基于微电极的重金属离子检测系统的制作方法

本实用新型涉及生物检测技术领域，特别是涉及一种基于微电极的重金属离子检测系统。

背景技术：

自然界中的重金属大多以矿物形式存在，而随着重金属物质的大量使用，大量重金属矿藏被开采。由于工业废水、废气的大量排放，重金属随之进入了环境中。然而重金属物质难以被自然降解，因此会长期存在停留于环境中。由于重金属不易被生物体代谢，它会通过食物链的各营养级逐级富集。而且营养级越高，富集程度越高。因此环境中的重金属可以通过食物链对人体造成危害，严重的甚至会引发大规模的污染事件。

目前可用于重金属现场检测的技术主要有电化学分析法、试纸条、试剂盒和检测管技术。其中，电化学分析法是一种利用物质的电化学性质进行分析的方法。传统的电化学分析方法有极谱法和伏安法，其主要的差别在于极化电极的不同。极化电极是指可以周期性更新的液体电极，如悬汞电极。极谱法具有工作范围广、准确度高、重复性好、选择性好等优点，但悬汞电极上的汞本身带有毒性，对人和环境造成危害。伏安法使用固体或静止的电极，在电极的使用上则更为灵活，但在检测样品(有毒试剂)的用量上消耗较大。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种有毒试剂消耗较小的基于微电极的重金属离子检测系统。

一种基于微电极的重金属离子检测系统，包括：微电极、微处理器及与所述微处理器连接的恒电位仪、通信模块、显示模块和电源模块；

所述恒电位仪还与所述微电极连接，所述电源模块还与所述通信模块和所述显示模块连接；

所述微电极包括金对电极、金工作电极和银参比电极。

在其中一个实施例中，所述微电极还包括硅片基底、二氧化硅氧化层、钛钨粘结层；所述二氧化硅氧化层附着于所述硅片基底上方，所述钛钨粘结层覆盖于所述二氧化硅氧化层上方；所述钛钨粘结层的上方设置有所述金对电极、所述金工作电极和所述银参比电极。

在其中一个实施例中，所述恒电位仪包括第一放大器、第二放大器、电流/电压转换模块和模数转换模块；所述第一放大器连接所述金对电极，所述第二放大器连接所述银参比电极，所述电流/电压转换模块连接所述金工作电极；所述模数转换模块与所述电流/电压转换模块和所述微处理器连接。

在其中一个实施例中，所述电流/电压转换模块包括数据选择器和四路信号放大电路，所述数据选择器的输入端连接所述金工作电极，所述四路信号放大电路连接于所述数据选择器的输出端和所述模数转换模块之间。

在其中一个实施例中，所述微处理器包括msp430系列微处理器。

在其中一个实施例中，所述电源模块包括锂聚合物电池。

在其中一个实施例中，所述通信模块包括wi-fi模块。

上述基于微电极的重金属离子检测系统中，采用微电极作为重金属离子检测系统的极化电极，可使检测系统小型化，减少有毒试剂消耗，且微电极具有噪声低，传质速率高的优点。

附图说明

图1为一个实施例中的基于微电极的重金属离子检测系统的结构示意图；

图2为一个实施例中的微电极的结构示意图；

图3为一个实施例中的恒电位仪的电路结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平”的、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，一种基于微电极的重金属离子检测系统，包括：微电极100、微处理器200及与微处理器200连接的恒电位仪300、通信模块400、显示模块500和电源模块600。恒电位仪300还与微电极100连接，电源模块600还与通信模块400和显示模块500连接。其中，微电极100包括金对电极110、金工作电极120和银参比电极130。

本实施例中，采用微电极100作为重金属离子检测系统的极化电极，可使检测系统小型化，减少有毒试剂消耗，且微电极具有噪声低，传质速率高的优点。

需要说明的是，微电极100是指电极结构中，至少有一个维度的尺寸是微米或纳米级的电极。相比常规尺寸电极，微电极100具有较高的准确度、响应速率和信噪比，而且可以应用于小空间场合的检测。

本实施例中，微处理器200为恒电位仪300提供可变的扫描电压，并读取恒电位仪300中的电流值或电压值，读取的数据通过通信模块400发送给智能设备或在显示模块500显示。具体地，首先通过微电极100将目标元素离子(重金属离子)沉积富集到金工作电极120表面；然后通过恒电位仪300反向施加氧化电位扫描，使富集在金工作电极120表面的元素溶出，检测溶出过程的电流-电位曲线，称为溶出曲线。其中，显示模块500用于显示该溶出曲线；微处理器200用于计算分析该溶出曲线；通信模块400用于将该溶出曲线发送至智能设备(如智能手机)；电源模块600用于提供微处理器200、通信模块400和显示模块500所需电能。应当理解地是，由于富集时间、富集电位等条件一定时，溶出曲线中峰电流的大小和检测物(重金属离子)浓度成正比关系，因此可实现对检测物的定量检测。

在一实施例中，如图2所示，微电极还包括硅片基底140、二氧化硅氧化层150、钛钨粘结层160。其中，二氧化硅氧化层150附着于硅片基底140上方，钛钨粘结层160覆盖于二氧化硅氧化层150上方；钛钨粘结层160的上方设置有金对电极110、金工作电极120和银参比电极130。

本实施例中，微电极采用硅片基底140，利用硅热氧化工艺，在硅片基底140上方氧化出一层二氧化硅氧化层150，使基底绝缘。二氧化硅氧化层150上方覆盖钛钨粘结层160，钛钨粘结层160上方具有金对电极110、金工作电极120和银参比电极130。其中，金工作电极120为厚100纳米，长4.8毫米的带状电极；金对电极110和银参比电极130位于金工作电极120两边，均为厚度100纳米，宽1毫米，长度4毫米的带状电极。微电极为一个宽8毫米，长10毫米的长方形芯片。

在一实施例中，如图3所示，恒电位仪包括第一放大器310、第二放大器320、电流/电压转换模块330和模数转换模块340。其中，第一放大器310连接金对电极110，第二放大器320连接银参比电极130，电流/电压转换模块330连接金工作电极120；模数转换模块340与电流/电压转换模块330和微处理器200连接。

本实施例中，银参比电极130通过第二放大器320连接到第一放大器310的输入端，实现参比电位的叠加。而第一放大器310的输出端与金对电极110相连，通过金对电极110与金工作电极120形成一个完整的电流回路。进一步地，电流/电压转换模块330将金工作电极120上的电流转为电压信号，传递给模数转换模块340，模数转换模块340将电压信号转换为数字信号发送给微处理器200。

在一实施例中，参见图3，电流/电压转换模块330包括数据选择器331和四路信号放大电路332。其中，数据选择器331的输入端连接金工作电极120，四路信号放大电路332连接于数据选择器331的输出端和模数转换模块340之间。

本实施例中，四路信号放大电路332包括相互并联的四组信号放大电路，每组信号放大电路包括相互并联的电容器和电阻。即，四路信号放大电路332包括：第一电容器c1、第一电阻r1、第二电容器c2、第二电阻r2、第三电容器c3、第三电阻r3、第四电容器c4和第四电阻r4。其中，第一电容器c1和第一电阻r1并联，构成第一信号放大电路；第二电容器c2和第二电阻r2并联，构成第二信号放大电路；第三电容器c3和第三电阻r3并联，构成第三信号放大电路；第四电容器c4和第四电阻r4并联，构成第四信号放大电路。需要说明的是，数据选择器331相当于多路转换器，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路。例如，数据选择器331可以在第一信号放大电路、第二信号放大电路、第三信号放大电路和第四信号放大电路中任意选择一路作为数据输出电路。

应当理解地是，不同的电化学反应需求的金工作电极120的电流不同，需求的电流跨度也较大。如果测量电流大于检测量程，也就是超量程，则无法得到大于量程的数据；如果测量电流远小于检测量程，则会降低检测的精度。因此，本实施例的电流/电压转换模块330给出了四路放大倍数不同的档位，通过数据选择器331控制模拟开关实现不同档位的切换，可以实现多个量程的测量。

具体地，电流/电压转换模块330的电流检测范围包括：0-0.1ua(微安)、0-1ua、0-10ua和0-100ua。

本实施例中，由于不同的电阻值改变电流/电压转换模块330的放大倍数，电容则起到相位补偿的作用，所以每一路量程都搭配不同的电阻电容。

在一实施例中，微处理器200包括msp430系列微处理器。

本实施例中，msp430系列微处理器具有bsl(bootstraploader，引导程序)的功能，通过导入特定的代码，实现下位机程序的下载，而不用安装复杂的下位机软件和驱动，下载所用的代码也不含下位机程序的内容。

在一实施例中，电源模块600包括锂聚合物电池。

本实施例中，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合一些产品的需要，制作成不同形状与容量。

在一实施例中，通信模块400包括wi-fi模块。

本实施例中，通过wi-fi模块建立该检测系统与智能设备(例如智能手机)的通信连接。

上述基于微电极的重金属离子检测系统中，采用微电极100作为重金属离子检测系统的极化电极，可使检测系统小型化，减少有毒试剂消耗，且微电极具有噪声低，传质速率高的优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。