CN203037618U

CN203037618U - 便携式重金属检测仪

Info

Publication number: CN203037618U
Application number: CN 201320049608
Authority: CN
Inventors: 王健; 顾建军; 菅志军; 陆丽芳; 徐本亮
Original assignee: Wuxi Municipal Design Institute Co Ltd
Current assignee: Wuxi Municipal Design Institute Co Ltd
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2023-01-29

Abstract

本实用新型提供了一种便携式重金属检测仪，它包括手持机和三电极系统电解池，三电极系统电解池包括检测容器及三电极电路，三电极电路的三个电极伸入检测容器并共同固定在搅拌基座上；手持机内部包括微处理器，微处理器的输出端依次通过数模转换电路、差分传输电路、差分接收电路连接三电极电路的参比电极和对电极，微处理器的输入端分别通过模数转换电路、差分接收电路、差分传输电路、量程切换电路连接三电极电路的工作电极，微处理器还连接搅拌基座的电机控制电路、电源管理模块、按键电路和显示屏。其优点：具有对重金属元素的快速、简便的在线检测的能力。使用方便、重量轻、体积小、携带方便。既可用于实验室检测，也可用于野外现场检测。

Description

便携式重金属检测仪

技术领域

本实用新型涉及一种重金属检测仪，具体是一种采用三电极系统的便携式重金属检测仪。

背景技术

水体中重金属严重威胁了水环境安全和人类健康，是水体质量检测的重要指标。目前常采用原子吸收方法检测，原子吸收仪器主要装备在实验室，由于需要取样分析、分析时间长、仪器昂贵等原因，导致该技术难以得到普遍应用。阳极溶出伏安法以其低成本与高灵敏度的特点，成为快速、简便测定水体中重金属的方法，大量应用于医药、生物和环境分析中。但目前采用的阳极伏安法大都采用汞基体传感器作为工作电极，在检测中会造成二次污染，而且汞基体电极存在电极处理等技术问题，难以发展成为在线检测技术，不能适应对水体在线快速检测的要求。本课题研究基于阳极溶出伏安技术，实现对水体中重金属快速、高效、高灵敏度的检测。该技术能够形成水质在线监测，能成为水环境管理决策和预防的重要技术支撑。

目前，随着材料技术、电子技术和计算机技术的快速发展，为实现小型化、快速、超灵敏、便宜的现场/在线环境监测技术及仪器提供了可能性。其中金、玻碳基体工作电极由于电极维护方便、优良的稳定性为实现阳极溶出伏安技术提供了技术支撑，由于用阳极溶出伏安技术获得的水体中重金属存在的信息丰富，通过对重金属阳极溶出伏安信息的分析能够获得多种重金属的含量，简化了检测方法，缩短了检测时间，降低了检测成本。

基于金、玻碳基体工作电极的阳极溶出伏安技术仍有很多技术挑战。（1）尽管金、玻碳基体工作电极已经应用与阳极溶出伏安法，但是满足实现阳极溶出伏安技术的传感器配置还需要进行研究，以解决实现技术的稳定性；（2）重金属的阳极溶出伏安信息的挖掘、处理，目前还缺乏这方面的研究。

对于金属含量的检测常用检测技术是原子光谱技术，其中以原子吸收光谱为主要技术，原子吸收光谱具有灵敏度高、检测限低、技术成熟等优点，能够检测水体中需要监控的重金属元素，能够满足水体中重金属检测的需要，但是，由于原子吸收光谱仪器只适合装备在实验室中使用，不能适应现场检测的需要，更不能满足在线检测的要求。阳极溶出伏安法仪器体积小，操作简便的特点，为满足现场检测对仪器便携、操作简便的需求，发展了阳极溶出伏安法来满足对水体中重金属含量的现场、简便检测的需求。目前，阳极溶出伏安法采用三电极系统，其中工作电极采用汞基材的电极，由于汞基材电极不能实现原位维护，而且会造成汞的二次污染，这已经成为环境水体重金属快速、简便检测的技术瓶颈。

同时，国内外已开发出基于X射线荧光光谱的便携式重金属离子检测仪，如美国赛默飞世尔Niton手持式X射线荧光光谱（XRF）重金属检测仪、国内江苏天瑞仪器公司便携式XRF土壤重金属检测仪（EDX系列），具有分析速度快、X射线荧光光谱跟样品的化学结合状态无关、非破坏分析、制样简单、精度高等优点，但是该项技术仍存在下面难以克服的缺点： a) 很难作绝对分析，故定量分析需要大量标样； b) 容易受其他元素干扰和叠加峰影响。

因此，迫切需要开发一种新型的传感技术用于现场快速检测环境中重金属离子含量。

发明内容

本实用新型基于阳极溶出伏安技术，提供一种便携式重金属检测仪，采用金、玻碳基体工作电极实现对水体中重金属快速、高效、高灵敏度的检测，且本检测仪能够形成水质在线监测，能成为水环境管理决策和预防的重要技术支撑。

按照本实用新型提供的技术方案，所述的便携式重金属检测仪包括：通过导线连接的手持机和三电极系统电解池，所述三电极系统电解池包括检测容器以及三电极电路，所述三电极电路的三个电极，即参比电极、对电极和工作电极伸入所述检测容器中，并共同固定在搅拌基座上；所述手持机内部包括微处理器，所述微处理器的输出端依次通过数模转换电路、第一差分传输电路、第一差分接收电路连接到三电极电路的参比电极和对电极，所述微处理器的输入端分别通过模数转换电路、第二差分接收电路、第二差分传输电路、量程切换电路连接到三电极电路的工作电极，所述微处理器同时还连接搅拌基座的电机控制电路、电源管理模块、按键电路和显示屏。

所述工作电极采用金或玻碳基体的工作电极。

所述微处理器连接有USB接口。所述手持机内置充电电池，与所述电源管理模块相连。

本实用新型的优点：本便携式重金属检测仪具有对重金属元素的快速、简便的在线检测的能力。能够快速检测水体中Cu²⁺ ，Pb²⁺ ， As³⁺， Zn²⁺ ，Cd²⁺，Hg²⁺含量，检出限可达0.5ppb。使用方便（可单手操作）、重量轻、体积小、携带方便。既可用于实验室检测，也可用于野外现场检测。用于实验室：与计算机连接使用，配备专用软件控制检测过程。用于野外现场：充电电池保证供电，检测数据直接显示在液晶屏上。

附图说明

图1是本实用新型电路框图。

图2是方波伏安法扫描的对电极输出波形。

图3是方波伏安法扫描的扫描波形细节。

图4是三电极电路原理图。

图5是本实用新型的工作流程示意图。

具体实施方式

本检测仪是基于阳极溶出伏安法技术的便携式重金属检测仪，包括通过导线连接的手持机和三电极系统电解池，实现对水体中Cu²⁺，Pb²⁺，As³⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Hg²⁺等重金属元素的快速、简便的在线检测。阳极溶出伏安法(以下简称ASV)的原理是：被测物质在恒电位及搅拌条件下富集，然后从相对负电位扫描到相对正电位，使富集在电极表面的物质发生氧化反应而重新溶出。

所述三电极系统电解池包括检测容器以及三电极电路，所述三电极电路的三个电极，即参比电极、对电极和工作电极伸入所述检测容器中，并共同固定在搅拌基座上。

如图1所示，所述手持机内部包括微处理器，所述微处理器的输出端依次通过数模转换电路、第一差分传输电路、第一差分接收电路连接到三电极电路的参比电极和对电极，所述微处理器的输入端分别通过模数转换电路、第二差分接收电路、第二差分传输电路、量程切换电路连接到三电极电路的工作电极，所述微处理器同时还连接搅拌基座的电机控制电路、电源管理模块、按键电路、显示屏、USB接口。所述手持机内置充电电池，与所述电源管理模块相连。

本实用新型通过以上电路结构提供电位，完成方波分析法从而测量溶液中的重金属离子浓度。微处理器连接到数模转换电路DA，数模转换电路输出模拟信号转换为差分信号，传输到三电极电路端，差分接收后转为单端信号，再转化为参比电极和对电极要求的信号。处理器也连接到模数转换电路AD，金电极（工作电极）输出连接到采样电阻，再经模拟开关，连接到放大器的输出端，信号变为电压信号，再转为差分信号，连接到所述模数转换电路，经AD转换为数字信号输入微处理器。

本实用新型的微处理器通过数模转换电路DA输出到对电极和参比电极，采用方波伏安法扫描方式：线性扫描+方波（振幅10~30 mV、频率 33,15 Hz，宽度10-40ms）在方波电压改变方向的瞬间记录电解电流。扫描电位与电流图谱如图2所示。

如图2所示，在图中的A、B、C、D四点分别为以下步骤。

A. 清洗步骤：加高的氧化电位，定速搅拌，除去电极表面杂质；

B. 电沉积步骤：定速搅拌，足够低的电位还原待分析物质并把物质沉积在电极上；

C. 平衡步骤：停止搅拌，维持还原电位，让待分析物质在电极上分布得更为均匀；（注：如果是固态电极，这一步不需要做。）

D. 溶出步骤：提高工作电极上的电位，溶出（氧化）待分析物质。当待分析物质被氧化的时候，会释放电子，产生测量电流。

如图3所示的电流-电位图。阶梯波扫描图，对电极CNT输出阶梯方波图形如图，方波以τ周期，Esw的幅度，ΔEsw的偏移进行扫描，电流采样点在t₁，t₂时刻，就是波形翻转时刻采样。

脉冲宽度t_p典型值为1 ~ 500 ms，一般建议使用阶梯波步进电位△Es和脉冲高度△E_p值分别为5 mV，10 ~ 30 mV，t_p为10 -40ms（1 ~ 500 ms），对应的扫描速度1.25 V/s（5 ~ 10 mV/s）。

电化学检测（尤其是基于电位控制的体系）的根本在于三电极电路。电化学分析仪的性能指标主要由它所决定。目前通常采用的测试线路原理如图3所示。三电极体系中能自动补偿溶液中的欧姆电位降（即被测电极之间的溶液电阻）。因此采用三电极体系能够保持工作电极电位恒定，使得实验的精密度显著提高。图4中：AMP1是电压跟随器，AMP2是电流电压转换器，R0是采样电阻，S1为量程切换模拟开关，R1和R2反馈电阻，C1为滤波电容，CNT是对电极，REF是参比电极，W是工作电极，输入端输入电压波形，经电压跟随器AMP1（以溶液为反馈回路），使参比电极REF电压波形和输入端一样，对电极CNT端也一样（CNT提供电流，REF作为参考）。

三电极电路中，工作电极W是虚地的，电压信号施加在参比电极REF上，从而构成相对于参比电极REF的工作电极的电位变化。而电流则通过对电极CNT形成通路。

三电极的体系要求参比电极REF与工作电极W的电位差严格的等于输入的控制信号。由于参比电极REF上多少具有一定的内阻，所以一般要求参比电极REF上没有电流流过。所以，AMP1接成电压跟随器，使之具有较高的输入阻抗，从而保证电流不会流入参比电极REF，导致电压损耗和参比电极的钝化。电压控制信号从输入端施加到参比电极REF上。而工作电极W上流过的电流通过电流电压转换器AMP2进行电流电压转换。

其中，参比电压

V_REF-w =V_输入-0 ，

工作电极虚地，

V_w = 0 ，

如果令参比电极和工作电极之间的阻抗为Z，则输出电压为

V₁=R0

( V_C/Z ) ，

V_C为对电极CNT的电压。

对于三电极电路而言，由于电解池的阻抗特性变化范围非常大，而运放的输出电压有限，所以对于不同的电解池，三电极电路应该具用不同的灵敏度。所以，在电流电压转换时，往往采用模拟开关S1来选择不同的转换电阻，切换不同的灵敏度。由于在测量较小的极化电流时，系统容易引入噪声，所以选用的模拟开关时应使该内阻和漏电流尽可能小。

本实用新型的微处理器采用TI公司的TMS320F2808，主要完成产生波形，驱动电机，测量结果分析等功能。如图5所示，本实用新型的工作流程是：上电之后软件进行系统初始化，校验探头（三电极电路），初始化完毕之后，进入菜单，根据用户选择测量各个金属元素，在测量之前首先选择探头用的哪种工作电极，选择完毕之后进入标量标定，先标小值溶液，再标大值溶液；标准溶液标定好之后，进入实际测量阶段，开始测量，标液标定和实际测量时软件设置的流程是首先波形发生，先清洗电位，电机搅动，再电沉积电位过程，再平衡，电机停止，然后阶梯波发生，与此同时开始采集电流，产生完毕，电流数据采集也结束。在采集的数据中找出最大的电流值，利用此值计算出浓度。

Claims

1.便携式重金属检测仪，其特征是：包括通过导线连接的手持机和三电极系统电解池，所述三电极系统电解池包括检测容器以及三电极电路，所述三电极电路的三个电极，即参比电极、对电极和工作电极伸入所述检测容器中，并共同固定在搅拌基座上；所述手持机内部包括微处理器，所述微处理器的输出端依次通过数模转换电路、第一差分传输电路、第一差分接收电路连接到三电极电路的参比电极和对电极，所述微处理器的输入端分别通过模数转换电路、第二差分接收电路、第二差分传输电路、量程切换电路连接到三电极电路的工作电极，所述微处理器同时还连接搅拌基座的电机控制电路、电源管理模块、按键电路和显示屏。

2.如权利要求1所述便携式重金属检测仪，其特征是，所述工作电极采用金或玻碳基体的工作电极。

3.如权利要求1所述便携式重金属检测仪，其特征是，所述微处理器连接有USB接口。

4.如权利要求1所述便携式重金属检测仪，其特征是，所述手持机内置充电电池，与所述电源管理模块相连。