CN215768375U - 一种用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，包括检测盒及多通道控制器，检测盒上设有多个检测机构，每一检测机构均包括工作电极组件、辅助电极及固体参比电极，多个辅助电极通过同一导线与多通道控制器相连，多个固体参比电极通过同一导线与多通道控制器相连；工作电极组件包括纳米/微米阵列电极，多个纳米/微米阵列电极分别通过导线与多通道控制器相连，纳米/微米阵列电极表面设置有表面吸附物，每个工作电极组件的纳米/微米阵列电极的电极阵和/或表面吸附物相同或不相同，多通道控制器与控制终端相连。本申请用于现场污染物的快速检测，且能够同时准确的检测出水体中的多种不同的污染物，提高检测效率。

Description

一种用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器

技术领域

本实用新型涉及水体检测设备技术领域，更具体的说，是一种用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器。

背景技术

随着工农业向高效化发展，造成的环境污染现象日益严重。各种污染源种类繁多，易被生物富集、积累并传递，治理成本极高，少量或微量残留即可对环境生态和民众健康产生巨大危害，特别是重金属、抗生素等污染问题一直是政府和民众重点关注的对象。从源头控制污染物，降低污染危害，发展准确、灵敏、高效、快速的污染物检测手段尤为重要。

水体是污染物富集传递的主要媒介，目前，水溶液中抗生素、重金属等污染物的检测方法主要以实验室分析为主，即采样后送至实验室利用光谱、色谱、质谱等仪器设备进行分析。常用检测技术主要有紫外-可见分光光度法、荧光光谱法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体法、质谱法、生物化学方法等。然而，这些方法存在分析成本高、样品预处理程序复杂、测试周期长、检测设备体积庞大携带不便等问题，难以满足大批量快速检测需求，不适于现场速测。

水溶液中抗生素、重金属等污染物的检测方法还可采用现场污染物检测，目前可用于现场污染物检测的方法主要有试纸法、分光光度法、红外光谱、拉曼光谱和电化学法等。其中，试纸法主要通过被测离子与试纸上的显色剂发生显色反应，根据颜色变化及深浅进行判断，具有操作简单便捷、价格低廉的特点，但检出限较高，干扰因素多，低含量污染物的检测容易出现误判现象。分光光度法具有稳定性好、抗干扰性强的特点，但检出限较高同样无法满足日益严格的水体污染物检测标准。红外光谱可用于直接分析强吸收样品，如光线散射性极强的匀浆、糊状和粉末样品，但对污水、饮料、牛奶等以水为主要成分的液态物质的检测存在困难。拉曼光谱检测灵敏，操作简单，但设备昂贵，多用于定性和半定量分析。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，本实用新型可用于现场污染物的快速检测，且能够同时准确的检测出水体中的多种不同的污染物，提高检测效率。

其技术方案如下：

一种用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，包括检测盒及多通道控制器，所述检测盒上设有多个检测机构，每一所述检测机构均包括工作电极组件、辅助电极及固体参比电极，多个所述辅助电极通过同一导线与所述多通道控制器相连，多个所述固体参比电极通过同一导线与所述多通道控制器相连；所述工作电极组件包括纳米/微米阵列电极，多个所述纳米/微米阵列电极分别通过导线与多通道控制器相连，所述纳米/微米阵列电极表面设置有表面吸附物，所述多通道控制器与控制终端相连。

进一步地，所述检测机构包括电极底座，所述工作电极组件固定于所述电极底座上。

进一步地，所述工作电极组件还包括基底电极，所述基底电极固定于所述电极底座上，所述纳米/微米阵列电极固定于所述基底电极上。

进一步地，每一所述工作电极组件均包括多个纳米/微米阵列电极，每一所述纳米/微米阵列电极均包括多个纳米/微米球，所述表面吸附物设置于所述纳米/微米球表面。

进一步地，每一工作电极组件的多个纳米/微米阵列电极的多个纳米/微米球大小、形状及排列方式相同或不相同，每一工作电极组件的多个纳米/微米阵列电极的多个纳米/微米球表面的表面吸附物相同或不相同。

进一步地，所述检测盒包括盒体及与所述盒体配合的盒盖，所述工作电极组件设置于所述盒盖上，所述辅助电极、所述固体参比电极设置于盒体内。

进一步地，所述盒体上设有多个检测腔体，所述检测机构的数量与所述检测腔体的数量相对应，多个所述辅助电极、多个所述固体参比电极分别设置于多个所述检测腔体内，设置于所述盒盖上的多个工作电极组件分别与多个所述辅助电极相对应。

进一步地，多个所述辅助电极分别位于所述检测腔体的底部，多个所述固体参比电极分别位于所述工作电极组件与所述辅助电极的中间位置，且所述固体参比电极的电极头与所述工作电极组件及所述辅助电极的中心在同一条垂线上。

进一步地，所述多通道控制器包括微控制器、多路信号处理电路、无线通信模块、信息存储模块及夹持装置，多路信号处理电路分别与所述微控制器相连，所述无线通信模块、所述信息存储模块分别与所述微控制器相连，所述辅助电极、所述固体参比电极、所述工作电极组件的导线分别通过所述夹持装置与所述多通道控制器相连。

进一步地，所述无线通信模块的通信方式包括有Wifi通信、蓝牙通信及4G通信。

下面对本实用新型的优点或原理进行说明：

1、本实用新型的多通道微电极阵列传感器用于污染物的现场检测，本实用新型的表面吸附物设置于纳米/微米阵列电极表面，该表面吸附物根据被检测物质设置，表面吸附物通过共价键成键或静电吸附作用将被测物质的某些官能团吸附到纳米/微米阵列电极表面，从而提高检测灵敏度。每一个工作电极组件的纳米/微米阵列电极的电极阵、表面吸附物相同或不相同。本实用新型通过设置不同的纳米/微米阵列电极，以及在纳米/微米阵列电极上设置不同的表面吸附物，从而达到增强特定检测对象的电流或电位信号、扣除干扰信号以及同时检测不同物质的目的，准确检测出水体中的多种不同的污染物质，提高检测效率。

2、多个工作电极组件分别通过不同的导线与多通道控制器连接，通过多通道控制器对多个不同的工作电极组件进行电化学控制并采集响应的信号，实现对水体中不同污染物的同时检测。

附图说明

图1是本实施例的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器的结构示意图；

图2是本实施例的检测盒的结构示意图；

图3是一实施例中工作电极组件与多通道控制器的结构示意图；

图4是本实施例的纳米/微米阵列电极的结构示意图；

图5是本实施例的微控制器与信号处理电路的结构示意图；

附图标记说明：

1、检测盒；2、多通道控制器；11、盒体；12、盒盖；13、检测腔体；3、工作电极组件；4、辅助电极；5、固体参比电极；31、纳米/微米阵列电极；32、表面吸附物；311、纳米/微米球；33、电极底座；34、连接端口；35、基底电极；21、微控制器；22、信号处理电路。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“中”、“内”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，本实施例公开一种用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，包括检测盒1及多通道控制器2，多通道控制器2与控制终端相连。其中，如图2所示，检测盒1包括盒体11及与盒体11配合的盒盖12，盒体11上设有多个检测腔体13。优选地，盒体11上设有三个检测腔体13。为了实现对污染物的检测，在检测盒1上设有三个检测机构，每一个检测机构均包括工作电极组件3、辅助电极4及固体参比电极5。三个工作电极组件3分别通过三条导线与多通道控制器2相连，从而实现多通道控制器2对三个工作电极组件3的分别控制，令多通道控制器2能够同时分别采集三个工作电极组件3产生的反馈信号。三个辅助电极4通过同一导线与多通道控制器2相连，三个固体参比电极5通过同一导线与多通道控制器2相连。

本实施例的三个工作电极组件3设置于盒盖12上，辅助电极4、固体参比电极5设置于盒体11内。优选地，三个辅助电极4、三个固体参比电极5分别设置于三个检测腔体13内，设置于盒盖12上的三个工作电极组件3分别与三个辅助电极4相对应。进一步地，三个辅助电极4分别位于检测腔体13的底部中央，三个固体参比电极5分别位于工作电极组件3与辅助电极4的中间位置，固体参比电极5至工作电极组件3和辅助电极4之间的距离相等。进一步地，固体参比电极5的电极头与工作电极组件3及辅助电极4的中心在一条垂线上。

采用本实施例多通道微阵列传感器对污染物进行检测时，首先将待测溶液充满三个检测腔体13，当盒盖12盖于盒体11上时，令工作电极组件3、辅助电极4及固体参比电极5均能够浸泡在待测溶液中。

如图4所示，为了对待测溶液中不同的污染物同时进行检测，每一个工作电极组件3均包括一个纳米/微米阵列电极31，纳米/微米阵列电极31表面设置有表面吸附物32，每个工作电极组件3的纳米/微米阵列电极31的电极阵和/或表面吸附物32相同或不相同。进一步地，纳米/微米阵列电极31包括多个纳米/微米球311，表面吸附物32设置于纳米/微米球311表面。

纳米/微米球311表面的表面吸附物32可根据检测物质的特性进行选择，表面吸附物32利用共价键成键或静电吸附作用将被测对象的某些官能团吸附到纳米/微米球311表面，从而提高检测机构检测的灵敏度。优选地，表面吸附物32可选用抗环血酸、对氨基苯酚、全氟磺酸型聚合物等。例如，当检测铅、镉重金属时，可在纳米/微米球311表面设置苯酚以提高工作电极组件3对铅、镉重金属的特异性吸附。

本实施例中在不同的工作电极组件3中设置不同的纳米/微米球阵列电极，不同的纳米/微米球阵列电极的纳米/微米球311大小不同、形状不同或排列方式不同，和/或在不同的纳米/微米球阵列电极上设置不同的表面吸附物32。本实施例通过上述设置从而达到增强特定检测对象的电流或电位信号、扣除干扰信号以及同时检测不同物质的目的，准确检测出水体中的多种不同的污染物质，提高检测效率。

在另一实施例中，如图3所示，每一个工作电极组件3包括多个纳米/微米阵列电极31，多个纳米/微米阵列电极31分别通过多个导线与多通道控制器2相连。每一纳米/微米阵列电极31均包括多个纳米/微米球311，表面吸附物32设置于纳米/微米球311表面。该多个纳米/微米阵列电极31的多个纳米/微米球311大小、形状及排列方式可以相同也可以不相同，多个纳米/微米阵列电极31的多个纳米/微米球311表面的表面吸附物32可以相同也可以不相同。通过上述设置，在一个检测腔体13内即可实现对多个待测溶液中不同检测对象的同时检测。

检测机构还包括电极底座33，工作电极组件3固定于电极底座33上。电极底座33上设有连接端口34，工作电极组件3通过导线与连接端口34连接，连接端口34通过导线与多通道控制器2相连。该电极底座33的形状可根据实际需要定制，电极底座33的形状可设置为六边形、五边形、长方形或圆形等。

工作电极组件3还包括基底电极35，基底电极35固定于电极底座33上，纳米/微米阵列电极31固定于基底电极35上。优选地，基底电极35为玻碳电极、ITO导电玻璃、金电极或导电石墨薄膜等。基底电极35可设置为正方形、圆形或多边形。纳米/微米阵列电极31的材质可选择金、铂、钯、银等材料，并通过模板法、刻蚀法或自组装法制备不同直径大小的纳米/微米球311。

本实施例的固体参比电极5为银/氯化银参比电极，由金丝或铂丝镀银后将其表面浸没在稀盐酸中，通过电化学氧化法在其表面生成一层致密、均匀的氯化银膜，形成银/氯化银参比电极。

辅助电极4为铂片电极，也可根据被测水体特点选择金片电极或石墨电极，辅助电极4的形状可为方形或圆形。辅助电极4与待测溶液接触的表面积尽量大，以提高检测结果重现性和抗干扰性。

本实施例的多通道控制器2支持CV、NPSV、DPSV和LSV等电化学分析方法。如图5所示，该多通道控制器2包括微控制器21、多路信号处理电路22、无线通信模块、信息存储模块及夹持装置。多路信号处理电路22分别与微控制器21相连，微控制器21和多路信号处理电路22实现多通道之间的独立工作，避免各个通道之间的串扰，实现不同工作电极组件3或者同一工作电极组件3的多个纳米/微米阵列电极31之间的分别控制。辅助电极4、固体参比电极5、工作电极组件6的导线分别通过夹持装置与多通道控制器2相连，该夹持装置可为鳄鱼夹。

本实施例的微控制器的控制芯片可为STM32系列控制芯片，信息存储模块的芯片可为W25Q64Flash芯片。

信号处理电路22至少包括有恒电位仪、I/V转换电路、滤波电路、A/D转换电路及信号放大器，I/V转换电路、滤波电路、A/D转换电路均为现有的常用的电路，均为现有技术。

无线通信模块、信息存储模块分别与微控制器21相连。信息存储模块用于检测数据的存储，无线通信模块用于多通道控制器2与控制终端之间的连接，控制终端内设置有检测控制系统，通过无线通信模块可实现多通道控制器2与控制终端之间的控制指令及检测数据的上传及下达。无线通信模块的通信方式包括有Wifi通信、蓝牙通信及4G通信。

控制终端可为PC电脑端或手机端。检测控制系统能够对多通道控制器2进行控制，并能实现检测数据的采集、存储及可视化展示，以及检测数据的预处理、建模和分析。其中，检测数据的预处理方法可选择平滑处理法、导数算法、多元散射矫正、小波变化、最大最小归一化法等。数据建模分析方法可选择多元线性回归、支持向量机、偏最小二乘回归、RBF神经网络、随机森林等。

本实施例的检测控制系统为现有的用于水体中污染物检测分析的控制系统，其控制方式及控制方法等均为现有技术。

本实施例多通道微电极阵列传感器主要用于现场污染物的检测，检测盒1可采用微流控设计，进一步提高携带的便携性及检测的灵敏度。

本实用新型的实施方式不限于此，按照本实用新型的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的修改、替换或组合，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，包括检测盒及多通道控制器，所述检测盒上设有多个检测机构，每一所述检测机构均包括工作电极组件、辅助电极及固体参比电极，多个所述辅助电极通过同一导线与所述多通道控制器相连，多个所述固体参比电极通过同一导线与所述多通道控制器相连；所述工作电极组件包括纳米/微米阵列电极，多个所述纳米/微米阵列电极分别通过导线与多通道控制器相连，所述纳米/微米阵列电极表面设置有表面吸附物，所述多通道控制器与控制终端相连。

2.如权利要求1所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，所述检测机构包括电极底座，所述工作电极组件固定于所述电极底座上。

3.如权利要求2所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，所述工作电极组件还包括基底电极，所述基底电极固定于所述电极底座上，所述纳米/微米阵列电极固定于所述基底电极上。

4.如权利要求3所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，每一所述工作电极组件均包括多个纳米/微米阵列电极，每一所述纳米/微米阵列电极均包括多个纳米/微米球，所述表面吸附物设置于所述纳米/微米球表面。

5.如权利要求4所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，每一工作电极组件的多个纳米/微米阵列电极的多个纳米/微米球大小、形状及排列方式相同或不相同，每一工作电极组件的多个纳米/微米阵列电极的多个纳米/微米球表面的表面吸附物相同或不相同。

6.如权利要求1至5任一项所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，所述检测盒包括盒体及与所述盒体配合的盒盖，所述工作电极组件设置于所述盒盖上，所述辅助电极、所述固体参比电极设置于盒体内。

7.如权利要求6所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，所述盒体上设有多个检测腔体，所述检测机构的数量与所述检测腔体的数量相对应，多个所述辅助电极、多个所述固体参比电极分别设置于多个所述检测腔体内，设置于所述盒盖上的多个工作电极组件分别与多个所述辅助电极相对应。

8.如权利要求7所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，多个所述辅助电极分别位于所述检测腔体的底部，多个所述固体参比电极分别位于所述工作电极组件与所述辅助电极的中间位置，且所述固体参比电极的电极头与所述工作电极组件及所述辅助电极的中心在同一条垂线上。

9.如权利要求1至5任一项所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，所述多通道控制器包括微控制器、多路信号处理电路、无线通信模块、信息存储模块及夹持装置，多路信号处理电路分别与所述微控制器相连，所述无线通信模块、所述信息存储模块分别与所述微控制器相连，所述辅助电极、所述固体参比电极、所述工作电极组件的导线分别通过所述夹持装置与所述多通道控制器相连。

10.如权利要求9所述的用于水体污染物检测的多通道微电极阵列传感器，其特征在于，所述无线通信模块的通信方式包括有Wifi通信、蓝牙通信及4G通信。

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