CN102455375B - 用于自动化扫描振荡电极技术的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自动控制微电极以振荡方式接近样品进行测量，非接触获得被测样品电压梯度或电流密度信息的方法。该技术系统包括信号采集单元(1)、多维运动单元(2)、控制单元(3)以及显微成像/视频采集单元(4)。控制单元(3)不仅能向多维运动单元(2)和显微成像/视频采集单元(4)发出控制指令，控制微电极振荡及微电极与被测样品的运动，实现微电极对被测样品信息的采集；还能够分析信号采集单元(1)及显微成像/视频采集单元(4)传输的信号，获得测量结果。该方法不接触或侵入被测样品，不造成样品损伤，操作自动化程度高，所获数据稳定可靠，能够应用于生物活体及非生物体等诸多样品。
Description
技术领域：
本发明涉及一种自动控制微电极以振荡方式接近样品进行测量，非接触获得被测样品电压梯度或电流密度信息的方法，属光电机一体化技术领域。
背景技术：
带电离子的流动会产生电流。在生命科学、医学、材料科学等诸多领域，对离子电流的检测具有非常重要的意义。例如，在医学领域中，特定的离子电流是很多生理过程如伤口愈合过程的调控信号，检测离子电流可以提出针对性的治疗措施；在材料科学领域，金属材料的腐蚀过程伴随着离子电流的产生和扩大过程，对离子电流的检测不仅能够精确判断腐蚀反应的机制并提出相应的防腐手段，还能对现有防腐手段的效果进行科学评价。
在很多情况下，用电流密度即单位面积内的电流量来表征离子电流的大小。根据欧姆定律，电阻率不变的条件下，电流密度与单位面积内的电压梯度成比例关系，因此通过测量电压梯度也可以获得电流密度信息。
基于电流密度的重要性，检测样品电流密度的方法已有大量报道。但以驱动微电极振荡方式非接触性测量样品电压梯度或电流密度的方法尚未见报道。
发明内容：
本发明提供的自动化扫描振荡电极技术，包括：信号采集单元、多维运动单元、控制单元以及显微成像/视频采集单元。
下面具体说明本发明各单元的部件及结构关系。
所述的信号采集单元包括信号处理器、前置放大器、微电极、微电极振荡器以及其他必要配件。其他必要配件主要包括参比电极、测量器皿、液体介质等。微电极既可以是金属微电极，如铂铱合金微电极、不锈钢微电极，也可以是其他类型的微电极。微电极需要具有一定强度以保证振荡过程中不被损坏。微电极数量一般是一个，特殊情况下也是多个。样品测量一般需要液体介质环境，被测样品、微电极与参比电极都处于液体介质中。微电极一般要近距离接近被测样品，具体接近程度根据测量实验的要求确定。参比电极与被测样品要保持一定的距离，以避免干扰测量信号。
所述的多维运动单元包括运动控制器、驱动器以及其他必要配件。其他必要配件主要包括位移传递架、固定连接弹簧、铅制螺杆等。运动控制器的运动指令发送到驱动器，驱动器通过位移传递架等的配合驱动微电极按照指令运动。
所述的控制单元包括控制硬件单元和控制软件单元。控制硬件单元为控制软件单元的物质载体，控制软件单元通过控制硬件单元发挥功能。控制软件单元包括自动化扫描振荡电极技术专用软件及其他必要配套软件。自动化扫描振荡电极技术专用软件指自动化扫描振荡电极技术专用，集成了微电极信号采集及数据处理、微电极运动控制、被测样品运动控制等诸多功能的软件系统。其他必要配套软件指自动化扫描振荡电极技术专用软件发挥功能所不可缺少的配套软件，如操作系统、文本处理软件等。控制硬件单元包括系统控制盒以及其他必要配件，其他必要配件主要包括数据连接线等。
所述的显微成像/视频采集单元包括显微镜、视频采集器以及其他必要配件。显微镜既可以是普通光学显微镜，如倒置显微镜、金相显微镜等，也可以是其他类型的显微镜，如荧光显微镜等。视频采集器为能够采集被测样品及微电极图像的硬件设备，如CCD摄像头等。其他必要配件主要包括连接线、配套工具等。
下面具体说明本发明技术系统各单元部件之间的线路关系。
信号采集单元的微电极与前置放大器连接，前置放大器一方面与信号处理器连接，一方面与多维运动单元的驱动器连接；驱动器与运动控制器连接，信号处理器和运动控制器都与控制单元的控制硬件单元连接；微电极振荡器一方面与微电极连接，另一方面与控制硬件单元连接；控制硬件单元还分别与显微成像/视频采集单元的显微镜及视频采集器连接，显微镜与视频采集器相互连接。上述部件的连接关系需要各单元的其他必要配件配合完成。
本发明提供的自动化扫描振荡电极技术，通过微电极振荡的方式采集样品电压梯度或电流密度信息，测量过程不接触或侵入样品，不对样品造成损伤，操作自动化程度高，方便快捷，样品范围广，所获取的数据准确可靠，具有极高的实际应用价值。
附图说明：
图1是自动化扫描振荡电极技术的组成示意图。
图2是自动化扫描振荡电极技术的部件连接示意图。
图3是A24钢筋样品在只含有腐蚀成分的溶液中浸泡24小时后自动化扫描振荡电极技术获取的电流密度分布图。
图4是A24钢筋样品在含有腐蚀成分和抑制剂的溶液中浸泡24小时后自动化扫描振荡电极技术获取的电流密度分布图。
具体实施方式：
下面用实施例对本发明做进一步说明，但本发明不限于这一实施例。
实施例：
本实施例以自动化扫描振荡电极技术测量钢筋电流密度，表征氨基醇抑制剂的缓蚀作用。被测样品为A24钢筋，所使用抑制剂商品编号为
所使用的腐蚀成分为NaCl。
自动化扫描振荡电极技术的测量过程一般要求被测样品处于液体介质中。测量开始前，被测的A24钢筋样品可固定在测量器皿中并添加液体介质。由于样品形状、尺寸等性质的不同，有时需要将样品进行树脂包埋固定，此时可以直接向包埋体内添加液体介质，无需再使用测量器皿。样品添加液体介质后，置于显微镜4-1的载物台上。微电极1-3和参比电极也置入液体介质中。通过调节显微镜4-1，使微电极1-3与被测样品处于显微镜4-1下同一视野内。参比电极与被测样品要保持一定的距离，以避免干扰测量信号。
在控制单元3的控制软件单元3-2中，实验人员依据测量要求，以对话框方式或编程方式设定测量程序，测量程序包括微电极1-3与被测样品相对位置、微电极1-3的振荡方式、微电极1-3的测量方式(点、线、面或立体)等内容。
上述准备工作完成后，测量过程即正式开始。控制单元3的控制软件单元3-2根据测量程序发出运动控制指令，通过控制硬件单元3-1发送给运动控制器2-1及显微镜4-1，运动控制器2-1发出运动指令给驱动器2-2驱动微电极1-3运动，显微镜4-1通过载物台X、Y及Z轴方向的移动带动被测样品运动，将被测样品与微电极1-3置于测量程序所设定的相对位置。随后控制软件单元3-2通过控制硬件单元3-1发出振荡控制指令给微电极振荡器1-4带动微电极1-3振荡，即开始数据采集。
微电极1-3所获得的被测样品原始信号经前置放大器1-2初步放大后经信号处理器1-1进一步加工处理，再通过控制硬件单元3-1传输到控制软件单元3-2。测量过程中，视频采集器4-2也会实时采集被测样品及微电极1-3的图像信息，通过控制硬件单元3-1传输到控制软件单元3-2。控制软件单元3-2能够分析并储存上述信号和图像信息，获得最终测量结果。测量过程中自动化扫描振荡电极技术的部件连接关系如图2所示。
为验证抑制剂的实际防腐效果，进行一组两个对照实验。实验一为A24钢筋样品在只含有腐蚀成分的溶液中浸泡24小时后，样品表面选取2mm×2mm的区域用自动化扫描振荡电极技术进行平面扫描获取电流密度数据；实验二为A24钢筋样品在含有腐蚀成分和抑制剂的溶液中浸泡24小时后，使用自动化扫描振荡电极技术进行平面扫描获取电流密度数据，本实验溶液中的腐蚀成分的浓度及样品表面扫描区域的面积均与实验一完全相同。
实验一得到的电流密度分布如图3所示。可以看出，在腐蚀成分的作用下浸泡24小时后，A24钢筋样品表面出现了一个明显的正电流密度集中区域，该区域的电流密度最高达到近700μA/cm2。自动化扫描振荡电极技术测得正的电流密度意味着阳离子由金属表面向液体介质流动扩散，因而可以判断，样品表面已经出现了非常严重的局部腐蚀。视频采集器采集到的样品图像信息也显示该区域出现了肉眼可见的腐蚀点，进一步验证了上述结论。
实验二得到的电流密度分布如图4所示。可以看出，在腐蚀成分和抑制剂的共同作用下浸泡24小时后，样品表面的电流密度分布非常均匀，没有明显的集中区域，幅度在±20μA/cm2范围内，和实验一相比，这充分表明样品表面并没有腐蚀现象产生，抑制剂起到了比较理想的防腐作用。
Claims (3)
1.用于自动化扫描振荡电极技术的装置，其特征是，所述装置包括信号采集单元(1)、多维运动单元(2)、控制单元(3)以及显微成像和视频采集单元(4)；所述的信号采集单元(1)包括信号处理器(1-1)、前置放大器(1-2)、微电极(1-3)、微电极振荡器(1-4)；所述的多维运动单元(2)包括运动控制器(2-1)、驱动器(2-2)；
所述的控制单元(3)包括控制硬件单元(3-1)和控制软件单元(3-2)；所述的控制硬件单元包括系统控制盒；所述的控制软件单元(3-2)包括自动化扫描振荡电极技术专用软件；所述的控制硬件单元(3-1)为控制软件单元(3-2)的物质载体，控制软件单元(3-2)通过控制硬件单元(3-1)发挥功能；
所述的显微成像和视频采集单元(4)包括显微镜(4-1)、视频采集器(4-2)；所述的显微镜是倒置显微镜、金相显微镜或荧光显微镜；所述的视频采集器(4-2)为能够采集被测样品及微电极(1-3)图像的CCD摄像头；
所述的微电极振荡器在测量过程中实时带动微电极(1-3)振荡，微电极(1-3)的振荡方式是正弦型或余弦型；
所述的自动化扫描振荡电极技术能够获得被测样品表面或接近被测样品表面区域内的电压梯度或电流密度信息。
2.根据权利要求1所述的用于自动化扫描振荡电极技术的装置，其特征是，所述的自动化扫描振荡电极技术测量过程中微电极(1-3)以接近而非接触或侵入样品的方式采集数据，微电极和样品的接近程度能够人为设定。
3.根据权利要求1所述的用于自动化扫描振荡电极技术的装置，其特征是，所述的自动化扫描振荡电极技术能够采集单个点的数据，或能够根据人为设定以扫描方式采集一维直线、二维平面或三维立体空间内的数据。
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