CN114878653B - 一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用 - Google Patents

一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114878653B
CN114878653B CN202210518636.XA CN202210518636A CN114878653B CN 114878653 B CN114878653 B CN 114878653B CN 202210518636 A CN202210518636 A CN 202210518636A CN 114878653 B CN114878653 B CN 114878653B
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
voltage
interface
electrochemical
excitation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210518636.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114878653A (zh
Inventor
章春笋
钟金彪
石延阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China Normal University
Original Assignee
South China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Normal University filed Critical South China Normal University
Priority to CN202210518636.XA priority Critical patent/CN114878653B/zh
Publication of CN114878653A publication Critical patent/CN114878653A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114878653B publication Critical patent/CN114878653B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/27—Association of two or more measuring systems or cells, each measuring a different parameter, where the measurement results may be either used independently, the systems or cells being physically associated, or combined to produce a value for a further parameter
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/66—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light electrically excited, e.g. electroluminescence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Abstract

本发明公开了一种电化学激励单元，包括集成于电路板上的电源模块、复位电路模块、蓝牙模块、微控制器模块、按键选择模块、第一D/A转换模块、第二D/A转换模块、恒电位模块、信号放大器模块、OLED模块，电源模块、复位电路模块、蓝牙模块、按键选择模块、第一D/A转换模块、第二D/A转换模块、OLED模块分别与微控制器模块连接，恒电位模块与第一D/A转换模块连接，信号放大器模块与第二D/A转换模块连接；电源模块与输入电源连接，电源模块包括Buck‑Boost电路模块和Buck电路模块；复位电路模块用于进行电路系统的重新启动；微控制器模块通过控制第一D/A转换模块和第二D/A转换模块来控制激励信号的各项参数值；按键选择模块用于将选择的功能和设定的参数发送给微控制器模块。

Description

一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用
技术领域
本发明属于电化学检测技术领域，具体地说，涉及一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用。
背景技术
电化学检测是一大类常用的分析测试方法，不论何种电化学检测法都采用一定的电极，直接将溶液中待测组分的化学信号转变为电信号。电化学检测包括三电极体系和双电极体系，目前市场上已经有各种基于电化学原理的检测仪器，一类是基于电化学工作站的电化学分析仪，这类仪器可以用来实现电化学信号的检测，检测精度高，但是价格昂贵，并且需要实验室专业人员操作，不能用于现场检测。另一类是基于便携式电化学检测仪器，其中有些价格昂贵，响应时间长；有些价格低廉、检测单一、精度不足。
恒电位仪是各种三电极(工作电极、辅助电极和参比电极)电化学传感器的驱动装置，主要将外部激励信号施加于传感器上，驱动样品溶液发生电化学反应，并对产生的响应信号做相应的预处理(如信号转换、放大、滤波)。目前，市场上存在的恒电位仪体积较大、智能化程度不高、功能单一，且不具备三电极和双性电极电化学发光(ECL)同时检测功能。因此，有必要设计一种多功能便携式电化学激励单元，用于多种功能选择及其用于三电极、双性电极电化学发光检测或同时检测，以及可扩展与其他自动化检测平台联合应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用，可提供三电极电化学检测体系，同时还可提供双性电极电化学检测体系，并且能实现两种体系同时检测，减少了进行三电极和双性电极电化学检测时需要更换设备的繁琐耗时。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种电化学激励单元，包括集成于电路板上的电源模块、复位电路模块、蓝牙模块、微控制器模块、按键选择模块、第一D/A转换模块、第二D/A转换模块、恒电位模块、信号放大器模块、OLED模块，电源模块、复位电路模块、蓝牙模块、按键选择模块、第一D/A转换模块、第二D/A转换模块、OLED模块分别与微控制器模块连接，恒电位模块与第一D/A转换模块连接形成三电极电化学检测激励模块，信号放大器模块与第二D/A转换模块连接形成双性电极电化学检测激励模块；
电源模块与输入电源连接，电源模块包括Buck-Boost电路模块和Buck电路模块，电源模块用于将输入电源的电压接入电路板并转换成合适的电压为各模块供电；复位电路模块用于进行电路系统的重新启动，保证顺利输出激励信号；蓝牙模块用于通过手机端与微控制器模块连接，并在手机端设置激励信号的功能与参数，实现对电化学激励单元的远程操控；微控制器模块通过控制第一D/A转换模块和第二D/A转换模块来控制激励信号的各项参数值；按键选择模块用于将选择的功能和设定的参数发送给微控制器模块；OLED模块用于实现对激励信号种类和激励值的实时监测。
进一步地，还包括电路板组件，电路板组件包括USB接口、电源开关、通电指示灯、功能选择按键、三电极电化学检测接口、双性电极电化学检测接口、+15V接口、-15V接口、地端接口、OLED模块接口、下载接口和通孔，三电极电化学检测激励模块与三电极电化学检测接口连接，双性电极电化学检测激励模块与双性电极电化学检测接口连接，三电极电化学检测接口、双性电极电化学检测接口、+15V接口、-15V接口、地端接口和下载接口通过2*8的排针集中排列在电路板的左下方。
进一步地，USB接口与输入电源相连，将5V电压端接入电路板，通电指示灯通过4.7K电阻与5V电压端串联，通孔圆心相对电路板顶角点向电路板内偏移3mm，通孔采用规格为M3的铜柱和螺母进行固定；三电极电化学检测接口包括参比电极接口、辅助电极接口和工作电极接口，双性电极电化学检测接口包括对应双性电极阳极的驱动电极接口和对应双性电极阴极的驱动电极接口。
进一步地，Buck-Boost电路模块包括升降压芯片XL6007E1和电压泵，升降压芯片XL6007E1将5V电压转换成+15V电压和-15V电压，电压泵由三个肖特基二极管与两个电容耦合组成，肖特基二极管的型号为SS14-A，两个电容的容值均为22μF。
进一步地，Buck电路模块中，通过低压差线性稳压器AMS1117-3.3和低压差线性稳压器AMS1117-2.5，将5V电压分别转换成3.3V电压和2.5V电压；通过低压差线性稳压器78L12和低压差线性稳压器79L12，分别将+15V电压和-15V电压的转化成+12V电压和-12V电压；通过REF195芯片将12V电压转化成5V电压；通过LM317芯片将12V电压降至5.21V电压。
进一步地，第一D/A转换模块和第二D/A转换模块均包括DAC8831芯片和OPA277芯片，通过DAC8831芯片和OPA277芯片将微控制器输出的数字信号转换成模拟信号，并分别发送到至恒电位模块和信号放大器模块。
进一步地，恒电位模块包括电压跟随器和差分比较器，电压跟随器采用OPA604芯片，OPA604芯片实时地将参比电极接口上的电压变化传送至差分比较器的反向输入端，差分比较器采用OP07芯片，将正向输入端的第一D/A转换模块输出电压与反向输入端的电压作差值后，传送给辅助电极接口，辅助电极接口与参比电极接口之间的电化学反应池构成一个深度负反馈，将工作电极与参比电极之间的电压维持在第一D/A转换模块的输出电压值。
进一步地，信号放大器模块包括运算放大器OPA2171、电容和电阻，信号放大器模块将接收到的第二D/A转换模块输出的激励信号进行放大，再传送至对应双性电极阴极的驱动电极接口。
进一步地，功能选择按键位于电路板的正下方且呈一字排开，设有双性电极和三电极电化学同时检测激励法TS、差分脉冲伏安激励法DPV、常规脉冲伏安激励法NPV、线性扫描伏安激励法LSV、计时电量激励法CC、计时电流激励法CA、循环伏安激励法CV和双性电极电化学检测激励法DB。
一种电化学激励单元在电化学发光检测中的应用，包括上述任一项的电化学反应激励单元。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明可提供三电极电化学检测体系，同时还可提供双性电极电化学检测体系，并且能实现两种体系同时检测；能实现三电极电化学检测和双性电极电化学检测之间的自由切换，从而能够进行更加便捷的多元电化学检测。
2、本发明采用蓝牙模块实现与手机通信，通过手机端直接进行功能选择和激励信号调整；通过OLED模块能够实时显示电化学激励信号的变化快慢以及调节对应的信号值，提高了对电化学激励信号观测的便捷性。
3、本发明采用两个16位DAC8831芯片实现双路控制，将电压精度提高到1/216，误差控制在mV级以内，为电化学检测提供稳定的激励信号，灵敏度高、稳定性强；电化学激励单元集成度高、体积小、便于携带，可嵌入其他自动化检测设备进行联用，且电化学激励单元操作简便，成本低，易于实现批量生产。
附图说明
图1为电化学激励单元系统原理框图。
图2为电化学激励单元的结构示意图。
图3为Buck-Boost电路模块中5V转+15V和-15V的电路原理图。
图4为Buck电路模块中5V转3.3V的电路原理图。
图5为Buck电路模块中5V转2.5V的电路原理图。
图6为Buck电路模块中-15V转-12V的电路原理图。
图7为Buck电路模块中+15V转+12V的电路原理图。
图8为Buck电路模块中12V转5V的电路原理图。
图9为Buck电路模块中12V转5.21V的电路原理图。
图10为第一D/A转换模块的电路原理图。
图11为第二D/A转换模块的电路原理图。
图12为复位电路模块的电路原理图。
图13为微控制器模块的电路原理图。
图14为恒电位模块的电路原理图。
图15为信号放大器模块的电路原理图。
图16为自动化电化学发光分析仪的结构示意图。
图17为电化学激励单元和传统恒电位仪在循环伏安激励法下不同浓度过氧化氢的电化学发光强度对比柱状图。
图18为电化学激励单元和传统恒电位仪在计时电流激励法下不同浓度过氧化氢的电化学发光强度对比柱状图。
图19为电化学激励单元和传统恒电位仪在计时电量激励法下不同浓度过氧化氢的电化学发光强度对比柱状图。
图20为电化学激励单元和传统恒电位仪在线性扫描伏安激励法下不同浓度过氧化氢的电化学发光强度对比柱状图。
图21为电化学激励单元和传统恒电位仪在常规脉冲激励法下不同浓度过氧化氢的电化学发光强度对比柱状图。
图22为电化学激励单元和传统恒电位仪在差分脉冲激励法下不同浓度过氧化氢的电化学发光强度对比柱状图。
图23为电化学激励单元和传统直流电源在双性电极电化学检测激励法下不同浓度过氧化氢的电化学发光强度对比柱状图。
图24为电化学激励单元和传统恒电位仪、直流电源在双性电极和三电极电化学同时检测激励法下不同浓度过氧化氢的电化学发光强度对比柱状图。
图1附图标号说明：
电源模块-1；复位模块-2；蓝牙模块-3；微控制器模块-4；按键选择模块-5；D/A转换模块：6-1和6-2；恒电位模块-7；三电极电化学检测接口-8；信号放大器模块-9；双性电极电化学检测接口-10；OLED模块-11；下载器模块-12；
图2附图标号说明：
电源开关-13；1117-3.3低压差线性稳压器-14；USB接口-15；1117-2.5低压差线性稳压器-16；地(双性电极阳极对应的驱动电极)-17；-15V接口-18；+5V接口-19；+15V接口-20；双性电极D/A信号接口-21；双性电极阴极对应的驱动电极-22；工作电极接口-23；辅助电极接口-24；参比电极接口-25；三电极D/A信号接口-26；SWD下载接口-27；
双性电极和三电极电化学同时检测激励法按键-28；差分脉冲伏安激励法按键-29；常规脉冲伏安激励法按键-30；线性扫描伏安激励法按键-31；计时电量激励法按键-32；计时电流激励法按键-33；循环伏安激励法按键-34；双电极检测激励法按键-35；复位按键-36；电压跟随器-37；差分比较器-38；DAC8831芯片：39-1和39-2；Stm32F103C8T6芯片-40；
OPA277芯片：41-1和41-2；蓝牙模块接口：42、43-1和43-2；通孔：43-3和43-4；OLED模块接口-44；电容-45；肖特基二极管-46；电压泵-47；电感-48；升降压型XL6007E1芯片-49；LM317芯片-50；运算放大器OPA2171芯片-51；通电指示灯：52-1和52-2；
图16附图标号说明：
数据处理与仪器控制单元-53；成像检测单元-54；电化学反应激励单元-55；开放式检测窗口单元-56；可充电电源-57；显示屏-58；壳体-59。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用作进一步说明。
请参阅图1，本发明公开了一种电化学激励单元，电化学激励单元包括电源模块1、复位电路模块2、蓝牙模块3、微控制器模块4、按键选择模块5、第一D/A转换模块6-1、第一D/A转换模块6-2、恒电位模块7、信号放大器模块9、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机电致发光显示)模块11和下载器模块12，电源模块1、复位电路模块2、蓝牙模块3、按键选择模块5、第一D/A转换模块6-1、第二D/A转换模块6-2、OLED模块11和下载器模块12分别与微控制器模块4连接，恒电位模块7分别与第一D/A转换模块6-1和三电极电化学检测接口8连接，信号放大器模块9分别与第二D/A转换模块6-2和双性电极电化学检测接口10连接，恒电位模块7与第一D/A转换模块6-1形成三电极电化学检测激励模块，信号放大器模块9与第二D/A转换模块6-2形成双性电极电化学检测激励模块。
请参阅图2，电化学激励单元还包括电路板组件，电路板组件包括USB接口15、电源开关13、通电指示灯、功能选择按键、三电极电化学检测接口8、双性电极电化学检测接口9、+15V接口20、-15V接口18、地端接口17、OLED模块接口44、下载接口27和通孔(43-1、43-2、43-3和43-4)，三电极电化学检测接口8、双性电极电化学检测接口9、+15V接口20、-15V接口18、地端接口和下载接口27通过2*8的排针集中排列在电路板的左下方。通孔(43-1、43-2、43-3和43-4)的圆心相对电路板顶角点向电路板内偏移3mm，采用规格为M3的铜柱和螺母进行固定，以防止电路板背面与其他物体直接接触，从而影响激励信号的稳定性和有效性。
请参阅图2，其中，三电极电化学检测接口8包括工作电极接口23、辅助电极接口24、参比电极接口25，工作电极接口23直接与地端相连，双性电极电化学检测接口9包括对应双性电极阳极的驱动电极接口17和对应双性电极阴极的驱动电极接口22，对应双性电极阳极的驱动电极接口17与地端相接。
请参阅图2，USB接口15与5V电压端相连，通电指示灯通过4.7K电阻与5V电压端串联，通电时通电指示灯常亮。功能选择按键位于电路板的正下方呈且一字排开，设有双性电极和三电极电化学同时检测激励法TS28、差分脉冲伏安激励法DPV29、常规脉冲伏安激励法NPV30、线性扫描伏安激励法LSV31、计时电量激励法CC32、计时电流激励法CA33、循环伏安激励法CV34和双性电极电化学检测激励法DB35。
其中，差分脉冲伏安激励法DPV29、常规脉冲伏安激励法NPV30、线性扫描伏安激励法LSV31、计时电量激励法CC32、计时电流激励法CA33、循环伏安激励法CV34为三电极电化学检测激励功能。
请参阅图2，电源模块1通过USB数据线与输入电源连接，将5V电压接入电路板，电源模块1包括Buck-Boost电路模块和Buck电路模块。
请参阅图3，Buck-Boost电路模块包括升降压芯片XL6007E1、电压泵、电感和电容，升降压芯片XL6007E1将USB数据线提供的5V电压转换成+15V和-15V，电压泵由三个肖特基二极管与两个电容耦合组成，肖特基二极管的型号为SS14-A，两个电容的容值均为22μF。
Buck电路模块中，请参阅图4和图5，通过型号为AMS1117-3.3的低压差线性稳压器和AMS1117-2.5的低压差线性稳压器，将5V的电压分别转换成3.3V和2.5V；请参阅图6和图7，通过型号为78L12的低压差线性稳压器和79L12的低压差线性稳压器，分别将+15V和-15V的电压转化成+12V和-12V；请参阅图8，通过REF195芯片将12V电压转化成5V电压；请参阅图9，通过LM317芯片将12V电压降至5.21V供给两个D/A转换模块的电压供应端。
请参阅图13，复位电路模块2用于进行电路系统的重新启动，保证顺利输出激励信号，复位电路模块2由复位按键、电阻和电容组成，复位按键采用轻触开关，若出现程序卡死，可在第一时间进行电路系统重新启动，保证激励信号输出过程顺利进行。
请参阅图2，蓝牙模块3用于通过手机端与微控制器模块4连接，并在手机端设置激励信号的功能与参数，实现对电化学激励单元的远程操控。
请参阅图2，微控制器模块4采用STM32F103C8T6芯片，通过OLED模块接口44和蓝牙模块接口42与OLED模块11(0.96寸的液晶串口屏)和蓝牙模块3(蓝牙3.0)连接，微控制器模块4通过IIC通信接口与OLED模块11和蓝牙模块3连接，通过SPI通信接口与第一D/A转换模块6-1和第二D/A转换模块6-2连接，微控制器模块4通过控制第一D/A转换模块6-1和第二D/A转换模块6-2来控制激励信号的各项参数值。
请参阅图1，按键选择模块5用于将选择的功能和设定的参数发送给微控制器模块4。OLED模块用于实现对激励信号种类和激励值的实时监测。
电化学激励单元还包括外部连接线，外部连接线包括一根USB数据线和五根杜邦头转电连接导线，五根杜邦头转电连接导线分别与工作电极接口、参比电极接口、辅助电极接口、对应双性电极阳极和阴极的一对驱动电极接口相连接。
请参阅图10和图11，第一D/A转换模块6-1和第二D/A转换模块6-2均包括一个DAC8831芯片和一个OPA277芯片组成，DAC8831芯片分别将微控制器模块4输出的数字信号转换成模拟信号，并准确地发送到恒电位模块7和信号放大器模块9。第一D/A转换模块6-1和第二D/A转换模块6-2分别通过三电极电化学检测接口8和双性电极电化学检测接口9连接在电化学发光芯片的电极上，产生激励信号触发电化学发光反应。
请参阅图14，恒电位模块7包括电压跟随器和差分比较器，电压跟随器采用OPA604芯片，实时地将参比电极上的电压变化传送至差分比较器的反向输入端，差分比较器采用OP07芯片，将正向输入端的第一D/A转换模块6-1输出电压与反向输入端的电压作差值后，传送给差分比较器的输出端(辅助电极接口)，利用辅助电极接口与参比电极接口之间的电化学反应池构成一个深度负反馈，以便将工作电极与参比电极之间的电压维持在第一D/A转换模块6-1的输出电压值。
请参阅图15，信号放大器模块9包括运算放大器OPA2171、电容和电阻，将接收到的第二D/A转换模块6-2输出的激励信号进行放大，再传送至对应双性电极阴极的驱动电极接口22。
请参阅图图1、图2和图13，下载接口27与微控制器模块4(STM32F103C8T6芯片)的SWDIO、SWCLK、GND和VCC3V3四个端口连接，下载器模块12与下载接口27连接进行程序的下载。
请参阅图16，电化学激励单元在电化学发光检测中的应用，一般是将电化学激励单元设置在电化学发光分析仪中，通过电化学发光分析仪进行电化学发光的检测。电化学发光分析仪包括数据处理与仪器控制单元53、成像检测单元54、电化学反应激励单元55、开放式检测窗口单元56、可充电电源57、显示屏58和壳体59，开放式检测窗口单元56、可充电电源57和显示屏58分别与电化学反应激励单元55连接，电化学反应激励单元55用于激励待测物品发生电化学发光反应并发出光信号，成像检测单元54用于将电化学发光产生的光信号转换成电信号，并传输给数据处理与仪器控制单元53，数据处理与仪器控制单元53用于处理并存储成像检测单元54所发送的电信号，显示屏58用于人机界面交互、电化学发光成像预览和显示检测结果。
本发明可提供三电极电化学检测体系，同时还可提供双性电极电化学检测体系，并且能实现两种体系同时检测。这一方面减少了进行三电极和双性电极电化学检测时需要更换设备的繁琐耗时，另一方面能够同时采用不同方法对不同靶标进行定量检测。此外，这更有利于考察不同的检测功能下，不同区域的电化学发光情况。
本发明通过微控制器模块4的主芯片同时控制两个数模转换(D/A)芯片，能够产生两路激励信号，将产生的一路激励信号经过恒电位模块7或者信号放大器模块9施加在电极上，另一路激励信号通过选择恒电位模块7或者信号放大器模块9，然后施加在另一个电极上，以上二者均能各自为三电极电化学检测体系或者双性电极电化学检测体系提供激励信号，进行自由组合后，能够实现三种功能：
(1)同时给两个三电极电化学检测体系提供激励信号；
(2)同时给三电极和双性电极电化学检测体系提供激励信号；
(3)同时给两个双性电极电化学检测体系提供激励信号。
由于本发明采用不同的D/A芯片，两个三电极电化学检测体系的二元检测可采用不同的激励方法。同样，在两个双电极电化学检测体系中也可采用不同的激励信号。能实现三电极电化学检测和双性电极电化学检测之间的自由切换，能实现三电极电化学检测和双性电极电化学检测之间的自由切换，从而能够进行更加便捷的多元电化学检测。
本发明工作电极采用直接接在地端的方式，且地端可以延伸出无数个端口。就单个D/A芯片输出电化学激励信号到恒电位模块7而言，可以提供同种功能下n元电化学检测的激励信号。而电化学激励单元拥有两个D/A芯片，每个D/A芯片能够独立输出激励信号，所以能够同时提供2n元电化学检测的激励信号，其中n元与另一n元电化学检测体系可采用不同的电化学激励信号。与阵列式电极结合，能够在两种不同电化学检测体系下实现高通量检测，打破了传统恒电位技术中大量重复检测的现状，为检测节省大量时间。
本发明采用蓝牙模块3实现与手机通信，通过手机端直接进行功能选择和激励信号调整；通过OLED模块11能够实时显示电化学激励信号的变化快慢以及调节对应的信号值，提高了对电化学激励信号观测的便捷性。
本发明采用两个16位DAC8831芯片实现双路控制，将电压精度提高到1/216，误差控制在mV级以内，为电化学检测提供稳定的激励信号，灵敏度高、稳定性强；电化学激励单元集成度高、体积小、便于携带，可嵌入其他自动化检测设备进行联用，且电化学激励单元操作简便，成本低，易于实现批量生产。
应用实施例1
采用循环伏安法激励信号，在不同浓度的过氧化氢和5mM的鲁米诺(Luminol)混合液中，进行该电化学激励单元与传统恒电位仪的对比测量实验：
(1)配置浓度为100mM的过氧化氢溶液，采用pH值为10的碳酸盐缓冲溶液(CBS)分别将其稀释成浓度为0.4mM、1.0mM和10mM的溶液，采用不含过氧化氢的CBS溶液作为背景溶液。
(2)配置5mM的Luminol，将Luminol与上述不同浓度的溶液等体积混合，形成对应的待测液(对应过氧化氢浓度为0mM、0.2mM、0.5mM和5mM)。
(3)进行循环伏安法检测，初始及最低电位为-1.5V，最高电位为1.5V，静置时间为3s，扫描速率为0.001V/s。
(4)电化学激励单元和传统恒电位仪分别与自动化电化学发光分析仪联合应用，分别将电化学激励单元和传统恒电位仪连接到布基微流控芯片的参比电极、工作电极和辅助电极上，检测不同浓度的待测液在该电化学激励单元和传统恒电位仪作用下产生的电化学发光强度值，实验进行七次重复。
(5)通过Origin 7.0软件对电化学发光成像数据作进一步分析处理，从而得到不同浓度的待测液在电化学激励单元和传统恒电位仪作用下的电化学发光强度对比柱状图。
从图17可以看出：随着待测液中过氧化氢浓度的增加，电化学发光强度值逐渐增强；与传统恒电位仪相比较，本发明的循环伏安法激励信号具有可比较的测量稳定性，能够对不同浓度的过氧化氢溶液进行定性和定量分析。
应用实施例2
采用计时电流法激励信号，在不同浓度的过氧化氢和5mM的Luminol混合液中，进行该电化学激励单元与传统恒电位仪的电化学发光对比测量实验：
(1)配置浓度为100mM的过氧化氢溶液，采用pH值为10的CBS分别将其稀释成浓度为0.1mM、0.4mM和1mM的溶液，采用不含过氧化氢的CBS溶液作为背景溶液。
(2)配置5mM的Luminol，将Luminol与上述不同浓度的溶液等体积混合，形成对应的待测液(对应过氧化氢浓度为0mM、0.05mM、0.2mM和0.5mM)。
(3)进行计时电流法检测，初始及最低电位为0V，最高电位为1.5V，脉冲宽度为3s，静置时间为3s。
(4)电化学激励单元和传统恒电位仪与自动化电化学发光分析仪联合应用、检测过程以及数据分析同实施例1。
从图18可以看出：随着待测液中过氧化氢浓度的增加，电化学发光强度值逐渐增强；与传统恒电位仪相比较，本发明的计时电流法激励信号具有可比较的测量结果。
应用实施例3
采用计时电量法激励信号，在不同浓度的过氧化氢和5mM的Luminol混合液中，进行该电化学激励单元与传统恒电位仪的电化学发光对比测量实验：
(1)配置浓度为100mM的过氧化氢溶液，采用pH值为10的CBS分别将其稀释成浓度为0.1mM、0.3mM和1mM的溶液，采用不含过氧化氢的CBS溶液作为背景溶液。
(2)配置5mM的Luminol，将Luminol与上述不同浓度的溶液等体积混合，形成对应的待测液(对应过氧化氢浓度为0mM、0.05mM、0.15mM和0.5mM)。
(3)进行计时电量法测试，初始电位0V，最终电位为1.5V，脉冲宽度为0.5s，静置时间为3s。
(4)电化学激励单元和传统恒电位仪与自动化电化学发光分析仪联合应用、检测过程以及数据分析同实施例1。
从图19可以看出：随着待测液中过氧化氢浓度的增加，电化学发光强度值逐渐增强；与传统恒电位仪相比较，本发明的计时电量法激励信号具有可比较的测量结果。
应用实施例4
采用线性扫描伏安法激励信号，在不同浓度的过氧化氢和5mM的Luminol混合液中，进行该电化学激励单元与传统恒电位仪的电化学发光对比测量实验：
(1)配置浓度为100mM的过氧化氢溶液，采用pH值为10的CBS分别将其稀释成浓度为2.0mM、5.0mM和8.0mM的溶液，采用不含过氧化氢的CBS溶液作为背景溶液。
(2)配置5mM的Luminol，将Luminol与上述不同浓度的溶液等体积混合，形成对应的待测液(对应过氧化氢浓度为0mM、1.0mM、2.5mM和4mM)。
(3)进行线性扫描伏安法检测，初始及最低电位为-0.7V，最高电位为0.7V，静置时间为3s，扫描速率为0.001V/s。
(4)电化学激励单元和传统恒电位仪与自动化电化学发光分析仪联合应用、检测过程以及数据分析同实施例1。
从图20可以看出：随着待测液中过氧化氢浓度的增加，电化学发光强度值逐渐增强；与传统恒电位仪相比较，本发明的线性扫描伏安法激励信号具有可比较的测量结果。
应用实施例5
采用常规脉冲伏安法激励信号，在不同浓度的过氧化氢和5mM的Luminol混合液中，进行该电化学激励单元与传统恒电位仪的电化学发光对比测量实验：
(1)配置浓度为100mM的过氧化氢溶液，采用pH值为10的CBS分别将其稀释成浓度为0.2mM、1.0mM和2.0mM的溶液，采用不含过氧化氢的CBS溶液作为背景溶液。
(2)配置5mM的Luminol，将Luminol与上述不同浓度的溶液等体积混合，形成对应的待测液(对应过氧化氢浓度为0mM、0.1mM、0.5mM和1.0mM)。
(3)进行常规脉冲伏安法检测，初始电位0V，最终电位为1.2V，脉冲周期为500ms，脉冲宽度为50ms，静置时间为3s。
(4)电化学激励单元和传统恒电位仪与自动化电化学发光分析仪联合应用、检测过程以及数据分析同实施例1。
从图21可以看出：随着待测液中过氧化氢浓度的增加，电化学发光强度值逐渐增强；与传统恒电位仪相比较，本发明的常规脉冲伏安法激励信号具有可比较的测量结果。
应用实施例6
采用差分脉冲伏安法激励信号，在不同浓度的过氧化氢和5mM的Luminol混合液中，进行该电化学激励单元与传统恒电位仪的电化学发光对比测量实验：
(1)配置浓度为100mM的过氧化氢溶液，采用pH值为10的CBS分别将其稀释成浓度为0.2mM、0.5mM和2.0mM的溶液，采用不含过氧化氢的CBS溶液作为背景溶液。
(2)配置5mM的Luminol，将Luminol与上述不同浓度的溶液等体积混合，形成对应的待测液(对应过氧化氢浓度为0mM、0.1mM、0.25mM和1.0mM)。
(3)进行差分脉冲伏安法检测，初始电位0V，最终电位为1.2V，脉冲周期为500ms，脉冲宽度为50ms，静置时间为3s。
(4)电化学激励单元和传统恒电位仪与自动化电化学发光分析仪联合应用、检测过程以及数据分析同实施例1。
从图22可以看出：随着待测液中过氧化氢浓度的增加，电化学发光强度值逐渐增强；与传统恒电位仪相比较，本发明的差分脉冲伏安法激励信号具有可比较的测量结果。
应用实施例7
采用双性电极电化学检测激励信号，在不同浓度的过氧化氢和5mM的Luminol混合液中，进行该电化学激励单元与传统直流电源的电化学发光对比测量实验：
(1)配置浓度为100mM的过氧化氢溶液，采用pH值为10的CBS分别将其稀释成浓度为0.2mM、0.5mM和1.0mM的溶液，采用不含过氧化氢的CBS溶液作为背景溶液。
(2)配置5mM的Luminol，将Luminol与上述不同浓度的溶液等体积混合，形成对应的待测液(对应过氧化氢浓度为0mM、0.1mM、0.25mM和0.5mM)。
(3)进行双性电极电化学检测激励法检测，对应双性电极阳极和阴极的电压分别为0V和+8.5V。
(4)电化学激励单元和传统直流电源与自动化电化学发光分析仪联合应用、检测过程以及数据分析同实施例1。
从图23可以看出：随着待测液中过氧化氢浓度的增加，电化学发光强度值逐渐增强；与传统直流电源相比较，本发明的双性电极电化学检测激励信号具有可比较的测量结果。
应用实施例8
采用双性电极和三电极电化学同时检测激励信号，在不同浓度的过氧化氢溶液和5mM的Luminol混合液中，进行该电化学激励单元与传统恒电位仪、直流电源的对比测量实验：
(1)配置浓度为100mM的过氧化氢溶液，采用pH值为10的CBS分别将其稀释成浓度为0.4mM、0.7mM和1.0mM的溶液，采用不含过氧化氢的CBS溶液作为背景溶液。
(2)配置5mM的Luminol，将Luminol与上述不同浓度的溶液等体积混合，形成对应的待测液(对应过氧化氢浓度为0mM、0.2mM、0.35mM和0.5mM)。
(3)进行双性电极电化学检测时，采用双性电极电化学检测激励信号，对应双性电极阳极和阴极的驱动电极电压分别为0V和+8.5V；进行三电极电化学检测时，采用循环伏安法激励信号，初始及最低电位为-1.5V，最高电位为1.5V，静置时间为3s，扫描速率为0.001V/s。
(4)电化学激励单元和自动化电化学发光分析仪联合应用同传统恒电位仪、直流电源和自动化电化学发光分析仪联合应用进行对比。电化学激励单元的三电极电化学检测接口和双性电极电化学检测接口通过五根杜邦头转鳄鱼夹连接线分别被连接到布基微流控芯片的参比电极、工作电极、辅助电极、双性电极阳极和阴极对应的驱动电极上；传统恒电位仪、直流电源分别被连接到对应的上述电极上，检测不同浓度的待测液在该电化学激励单元和传统恒电位仪、直流电源作用下产生的电化学发光强度值，实验进行七次重复。
(5)电化学激励单元和传统恒电位仪、直流电源与自动化电化学发光分析仪联合应用、检测过程以及数据分析同实施例1。
从图24可以看出：随着待测液中过氧化氢浓度的增加，电化学发光强度值逐渐增强；采用双性电极和三电极电化学同时检测激励信号时，对于双性电极电化学检测而言，电化学激励单元与传统直流电源具有可比较的测量结果；对于三电极电化学检测而言，电化学激励单元与传统恒电位仪具有可比较的测量结果。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所揭示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.一种电化学激励单元，其特征在于：包括集成于电路板上的电源模块、复位电路模块、蓝牙模块、微控制器模块、按键选择模块、第一D/A转换模块、第二D/A转换模块、恒电位模块、信号放大器模块、OLED模块，电源模块、复位电路模块、蓝牙模块、按键选择模块、第一D/A转换模块、第二D/A转换模块、OLED模块分别与微控制器模块连接，恒电位模块与第一D/A转换模块连接形成三电极电化学检测激励模块，信号放大器模块与第二D/A转换模块连接形成双性电极电化学检测激励模块；
电源模块与输入电源连接，电源模块包括Buck-Boost电路模块和Buck电路模块，电源模块用于将输入电源的电压接入电路板并转换成合适的电压为各模块供电；复位电路模块用于进行电路系统的重新启动，保证顺利输出激励信号；蓝牙模块用于通过手机端与微控制器模块连接，并在手机端设置激励信号的功能与参数，实现对电化学激励单元的远程操控；微控制器模块通过控制第一D/A转换模块和第二D/A转换模块来控制激励信号的各项参数值；按键选择模块用于将选择的功能和设定的参数发送给微控制器模块；OLED模块用于实现对激励信号种类和激励值的实时监测；
还包括电路板组件，电路板组件包括USB接口、电源开关、通电指示灯、功能选择按键、三电极电化学检测接口、双性电极电化学检测接口、+15V接口、-15V接口、地端接口、OLED模块接口、下载接口和通孔，三电极电化学检测激励模块与三电极电化学检测接口连接，双性电极电化学检测激励模块与双性电极电化学检测接口连接，三电极电化学检测接口、双性电极电化学检测接口、+15V接口、-15V接口、地端接口和下载接口通过2*8的排针集中排列在电路板的左下方；
USB接口与输入电源相连，将5V电压端接入电路板，通电指示灯通过4.7K电阻与5V电压端串联，通孔圆心相对电路板顶角点向电路板内偏移3 mm，通孔采用规格为M3的铜柱和螺母进行固定；三电极电化学检测接口包括参比电极接口、辅助电极接口和工作电极接口，双性电极电化学检测接口包括对应双性电极阳极的驱动电极接口和对应双性电极阴极的驱动电极接口；
恒电位模块包括电压跟随器和差分比较器，电压跟随器采用OPA604芯片，OPA604芯片实时地将参比电极接口上的电压变化传送至差分比较器的反向输入端，差分比较器采用OP07芯片，将正向输入端的第一D/A转换模块输出电压与反向输入端的电压作差值后，传送给辅助电极接口，辅助电极接口与参比电极接口之间的电化学反应池构成一个深度负反馈，将工作电极与参比电极之间的电压维持在第一D/A转换模块的输出电压值。
2.如权利要求1所述的电化学激励单元，其特征在于，Buck-Boost电路模块包括升降压芯片XL6007E1和电压泵，升降压芯片XL6007E1将5 V电压转换成+15 V电压和-15 V电压，电压泵由三个肖特基二极管与两个电容耦合组成，肖特基二极管的型号为SS14-A，两个电容的容值均为22 μF。
3.如权利要求1所述的电化学激励单元，其特征在于，Buck电路模块中，通过低压差线性稳压器AMS1117-3.3和低压差线性稳压器 AMS1117-2.5，将5 V电压分别转换成3.3 V电压和2.5 V电压；通过低压差线性稳压器78L12和低压差线性稳压器79L12，分别将+15 V电压和-15 V电压的转化成+12 V电压和-12 V电压；通过REF195芯片将12V电压转化成5V电压；通过LM317芯片将12V电压降至5.21V电压。
4.如权利要求1所述的电化学激励单元，其特征在于，信号放大器模块包括运算放大器OPA2171、电容和电阻，信号放大器模块将接收到的第二D/A转换模块输出的激励信号进行放大，再传送至对应双性电极阴极的驱动电极接口。
5.如权利要求1所述的电化学激励单元，其特征在于，功能选择按键位于电路板的正下方且呈一字排开，设有双性电极和三电极电化学同时检测激励法TS、差分脉冲伏安激励法DPV、常规脉冲伏安激励法NPV、线性扫描伏安激励法LSV、计时电量激励法CC、计时电流激励法CA、循环伏安激励法CV和双性电极电化学检测激励法DB。
6.如权利要求1所述的电化学激励单元，其特征在于，第一D/A转换模块和第二D/A转换模块均包括DAC8831芯片和OPA277芯片，通过DAC8831芯片和OPA277芯片将微控制器输出的数字信号转换成模拟信号，并分别发送到至恒电位模块和信号放大器模块。
7.一种电化学激励单元在电化学发光检测中的应用，其特征在于，包括权利要求1至权利要求6任一项所述的电化学激励单元。
CN202210518636.XA 2022-05-13 2022-05-13 一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用 Active CN114878653B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210518636.XA CN114878653B (zh) 2022-05-13 2022-05-13 一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210518636.XA CN114878653B (zh) 2022-05-13 2022-05-13 一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114878653A CN114878653A (zh) 2022-08-09
CN114878653B true CN114878653B (zh) 2023-09-22

Family

ID=82676620

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210518636.XA Active CN114878653B (zh) 2022-05-13 2022-05-13 一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114878653B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201177613Y (zh) * 2008-03-20 2009-01-07 杭州电子科技大学 海水重金属污染物现场分析仪
CN104677960A (zh) * 2015-03-25 2015-06-03 江南大学 一种高精度的三电极测试电路和测试方法
CN105891313A (zh) * 2016-04-12 2016-08-24 杭州电子科技大学 基于维生素b检测的便携式恒电位仪应用平台
CN113281386A (zh) * 2021-04-01 2021-08-20 中山大学 多通道电化学传感器检测装置及其检测方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11536691B2 (en) * 2016-08-10 2022-12-27 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Portable instrument for field ready electrochemical experimentation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201177613Y (zh) * 2008-03-20 2009-01-07 杭州电子科技大学 海水重金属污染物现场分析仪
CN104677960A (zh) * 2015-03-25 2015-06-03 江南大学 一种高精度的三电极测试电路和测试方法
CN105891313A (zh) * 2016-04-12 2016-08-24 杭州电子科技大学 基于维生素b检测的便携式恒电位仪应用平台
CN113281386A (zh) * 2021-04-01 2021-08-20 中山大学 多通道电化学传感器检测装置及其检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114878653A (zh) 2022-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102597759B (zh) 用于生物传感器的未足量识别系统
CN101002086B (zh) 电化学传感器
CN203824914U (zh) 一种双恒电位激发电化学发光分析装置
CN207215748U (zh) 一种便携式多通道电化学检测系统
CN114878653B (zh) 一种电化学激励单元及其在电化学发光检测中的应用
CN104914140A (zh) 电化学分析模拟装置
CN110132947B (zh) 一种锥形微米孔表面电荷密度调控电致化学发光信号的方法
CN111982998A (zh) 一种重金属电化学分析仪及其检测方法
CN104614422A (zh) 一种双极电极耦合电化学反应装置及方法
CN115128061B (zh) 一种电化学发光分析仪
CN108614020B (zh) 一种重金属离子浓度的光电化学检测方法及检测装置
CN105891313B (zh) 基于恒电位仪应用平台的维生素b检测方法
CN103645223A (zh) 一种自清洁的双通道在线溶解氧仪
CN202002905U (zh) 电致化学发光暂态分析仪
Yu et al. Comparative studies on the electrochemiluminescence of the luminol system at a copper electrode and a gold electrode under different transient-state electrochemical techniques
CN219978182U (zh) 一种电化学检测器
CN210015078U (zh) 一种具有振动功能的微型可拆卸式三电极电化学装置
CN108152210B (zh) 一种丝网印刷电极专用电致化学发光检测池
CN107064116B (zh) 一种基于手机usb-otg接口的电化学发光生化检测系统及方法
CN219456020U (zh) 一种检测电路、片上系统以及检测装置
CN101393163A (zh) 基于电分析法的便携式过氧化氢浓度检测仪
Jin et al. Direct electrochemical determination of pyruvate in human sweat by capillary zone electrophoresis
CN114324525B (zh) 一种生化电极镀银量的检测系统
CN101216451A (zh) 一种dna生物传感器电极的制作方法及其应用
CN118150668A (zh) 一种用于细菌和病毒快速分类的直接电化学检测装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant