[发明专利]基于Arduino实现时间电流法和循环伏安法的激励信号生成电路及电化学检测装置

说明书

本发明提供一种基于Arduino实现时间电流法和循环伏安法的激励信号生成电路及电化学检测装置，该电化学检测装置包括激励信号生成电路、三电极体系电路、测试电极、信号测量电路及电源信号电路；激励信号生成电路通过接收的Arduino数字信号，生成激励信号；三电极体系电路通过激励信号在测试电极的工作电极和参比电极之间产生一个恒压信号或一个三角波电压信号；信号测量电路将采集的测试电极的工作电极和对电极回路里的极化电流，转化为数字信号，反馈至Arduino。本发明的检测性能极好，成本是一商用电化学设备的百分之一，体积和质量是六分之一，为电化学监测设备的低成本化、便携式化、可穿戴化提供一种新的装置。

技术领域

本发明属于电化学检测领域，尤其涉及一种基于Arduino实现时间电流法和循环伏安法的激励信号生成电路及电化学检测装置。

背景技术

近年来，新型电化学传感和生物传感系统的发展引起了人们的极大关注，因为这些系统在医疗保健、环境监测和国防等领域有着广泛的应用。而低成本、便携式电化学检测仪可以为疾病诊断和食品工业，农业和环境监测等领域提供另一番天地，对于先进医疗，可穿戴医疗检测设备，先进农业环境检测及质量控制等领域提供新的途径。

目前此类检测在生产，实验，科研，使用，维修等领域的展开需要借助于专门的仪器设备，生产此类测试设备的商用公司有CH Instruments、Ivium、PalmSens、Metrohm、Gamry等公司，它们生产的设备虽然功能覆盖全，但体积庞大，成本昂贵。在教学科研与生产使用中最基础和最常用的两种方法是时间电流法(CA，chronoamperometry)和循环伏安法(CV，cyclic voltammetry)，而商用恒电位仪或电化学工作站往往是通用型检测设备，能够实现众多检测技术，因此在很多情况下造成检测资源浪费。目前将电化学检测设备小型化，低成本化，功能裁剪化的文献和设计已有多篇，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.)都是以传统单片机为检测仪的核心，相较以Arduino为核心的检测仪，这些开发是复杂、耗时和昂贵的。而一些的电化学检测仪的设计是基于Arduino或Arduino的进化版本，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.)并不是完全开源，它们的设计只有一部分开源，对于跨专业领域的研究者来说，实现此类设计同样还是很难的；其中部分文献只是给出了实验结果，但是此实验结果没有与商用电化学检测设备进行比较，降低了实验结果的可信度；而(A.Ainla et al.,Open-Source Potentiostatfor Wireless Electrochemical Detection with Smartphones,Anal.Chem.,vol.90,pp.6240-6246,2018.)，其硬件和软件的设计虽然是开源的，且实验结果与现有的商用电化学检测设备进行了比较，但它采用了RFDUINO作为微控制器，RFDUINO是Arduino和蓝牙模块的结合，是为无线场景应用开发的，它的价格是普通Arduino的十倍，所以此设计适用于无线场景，且价钱昂贵；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.)，其软硬件设计虽是开源的，但是使用Arduino内部产生的脉冲宽度调制(PWM，Pulse-WidthModulation)波来实现DAC功能，而Arduino内部没有DAC(Digital toAnalog Converter)芯片，所以很自然地使用了PWM波来实现DAC功能，但是以Arduino为核心的电化学检测设备的设计中，使用PWM来实现DAC功能是否满足要求还没有文献做过比较，其次它们的实验结果并没有与商用电化学检测设备进行比较，因此实验结果的准确性也可能降低。