CN103267792B - 一种用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析系统，其特征在于，所述智能化学分析系统主要由嵌入式模块，恒电位仪，三电极传感器组成。本发明在自研发的恒电位仪基础上，结合嵌入式模块，采用了二次激发采集的方式，通过第一次激发采集自动拟合出溶液电阻，并将电阻产生的电信号附加到第二次的激发信号中，再通过二次采集并结合实时傅里叶变换及主成分分析得到优化的弱电解质溶液整体区分图。这一方法具有检测效果好，应用范围广，对溶液性质影响小等优点。

Description

一种用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析系统及方法，能够给出弱电解质溶液样品的整体区分图。

背景技术

如今，电化学方法已经越来越多的被人们用于液体样品的整体综合评价，并且在酒类、茶饮料、果汁、奶类样品的区分辨识方面有了很大的突破。

本发明申请人于2007年申请的中国专利200710068869X公开了一种用于液体样品的智能化学分析系统，采用多频脉冲伏安法为信号激发采集模式，相比现有技术响应信号强，信噪音比高，信息量更丰富。

但是电化学方法也有一定的缺陷，对于弱电解质溶液，如纯净水、糖溶液等实际检测效果不是很理想。原因是弱电解质溶液导电性很差，采集得到的信号很微弱，容易受环境噪声的影响，并且随着检测时间的增加，溶液容易被空气中的杂质及微生物污染。传统的方法是在弱电解质溶液中加入一些性质稳定的强电解质溶液如氯化钾、氯化钠等或者从三电极传感器考虑，缩小电极之间的距离。这些方法都能一定程度上改进弱电解质溶液的测试方法及条件，但是还是有一定的局限性，加入强电解质溶液一定程度上改变了弱电解质溶液本身的性质。缩短电极之间的距离也不能完全消除弱电解质溶液信号弱，易污染等特点。

发明内容

为解决弱电解质溶液区分检测困难的问题，本发明提供了一种用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析系统及方法，具有检测效果好，应用范围广，对溶液性质影响小等优点。

为了实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析系统，其特征在于，所述智能化学分析系统主要由嵌入式模块，恒电位仪，三电极传感器组成；

嵌入式模块包含处理器芯片、扩展接口、操作系统、数据智能分析软件；

恒电位仪由运放芯片U1-U6、电阻R1-R4及数字电位器RF、独石电容C1、C2，及模拟开关S组成；其中U1、U2是电压跟随器，R1和R2是比例电阻，U3、U4、U5以及C1、R3、R4组成了恒电位电路，U6、C2、数字电位器RF组成电流电压转换电路；模拟开关S控制叠加电压信号是否导入，工作电极RE、对电极CE、参比电极WE构成三电极传感器，IN和OUT端口连接嵌入式模块的模拟输入输出端口。

进一步地，所述三电极传感器中，工作电极WE为2mm直径的圆柱铂电极，对电极CE为2mm直径的圆柱铂电极，参比电极RE为银-氯化银电极。

本发明还公开了一种用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)关闭模拟开关，嵌入式模块对恒电位仪施加一组如图2所示的阶梯方波脉冲激发信号：从1.0V开始，然后每次变化0.2V一直到-1.0V，在两个不同的频率段之间插入5s时间间隔；激发的同时采集通过工作电极的电流电压信号，得到溶液的扫描图谱；

所述嵌入式模块包含处理器芯片、扩展接口、操作系统、数据智能分析软件；

所述恒电位仪由运放芯片U1-U6、电阻R1-R4及数字电位器RF、独石电容C1、C2，及模拟开关S组成；其中U1、U2是电压跟随器，R1和R2是比例电阻，U3、U4、U5以及C1、R3、R4组成了恒电位电路，U6、C2、数字电位器RF组成电流电压转换电路；模拟开关S控制叠加电压信号是否导入，RE、CE、WE构成三电极传感器，IN和OUT端口连接嵌入式模块的模拟输入输出端口；

恒电位仪的电路连接方式如下：

参比电极RE连接运算放大器U4的正端组成电压跟随器，U4的负端与U4的输出端连接；电压输入IN端口连接运算放大器U1的正端组成电压跟随器，U1的负端与U1的输出端连接；U1和U4的输出端各自分别连接比例电阻R1和R2后，R1连接到运算放大器U3的负端，R2连接到U3的正端；U3的输出端接运算放大器U5的负端，U5的正端接地，U5的输出端通过电阻R3连接到辅助电极CE，独石电容C1并联于U5的负端和输出端，辅助电极CE还与电阻R4连接，R4的另一端接地；工作电极WE接运算放大器U6的负端，U6的正端接地；独石电容C2、数字电位器RF相互并联，再并联于U6的负端和输出端，从而U6、C2、RF组成电流电压转换电路，用来测定流过工作电极的电流，其中U6的输出端作为OUT端口；运算放大器U2同样作为电压跟随器，U2的负端连接U2的输出端，U2的输出端与U1的输出端相连，U2的正端连接模拟开关S1的一端，模拟开关S1的另一端连接U6的输出端；

(2)提取图谱中的极值点和突变点信息，并进行线性拟合，取拟合直线的斜率值得到待测弱电解质溶液的电阻值；

(3)系统输出数字量自动调节数字电位器以匹配待测弱电解质溶液的阻值信息，同时打开模拟开关将匹配的阻值所产生的电信号附加到恒电位仪的输入端；

(4)嵌入式模块对恒电位仪施加一组如图4所示的正弦包络激发信号，该信号是由1Hz和0.05Hz的正弦信号相乘得到的，所激发的包络信号的三个频率段为1Hz、10Hz、100Hz；

(5)采集通过工作电极的电流电压信号，得到溶液的扫描图谱，将图谱做实时傅里叶变换得到一组特征值，对这组特征值再做主成分分析，得到这一弱电解质物质对应主成分得分图上的散点图；

(6)依次测试不同种弱电解质物质，从主成分散点图得到弱电解质物质的整体区分图。

本发明在自研发的恒电位仪基础上，结合嵌入式模块，采用了二次激发采集的方式，通过第一次激发采集自动拟合出溶液电阻，并将电阻产生的电信号附加到第二次的激发信号中，再通过二次采集并结合实时傅里叶变换及主成分分析得到优化的弱电解质溶液整体区分图。这一方法具有检测效果好，应用范围广，对溶液性质影响小等优点。

附图说明

图1为本发明的用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析系统及恒电位仪部分的电路原理图。

图2为第一次激发所产生的阶梯方波信号示意图。

图3为第一次采集得到的溶液扫描图谱以及极值点和拐点示意图。

图4为第二次激发产生的正弦包络信号示意图。

图5A、5B分别为采用原始的电化学检测方法和本发明的方法对4种糖类物质的主成分区分结果图。

图6A、6B分别为采用原始的电化学检测方法和本发明的方法对5种纯净水和矿物质水的主成分区分结果图。

具体实施例

实施例1：采用本发明的系统及方法和原始的电化学检测方法对4种糖类物质(果糖、葡萄糖、麦芽糖和乳糖，溶液浓度均为0.01mol/)的检测对比试验。

一、本发明的系统及方法：

如图1所示的用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析系统，主要由嵌入式模块，恒电位仪，三电极传感器组成；其中，

嵌入式模块的硬件平台为Intel公司的32位XScale PXA27X处理器芯片，主频为404MHz，配备512M的内存，含有PCI、232串口、USB等扩展接口，数据智能分析软件等。嵌入式模块的软件系统采用Linux操作系统。

恒电位仪由运放芯片U1-U6、电阻R1-R4及数字电位器RF、独石电容C1、C2，及模拟开关S组成；其中U1、U2是电压跟随器，R1和R2是比例电阻，U3、U4、U5以及C1、R3、R4组成了恒电位电路，U6、C2、数字电位器RF组成电流电压转换电路；模拟开关S控制叠加电压信号是否导入，工作电极RE、对电极CE、参比电极WE构成三电极传感器，IN和OUT端口连接嵌入式模块的模拟输入输出端口。

三电极传感器中，工作电极WE为2mm直径的圆柱铂电极，对电极CE为2mm直径的圆柱铂电极，参比电极RE为银-氯化银电极。

用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析方法，包括以下步骤：

(1)将三电极传感器浸入液体样品中；

(2)第一次激发采集：关闭模拟开关，嵌入式模块对恒电位仪施加一组如图2所示的阶梯方波脉冲激发信号：从1.0V开始，然后每次变化0.2V一直到-1.0V，在两个不同的频率段之间插入5s时间间隔；激发的同时采集通过工作电极的电流电压信号，得到如图3所示的溶液的扫描图谱；

(3)提取图谱中的极值点和突变点信息(图3黑点所示)，并进行线性拟合，取拟合直线的斜率值即可计算出待测弱电解质溶液的电阻值；

(4)系统输出数字量自动调节数字电位器以匹配待测弱电解质溶液的阻值信息，同时打开模拟开关将匹配的阻值所产生的电信号附加到恒电位仪的输入端；

(5)第二次激发采集：嵌入式模块对恒电位仪施加一组如图4所示的正弦包络激发信号，该信号是由1Hz和0.05Hz的正弦信号相乘得到的，所激发的包络信号的三个频率段为1Hz、10Hz、100Hz；

(6)在OUT输出端口，采集通过工作电极的电流电压信号，得到溶液的扫描图谱，将图谱做实时傅里叶变换得到一组特征值，对这组特征值再做主成分分析，得到这一弱电解质物质对应主成分得分图上的散点图；

(7)依次测试不同种弱电解质物质，从主成分散点图得到弱电解质物质的整体区分图。

重复上述步骤测完4组糖类物质，即可得到4种糖类物质的主成分散点图，如图5A所示。

二、用原始电化学方法检测

单片机控制激励信号输入恒电位仪施加到辅助电极，测试溶液作为一种导电介质使得工作电极上产生一定的电流，电流通过电流跟随器转换为电压，提取电压的极值点及拐点信息并做主成分分析。

用原始恒电位电化学方法得到的主成分散点图如图5B所示。

从4种糖类物质的主成分散点图5A和5B对比中可以看出，采用原始电化学检测方法不能很好的区分4种糖类物质，而本发明的系统和方法可以很好的达到区分糖类这一弱电解质溶液的目的。

实施例2：采用本发明的系统及方法和原始的电化学检测方法，对不同厂家生产的纯净水和矿物质水的区分检测对比试验。

本发明的智能化学分析系统和方法，原始电化学方法与实施例1相同。

采用本发明系统和方法得到的5种市售纯净水和矿物质水(可口可乐纯净水、娃哈哈纯净水、丹味竹炭水、怡宝纯净水、康师傅矿物质水)的主成分散点图如图6A所示。

采用原始恒电位电化学方法得到的主成分散点图如图6B所示。

可以发现本发明方法相对于原始电化学方法对5种样品有较强的区分辨识能力，4种纯净水样品位于同一侧且相互分离，而矿物质水样品与纯净水所在区域相隔较远，说明该方法可以很好的达到区分纯净水和矿物质水这一类弱电解质溶液的目的。

Claims (1)

1.一种用于弱电解质样品区分检测的智能化学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)关闭模拟开关，嵌入式模块对恒电位仪施加一组阶梯方波脉冲激发信号：从1.0V开始，然后每次变化0.2V一直到-1.0V，在两个不同的频率段之间插入5s时间间隔；激发的同时采集通过工作电极的电流电压信号，得到溶液的扫描图谱；

所述嵌入式模块包含处理器芯片、扩展接口、操作系统、数据智能分析软件；

所述恒电位仪由运放芯片U1-U6、电阻R1-R4及数字电位器RF、独石电容C1、C2，及模拟开关S组成；其中U1、U2是电压跟随器，R1和R2是比例电阻，U3、U4、U5以及C1、R3、R4组成了恒电位电路，U6、C2、数字电位器RF组成电流电压转换电路；模拟开关S控制叠加电压信号是否导入，RE、CE、WE构成三电极传感器，IN和OUT端口连接嵌入式模块的模拟输入输出端口；

恒电位仪的电路连接方式如下：

参比电极RE连接运算放大器U4的正端组成电压跟随器，U4的负端与U4的输出端连接；电压输入IN端口连接运算放大器U1的正端组成电压跟随器，U1的负端与U1的输出端连接；U1和U4的输出端各自分别连接比例电阻R1和R2后，R1连接到运算放大器U3的负端，R2连接到U3的正端；U3的输出端接运算放大器U5的负端，U5的正端接地，U5的输出端通过电阻R3连接到辅助电极CE，独石电容C1并联于U5的负端和输出端，辅助电极CE还与电阻R4连接，R4的另一端接地；工作电极WE接运算放大器U6的负端，U6的正端接地；独石电容C2、数字电位器RF相互并联，再并联于U6的负端和输出端，从而U6、C2、RF组成电流电压转换电路，用来测定流过工作电极的电流，其中U6的输出端作为OUT端口；运算放大器U2同样作为电压跟随器，U2的负端连接U2的输出端，U2的输出端与U1的输出端相连，U2的正端连接模拟开关S1的一端，模拟开关S1的另一端连接U6的输出端；

(2)提取图谱中的极值点和突变点信息，并进行线性拟合，取拟合直线的斜率值得到待测弱电解质溶液的电阻值；

(3)系统输出数字量自动调节数字电位器以匹配待测弱电解质溶液的阻值信息，同时打开模拟开关将匹配的阻值所产生的电信号附加到恒电位仪的输入端；

(4)嵌入式模块对恒电位仪施加一组正弦包络激发信号，该信号是由1Hz和0.05Hz的正弦信号相乘得到的，所激发的包络信号的三个频率段为1Hz、10Hz、100Hz；

(5)采集通过工作电极的电流电压信号，得到溶液的扫描图谱，将图谱做实时傅里叶变换得到一组特征值，对这组特征值再做主成分分析，得到这一弱电解质物质对应主成分得分图上的散点图；

(6)依次测试不同种弱电解质物质，从主成分散点图得到弱电解质物质的整体区分图。