一种微量元素检测装置的制作方法

本申请涉及含量检测技术领域，特别涉及一种微量元素检测装置。

背景技术：

随着社会生活节奏的加快，人们越来越重视对人体生命健康的研究。理论证明，人体内微量元素的含量是否维持在一个正常的水平能够及时准确地反映身体的健康状况，因此近年来对微量元素检测仪器的开发已成为一些公司的热点。另外，微量元素检测也广泛应用于环境检测、食品分析、生物材料等科学领域。开发简便易用、分析精度高的微量元素检测方法和对应的装置具有重要的实用价值。

目前可用于微量元素检测的方法已十分多样，归类发现主要包括：放射分析法、各种光谱及能谱分析法、色谱分析法、电化学分析法，并结合VB或C++等文本类编程语言编写的微量元素虚拟测试系统软件，这些语言不仅语句复杂、死板难学，而且对语句的要求严格，难以设计出美观的人机交互界面，不方便用户考虑实际工作场地需求而改变界面上的操作指令及风格。

所以，如何提供一种操作步骤更少、微量元素检测更精确并结合直观易学的图形化编程语言和数据采集更快、无需复杂调试过程的嵌入式开发平台的微量元素检测装置是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种微量元素检测装置，其组成结构清楚、步骤操作简单清晰、数据采集更快以及种类和含量检测更加精确，显著提高了检测效率。

为解决上述技术问题，本申请提供一种微量元素检测装置，该微量元素检测装置包括：

对被测样品试剂利用电位溶出分析原理进行检测得到随时间变化的电压信号的三电极传感器；

与所述三电极传感器相连，对所述电压信号执行信号调理操作得到调理信号的信号调理电路；

与所述信号调理电路相连，根据LabVIEW编译的程序对采集到的所述调理信号进行分析，并发送分析结果的嵌入式开发平台NI MyRIO；

与所述嵌入式开发平台NI MyRIO相连，下发所述程序并接收所述分析结果的LabVIEW开发平台。

可选的，所述三电极传感器具体包括工作电极、参比电极以及对电极。

可选的，所述信号调理电路包括：

对所述电压信号进行1:1跟随放大得到放大信号的电压跟随器；

与所述电压跟随器相连，对所述放大信号执行衰减处理，得到所述调理信号的电压衰减器；其中，所述调理信号的电压范围为0至2.5V。

可选的，该微量元素检测装置还包括：

与所述LabVIEW开发平台相连，输入外部操作信息的信息输入装置。

可选的，该微量元素检测装置还包括：

与所述LabVIEW开发平台和所述信息输入装置均相连，呈现所述调理信号、所述外部操作信息以及所述分析结果的显示装置。

可选的，所述嵌入式开发平台NI MyRIO通过USB接口与所述LabVIEW开发平台相连。

可选的，所述嵌入式开发平台NI MyRIO具体为NI MyRIO—1900。

本申请所提供的一种微量元素检测装置，包括：对被测样品试剂利用电位溶出分析原理进行检测得到随时间变化的电压信号的三电极传感器；与所述三电极传感器相连，对所述电压信号执行信号调理操作得到调理信号的信号调理电路；与所述信号调理电路相连，根据LabVIEW编译的程序对采集到的所述调理信号进行分析，并发送分析结果的嵌入式开发平台NI MyRIO；与所述嵌入式开发平台NI MyRIO相连，下发所述程序并接收所述分析结果的LabVIEW开发平台。

显然，本申请所提供的技术方案，首先利用三电极传感器得到待测物的随时间变化的电压信号，并利用信号调理电路对该电压信号进行调理操作，以使其可以被后续的嵌入式开发平台NI MyRIO和LabVIEW开发平台进行分析，最终得到分析结果。该微量元素检测装置组成结构清楚、步骤操作简单清晰、数据采集更快以及种类和含量检测更加精确，能够显著提高检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种微量元素检测装置的结构框图；

图2为本申请实施例所提供的另一种微量元素检测装置的结构框图；

图3为本申请实施例所提供的一种微量元素检测装置中三电极传感器的结构示意图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种微量元素检测装置，其组成结构清楚、步骤操作简单清晰、数据采集更快以及种类和含量检测更加精确，能够显著提高检测效率。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合图1和图2，图1为本申请实施例所提供的一种微量元素检测装置的结构框图；图2为本申请实施例所提供的另一种微量元素检测装置的结构框图。

该微量元素检测装置具体可以包括：

对被测样品试剂利用电位溶出分析原理进行检测得到随时间变化的电压信号的三电极传感器100；

三电极传感器100对被测样品试剂进行检测，经过一系列检测和分析过程后，最终得到一个随时间变换的电压信号。其中，之所以要得到一个随时间变化的电压信号，是因为相较于电流信号，电压信号不易衰减且更易在后续处理过程中进行各种诸如信号调理操作等类似操作。

其中，该被测样品试剂中包含有各种待测微量元素，对被测样品试剂利用电位溶出分析原理进行检测得到随时间变化的电压信号，之所以是三电极传感器，是因为相较于传统的两电机传感器，在工作电极110电极和参比电极120上施加控制电压，使得该被测样品试剂发生还原反应，待还原反应完成后停止施加在工作电极110和参比电极120上的控制电压，使得该被测样品试剂紧接着发生氧化反应生成待测元素离子。

而在此过程中，会在工作电极110上生成反应电流，但是在进行反应的过程中却不适合从施加了控制电压的工作电极上导出该反应电流，故额外利用增加了第三电极的三电极传感器，即利用对电极130将该反应电流导出，将该反应电流不仅缓解了工作电极的压力，也有效的保证了还原反应和氧化反应的正常进行。

与三电极传感器100相连，对电压信号执行信号调理操作得到调理信号的信号调理电路200；

对得到的随时间变化的电压信号执行信号调理操作，旨在得到能够在后续处理过程中可以直接使用的调理信号。

具体的怎样执行信号调理操作，以得到该调理信号的方式多种多样。之所以需要对该电压信号执行信号调理操作，是因为得到的该电压信号无法满足本申请所提供的这种微量元素检测方法中接收和进行处理的嵌入式开发平台NI MyRIO 300的要求，需要从不符合要求的电压信号转换为符合要求的电压信号，所以这个转换方式也会随着后端的具体要求而产生变动，此处并不做具体限定，即使是固定满足嵌入式开发平台NI MyRIO 300的要求，其信号调理的方式也会存在很多种方式。

与信号调理电路200相连，根据LabVIEW编译的程序对采集到的调理信号进行分析，并发送分析结果的嵌入式开发平台NI MyRIO 300；

与嵌入式开发平台NI MyRIO 300相连，下发程序并接收分析结果的LabVIEW开发平台400。

在经过信号调理电路后得到符合该嵌入式开发平台NI MyRIO 300要求的调理信号后，利用该嵌入式开发平台NI MyRIO 300和LabVIEW开发平台400对调理信号进行分析，得到微量元素分析结果。

具体的，LabVIEW开发平台400是一种基于图形化的编程语言，区别于市面上传统采用的VB或C++等文本类编程语言，文本类编程语言不仅语句复杂、死板难学，而且对语句的要求严格，难以设计出美观的人机交互界面，不方便用户考虑实际工作场地需求而改变界面上的操作指令及风格，该图形化编程语言具有简单易学、自然直观的特点，依赖其强大的功能已广泛应用于测试测量、工业控制、模拟仿真、快速开发等领域。

而针对一般数据采集卡采集速率低、调试驱动复杂等问题，NI公司推出了的一种嵌入式开发平台NI MyRIO 300，不仅可以完成数据采集卡的相关功能，而且其内置ARM处理器具有实时性功能。同时可以直接在LabVIEW中开发NI MyRIO项目，通过USB有线方式或无线方式将该嵌入式开发平台NI MyRIO 300与上位机连接即可。

换句话说，就是利用LabVIEW开发平台400针对嵌入式开发平台NI MyRIO 300编译一个控制程序，而该嵌入式开发平台NI MyRIO 300根据该控制程序来对采集到的调理信号进行分析和处理，以最终得到微量元素分析结果。

其中，三电极传感器100具体包括工作电极110、参比电极120以及对电极130。

具体应用方式如下：

首先向工作电极110和参比电极120间施加控制电压，即通过在以向被测样品试剂中通电来促使被测样品试剂发生还原反应。还原反应和氧化反应的本质是氧化数有变化，即电子有转移。氧化数升高，即失电子的反应是氧化反应；氧化数降低，得电子的反应是还原反应。还原反应就是物质(分子、原子或离子)得到电子或电子对偏近的反应。

利用施加的控制电压促使被测样品试剂中的被测金属离子发生还原反应，以使被测物金属离子生成汞齐富集在参比电极120上。

通过通电的方式，能使原本不会自然发生的还原反应强行促使其进行，因为通电中的电流本质就是大量电子的移动，而大量带负电的电子通入被测样品试剂中，会使得各种带正电的待测离子发生还原反应，即从游离的离子状态得到自由电子，使其从游离态变为单质析出，而被测样品试剂中含有多种微量元素时，在条件允许的情况下，会发生各单质相互组合生成合金的现象，而生成何种合金会跟参比电极120选用的材料有关。

而还原反应的进行会首先与还原性强的离子进行反应，即根据各金属离子还原性的强弱，使得还原性强的金属离子优先得到自由电子，使其优先发生还原反应。

在还原反应已经进行充分，使被测物金属离子生成汞齐富集在参比电极120周围，此时通过停止施加在工作电极110和参比电极120上的控制电压，使得该被测样品试剂处于严重不平衡的状态，这个状态会导致自发的进行氧化反应，以使汞齐重新生成被测物金属离子。与还原反应一致，也是氧化性强的单质先发生氧化反应生成相应的金属离子。

因为在还原反应和氧化反应过程中不可避免的会生成反应电流，这个反应电流与这两个反应密切相关，尤其是与最后的氧化反应过程中，各待测物金属离子的溶出时间成该金属离子的浓度成正比关系，而该反应电流的峰电位与不同金属离子的离子性质有关，这是在后续对被测样品试剂中的微量元素进行定量定性分析的基础。

因为在反应过程中会在工作电极110成反应电流，但是在进行反应的过程中不适合从施加了控制电压的工作电极110该反应电流，故额外利用第三电极，即利用对电极130应电流导出，将该反应电流不仅缓解了工作电极的压力，也有效的保证了还原反应和氧化反应的正常进行。

最后，对该反应电流执行转换操作，以得到所需的一个随时间变化的电压信号。之所以能够由反应电流经过转换得到随时间变化的电压信号，是根据之前描述的那样，该反应电流本身就是与溶出时间有关系的。

进一步的，请结合图3，图3为本申请实施例所提供的一种微量元素的检测方法中所使用的三电极传感器的结构示意图。本实施例采用的三电极传感器100，分别选用了玻碳材料的工作电极、甘汞材料的参比电极以及铂材料的对电极，当然也可以采用其它合适的材料达成同样的目的，此处并不做具体限定，但是上面提到的这三种材料经过测试时是效果较好的一种组合，可以根据实际情况结合实验成本做出最合适的选择。

其中，信号调理电路200可以包括：

对电压信号进行1:1跟随放大得到放大信号的电压跟随器210；

与电压跟随器相连，对放大信号执行衰减处理，得到调理信号的电压衰减器220；其中，调理信号的电压范围为0至2.5V。

分别对该随时间变化的电压信号进行1:1跟随放大和信号衰减操作，以使最终得到的调理信号处于0至2.5V的电压范围内。即满足这个要求的调理信号是符合后续嵌入式开发平台NI MyRIO 300处理要求的。

进一步的，该微量元素检测装置还包括：

与LabVIEW开发平台400相连，输入外部操作信息的信息输入装置。

该信息输入装置表现方式多种多样，例如：外接的键盘、鼠标甚至触摸显示屏等，即所有可以用来进行信息输入的设备都可以利用，此处并不做具体限定。

进一步的，该微量元素检测装置还包括：

与LabVIEW开发平台400和信息输入装置均相连，呈现调理信号、外部操作信息以及分析结果的显示装置。

该显示装置同样存在很多表现形式，例如投影、显示器、网页浏览器以及其它格式能够成像单元，都可以纳入显示装置的范畴，此处并不做具体限定，应视实际情况下来相应的选择。

其中，嵌入式开发平台NI MyRIO 300通过USB接口与LabVIEW开发平台400相连。

当然，也可以通过无线的方式来实现连接，此处只是举出了一种较为容易实现的方式而已，并不做具体限定。

其中，嵌入式开发平台NI MyRIO 300具体为NI MyRIO—1900。

基于上述技术方案，本申请实施例提供的一种微量元素检测装置，首先利用三电极传感器100得到在待测金属离子先后发生还原反应、氧化反应过程中产生的反应电流，并转换得到的随时间变化的电压信号，再对该电压信号利用信号调理电路进行信号调理，以使其可以被后续的嵌入式开发平台NI MyRIO 300和LabVIEW开发平台400进行分析，最终得到分析结果。该微量元素检测装置操作步骤更少、更简便、数据采集更快以及种类和含量检测更加精确，能够显著提高检测效率。

实施例二。

本实施例是将上述的描述内容应用于以下的一个具体的微量元素检测步骤中：

步骤一：被测样品试剂由三电极传感器检测溶出的电压信号。

这里依据的是微分电位溶出分析原理：

首先是“电积”，即在工作电极上添加恒电位，搅拌电机旋转加快被测样品试剂的还原反应，使得待测金属离子还原生成汞齐在电极上富集；稍后断开工作电极上的恒电位，被测样品试剂发生氧化作用，使得汞齐重新氧化成金属离子，即“溶出”。已知溶出时间τ与待测离子的浓度成正比，峰电位与离子性质有关，这是对待测元素进行定量定性分析的基础。

三电极传感器，其工作电极选用玻碳电极，对电极选用铂电极，参比电机选用甘汞电极。为了防止寄生信号干扰，将工作电极接地，可提高电路中电压信号的精度和稳定性。

步骤二：三电极传感器的信号输出端与信号调理电路的信号输入端连接，对三电极传感器检测的电压信号进行调理。

三电极传感器检测的电压信号并不满足直接用数据采集卡采集的要求，通过信号调理电路对其进行处理。使用电压跟随器对电压信号进行1:1的跟随放大，并通过衰减器使其衰减至0-2.5V的范围内。

步骤三：信号调理电路的信号输出端与嵌入式开发平台NI MyRIO的差分模拟输入端连接，对调理过的电压信号进行采集。NI MyRIO提供了2个差分模拟输入，位于C端口(MSP)中，选择其中一个即可。

步骤四：嵌入式开发平台NI MyRIO通过USB数据线与具有LabVIEW开发平台的上位机连接。

首先在LabVIEW上开发NI MyRIO项目，设计相应的数据处理程序；然后将编译好的程序下载部署到嵌入式开发平台NI MyRIO板载芯片上的ARM处理器中运行处理，通过具有LabVIEW开发平台的上位机对处理的数据进行实时显示，并设计友好的人工交互界面。

通过上述描述内容，可以明显得到本申请所提供的微量元素检测装置的优点：分析灵敏度高，比一般使用极普法原理的测试系统高4～6个数量级：使用图形化的编程语言LabVIEW，大大降低了编程工作量，方便用户根据实际情况自定义人工交互界面；使用嵌入式开发平台NI MyRIO，安全、便携，采集速率高；充分结合并发挥了LabVIEW和NI MyRIO的优点，该系统操作简单，检测精度高。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。