CN110068603A - 一种具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置，包括底座(1)、接口层(8)、传输层(7)和顶层(6)，在所述接口层(8)上设置有电极(9)，在所述底座(1)上设置有扁平马达，所述扁平马达与驱动电路(5)相连。本发明的具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置不仅具有集成度高、操作便捷、可便携、可拆卸的优点，而且可以取代传统的磁力搅拌电解池，增强可抛式电极的传质功能。

Description

一种具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，特别是涉及一种具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置。

背景技术

电化学分析法在化学成分分析中，是一种体积小、成本低、灵敏度高和选择性好的微量和痕量分析方法。在电化学检测领域，检测方法和工作电极不断发展和完善，向着更简单、更便捷、更绿色的方向不断前行。其中，电化学传感器的即抛化及小型化是电化学分析技术应用的重要组成部分。可抛式电极，具有集成化高、制作简单、便携、使用时不需额外抛光处理等优势，同时避免了因基质成分或待测物在电极表面的吸附而造成的电极污染或钝化现象。因而在电化学检测领域具有重大应用价值。

然而，在实际应用中，现有的三电极电化学装置对可抛式电极的兼容性方面，仍受到诸多限制。例如，因富集过程对搅拌的需要，可抛式电极仍需在传统的电解池中，配合磁力搅拌来使用，未能发挥出可抛式电极便携化的优势。而现有的适用于可抛式电极的小型化信号采集装置，因不具备增强传质的功能，在检测过程中，通常需要更长的富集时间来提高灵敏度，这就极大降低了检测效率。因此，开发一种增强传质的三电极电化学装置，用于平板可抛式电极的信号采集与传输，具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置，该装置不仅具有集成度高、操作便捷、可便携、可拆卸的优点，而且可以取代传统的磁力搅拌电解池，增强可抛式电极的传质功能。

本发明具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置，包括底座、接口层、传输层和顶层，在所述接口层上设置有电极，在所述底座上设置有扁平马达，所述扁平马达与驱动电路相连。

本发明所述的具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置，其中，在所述底座上设置有扁平马达固定槽，其中设置有所述扁平马达，在所述底座中设置有导线固定槽，导线一端与所述扁平马达相连，另一端从所述底座中引出，与所述驱动电路相连。

采用本发明所述的具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置检测溶液中痕量双酚A的方法，包括如下步骤：

1)工作电极基底的制作：将铜版纸放置于高真空离子溅射仪中，在所述铜版纸上溅射一层纳米尺度的金膜，溅射电流20～30mA，溅射时间60～100s，溅射真空度为6×10^{- 3}mbar，靶材距样品台的距离为6～9cm；将纸片取出，剪裁成合适尺寸，在裁好的工作电极表面贴一层透明胶带，所述透明胶带上带有一个直径为8～12mm的小孔，划分导线区，绝缘区和电极区，并以此构成制备碳纳米管修饰电极的电极基底；

2)电极表面的修饰：将30～50μL质量浓度为0.01～0.2％的多壁碳纳米管水分散液滴加于所述电极区，均匀覆盖，然后置于50℃烘箱中烘干，在纸基工作电极的修饰区域放置一片尺寸略大于该区域的滤纸片覆盖住所述修饰区域，待用；

3)集成三电极分析系统：将制作好的工作电极置于夹持式电化学信号采集装置上，对电极和参比电极接触工作电极的电极区，工作电极接头接触工作电极的导线区，构成三电极体系；

4)电化学检测及线性曲线：配制了不同浓度的双酚A标准缓冲溶液，浓度分别为0.05mg/L,0.1mg/L,0.3mg/L,0.5mg/L,0.7mg/L,1.0mg/L,，在制备好的电化学传感器的滤纸片上滴加30～50μL不同浓度的待测溶液，与电化学工作站连接，振动60～240s，随后利用线性扫描伏安对样品中的双酚A进行检测，可以得到电化学信号曲线，其峰高与双酚A溶液的浓度有关。

本发明所述的方法，其中，所述扁平马达的型号为1027，工作电压为2.5V～4V(额定电压3.0V)，额定转速为12000±2500rpm，额定电流为70mA。

本发明具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置与现有技术不同之处在于：

申请人在前期申请了专利：《用于平板式工作电极的电信号采集和传输装置》(发明专利，专利号：ZL201610479208.5)，该专利申请的内容提交了一种用于平板式工作电极的电信号采集和传输装置的制作方法，具体为：

一种用于平板式工作电极的电信号采集和传输装置，包括底座、接口层、传输层、顶层，底座上左侧位置设置弹簧下固定槽，中部位置设置支撑座，右侧位置设置方形槽，接口层左侧位置设置数据传输接口槽，接口层底部与弹簧下固定槽对应位置处设置弹簧上固定槽，接口层上右侧位置设置三个电极接头定位孔，顶层底部设置凹槽，传输层安装在凹槽内，传输层包括印刷电路板，印刷电路板上在与三个电极接头定位孔对应位置处分别设置三种电极接头的焊接孔，印刷电路板上与数据传输接口槽对应位置处固定数据传输接口元件，三种电极接头的顶端分别焊接在三个焊接孔处，三种电极接头的下端分别穿过接口层上的三个电极接头定位孔，三种电极接头的顶端分别通过信号传输线与数据传输接口元件连接，顶层、传输层、接口层、底座自上至下依次安装在一起，弹簧的上、下端分别安装在弹簧上、下固定槽内。

接口层上与支撑座对应位置处设置第一通槽，传输层上与支撑座对应位置处设置第二通槽，顶层上与支撑座对应位置处设置第三通槽，支撑座依次穿过第一、第二、第三通槽，支撑座与接口层固定连接。顶层、传输层和接口层通过多个螺钉固定连接在一起。

底座、接口层、顶层分别采用绝缘的硬体材料制成。绝缘的硬体材料选择尼龙材料、ABS塑料或PLA。数据传输接口槽为USB接口槽或探针接口槽，数据传输接口元件为USB接口或探针接口。信号传输线采用0.5～0.7mm宽的铺铜设计。

而本发明在上述装置的基础上进行了重大的改进，体现在如下几个方面：

1、在装置上集成扁平振动马达，为电化学检测的富集阶段提供振动，加速待测离子在电极表面的传质，提高检测灵敏度，缩短信号响应时间。

2、为扁平振动马达量身打造的驱动回路，与原有的信号电路各自独立，互不干扰，并通过合理的布线方式，有效的保持了原装置外型的整体性和美观性。

3、装置的电源输入和信号输出可采用多种连接模式，进一步提高了装置的兼容性。

下面结合附图对本发明的具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置作进一步说明。

附图说明

图1为本发明具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置的剖面结构示意图；

图2为本发明具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置的底座的立体结构示意图；

图3为本发明中驱动电路原理图；

图4为本发明中工作电极示意图；

图5为本发明中不同浓度双酚A标准溶液的电化学响应图谱；

图6为本发明中双酚A标准曲线；

图7为本发明中振动和不振动条件下富集时间对0.5mg/L双酚A响应值的影响。

具体实施方式

本发明以弹簧夹作为夹持式三电极装置的主体，集成了PCB电路板作为信号采集装置，可重复使用的铂和银/氯化银丝分别作为对电极和参比电极，并由外部驱动电动控制扁平马达为富集过程提供多种形式的振动。

装置结构：

装置的主体部分采用PLA和ABS的尼龙材料作为主体，嵌入信号传输板，信号接口分别为探针采集接口和USB传输接口，在发明专利ZL201610479208.5的基础上，将扁平马达和驱动线路嵌入底座1，由外部驱动电路5驱动。装置的结构示意图如图1和图2所示，在底座1上设置有扁平马达固定槽2，在其中设置有扁平马达，在底座1内部设置有导线固定槽3，导线4一端与扁平马达相连，另一端从所述底座1中引出，与驱动电路5相连。装置的顶层6、传输层7、接口层8和底座1的其他设计(放置平板电极的方形槽和弹簧固定槽)与发明专利ZL201610479208.5相同。

驱动电路：

扁平马达的内部为微型直流电机，需要外部电路来驱动直流电机使扁平马达工作。本设计选用的是功率增强型电机驱动板和PWM信号发生器作为驱动电路5的主要部分，并为驱动回路设计独立的电源电路，确保整个驱动电路5的正常工作。扁平马达的型号为1027，工作电压为2.5V～4V(额定电压3.0V)，额定转速为12000±2500rpm，额定电流为70mA。

驱动电路的电路原理图如图3所示，电源回路可兼容9V-15V的电源适配器的直流电压输入，经电源稳压器，输出+5V的直流电压，用于给电机驱动板和PWM信号发生器供电。PWM信号发生器正常上电后，可通过设置按键对PWM输出的频率、占空比进行设置，其PWM输出的峰值电压为电源电压。电机驱动板接收到PWM控制信号后，由MOTOR端子输出驱动信号，同时PWM控制信号的变化还可以实现驱动信号的正反转和调速。

将顶层6、传输层7、接口层8和底座1组合在一起，就会构成一个套完整的具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置。装置的电源输入端可接入多种型号的电源适配器，信号输出端可通过USB传输数据线，与各类电化学检测仪器进行连接。该装置装载平板可抛式电极便可实现对其具有增强传质功能的信号采集与传输。

本发明提供的具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置，可用于溶液中痕量双酚A的测定，具体实施过程如下：

(1)工作电极基底的制作：将铜版纸放置于高真空离子溅射仪(Cressington108Auto)中，在铜版纸上溅射一层纳米尺度的金膜，溅射电流20～30mA，溅射时间60～100s，溅射真空度为6×10^-3mbar，靶材距样品台的距离为6～9cm；将纸片取出，剪裁成合适尺寸，在裁好的工作电极表面贴一层一定尺寸的透明胶带，透明胶带上带有一个直径为8～12mm的小孔，以此来划分导线区12，绝缘区10和电极区11，并以此构成制备碳纳米管修饰电极的电极基底，如图4所示。

(2)电极表面的修饰：将30～50μL质量浓度为0.01～0.2％的多壁碳纳米管水分散液滴加于电极区11，使其均匀的覆盖在该区域内，然后置于50℃烘箱中烘干，在纸基工作电极的修饰区域放置一片尺寸略大于该区域的滤纸片覆盖住修饰区域，待用；

(3)集成三电极分析系统：将制作好的工作电极置于夹持式电化学信号采集装置上，对电极和参比电极接触工作电极的电极区11，工作电极接头接触工作电极的导线区12，构成三电极体系。

(4)电化学检测及线性曲线：配制了不同浓度的双酚A标准缓冲溶液(浓度分别为0.05mg/L,0.1mg/L,0.3mg/L,0.5mg/L,0.7mg/L,1.0mg/L)，在制备好的电化学传感器的滤纸片上滴加30～50μL上述不同浓度的待测溶液，与电化学工作站连接，振动60～240s，随后利用线性扫描伏安对样品中的双酚A进行检测，可以得到如图5所示的电化学信号曲线。其峰高与双酚A溶液的浓度有关。

线性关系如图6所示，在双酚A浓度在0.05～1.0mg/L的范围内，线性方程为Y＝0.0025X+0.2541，相关系数为0.995。

预富集阶段振动对检测结果的影响：

用本发明提供的平板式工作电极的信号采集装置测定0.5mg/L的双酚A标准溶液，考察预富集阶段振动对检测信号的影响，结果如图7所示。从图中可以看出，在无振动条件下，双酚A在电极表面达到吸附平衡需要420s，而振动将达到吸附平衡的时间缩短至240s。在达到吸附平衡前，相同富集时间下，振动可显著提高双酚A的响应值。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置，包括底座(1)、接口层(8)、传输层(7)和顶层(6)，在所述接口层(8)上设置有电极(9)，其特征在于：在所述底座(1)上设置有扁平马达，所述扁平马达与驱动电路(5)相连。

2.根据权利要求1所述的具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置，其特征在于：在所述底座(1)上设置有扁平马达固定槽(2)，在其中设置有所述扁平马达，在所述底座(1)中设置有导线固定槽(3)，导线(4)一端与所述扁平马达相连，另一端从所述底座(1)中引出，与所述驱动电路(5)相连。

3.采用权利要求1或2所述的具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置检测溶液中痕量双酚A的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)工作电极基底的制作：将铜版纸放置于高真空离子溅射仪中，在所述铜版纸上溅射一层纳米尺度的金膜，溅射电流20～30mA，溅射时间60～100s，溅射真空度为6×10^-3mbar，靶材距样品台的距离为6～9cm；将纸片取出，剪裁成合适尺寸，在裁好的工作电极表面贴一层透明胶带，所述透明胶带上带有一个直径为8～12mm的小孔，划分导线区(12)，绝缘区(10)和电极区(11)，并以此构成制备碳纳米管修饰电极的电极基底；

2)电极表面的修饰：将30～50μL质量浓度为0.01～0.2％的多壁碳纳米管水分散液滴加于所述电极区(11)，均匀覆盖，然后置于50℃烘箱中烘干，在纸基工作电极的修饰区域放置一片尺寸略大于该区域的滤纸片覆盖住所述修饰区域，待用；

3)集成三电极分析系统：将制作好的工作电极置于夹持式电化学信号采集装置上，对电极和参比电极接触工作电极的电极区(11)，工作电极接头接触工作电极的导线区(12)，构成三电极体系；

4)电化学检测及线性曲线：配制了不同浓度的双酚A标准缓冲溶液，浓度分别为0.05mg/L,0.1mg/L,0.3mg/L,0.5mg/L,0.7mg/L,1.0mg/L,，在制备好的电化学传感器的滤纸片上滴加30～50μL不同浓度的待测溶液，与电化学工作站连接，振动60～240s，随后利用线性扫描伏安对样品中的双酚A进行检测，可以得到电化学信号曲线，其峰高与双酚A溶液的浓度有关。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述扁平马达的型号为1027，工作电压为2.5V～4V，额定转速为12000±2500rpm，额定电流为70mA。