CN107505381A - 便携式usb接口重金属离子检测装置及电极卡片 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种由电极卡片与薄层流动池组装的便携式USB接口重金属离子检测装置和其所使用的电极卡片。所述电极卡片表面具有三个电极，分别为工作电极、对电极和参比电极；电极卡片可插拔的密合插入所述薄层流动池的卡槽中；三个电极的三个条状的连接脚平行排列在电极卡片一端部形成接口端，接口端与连接脚按照USB规格设置形成USB接口，当接口端插入USB头时，三个连接脚各自与USB头内的不同引脚接触连通。本发明采用USB标准规范了电极卡片的接口，可方便的插在USB头上为电极供电，大大增加了电极卡片及检测装置的便捷性与通用性，提高了电极夹持的稳定性，降低了使用中对电极连接脚的磨损。
Description
技术领域
本发明涉及环境检测技术领域，特别涉及一种便携式USB(Universal SerialBus，通用串行总线)接口重金属离子检测装置，可用于阳极溶出伏安分析快速检出溶液中痕量重金属离子。本发明还提供了一种用于该检测装置的一端具有USB接口的电极卡片。
背景技术
全球电子电气工业发展产生的大量电子垃圾造成了严重的环境污染问题，对全球的生态环境带来了严峻的挑战。当前虽然电器产品的前处理技术已经非常成熟，比如采用微波消解技术在实现批量处理的同时，其设备对环境场地要求不高，可以用于现场检测，然而电器产品消解后，还需要对溶液中的重金属含量进行检测分析，目前常用的重金属检测装置多为大型仪器，总体而言成本高昂，检测样品消耗量大，且耗费人力，不适合现场快速检测，致使重金属离子现场检测效率难以提高。
以阳极溶出伏安法(Anodic Stripping Voltammetry，ASV)为基础实现重金属离子现场快速检测为值得期待的技术发展方向。ASV作为一种电化学分析方法，其检出限可达ppb～ppt级，完全满足重金属离子检测的灵敏度需要。传统的ASV重金属离子检测装置为烧杯中的工作电极、对电极和参比电极的三电极系统，尽管可以用于检测样品溶液中的痕量重金属离子，但检测过程却存在试样溶液消耗量大、预电解时间长、检测结果重现性差的缺点。作为ASV 的改进，Zhiwei Zou和Am Jang等人的研究公开了一种用于原位重金属离子检测的实验室芯片传感器，该传感器将两组小型的传感器电极串联设置于鞍形薄层空腔的微通道内，微通道两端点处分别设置直通的待测溶液进口和出口；每组电极均为三电极系统，连接各电极的引线排列形成触点区，通过触点将电极接入检测系统。上述芯片传感器检测装置利用微机电系统技术，基于芯片实验室的理念，实现了ASV检测仪器小型化。
在使用检测装置进行实际检测时，需要选择适当的连接手段将电极接入检测系统；传统的方法是使用鳄鱼夹夹持电极，适用于上述烧杯尺度下使用的电极的连接，但对于上述芯片级的检测装置中的小尺寸电极，由于电极连接脚之间间距往往很小，通常的夹具夹头尺寸难以匹配；为解决这一问题，出现了专门针对所使用小尺寸电极设计制作的特殊夹具，夹具夹头中包含3～4个平行的、并联的分别对应电极连接脚的触脚，但是该类形的夹具通常需要针对不同尺寸电极进行订制，电极连接的通用性和便捷性很差。
发明内容
本发明针对现有具有电极卡片检测装置中的电极与检测系统的连接存在不便的问题，提供了一种新型的便携式USB接口重金属离子检测装置及电极卡片，按照USB标准设计电极卡片的接口端和电极的连接脚，大大增加了检测装置的电极连接的通用性和稳定性。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种便携式USB接口重金属离子检测装置，包括微通道和伸入所述微通道中的三个电极，所述三个电极分别为工作电极、对电极和参比电极；所述微通道为设置于薄层流动池中的一个薄层状空腔；所述三个电极为设置在一个电极卡片的基片上的平面全固态电极；所述薄层流动池在所述微通道的两端设置有连通外部的进液管道和出液管道，所述薄层流动池还包括所述薄层状空腔下方设置的匹配所述电极卡片形状的卡槽；所述电极卡片可插拔的密合插入所述薄层流动池上的所述卡槽中，电极卡片可插拔的设计，可根据连续工作需要实现电极卡片的自由更换，避免样品间的交叉污染；其中：
所述电极卡片的一端部伸出所述卡槽之外，所述端部为接口端，所述三个电极的三个条状的连接脚平行排列在所述接口端，当所述接口端插入USB头时，三个所述连接脚各自与USB接口内的不同引脚接触连通。工作时通过接口端与USB接口连接为电极卡片上的三个电极施加电压，同时检测电极间的电流。
优选地，所述微通道的薄层状空腔设置为鞍形，所述进液管道和出液管道分别沿切线方向连接在所述薄层状空腔的两个顶端；
优选地，所述进液管道和出液管道具有凸出的管道口。
作为前述技术方案的优选，所述接口端与连接脚按照USB规格设置，因 USB接口具有平行排列的四个引脚，当所述接口端插入USB头时，三个所述连接脚与USB头内相邻的三个引脚分别接触。
本发明实施例还提供了一种电极卡片，在前述技术方案中使用，与所述薄层流动池组装形成所述便携式USB接口重金属离子检测装置。
本发明上述实施例的技术方案，通过薄层流动池的微通道和电极卡片配合组成检测装置，用于ASV法检测待测溶液中的重金属离子溶度，并采取了国际通用的USB标准设计电极卡片的连接脚，USB是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于信息通讯相关领域；本发明技术方案的有益效果为：采用USB标准规范了电极卡片的接口，可方便的插在USB头上为电极供电，大大增加了电极卡片及检测装置的便捷性与通用性，提高了电极夹持的稳定性，有效避免了连接电路短路等情况的发生，且降低了使用中对电极连接脚的磨损。
附图说明
图1为ASV分析原理示意图；
图2为传统三电极系统的ASV检测装置示意图；
图3为本发明实施例一的便携式USB接口重金属离子检测装置的结构示意图，其中，图3a为检测装置的立体图，图3b为图3a中检测装置的立体透视图；
图4为图3a所示检测装置的薄层流动池的结构示意图，其中，图4a为薄层流动池的立体结构透视图，图4b为图4a中薄层流动池的A-A剖视图；
图5为图3所示检测装置中具有三个电极的电极卡片的结构示意图，其中，图5a为电极卡片的立体图，图5b为电极卡片的俯视图；
图6为图3所示检测装置的组装结构示意图；
图7为本发明实施例电极接触脚与USB头引脚配合示意图；
图8为本发明实施例一种电极卡片与USB头连接示意图；
图9为本发明实施例的薄层流动池、电极卡片与USB头配合连接示意图；
图10为本发明实施例另一种电极卡片的结构俯视图；
图11为图10所示电极卡片与USB头连接的示意图。
[主要元件符号说明]
c1-烧杯；c2-盖板；c3-待测溶液；WE-碳钢工作电极；CE-不锈钢板辅助电极；RE-参比电极；c4-无纺布；
1-薄层流动池；11-微通道；12-进液管道；13-出液管道；14-卡槽；2-电极卡片；21-基片；22-工作区；23-参比电极；24-工作电极；25-对电极；26-接口端；261-连接脚；3-USB头；31-引脚。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明采用阳极溶出伏安法检测溶液中重金属离子浓度，该检测方法属于电化学分析中伏安法的一种，适于测定金属离子，以其极低的成本与高灵敏度，成为重金属检测的常用方法，其检出限可达ppb～ppt级，并可适用于30多种元素的分析检测。
通常的ASV检测原理如图1所示伏安曲线，ASV检测时，通过电极间施加电压，首先以工作电极作为阴极进行预电解进行预电解，使溶液中的重金属离子还原析出为金属富集在工作电极表面；预电解完成并静置后开始进行溶出，将工作电极的电位由负向正方向等速扫描，使沉积于工作电极表面的待测重金属氧化为离子而溶出，在溶出过程记录溶出电流，并对电位作图，根据溶出时的伏安曲线的峰高即可确定待测金属物质的浓度。
一种现有的ASV装置如图2所示，将碳钢工作电极WE、参比电极RE 和包裹无纺布c4的不锈钢板辅助电极CE组成的三电极系统插入盛有含痕量重金属离子的待测溶液c3的烧杯c1中进行检测；预电解过程中，在工作电极和参比电极之间加电压，当工作电极电位超过待测重金属离子的析出电势时，溶液中的重金属离子在工作电极表面还原析出，测量得到图1中电流负向区域的富集伏安曲线；溶出过程通过持续测量工作电极和对电极所构成回路中的电流并记录工作电极的相应电位，得到图1中电流正向区域的溶出伏安曲线，并测得一个μA级或更小的峰值电流ip，若控制所有操作条件高度一致，则该峰值电流ip的大小仅与溶液中待测金属离子的浓度呈线性正相关，通过与相同条件下的标准溶液对比得出待测浓度。
随着微流控技术的发展及检测装置小型化的需求，出现了用于重金属离子 ASV检测的微流控检测装置，该微流控检测装置将微通道与芯片传感器结合，将分析检测的各个过程集合在微通道中的芯片传感器上完成；微通道的小尺度不仅使得分析设备在整体尺寸上微型化，也带来了很多微米和纳米效应，使其与传统的分析系统相比，分析性能有了显著的提高。
在实际检测时，需要选择适当的连接手段将电极接入检测系统，传统的方法是使用鳄鱼夹夹持电极；鳄鱼夹形似鳄鱼嘴的接线端子，又称弹簧夹、电夹，多暂时性电路连接，其尺寸大小多样，且使用过程操作简单，适用于图2所示的传统尺寸电极的连接；然而，对于上述具有微通道的小型化检测装置，传统的鳄鱼夹难以适用，由于微通道中的电极尺寸也很小，电极连接脚之间的间距往往较小，传统夹具夹头尺寸无法匹配连接脚尺寸，夹持稳定性较差，夹具容易相互接触造成连接电路短路等情况的发生，此外在使用过程中还容易磨损检测装置电极连接脚，导致检测装置寿命变短。为解决鳄鱼夹等传统夹具存在的不能适用于小尺寸电极连接的问题，有研究学者专门针对所使用的卡片电极设计制作特殊的夹具，夹具夹头中包含3～4个平行的、并联的金属触脚，分别对应电极连接脚的触脚，可以有效地实现与检测装置电极的稳定连接，但是该类形的夹具尺寸需要针对不同尺寸的电极进行特别定制，连接不同大小的夹具并不能通用，实际使用中存在较大的不便。
针对现有的用于ASV分析重金属离子的检测装置存在的不足，如图3至图6所示，本实施例提供了一种便携式USB接口重金属离子检测装置。所述检测装置由薄层流动池1和电极卡片2两部分组装而成，如图3a所示为组装后的检测装置动，本实施例中薄层流动池1采用透明材质制作，也可根据实际需要选择非透明材质。
本实施例中，如图4所示，微通道11的空腔中段为矩形，两端头为半圆形的，整体呈现鞍形；本发明检测装置的微通道并不限于所述的鞍形，在薄层状空腔结构的基础上，还可设计为矩形、圆形、椭圆形等多种形状，其中以矩形和鞍形最为常用。进液管道12和出液管道13分别连接在该微通道11的鞍形空腔的两顶端，连接点管口方向与该点的空腔边缘相切，两个管道由微通道 11通向薄层流动池1的外部，在外壁上形成凸出的管道口，管道的内径小于等于微通道11厚度；进液管道和出液管道与微通道的连接位置和管口方向也具有多种选择，通常进液管道和出液管道分别连接在微通道的空腔长度方向的两端，以有利于待测溶液顺畅地流经整个微通道，管口方向通常设计为连接点处空腔边缘的法线或切线方向，也可以根据实际需要选择其它方向。上述微通道和管道的结构为本发明检测装置较佳的实施方式，以下实施例中均以鞍形为基本的微通道形状进行说明。
本实施例中，微通道11下方具有一个通向薄层流动池1外壁的矩形薄片状的卡槽14，该卡槽14的形状尺寸与本实施例中所用的电极卡片2相匹配，电极卡片2插入卡槽14时可形成密合，插入的电极卡片2可方便的拔出实现更换。
本实施例中电极卡片2的结构如图5a和图5b所示，基片21上的工作区 22内包含了三个串联式排列的块状电极，由上至下依次为参比电极23、工作电极24和对电极25；为方便电极与检测系统(通常为电化学分析工作站)连接，电极卡片2与薄层流动池1组装在一起时，电极卡片2的一端部伸出卡槽 14之外，端部为接口端26，三个电极的三个条状的连接脚261位于接口端26；当电极卡片2与薄层流动池1组装时，如图6所示，电极卡片2插入卡槽14到底，工作区22完全进入微通道11内，微通道11与这三个电极组成重金属离子检测时核心工作区域。
本实施例中，为进一步方便电极与检测系统连接，如图7至图9所示，将接口端26和连接脚261按照四引脚USB头的规格设置，三个电极的三个条状的连接脚261平行排列在接口端26；当接口端26插入USB头3时，三个连接脚261各自与USB头3内的不同引脚31接触连通；
由于每个连接脚261分别与一个引脚31接触，USB头3具有四个引脚31，而连接脚261一共有三个，因此只需要用到三个引脚31，连接脚261与引脚 31的一种配合方式如图7所示：三个连接脚261分别与USB头3右侧的三个相邻的引脚31一一对应；同理，三个连接脚261也可以设置为与USB头中任意三个引脚对应，无论所述引脚是否相邻。
作为接口端的一种实施方式，当电极卡片2的基片21宽度大于USB头3 的宽度时，可将基片21上的接口端26右侧收窄，使接口端26配合USB头3 宽度，且三个连接脚261在接口端26中偏右侧分布，保证接口端26插入USB 头3时三个连接脚261与USB头3右侧的三个相邻的引脚31接触，如图8和图9所示为上述电极卡片2与USB头3及薄层流动池1分别配合的状态；
作为接口端的另一种设置方式，如图10所示，也可将接口端26左、右侧同时收窄，使接口端26配合USB头3宽度，且三个连接脚261在接口端26 中偏左侧分布，保证接口端26插入USB头3时三个连接脚261与USB头3 左侧的三个相邻的引脚31接触，如图11所示为该电极卡片2与USB头3配合的状态。
理想的，可将接口端26及三个电极的连接脚261均按照USB的标准规格制作，这样与USB头的连接更加便捷稳固。
本发明实施例还提供了一种电极卡片，该电极卡片上具有三个电极，且具有与USB头匹配的接口端和连接脚，与薄层流动池组装即可构成上述实施例中的便携式USB接口重金属离子检测装置。
在上述实施例的便携式USB接口重金属离子检测装置中，薄层流动池1 和电极卡片2组成了完整的微流控系统，通过ASV方法进行溶液中重金属离子检测的基本流程为：
1.待测溶液的配制：在含有重金属离子的待测溶液中加入铋离子(Bi3+) 溶液和酸性底液；
2.检测系统的组装：将所述薄层流动池的进液管道和出液管道分别连接进液软管和出液软管，进液软管伸入所述待测溶液中，进液软管上设置蠕动泵，将所述电极卡片的接口端插入电化学分析工作站的USB头中，使三个电极接通电化学分析工作站；
3.富集过程：调节电化学分析工作站，在工作电极和参比电极间施加负电压；打开蠕动泵，驱动待测溶液从进液管道流入微通道开始预电解，废液自出液管道排出；预电解结束后，关闭蠕动泵，静置待测溶液；
4.溶出过程：调节电化学分析工作站使工作电极和参比电极间施加的电压由负向正扫描，工作电极上富集的待测重金属重新溶出；
5.检测数据采集：记录溶出过程工作电极和对电极回路中电流与工作电极电位，获得溶出伏安曲线；通过溶出伏安曲线得到待测溶液的峰值电流ip，将 ip与已知浓度的标准试样在相同条件下检测得到的峰值电流值对比计算，即可得出待测溶液浓度。
以上所述方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述；各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系基于附图所示，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种便携式USB接口重金属离子检测装置，包括微通道（11）和伸入所述微通道（11）中的三个电极，所述三个电极分别为工作电极（24）、对电极（25）和参比电极（23），其特征在于：
所述微通道（11）为设置于薄层流动池（1）中的一个薄层状空腔；所述三个电极为设置在一个电极卡片（2）的基片（21）上的平面全固态电极；所述薄层流动池（1）在所述微通道（11）的两端设置有连通外部的进液管道（12）和出液管道（13），所述薄层流动池（1）还包括所述薄层状空腔下方设置的匹配所述电极卡片（2）形状的卡槽（14）；所述电极卡片（2）可插拔的密合插入所述薄层流动池（1）上的所述卡槽（14）中，其中：
所述电极卡片（2）的一端部伸出所述卡槽（14）之外，所述端部为接口端（26），所述三个电极的三个条状的连接脚（261）平行排列在所述接口端（26），当所述接口端（26）插入USB头时，三个所述连接脚（261）各自与USB接口内的不同引脚接触连通。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述微通道（11）的薄层状空腔为鞍形，所述进液管道（12）和出液管道（13）分别沿切线方向连接在所述薄层状空腔的两个顶端。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述进液管道（12）和出液管道（13）具有凸出的管道口。
4.根据权利要求1至3任一项所述的检测装置，其特征在于，所述接口端（26）与连接脚（261）按照USB规格设置，当所述接口端（26）插入USB头时，三个所述连接脚（261）与USB头内相邻的三个引脚分别接触。
5.一种权利要求1至4任一项所述的便携式USB接口重金属离子检测装置使用的电极卡片（2）。
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