基于电化学参数分析的便携式恒电位仪及阻抗系统设计

发布时间：2020-04-02 08:17

【摘要】：随着微电子技术和电化学检测技术的迅速发展,恒电位仪在常规电学测量、特征物定量定性分析、三电极测试系统等方面得到了越来越多的应用;同时随着生物传感技术和微电子芯片技术的不断发展,阻抗系统在检测生物膜或细菌的生理状况中发挥着越来越重要的作用。本论文从基于电化学参数分析的恒电位仪及阻抗系统的背景及现状出发,引出恒电位仪在三电极电化学检测中的重要作用,控制电极电位达到恒定电位的极化目的,以应用于食品中各浓度微量特征物的快速检测;以及进行阻抗系统设计并应用于贴附性生物膜的检测,采用微小的外加电压或电流加载在生物膜或细菌上,非侵入地检测在各浓度特征物(如维生素B2等)作用下,生物膜贴附状态所引起的阻抗值变化。因此,本文设计并实现了基于电化学参数分析的恒电位仪及阻抗测试的联立系统,主要工作如下:针对目前市场上食品中微量特征物检测的需求以及电化学分析的恒电位仪产品存在体型大、控制差等问题,结合现代集成电子技术,设计并实现了一种基于AVR单片机的便携式恒电位仪系统。该系统以ATmega16为控制核心,采用高精度转换芯片DAC8831和AD7705以及集成运放芯片OPA211,有效控制了便携式恒电位仪系统误差,实现了恒电位设定和极化电流测量的功能。首先采用三电极等效模型测试了恒电位仪的电化学性能,电位误差控制在5mV以内,测试电流下限为0.1μA,符合要求;然后与CHI660C商用实验平台进行对照实验,验证了该平台的稳定性及灵敏性。针对传统阻抗系统参数单一以及现有的阻抗系统存在抗干扰能力差、造价高、效率低等问题,设计了一种基于电化学参数分析的阻抗测试系统。该系统采用模块化便携设计,以阻抗转换器AD5933为核心,利用MSP430单片机作为微控制器,实现了阻抗测试的自动化和测试结果的实时读取。建立生物膜-电极阻抗模型,对系统进行基本性能测试,采用纯电阻及阻容网络在1Hz~100KHz的范围内进行了校准和测试,其精度在1%以内;并通过与CHI760E对比实验,验证了在不同直径电极、不同浓度溶液和不同种类溶液的情况下,方差皆在1以内,系统运行稳定,可以实现实时测量。实验结果表明,针对便携式恒电位仪的研制,可对食品中微量维生素B2的浓度进行定量检测分析;同时针对阻抗系统的设计,进行相关的阻抗模型分析可对生物膜的生理状态进行定性定量评估。因此,基于便携化恒电位仪的微量维生素检测平台和基于生物膜贴附的阻抗测试平台,可联立构建细菌检测与微量维生素检测的分析技术,较快速准确检测出不同浓度维生素环境中的微生物生长关联性。通过联用平台的交叉检测结果,可更准确反映特征物环境下的细菌长期生长情况,为食品和公共卫生安全提供服务和技术支撑。
【图文】：

示意框图,电化学阻抗,示意框图,测试平台

阻抗传感器的基础[34]，基于电化学参数分析的阻抗测试平台总体示意图如图1.2所示。图 1.2 电化学阻抗测试平台总体示意框图此外，对生物组织电学性质的相关研究是生物检测领域所热切关注的焦点，人类可以通过生物组织其电学特性来检测研究一些机体功能和相关生理状况，电阻抗在生命物质研究中是一个重要的电学参数，在电化学和生理状态研究中具有重要的研究意义，，可以通过检测电阻抗来研究细菌、生物膜等生物组织的生长状况[35]。近年来，国内外研究者已经可以通过检测生物电阻抗特性来研究和预测早期疾病、辨别正常组织和病变组织以及药物治疗中某些物质作用等监测情况[36]。从国内外相关的报道[37]中得到，关于一些细菌、生物膜等生物组织的

框图,系统结构,框图,转换模块

杭州电子科技大学硕士学位论文8图 2.2 系统结构框图2.2 恒电位仪硬件电路设计2.2.1 电源模块在转换模块电路中，转换芯片的稳定性和精确度都将受到基准电源性能的影响，所以基准电压源的重要性不言而喻。本文系统采用精密基准源芯片AD780，其低输出噪声、超低温漂和任意电容驱动的能力提高了ADC和DAC的性能，高线性调整率保障了工作电极电位稳定性，并且其尺寸小、外围电路简单适合微型化设计。2.2.2 微控制器模块本系统的微控器制模块采用ATmega16单片机，其处理能力数据吞吐率高达1MIPS/MHz，因而能缓解调节处理速度与功率消耗之间的矛盾；在外设方面支持SPI接口，允许和其他外设进行高速的同步数据传输，因此整个芯片支持片内调试与编程，其工作效率高，具有丰富的指令集，比复杂指令集结构微控制器数据处理能力高至2~10倍[43]。2.2.3D/A 转换模块D/A转换模块中则采用转换速度快、精确度高、噪声及功耗极低的DAC8831芯片，实现恒电位仪系统设定电位的低速扫描，该芯片是16位DA转换器
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH832

【参考文献】