现具有重要意义。在此背景下，研究人员构建了HT-EChem高通量电化学平台，并将其应用于金属-氨基多羧酸盐（aminopolycarboxylic acid, APCA）配合物和有机氧化还原分子的系统研究。该平台实现了微升级样品的快速、可重复测量，能够构建电位-pH图和稳定性-pH曲线，并识别出配体依赖的独特电化学行为，为机制知情分析和数据驱动的材料设计提供了可靠的数据基础。该研究成果发表在《Device》期刊。

HT-EChem平台的关键技术方法包括三个核心硬件组件：将消费级3D打印机（Prusa 3.5+）改装为笛卡尔坐标电极定位系统，通过OctoPrint API由Python程序控制，实现电极在96孔板中的精确定位；采用Corbett CAS-1200N移液机器人实现样品的自动化分配与混合，将300 μL微升级溶液精准注入各孔；利用PalmSens4电化学工作站进行数据采集。软件层面，平台集成了Python核心控制程序、自动化峰值检测算法、MySQL数据库和Dash网页前端，实现了实验监控、数据可视化和数据库检索功能。该平台采用标准三电极体系，以2B铅笔石墨棒（直径0.5 mm）为工作电极、无泄漏Ag/AgCl电极为参比电极、铂丝（直径0.5 mm）为对电极。在每孔测量后，系统自动进行多轮清洗并通过CV基线检测确保电极洁净。该平台利用商业化移液机器人、改装3D打印机与标准电化学工作站进行集成，成本可控且易于部署，适配标准ANSI/SLAS 96孔板规格。

**高通量平台性能与数据质量验证。** 研究人员以亚铁氰化钾为标准氧化还原探针进行了质量控制实验。同一孔内连续三次CV扫描显示峰位置和峰电流高度一致；完整96孔板的半波电位（E_1/2）呈近似正态分布，高斯拟合中心值为213 mV vs. Ag/AgCl，标准偏差仅3.58 mV；热图显示E_1/2在空间上均匀分布，无系统梯度或边缘效应；统计过程控制图显示所有96次测量均在±3σ控制限内。独立更换工作电极实验显示，电极间E_1/2均值为216.47 mV vs. Ag/AgCl，标准偏差为5.84 mV；峰值电流描述符的变异系数为I_pa 12.27%和|I_pc| 11.19%，而电流比|I_pc|/I_pa的变异系数仅1.42%，表明电流类描述符对电极依赖性因素更敏感，而电位类描述符和归一化CV形状具有良好的跨电极一致性。

**铅笔石墨工作电极评估与基准测试。** 研究人员将2B铅笔石墨电极与常规玻碳电极进行对比，两者在相同条件下均产生特征性的亚铁氰化钾氧化还原响应，峰位置匹配良好，但归一化CV曲线因电极几何形状不同而存在形状差异。扫描电子显微镜（SEM）显示HB和2B铅笔石墨表面形貌存在可见差异，2B样品中非石墨颗粒域较少；拉曼光谱显示两个独立采样的2B铅芯具有相似的D/G面积比（A_D/A_G值分别为2.09和2.00），而HB铅芯则较低（1.79）。这些结果支持选择2B铅笔石墨作为HT-EChem平台的实用工作电极，同时提示绝对峰值电流需谨慎解读，应以E_1/2为主要比较指标。

**案例研究I：金属-氨基羧酸盐体系中的机制知情分析。** 研究人员系统研究了Fe、Ni、Co、Mn、Cr等过渡金属离子与EDTA、DTPA、PDTA等APCA配体在不同pH（3-12）条件下的电化学行为。初始筛选显示Cr、Mn、Ni、Co基配方仅在有限pH范围内产生微弱信号，且与背景响应相当，无法可靠归属，因此研究聚焦于Fe(II)/Fe(III)电对。高密度pH扫描揭示了Fe(II)-PDTA体系在pH 5-7范围内出现独特的双还原峰现象：阳极扫描仅产生一个宽氧化峰，而阴极扫描出现两个分离的还原峰；Fe(III)-PDTA则始终只产生一个还原峰，Fe(II)-EDTA和Fe(II)-DTPA在整个pH范围内均无双峰行为。扫描速率依赖性实验显示，随扫描速率降低，第一个还原峰的相对强度减弱，第二个还原峰增强，这与氧化步骤后的时间依赖性化学过程一致，提示可能涉及电化学-化学（EC）耦合机制。研究人员推测PDTA的丙撑骨架使其配位构型介于EDTA和DTPA之间，可能允许在特定pH区间内暂时共存不同配位异构体。该双峰现象是初步机制假说而非最终结论，需通过光谱电化学、控制电位电解等方法进一步验证。pH依赖性分析显示，三种Fe(III)配合物的E_1/2均呈弱pH依赖性，斜率约为-6至-10 mV/pH，表明质子传递未直接耦合电子转移；ΔE_p随pH变化呈中等程度波动，EDTA配合物在碱性条件下可逆性明显降低。通过定义归一化峰电流f(pH) = I_p/I_pmax并取f(pH) > 0.8为电化学操作窗口，研究人员确定了不同配体的操作窗口：Fe(III)-PDTA仅在酸性条件（pH < 4.5）活性，Fe(III)-EDTA维持至近中性，Fe(III)-DTPA则具有延伸至碱性的最宽操作窗口；Fe(II)配合物的阳极峰电流在pH约6.5以上显著下降。这一结果表明配体结构可系统调节Fe(III)配合物保持电化学可及性的pH范围。

**案例研究II：有机氧化还原分子验证平台通用性。** 研究人员选取了2-蒽醌磺酸（AQS）、茜素红S（ARS）和亮天青蓝（CB）三种芳香族染料分子作为模型体系。系统测量的CV结果显示三种分子均表现出明显的pH依赖性氧化还原峰位移，E_1/2随pH升高而系统降低，符合醌型和染料分子常见的质子耦合氧化还原行为。然而，E_1/2-pH关系并非全pH范围内均匀线性，每个体系均存在一个或多个转变区：AQS显示三个区域（QH₂、QH^-和Q^2-），与文献报道的蒽醌衍生物pH依赖性形态分布一致；ARS和CB各显示一个碱性转变区，CB在碱性条件下的CV曲线中出现了第二个峰，为氧化还原响应转变提供了电化学证据。

**HT-EChem的实际适用范围与权衡。** 当前平台采用串行而非并行测量模式，通量低于专用并行电化学平台；铅笔石墨电极的表面积和表面状态不如抛光玻碳电极，绝对峰电流和动力学描述符变异性较大；平台尚未集成主动温度控制、惰性气氛控制、原位光谱、iR补偿和闭环自主决策功能。未来可通过多通道恒电位仪、固定暴露电极长度的绝缘涂层、谱电化学模块及主动学习工作流等途径加以改进。总体而言，HT-EChem应视为一种经济高效的、兼容微孔板的标准化对比筛选和pH分辨CV映射工作流程。

**结论。** 本研究开发并验证了HT-EChem，一种旨在解决传统电化学工作流程低通量、高样品消耗和标准化不足等关键局限的高通量电化学平台。通过集成自动化液体处理、电极定位、电化学测量和标准化数据处理，该平台能够快速、可重复地获取条件分辨的电化学数据集。基于Fe-APCA配合物模型体系，HT-EChem解析了配体依赖的电化学响应差异，定义了不同配体体系随pH变化的相对电化学操作窗口，并识别出Fe-PDTA独特的双还原峰行为。研究结果表明，标准化高密度测量能够支持氧化还原行为的比较分析，并为后续机制知情解读提供可靠基础。该平台还被成功应用于代表性有机氧化还原分子的研究，实现了与FB电解质评估相关的电位-pH和稳定性-pH曲线的高效构建。这项工作确立了HT-EChem作为一种可复现的工作流程，用于氧化还原候选物种的系统电化学研究，为可控化学条件下氧化还原活性分子的可扩展比较研究奠定了实验基础，并为FB研究中更结构化数据集的生成提供了一条实用途径。