[發明專利]基于Arduino實現時間電流法和循環伏安法的激勵信號生成電路及電化學檢測裝置

有效

• 申請號: 202010465031.X
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111781267B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 高偉寶;崔悅;趙玉萍
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N27/48
• 分類號: G01N27/48;G01N27/416;H03M1/82;H03K7/08
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理有限公司 11200
• 代理人: 余功勛

本發明提供一種基于Arduino實現時間電流法和循環伏安法的激勵信號生成電路及電化學檢測裝置，該電化學檢測裝置包括激勵信號生成電路、三電極體系電路、測試電極、信號測量電路及電源信號電路；激勵信號生成電路通過接收的Arduino數字信號，生成激勵信號；三電極體系電路通過激勵信號在測試電極的工作電極和參比電極之間產生一個恒壓信號或一個三角波電壓信號；信號測量電路將采集的測試電極的工作電極和對電極回路里的極化電流，轉化為數字信號，反饋至Arduino。本發明的檢測性能極好，成本是一商用電化學設備的百分之一，體積和質量是六分之一，為電化學監測設備的低成本化、便攜式化、可穿戴化提供一種新的裝置。

技術領域

本發明屬于電化學檢測領域，尤其涉及一種基于Arduino實現時間電流法和循環伏安法的激勵信號生成電路及電化學檢測裝置。

背景技術

近年來，新型電化學傳感和生物傳感系統的發展引起了人們的極大關注，因為這些系統在醫療保健、環境監測和國防等領域有著廣泛的應用。而低成本、便攜式電化學檢測儀可以為疾病診斷和食品工業，農業和環境監測等領域提供另一番天地，對于先進醫療，可穿戴醫療檢測設備，先進農業環境檢測及質量控制等領域提供新的途徑。

目前此類檢測在生產，實驗，科研，使用，維修等領域的展開需要借助于專門的儀器設備，生產此類測試設備的商用公司有CH Instruments、Ivium、PalmSens、Metrohm、Gamry等公司，它們生產的設備雖然功能覆蓋全，但體積龐大，成本昂貴。在教學科研與生產使用中最基礎和最常用的兩種方法是時間電流法(CA，chronoamperometry)和循環伏安法(CV，cyclic voltammetry)，而商用恒電位儀或電化學工作站往往是通用型檢測設備，能夠實現眾多檢測技術，因此在很多情況下造成檢測資源浪費。目前將電化學檢測設備小型化，低成本化，功能裁剪化的文獻和設計已有多篇，其中(P.M.Levine,P.Gong,R.Levicky,andK.L.Shepard,Active CMOS Sensor Array for Electrochemical BiomolecularDetection,IEEE J.Solid-st.Circ.,vol.43,no.8,pp.0-1871,2008.)、(A.A.Rowe etal.,CheapStat:An Open-Source,“Do-It-Yourself”Potentiostat for Analytical andEducational Applications,Plos One,vol.6,no.9,p.e23783,2011.)、(J.R.Blanco etal.,Design of a Low-Cost Portable Potentiostat for Amperometric Biosensors,in IEEE Imtc.P.,2007.)、(C.Y.Huang,Design of a Portable Potentiostat withDual-microprocessors for Electrochemical Biosensors,UniversalJ.Electr.Electron.Eng.,vol.3,no.6,pp.159-164,2015.)、(J.R.Mott,P.J.Munson,R.A.Kreuter,B.S.Chohan,and D.G.Sykes,Design,Development,and Characterizationofan Inexpensive Portable Cyclic Voltammeter,J.Chem.Educ.,vol.91,no.7,pp.1028-1036,2014.)、(A.Muid,M.Djamal,and R.Wirawan,Development of a low costpotentiostat using ATXMEGA32,AIP Conf.Proc.,vol.1589,p.124,2014.)、(M.D.M.Dryden andA.R.Wheeler,DStat:AVersatile,Open-Source Potentiostat forElectroanalysis and Integration,Plos One,vol.10,no.10,p.e0140349,2015.)、(A.V.Gopinath and D.Russell,An inexpensive field-portable programmablepotentiostat,Chem.Educ.,vol.11,no.1,2005.)、(S.Abdullah,S.Tonello,M.Borghetti,E.Sardini,and M.Serpelloni,Potentiostats for Protein Biosensing:Design Considerations and Analysis on Measurement Characteristics,J.Sensors,vol.2019,2019.)及(B.Aremo,M.O.Adeoye,I.B.Obioh,and O.A.Adeboye,A simplifiedmicrocontroller based potentiostat for low-resource applications,OJMetal,vol.5,no.4,pp.37-46,2016.)都是以傳統單片機為檢測儀的核心，相較以Arduino為核心的檢測儀，這些開發是復雜、耗時和昂貴的。而一些的電化學檢測儀的設計是基于Arduino或Arduino的進化版本，其中(P.Joshi,S.D.S,and R.A.S,Development OfACyclicVoltammetry System By Designing a Low Cost,Int.J.Curr.Res,vol.9,pp.51072-51075,05/312017.)、(H.Shamkhalichenar and J.-W.Choi,An inkjet-printed non-enzymatic hydrogen peroxide sensor on paper,J Electrochem.Soc.,vol.164,no.5,pp.B3101-B3106,2017.)、(A.Nemiroski et al.,Universal mobile electrochemicaldetector designed for use in resource-limited applications,P.Natl.Acad.Sci.,vol.111,no.33,pp.11984-11989,2014.)、(C.Loncaric,Y.Tang,C.Ho,M.A.Parameswaran,and H.-Z.Yu,A USB-based electrochemical biosensor prototype for point-of-care diagnosis,Sensor.Actuat.B-Chem.,vol.161,no.1,pp.908-913,2012.)并不是完全開源，它們的設計只有一部分開源，對于跨專業領域的研究者來說，實現此類設計同樣還是很難的；其中部分文獻只是給出了實驗結果，但是此實驗結果沒有與商用電化學檢測設備進行比較，降低了實驗結果的可信度；而(A.Ainla et al.,Open-Source Potentiostatfor Wireless Electrochemical Detection with Smartphones,Anal.Chem.,vol.90,pp.6240-6246,2018.)，其硬件和軟件的設計雖然是開源的，且實驗結果與現有的商用電化學檢測設備進行了比較，但它采用了RFDUINO作為微控制器，RFDUINO是Arduino和藍牙模塊的結合，是為無線場景應用開發的，它的價格是普通Arduino的十倍，所以此設計適用于無線場景，且價錢昂貴；此外，(Meloni and G.N.,Building a Microcontroller BasedPotentiostat:A Inexpensive andVersatile Platform for TeachingElectrochemistry and Instrumentation,J.Chem.Educ.,vol.93,pp.1320-1322,2016.)、(L.Y.C.et al.,An Easily Fabricated Low-Cost Potentiostat Coupled withUser-Friendly Software for Introducing Students to Electrochemical Reactionsand Electroanalytical Techniques,J.Chem.Educ.,vol.95,pp.1658-1661,2018.)，其軟硬件設計雖是開源的，但是使用Arduino內部產生的脈沖寬度調制(PWM，Pulse-WidthModulation)波來實現DAC功能，而Arduino內部沒有DAC(Digital toAnalog Converter)芯片，所以很自然地使用了PWM波來實現DAC功能，但是以Arduino為核心的電化學檢測設備的設計中，使用PWM來實現DAC功能是否滿足要求還沒有文獻做過比較，其次它們的實驗結果并沒有與商用電化學檢測設備進行比較，因此實驗結果的準確性也可能降低。