CN109060924A - 一种基于云分析的多维电化学检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于云分析的多维电化学检测系统，包括电化学检测子系统和云分析子系统，所述的电化学检测子系统包括依次连接的阵列式电极、电化学检测装置和网络接入终端，所述的阵列式电极包括依次层叠连接的基板、电极层和绝缘层，所述的电极层印制在基板上，电极层上的电极包括一个对电极、一个参比电极和多个工作电极，基板印制有导电触点阵列，各触点通过导线分别连接至对应电极，用于接入电化学检测装置，所述的云分析子系统与网络接入终端远程连接。与现有技术相比，本发明通过引入多通道工作电极，可同时对复杂样品中的多种待测物进行检测，减少时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学检测装置，尤其是涉及一种基于云分析的多维电化学检测系统。
背景技术
电化学仪器的作用原理是依据物质的电化学性质来测定物质组成及含量。它把化学过程中的现象以电势差、电流、电量、电阻(电导)、电容等形式进行测量和表达。因此，电化学检测仪器需要不断向集成化、微型化的趋势发展，并且需要大大提高测量速度、检测灵敏度与分辨率。
传统电化学设备采用双电极或三电极工作体系，只有单一的工作电极，因此在一些特殊检测场合有如下几点问题：(1)面对实际样品的复杂性，单项检测必然不能完全满足人们对于进一步快速认识待测分析物的要求。(2)仪器所配备的电极形式单一，无法灵活的根据特定的实验场合进行更改。(3)同时检测多种物质极易受干扰与影响，无法得到实时准确的信息。(4)传统电化学仪器体积大、占用空间多，较难与其他仪器设备进行集成化应用，无法应用于便携式场。(5)传统电化学仪器需在离线电脑上进行数据处理，所用算法简单，可获得信息量少，具体的信息辨别需要人为来判断。以上所述的传统电化学检测设备的局限使其难以在一些特殊场合以及复杂样品的检测上使用。
另外，由于电化学检测仪器具有较小尺寸，其数据处理能力和分析效率有限。为减少单个微型电化学传感设备的数据负载压力，将处理复杂化、系统化的多通道电化学数据的过程交由远程服务器运行。通过远程服务器的数据收集与自主学习，不断丰富与加快大数据的处理与分析能力，以期快速有效的获取检测对象的信息，得出最终的检测结果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于云分析的多维电化学检测系统，可同时获取复杂样品成分信息。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于云分析的多维电化学检测系统，包括电化学检测子系统和云分析子系统。所述的电化学检测子系统包括依次连接的阵列式电极、电化学检测装置和网络接入终端。所述的阵列式电极包括依次层叠连接的基板、电极层和绝缘层，所述的电极层印制在基板上，电极层上的电极包括一个对电极、一个参比电极和多个工作电极。其中对电极和参比电极分开排布在两侧，多个工作电极采取并行式分布在对电极和参比电极中间。基板印制有导电触点阵列，各触点通过导线分别连接至对应电极，用于接入电化学检测装置。所述的云分析子系统与网络接入终端远程连接。
所述的电化学检测装置包括依次连接的信号采集模块、微控制器、数据处理模块和无线通信模块。
所述的信号采集模块包括依次连接的电极接口、放大电路和滤波电路。
所述的网络接入终端为带有人机交互界面的手机或移动电脑。
所述的云分析子系统与网络接入终端通过智能移动设备连接。
所述的工作电极修饰有电化学选择性的材料。
所述的电化学检测装置应用于多场合复杂样品的检测分析，包括人体汗液中葡萄糖、乳酸、盐分浓度检测，水或土壤中重金属、抗生素和有机污染物定性定量分析，食品中有害物质或营养成分检测。
所述的云分析子系统包括数据库和智能数据处理模块。
所述的数据库存储多维电化学标准数据、神经网络模型和电化学检测子系统发送的多维电化学数据。
所述的智能数据处理模块基于神经网络模型，通过对多维电化学标准数据采用无监督式学习，提高对用户所需分析指标的处理准确度，提取未知样本中的指标数据，获取其特征信息。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)阵列式电极通过引入多通道工作电极，可同时对复杂样品中的多种待测物进行检测，减少时间成本。
(2)通过云分析子系统中的智能处理模块，可将原本重叠在一起的多路信号进行特征分离，得出不同的待测物信息，减少多种物质相互间的干扰。
(3)通过运用云分析子系统中的数据库存储功能，选用适当的神经网络模型，利用算法进行自主学习，建立自主分析体系，可将未知样本的数据进行分析并将结果输出，发回网络接入终端。
附图说明
图1为本实施例系统模块连接框图；
图2为本实施例电极层上的电极结构图；
图3为本实施例系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，一种基于云分析的多维电化学检测系统，包括电化学检测子系统1和云分析子系统2两部分。其中电化学检测子系统1由阵列式电极11、电化学检测装置1212和网络接入终端13三部分组成；云分析子系统2由数据库21和智能数据处理模块22组成。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其阵列式电极11基板材料通过丝网印刷技术印刷在基板上，基板材料选用聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，电极采用银/氯化银材料。如图2所示，阵列式电极1111图案设计有一个参比电极112、一个对电极111和十六个工作电极113。工作电极113可以由用户修饰不同材料使其具有不同电化学响应，来检测环境中水或土壤里的重金属或污染物。基板印制有导电触点阵列，各触点通过一根导线分别连接到各电极，用于接入电化学检测装置12。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其多通道阵列电极通过电极接口与电化学检测装置12连接，实现多电极同步电化学检测，并采集检测环境数据；网络接入终端13接收电化学检测装置12的数据，将其发送到云分析子系统2。云分析子系统2由数据库21和智能数据处理模块22组成。数据库21接收各网络接入终端13的多维电化学数据。智能数据处理模块22通过对采集到的数据形成的数据集来进行学习，按聚集性分类，以便进一步对样本数据进行分析，获取其特征信息。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其电化学检测装置12所能进行设置的电化学检测模式包括循环伏安、示差脉冲伏安、方波伏安、恒电位、溶出伏安；所能进行设置的电化学检测参数包括初始电压、结束电压、采样频率、放大倍数、滤波频率、阶跃电压、静置时间、电压脉冲时间、脉冲电压。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其网络接入终端13可以提供人机交互界面，具有用户参数设置、测量方案选择、数据信号可视化等功能。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其智能处理模块基于ART神经网络模型来实现对样本的分析处理。ART神经网络模型采用无监督式学习里的主成分分析算法来对实验数据进行收集，并根据收集的数据来为算法制定数据格式，并将格式化数据重新输入到算法。通过在收集的数据集中寻找规律，来具备自主分析体系，对未知样品运用学习后的分析模式，输出代表不同待测物信息的多通道电化学结果。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其网络接入终端13在收集电化学检测装置12检测到的待测物信息后，将数据发送到云分析子系统2的数据库21中。数据库21将接收到的每个电极的电化学数据进行编码和归一化，并输入到智能数据处理模块22进行自主分析；最后输出待测物组成成分及浓度等相关电化学信息，并发送给网络接入终端13。网络接入终端13与数据库21间传输的信息经过加密处理，确保在传输过程的各个环节中信息不会被盗取与丢失。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其单次检测过程主要有以下几个步骤：(1)将多通道电极通过接口插入到电化学检测装置12的仪器中(2)将多通道电极修饰有化学物质的一端放入待测溶液中进行检测(3)在网络接入终端13的仪器上设置对应的模式与参数(4)检测过程中，电化学检测装置12接收数据并进行处理(5)处理后将数据发送到网络接入终端13，继而传输到云分析子系统2进行深度与自主学习(6)根据学习结果，判断出待测物组成及成分。
实施例2
一种基于云分析的多维电化学检测系统，包括电化学检测子系统1和云分析子系统2两部分。其中电化学检测子系统1由阵列式电极1111、电化学检测装置12和网络接入终端13三部分组成；云分析子系统2由数据库21和智能数据处理模块22组成。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其阵列式电极1111基板材料通过丝网印刷技术印刷在基板上，基板材料选用聚氯乙烯PVC，电极采用金材料。阵列式电极1111图案设计有一个参比电极112、一个对电极111和四个工作电极113。工作电极113可以由用户修饰不同材料使其具有不同电化学响应，来检测食品中的有害物质或营养成分。基板印制有导电触点阵列，各触点通过一根导线分别连接到各电极，用于接入电化学检测装置12。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其多通道阵列电极通过电极接口与电化学检测装置12连接，实现多电极同步电化学检测，并采集检测食品数据；网络接入终端13接收电化学检测装置12的数据，将其发送到云分析子系统2。云分析子系统2由数据库21和智能数据处理模块22组成。数据库21接收各网络接入终端13的多维电化学数据。智能数据处理模块22通过对采集到的数据形成的数据集来进行学习，按聚集性分类，以便进一步对样本数据进行分析，获取其特征信息。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其电化学检测装置12所能进行设置的电化学检测模式包括循环伏安、示差脉冲伏安、方波伏安、恒电位、溶出伏安；所能进行设置的电化学检测参数包括初始电压、结束电压、采样频率、放大倍数、滤波频率、阶跃电压、静置时间、电压脉冲时间、脉冲电压。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其网络接入终端13可以提供人机交互界面，具有用户参数设置、测量方案选择、数据信号可视化等功能。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其智能处理模块基于Kohonen神经网络模型来实现对样本的分析处理。Kohonen神经网络模型采用无监督式学习里的K-means算法来对实验数据进行收集，并根据收集的数据来为算法制定数据格式，并将格式化数据重新输入到算法。通过在收集的数据集中寻找规律，来具备自主分析体系，对未知样品运用学习后的分析模式，输出代表不同待测物信息的多通道电化学结果。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其网络接入终端13在收集电化学检测装置12检测到的待测物信息后，将数据发送到云分析子系统2的数据库21中。数据库21将接收到的每个电极的电化学数据进行编码和归一化，并输入到智能数据处理模块22进行自主分析；最后输出待测物组成成分及浓度等相关电化学信息，并发送给网络接入终端13。网络接入终端13与数据库21间传输的信息经过加密处理，确保在传输过程的各个环节中信息不会被盗取与丢失。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其单次检测过程主要有以下几个步骤：(1)将多通道电极通过接口插入到电化学检测装置12的仪器中(2)将多通道电极修饰有化学物质的一端放入待测溶液中进行检测(3)在网络接入终端13的仪器上设置对应的模式与参数(4)检测过程中，电化学检测装置12接收数据并进行处理(5)处理后将数据发送到网络接入终端13，继而传输到云分析子系统2进行深度与自主学习(6)根据学习结果，判断出待测物组成及成分。
实施例3
一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，包括电化学检测子系统1和云分析子系统2两部分。其中电化学检测子系统1由阵列式电极1111、电化学检测装置12和网络接入终端13三部分组成；云分析子系统2由数据库21和智能数据处理模块22组成。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其阵列式电极1111基板材料采用印制电路板PCB，通过沉金工艺形成金电极。阵列式电极1111图案设计有一个参比电极112、一个对电极111和八个工作电极113。工作电极113可以由用户修饰不同材料使其具有不同电化学响应，来检测人体汗液中乳酸、葡萄糖或盐分等物质浓度。基板印制有导电触点阵列，各触点通过一根导线分别连接到各电极，用于接入电化学检测装置12。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其多通道阵列电极通过电极接口与电化学检测装置12连接，实现多电极同步电化学检测，并采集检测人体数据；网络接入终端13接收电化学检测装置12的数据，将其发送到云分析子系统2。云分析子系统2由数据库21和智能数据处理模块22组成。数据库21接收各网络接入终端13的多维电化学数据。智能数据处理模块22通过对采集到的数据形成的数据集来进行学习，按聚集性分类，以便进一步对样本数据进行分析，获取其特征信息。
进一步，基于云分析的多维电化学检测系统，其电化学检测装置12所能进行设置的电化学检测模式包括循环伏安、示差脉冲伏安、方波伏安、恒电位、溶出伏安；所能进行设置的电化学检测参数包括初始电压、结束电压、采样频率、放大倍数、滤波频率、阶跃电压、静置时间、电压脉冲时间、脉冲电压。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其网络接入终端13可以提供人机交互界面，具有用户参数设置、测量方案选择、数据信号可视化等功能。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其智能处理模块基于SOFM神经网络模型来实现对样本的分析处理。SOFM神经网络模型采用无监督式学习里的谱聚类算法来对实验数据进行收集，并根据收集的数据来为算法制定数据格式，并将格式化数据重新输入到算法。通过在收集的数据集中寻找规律，来具备自主分析体系，对未知样品运用学习后的分析模式，输出代表不同待测物信息的多通道电化学结果。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其网络接入终端13在收集电化学检测装置12检测到的待测物信息后，将数据发送到云分析子系统2的数据库21中。数据库21将接收到的每个电极的电化学数据进行编码和归一化，并输入到智能数据处理模块22进行自主分析；最后输出待测物组成成分及浓度等相关电化学信息，并发送给网络接入终端13。网络接入终端13与数据库21间传输的信息经过加密处理，确保在传输过程的各个环节中信息不会被盗取与丢失。
进一步，一种基于云分析的多维电化学检测系统，其单次检测过程主要有以下几个步骤：(1)将多通道电极通过接口插入到电化学检测装置12的仪器中(2)将多通道电极修饰有化学物质的一端放入待测溶液中进行检测(3)在网络接入终端13的仪器上设置对应的模式与参数(4)检测过程中，电化学检测装置12接收数据并进行处理(5)处理后将数据发送到网络接入终端13，继而传输到云分析子系统2进行深度与自主学习(6)根据学习结果，判断出待测物组成及成分。
Claims (10)
1.一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，包括电化学检测子系统和云分析子系统，所述的电化学检测子系统包括依次连接的阵列式电极、电化学检测装置和网络接入终端，所述的阵列式电极包括依次层叠连接的基板、电极层和绝缘层，所述的电极层印制在基板上，电极层上的电极包括一个对电极、一个参比电极和多个工作电极，其中对电极和参比电极分开排布在两侧，多个工作电极采取并行式分布在对电极和参比电极中间，基板印制有导电触点阵列，各触点通过导线分别连接至对应电极，用于接入电化学检测装置，所述的云分析子系统与网络接入终端远程连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的电化学检测装置包括依次连接的信号采集模块、微控制器、数据处理模块和无线通信模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的信号采集模块包括依次连接的电极接口、放大电路和滤波电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的网络接入终端为带有人机交互界面的手机或移动电脑。
5.根据权利要求1所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的云分析子系统与网络接入终端通过智能移动设备连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的工作电极修饰有电化学选择性的材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的电化学检测装置应用于多场合复杂样品的检测分析，包括人体汗液中葡萄糖、乳酸、盐分浓度检测，水或土壤中重金属、抗生素和有机污染物定性定量分析，食品中有害物质或营养成分检测。
8.根据权利要求1所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的云分析子系统包括数据库和智能数据处理模块。
9.根据权利要求8所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的数据库存储多维电化学标准数据、神经网络模型和电化学检测子系统发送的多维电化学数据。
10.根据权利要求9所述的一种基于云分析的多维电化学检测系统，其特征在于，所述的智能数据处理模块基于神经网络模型，通过对多维电化学标准数据采用无监督式学习，提高对用户所需分析指标的处理准确度，提取未知样本中的指标数据，获取其特征信息。
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