CN117092191A - 一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法，涉及重金属离子浓度分析设备。其中仪器包括主控芯片模块、电源管理模块、模拟前端模块、激励信号模块以及信号检测模块，工作原理为：主控芯片模块控制激励信号模块输出相应波形并由模拟前端模块作用于三电极电解池，信号检测模块对电化学反应产生的电流进行检测，并最终由主控芯片模块将检测到的信号传递给上位机。本发明提供的仪器，能够实现方波阳极溶出伏安法、方波伏安法、差分脉冲伏安法等重金属离子检测方法，并有着高精度、高灵敏度和低成本等优势，能够实现对重金属离子的痕量检测；另外，通过与丝网印刷三电极结合使用，能够在重金属离子的现场检测中发挥重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及重金属离子浓度分析设备，尤其涉及一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法。
背景技术
目前适用于重金属离子检测的方法主要包括质谱法、光谱法、生物检测法和电化学分析法等。上述方法都有着良好的检测精度，但是一些方法在实际应用上存在一定程度的局限性。例如，质谱法、光谱法需要经过训练的专业人员使用高昂的设备在实验室中进行，这使得这些方法几乎无法应用于重金属离子的现场检测。生物检测法对检测环境的要求十分严苛，并且只能单一测量某一种元素，也不适用于现场检测。电化学分析技术具有成本低、操作简单、分析快速等优点，并且随着现在半导体技术的进步，使电化学检测设备更加小型化、集成化，极大地提高了现场检测的便携性和精度，因此电化学分析技术在现场检测方面具有很大的潜力。
现如今使用电化学方法检测痕量重金属离子需要依赖于商用台式设备，这些商用台式电化学检测设备体积通常较大，并且需要固定电源和在实验室条件下才能进行检测，而其高昂的成本也提高了使用门槛。因此，研制一台高精度、稳定性良好、成本适当并且能够在非实验室条件下重金属检测仪是十分有必要的，这能够方便研究人员在现场实时对环境水体中的重金属离子进行检测，及时高效地发现污染源，实现从源头治理，提高重金属污染治理效率。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种痕量重金属离子浓度分析仪，包括：
主控芯片模块，包括微控制单元，所述微控制单元用于输出数字信号；所述主控芯片模块通过接口连接至上位机；
激励信号模块，包括数模转换单元和第一信号调理单元，所述数模转换单元用于将数字信号转换为模拟信号，所述第一信号调理单元用于对模拟信号进行滤波处理，并输出激励信号；
模拟前端模块，包括恒电位仪电路PTC和跨阻放大电路TIA；所述恒电位仪电路连接参比电极RE和对电极CE，用于根据激励信号控制待测溶液中的电压值；所述跨阻放大电路连接工作电极WE，用于采集并放大微电流信号，以及将微电流信号转换为电压信号；
信号检测模块，包括模数转换单元和第二信号调理单元，所述第二信号调理单元用于对电压信号进行滤波处理，所述模数转换单元用于将滤波处理后的电压信号转换为数字信号，并将该数字信号传输至微控制单元；
电源管理模块，用于为痕量重金属离子浓度分析仪中的各模块供电；
其中，参比电极、对电极和工作电极均与三电极传感器连接，在检测分析过程中，所述三电极传感器浸没在待测溶液中。
进一步地，所述微控制单元采用型号为STM32F407的芯片来实现，基于HAL库对主控芯片模块进行开发，基于PyGObject开源项目进行上位机框架的开发；
通过上位机选择不同的检测方法进行重金属离子的检测，其中检测方法包括方波阳极溶出伏安法、方波伏安法、差分脉冲伏安法。
进一步地，所述参比电极的材料为Ag/AgCl，所述对电极的材料为铂金属，所述工作电极的材料为石墨烯、平面金或者石墨烯金纳米材料。
进一步地，所述工作电极为石墨烯金纳米颗粒电极。
进一步地，所述恒电位仪电路包括第一放大器、第二放大器、第一电阻和第二电阻；
所述第二电阻的一端输入激励信号，所述第二电阻的另一端连接所述第一放大器的反相输入端，所述第一放大器的同相输入端接地，所述第一放大器的输出端连接对电极；
所述第一电阻的一端输入激励信号，所述第一电阻的另一端连接所述第二放大器的输出端，所述第二放大器的同相输入端连接参比电极，所述第二放大器的反相输入端连接所述第二放大器的输出端。
进一步地，所述跨阻放大电路包括第三放大器和可调电阻；
所述第三放大器的反相输入端连接工作电极，所述第三放大器的同相输入端接地，所述第三放大器的输出端输出电压信号；所述可调电阻的一端连接在所述第三放大器的反相输入端，所述可调电阻的另一端连接在所述第三放大器的输出端；
所述可调电阻包括多种阻值，通过模拟开关选择不同的阻值。
进一步地，所述数模转换单元采用型号为MAX5444的芯片来实现，所述模数转换单元采用型号为ADS1255的芯片来实现；所述第一信号调理单元和所述第二信号调理单元均为二阶低通滤波电路。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种痕量重金属离子浓度检测方法，包括以下步骤：
采集水样，采用预设的缓冲溶液对采集的水样进行稀释，获得待测液体，将三电极传感器浸没在待测溶液中；
通过上位机选择检测方法，并启动痕量重金属离子浓度分析仪，获得检测信号；
根据检测信号和预设的标准曲线获得检测结果；
其中，所述痕量重金属离子浓度分析仪为上所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪。
进一步地，所述标准曲线通过以下方式绘制获得：
获取50mL缓冲溶液；
逐滴将5μL 0.1g/L的重金属离子溶液滴入50mL缓冲溶液中；
记录每滴一次重金属离子溶液对应的电量信号，并绘制获得标准曲线。
进一步地，所述缓冲溶为醋酸-醋酸钠缓冲溶液。
本发明的有益效果是：本发明提供的仪器能够实现对重金属离子的痕量检测，有着高精度、高灵敏度和低成本等优势；另外，通过与丝网印刷三电极结合使用，能够在重金属离子的现场检测中发挥重要作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中痕量重金属离子浓度分析仪的硬件结构图；
图2是本发明实施例中不同工作电极对镉离子的响应情况的示意图；
图3是本发明实施例中1～30μg/L浓度范围内镉离子的溶出伏安图；
图4是本发明实施例中使用痕量重金属离子浓度分析仪对实际水样进行检测的溶出伏安图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种痕量重金属离子浓度分析仪，包括：
主控芯片模块，包括微控制单元MCU，所述微控制单元MCU用于输出数字信号；所述主控芯片模块通过接口连接至上位机；
激励信号模块，包括数模转换单元DAC和第一信号调理单元，所述数模转换单元DAC用于将数字信号转换为模拟信号，所述第一信号调理单元用于对模拟信号进行滤波处理，并输出激励信号；
模拟前端模块，包括恒电位仪电路PTC和跨阻放大电路TIA；所述恒电位仪电路PTC连接参比电极RE和对电极CE，用于根据激励信号控制待测溶液中的电压值；所述跨阻放大电路TIA连接工作电极WE，用于采集并放大微电流信号，以及将微电流信号转换为电压信号；
信号检测模块，包括模数转换单元ADC和第二信号调理单元，所述第二信号调理单元用于对电压信号进行滤波处理，所述模数转换单元ADC用于将滤波处理后的电压信号转换为数字信号，并将该数字信号传输至微控制单元；
电源管理模块，用于为痕量重金属离子浓度分析仪中的各模块供电；
其中，参比电极、对电极和工作电极均与三电极传感器连接，在检测分析过程中，所述三电极传感器浸没在待测溶液中。
在本实施例中，主控芯片模块主要由微控制单元MCU及其外围电路构成；激励信号模块由DAC以及一个二阶低通滤波电路构成；模拟前端模块由恒电位电路及跨阻放大电路构成；信号检测模块由另一个二阶低通滤波电路与ADC构成。电源管理模块设置有±5V、3.3V、±2.5V以及一个2.5V的电压基准。作为一种可选的实施方式，主控芯片模块通过type-c接口与上位机(如笔记本电脑)连接，结合丝网印刷三电极能够在现场取样之后进行及时检测。具体地，利用方波阳极溶出伏安法对稀释后的水样进行检测，将检测所得到的溶出峰电流代入使用标准溶液所检测出的溶出峰电流，计算得出实际样品的浓度。
整个系统的工作原理如下：MCU通过串行外设接口(Serial PeripheralInterface，SPI)将激励信号所需的数字信息传递给数模转换器(Digital-to-AnalogConverters,DAC)，并由DAC输出激励信号，由于DAC直出的信号有较大的噪声，所以在激励信号作用于模拟前端模块(analog front end，AFE)前，需要对信号进行调理，滤除干扰信号，并最终作用于模拟前端电路。AFE模块包括恒电位仪电路(Potentiostat circuit，PTC)和跨阻放大(Transimpedance amplification，TIA)电路。PTC是实现三电极体系的基本保证，连接CE和RE；TIA电路连接WE，将微小电流放大，并转换成电压信号来被后续电路读取。信号检测模块由一个模数转换器(Analog-to-Digital Converters，ADC)和另一个信号调理模块组成，由于流经工作电极的电流有正有负，因此转换后的电压信号也是双极性信号，因此信号调理电路的作用即为将电压抬升至ADC易于读取的正电位，并滤除工频噪声等杂散信号的干扰，而ADC的作用则是将读取的模拟信号转换成能够被MCU识别的数字信号。其中，图1中的(a)为痕量重金属离子浓度分析仪的整体结构，图1中的(b)为(a)中模拟前端模块AFE的详细结构。
作为一种可选的实施方式，所述微控制单元MCU采用型号为STM32F407的芯片来实现，下位机程序基于HAL库进行编写；上位机使用python语言进行编写，基于PyGObject开源项目进行框架的开发。所述仪器通过type-C数据线与笔记本电脑进行供电和数据传输，通过丝网印刷三电极结合，可以实现痕量重金属离子的现场检测。
作为一种可选的实施方式，所述参比电极的材料为Ag/AgCl，所述对电极的材料为铂金属，所述工作电极的材料为石墨烯、平面金或者石墨烯金纳米材料。具体地，所述工作电极为石墨烯金纳米颗粒电极。
作为一种可选的实施方式，所述恒电位仪电路包括第一放大器U1、第二放大器U2、第一电阻R1和第二电阻R2；
所述第二电阻R2的一端输入激励信号，所述第二电阻R2的另一端连接所述第一放大器U1的反相输入端，所述第一放大器U1的同相输入端接地，所述第一放大器U1的输出端连接对电极；
所述第一电阻R1的一端输入激励信号，所述第一电阻R1的另一端连接所述第二放大器U2的输出端，所述第二放大器U2的同相输入端连接参比电极，所述第二放大器U2的反相输入端连接所述第二放大器U2的输出端。
作为一种可选的实施方式，所述跨阻放大电路包括第三放大器U3和可调电阻Rgain；
所述第三放大器U3的反相输入端连接工作电极，所述第三放大器U3的同相输入端接地，所述第三放大器U3的输出端输出电压信号；所述可调电阻Rgain的一端连接在所述第三放大器U3的反相输入端，所述可调电阻Rgain的另一端连接在所述第三放大器U3的输出端；
所述可调电阻Rgain包括多种阻值，通过模拟开关选择不同的阻值。
本实施例需要解决的主要技术难点为：在兼顾便携性和低成本的情况下，实现对痕量重金属离子的高精度检测。即做到性能上媲美台式设备，能够在实时实地对环境水中的重金属离子进行检测。为此，本实施例采用以下技术方案：
(1)选用高分辨的DAC和ADC
DAC的位数决定了所输出激励信号的最小步长，例如使用STM32内置12bit的DAC，则对于0～5V的激励信号电压范围而言，其最小步长越为1.22mV，这对于检测重金属离子常用的脉冲伏安技术而言，会有极大的误差。因此，本实施例选用16bit的DAC，同样对于0～5V的电压范围，16bit的DAC输出激励信号的最小步长为76.3μV，完全满足激励信号对信号的精度的要求。同时，考虑到将激励信号的范围设置在-2.5V～+2.5V之内，选用双极型DAC，综上，所选择DAC的型号为MAX5444(Maxim,USA)。
ADC同样对分辨率有着高要求，STM32内置3个12bit的ADC，其采样率高达7.2MSPS，若以5V的量程计算，其12位的分辨率能够识别的最小电压为1.22mV，当使用TIA电路中的增益电阻为100Ω时，其所能识别的最小电流为12.21μA。在同样的增益电阻下选择24位的ADC，最小所能分辨的电压为298nV，所能识别的最小电流为2.98nA，满足痕量重金属离子的检测需求。对于重金属离子的检测而言，对ADC的采样率要求通常不是很高，因此可以选择高分辨率，但采样率较低的Σ-Δ型架构，因此本实施例最终选择ADS1255(TexasInstruments,USA)作为ADC。
(2)精密运算放大器
对于痕量重金属离子的检测而言，由于电流微小，因此运算放大器本身存在的误差也会对检测结果产生影响。因此，本实施例模拟前端模块所选用的运算放大器均为精密运算放大器，其中图1中的U1、U2选用德州仪器最新推出的OPA392，其输入失调电压和输入偏置电流的典型值分别为1μV和10fA，完全满足痕量重金属离子检测的需要，同时该运算放大器13MHz的增益带宽积，满足激励信号的输出需求。
跨阻抗放大电路所使用的运算放大器U3对输入偏置电流要求极高，同时，本实施例的增益电阻为100Ω～100MΩ，这对运算放大器U3的输入阻抗也提出了较高的要求，此外，对于噪声、失调电压等其他参数应尽可能小。基于上述条件，U3所选择的精密运算放大器为LMP7721(Texas Instruments,USA)。LMP7721的输入偏置电流仅为3fA，是业界规定的最低输入偏置电流的精密放大器，其输入参考电流噪声和输入参考电压噪声分别为和/>
(3)电压基准
一个高精度的DAC和ADC需要有一个高稳定性的电压基准，本实施例选用电压基准芯片REF3225以及运算放大器OPA350所构成的电压跟随电路来提供2.5V的电压基准。REF3225应用于便携、医疗和检测设备，其精度高达0.01％，温度漂移系数最大为7ppm/℃(0～+125℃)。
(4)使用多档位的可调电阻
考虑不同浓度的重金属离子，其响应电流的大小也不同，因此所述仪器设计了8个不同的增益电阻作为微小电流的增益。分别为100、1k、5k、30k、300k、1M、10M和100M，通过8通道的双极型模拟开关ADG1408进行通道选择。
基于上述的仪器，本实施例还一种痕量重金属离子浓度检测方法，包括以下步骤：
步骤1：材料准备阶段
对重金属离子的检测需要在缓冲溶液中进行，可选用醋酸-醋酸钠作为缓冲溶液；还需要准备电极传感器，可以选择商用的丝网印刷三电极。此外，还需要准备指定重金属离子的标准溶液，用以指定标准曲线。
步骤2：连接系统
需要将三电极传感器与所述仪器进行连接，并将传感器全部浸没在电解质溶液中；需要将所述仪器与笔记本电脑相连接，并在上位机中进行设备连接配对。
步骤3：实验方法选择与参数设置
通过上位机选择合适的方法进行重金属离子的检测，常用的阳极溶出伏安法、方波阳极溶出伏安法等。以方波阳极溶出伏安法为例，需要设置的参数包括富集时间、富集电位、静息时间、扫描范围、脉冲高度、步进高度、方波频率。设置好参数之后，上位机将实验信息传输至下位机，而后进行实验。
步骤4：进行标准曲线绘制
标准曲线的绘制为每次滴入微量的高浓度重金属离子，例如，在50mL的缓冲溶液中滴入5μL 0.1g/L的铜离子，由于5μL远远小于50mL，因此可以忽略体积的改变，那么此时溶液中所存在的铜离子浓度约为C＝(5μL*0.1g/L)/50mL＝10μg/L，即每次滴入5μL 0.1g/L的铜离子到50mL溶液中，可以增加10μg/L的铜离子浓度。如此，在分别滴入5、10、15、20、25、30、35、40、45、50μL，即可得到10、20、30、40、50、60、70、80、90、100μg/L浓度的铜离子的峰值电流高度，将这些峰高值拟合，就可得到标准曲线。
步骤5：实际样品检测
在实地采集水样之后，用缓冲溶液进行稀释之后，使用所发明的仪器进行检测，即可得到相应离子的溶出峰电流，将该电流代入到标准曲线中即可获得稀释十倍后样品中该离子的浓度。
以下结合附图及具体实施例对上述内容进行详细地解释说明。
本实施例对某自然水系的Cd2+浓度进行检测。
(1)准备材料如下：配置浓度为0.1g/L的镉离子标准溶液，用以做标准曲线的检测；配置0.1mol/L、pH值为4.0～6.0(步长0.5)的醋酸-醋酸钠缓冲溶液；准备丝网印刷三电极，其中对电极为铂片电极，参比电极为Ag/AgCl电极，工作电极有准备了平面金电极(Au)、石墨烯金纳米颗粒电极(AuNPs@Gr)以及石墨烯电极(Gr)。
(2)系统连接：将三电极浸没在50mL的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，并与所述仪器连接，确保上位机与下位机连接成功。
(3)方法选择和参数设置：选择方法为方波阳极溶出伏安法，由于未经参数优化，先预设参数如下：富集时间60s、富集电位-1.0V、脉冲高度25mV、步进高度4mV、方波频率25Hz。
(4)工作电极材料对比：在pH为5.0的缓冲溶液中分别使用Au、AuNPs@Gr和Gr对浓度为60μg/L的镉离子进行SWASV检测，图2为其溶出伏安图，观察到AuNPs@Gr的溶出峰电流最高，Au电极次之，而Gr电极几乎观察不到溶出峰，原因是Gr电极仅具有良好的导电能力，在修饰了AuNPs之后，提高了电化学活性面积，增强了电催化活性。
(5)实验参数优化：
为了获得最适宜的检测效果，需要对实验条件进行优化。通常SWASV需要讨论的电化学参数包括缓冲溶液的pH值、沉积电位以及沉积时间。
使用所述仪器在pH值4.0～6.0范围内(步长为0.5)的缓冲溶液中对30μg/L的Cd2+进行检测。当pH从4.0开始增加时，溶出峰电流也随之增大，并在pH为5.0时达到最大，这可能是由于去质子化的增加而导致的。而当pH继续增大时，由于溶液中的Cd2+发生水解反应，会抑制离子在电极表面的积累，故而导致峰值电流密度的降低。
在-0.8V～-1.3V的电位范围内研究了沉积电位对镉离子检测的影响，可以看出溶出峰的峰值电流随着沉积电位的越来越正而降低，并且在-1.2～-1.3V之间出现波动，这可能是由于富集电压过低，导致电极表面出现析氢反应，影响工作电极的表面的富集，因此本文选择使用-1.2V作为沉积电位。
通常情况下，沉积时间的增加意味着溶液中存在的镉离子能够被更充分的富集在工作电极上，但太长的沉积时间会大大降低检测效率。镉离子溶出电流峰值随沉积时间的增加而增加，为选择出最高的沉积效率，通过使用峰值电流与沉积时间的比值得出当沉积时间为90s时，沉积效率最高。
(6)标准曲线绘制
由于世界卫生组织对环境水中的镉离子的浓度标准是低于3.0μg/L，因此本实施例对浓度在1～30μg/L的范围内的镉离子进行了检测。在最优条件下，通过方波阳极溶出伏安法(SWASV)对标准溶液中镉离子的浓度进行定量分析，以获得校准曲线，结果如图3所示。可以看出镉离子的溶出峰电位在-0.5V左右，其线性方程为：
Y(nA)＝231.803C+121.03，R2＝0.9930 (1)
由线性方程可知检测灵敏度为231.803nA·μg/L，根据式(1)可以得出所述仪器在使用AuNPs@Gr电极的情况下对镉离子的检出限为0.833μg/L。
(7)实际样品检测
使用所述仪器对校园内某两个湖域的湖水进行检测，采用标准添加法对实际水样进行检测，检测操作如下：取5mL实际水样，用45mL的ABS缓冲溶液稀释至50mL，随后分别滴加10ppb、20ppb、30ppb的Cd2+溶液，将所测的峰值电流代入校准曲线可以求得实际样品与加标样品的浓度和，作差即可得到峰值电流。图4为最优实验条件下SWASV得出的实际样品溶出伏安图。
通过计算得出，实际样品中的镉离子浓度如表1所示，将测量结果与AAS进行比较，结果表明，所述仪器的检测效果与AAS相当接近，其中东湖水样的误差较高，在4％～7％之间，这可能是因为取样时，东湖水较为浑浊导致的。如果增加适当的过滤步骤，或可以改善检测效果。
表1东西湖水域镉离子浓度检测
注：表中所有单位均为μg/L。
综上所述，本发明相对于现有技术，至少具有如下优点及有益效果：
1)本发明能够实现方波阳极溶出伏安法、方波伏安法、差分脉冲伏安法等重金属离子检测方法，并有着较高的精度和可控的低成本。
2)本发明与丝网印刷三电极结合能够实现户外的重金属离子现场检测，且检测方法简单快速。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，包括：
主控芯片模块，包括微控制单元，所述微控制单元用于输出数字信号；所述主控芯片模块通过接口连接至上位机；
激励信号模块，包括数模转换单元和第一信号调理单元，所述数模转换单元用于将数字信号转换为模拟信号，所述第一信号调理单元用于对模拟信号进行滤波处理，并输出激励信号；
模拟前端模块，包括恒电位仪电路和跨阻放大电路；所述恒电位仪电路连接参比电极和对电极，用于根据激励信号控制待测溶液中的电压值；所述跨阻放大电路连接工作电极，用于采集并放大微电流信号，以及将微电流信号转换为电压信号；
信号检测模块，包括模数转换单元和第二信号调理单元，所述第二信号调理单元用于对电压信号进行滤波处理，所述模数转换单元用于将滤波处理后的电压信号转换为数字信号，并将该数字信号传输至微控制单元；
其中，参比电极、对电极和工作电极均与三电极传感器连接，在检测分析过程中，所述三电极传感器浸没在待测溶液中。
2.根据权利要求1所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述微控制单元采用型号为STM32F407的芯片来实现，基于HAL库对主控芯片模块进行开发，基于PyGObject开源项目进行上位机框架的开发；
通过上位机选择不同的检测方法进行重金属离子的检测，其中检测方法包括方波阳极溶出伏安法、方波伏安法、差分脉冲伏安法。
3.根据权利要求1所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述参比电极的材料为Ag/AgCl，所述对电极的材料为铂金属，所述工作电极的材料为石墨烯、平面金或者石墨烯金纳米材料。
4.根据权利要求3所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述工作电极为石墨烯金纳米颗粒电极。
5.根据权利要求1所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述恒电位仪电路包括第一放大器、第二放大器、第一电阻和第二电阻；
所述第二电阻的一端输入激励信号，所述第二电阻的另一端连接所述第一放大器的反相输入端，所述第一放大器的同相输入端接地，所述第一放大器的输出端连接对电极；
所述第一电阻的一端输入激励信号，所述第一电阻的另一端连接所述第二放大器的输出端，所述第二放大器的同相输入端连接参比电极，所述第二放大器的反相输入端连接所述第二放大器的输出端。
6.根据权利要求1所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述跨阻放大电路包括第三放大器和可调电阻；
所述第三放大器的反相输入端连接工作电极，所述第三放大器的同相输入端接地，所述第三放大器的输出端输出电压信号；所述可调电阻的一端连接在所述第三放大器的反相输入端，所述可调电阻的另一端连接在所述第三放大器的输出端；
所述可调电阻包括多种阻值，通过模拟开关选择不同的阻值。
7.根据权利要求1所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述数模转换单元采用型号为MAX5444的芯片来实现，所述模数转换单元采用型号为ADS1255的芯片来实现；所述第一信号调理单元和所述第二信号调理单元均为二阶低通滤波电路。
8.一种痕量重金属离子浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集水样，采用预设的缓冲溶液对采集的水样进行稀释，获得待测液体，将三电极传感器浸没在待测溶液中；
通过上位机选择检测方法，并启动痕量重金属离子浓度分析仪，获得检测信号；
根据检测信号和预设的标准曲线获得检测结果；
其中，所述痕量重金属离子浓度分析仪为权利要求1-7任一项所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪。
9.根据权利要求8所述的一种痕量重金属离子浓度检测方法，其特征在于，所述标准曲线通过以下方式绘制获得：
获取50mL缓冲溶液；
逐滴将5μL 0.1g/L的重金属离子溶液滴入50mL缓冲溶液中；
记录每滴一次重金属离子溶液对应的电量信号，并绘制获得标准曲线。
10.根据权利要求8所述的一种痕量重金属离子浓度检测方法，其特征在于，所述缓冲溶为醋酸-醋酸钠缓冲溶液。
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