基于维生素B检测的便携式恒电位仪应用平台

摘要

本发明公开了基于维生素B检测的便携式恒电位仪应用平台。现有恒电位仪测量精度低，控制误差大。本发明的电源模块连接微控制器模块的电源输入端；D/A转换模块将微控制器模块的数字量转换成模拟量传给运放检测模块；A/D转换模块将运放检测模块的采样数据由模拟量转换成数字量传给微控制器模块；微控制器模块中PC端口高低电平的变换来控制继电器组模块吸合，从而控制运放检测模块工作电极的连接状态；按键显示模块将设定参数发给微控制器模块处理并显示从微控制器模块接收的数据；RS485传输模块与微控制器模块连接，并将检测到的信号传给GPRS无线通信模块。本发明可检测微量维生素B及与电化学阻抗测试系统联合应用。

说明书

技术领域

本发明属于电化学检测技术领域，涉及一种基于维生素B检测的便携式恒电位仪应用平台，其融合了基于三电极系统的电化学检测技术和嵌入式系统便携设计方法，用于方便、快速、准确检测食品中痕量元素(特别是维生素B)含量的情况，以及自设计功能强，可与其他检测系统联合应用。

背景技术

维生素B(VB)是细胞中重要的生物氧化还原辅酶，是机体维持其正常生活所必需的一类营养素。对于食品中维生素B的添加，尤其婴幼儿及母乳食品中，必须通过检测严格控制其添加量，所以寻找一种简单、高效、快速的检测方法十分必要。维生素B的分析方法主要有荧光分析法、高效液相色谱分析法、紫外分光光度法及电化学分析法等。而电化学分析法是根据电化学原理和物质在溶液中的电化学性质及其变化而建立起来的一类分析方法，通常采取在合适的电位下固定电位极化或在较宽范围内进行电位扫描，具有操作简单、分析速度快、准确度高等优点，可实现连续分析和现场分析，已经得到越来越多的应用。

在物质定性定量分析、常规电化学测试、电化学反应机理研究等方面，三电极测试系统都有着广泛应用。然而因其价格昂贵、体积大，并且要配合上位机软件才可以使用，使它在推广应用方面受到限制，更难将其应用于便携式检测设备中。恒电位仪是各种三电极式(包括工作电极、辅助电极和参比电极)电化学传感器的接口，主要将外部激励信号近乎准确地施加于传感器上，驱动样品溶液发生电化学反应，并对产生的响应信号做相应的预处理(信号转换、放大、滤波)。早期由于半导体集成技术相对落后，恒电位仪主要由大量的分立元件构成,存在体积庞大、结构复杂、恒电势控制差等不足，限制了其应用范围。

目前，国内用于实验室电化学性能测试的恒电位仪由于其体积较大，笨重且不易携带，不适合实际工程现场应用。而现有实际工程应用的恒电位仪测量精度低，控制误差较大，操作不便，智能化程度较低，无法满足现场电化学测试需求。并且，现有的食品中微量维生素检测技术，存在检测方法复杂、检测时间较长、检测成本较高、不易推广等缺点，以及检测装置应用单一，不能满足食品安全等实际需求。因此，有必要设计一种基于维生素B检测的便携式恒电位仪应用平台，用于食品中微量维生素B的高效快速检测，以及可扩展阻抗测试平台进行联合应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于维生素B检测的便携式恒电位仪应用平台，它可用于食品中微量维生素B的检测，可对各项参数进行远程监测控制且将检测信号发送至远程服务器，以及后期可与电化学阻抗测试系统等平台联合应用，其电源适配器与装置主体可拆卸，外接三电极检测平台、可与上位机相连，外观人性化、便携式设计，具有体积小、携带方便、检测快速准确、操作简单、联合应用等特点。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明由壳体组件、RS485传输模块、外部设备连接线，以及设置在壳体组件内的电源模块、微控制器模块、D/A转换模块、运放检测模块、A/D转换模块、继电器组模块、按键显示模块和GPRS无线通信模块组成。所述的电源模块连接微控制器模块的电源输入端；D/A转换模块将微控制器模块的数字量转换成模拟量传给运放检测模块；A/D转换模块将运放检测模块中的采样数据由模拟量转换成数字量传给微控制器模块进行处理；微控制器模块中PC端口高低电平的变换来控制继电器组模块吸合，从而控制运放检测模块中工作电极的连接状态；按键显示模块将设定的参数发送给微控制器模块进行处理并将从微控制器模块接收的信号和数据进行显示；RS485传输模块与微控制器模块连接，并将检测到的信号传给GPRS无线通信模块。

所述的壳体组件包括外壳、显示屏、正面通风口、通电指示灯、功能选择按钮、上下选择按钮、印刷式电极检测芯片卡槽、USB接口、外接应用接口、电源开关、电源接口、背面通风口、信号转换接口和三电极接口。

所述的显示屏、正面通风口、通电指示灯、功能选择按钮和上下选择按钮均设置在外壳顶面；显示屏所在平面与功能选择按钮所在平面成135°；显示屏连接内部按键显示模块并由微控制器模块进行传输控制，能显示设置和检测的电压值、电流值及检测时间；正面通风口由铁丝网组成；通电指示灯与电源模块相连接，通电时亮起；功能选择按钮连接按键显示模块，并将设定的信息传输给微控制器模块进行控制，包括电压、电流、扫速和灵敏度四个设置按键；上下选择按钮与按键显示模块相连接，调整功能选择按扭的电压、电流、扫速或灵敏度数值的升、降。

所述的印刷式电极检测芯片卡槽、USB接口和外接应用接口均设置在外壳侧面；USB接口和外接应用接口均连接微控制器模块；印刷式电极检测芯片卡槽设有两个安插槽用于安插印刷式电极检测芯片；印刷式电极检测芯片卡槽连接运放检测模块。

所述的电源开关、电源接口、背面通风口、信号转换接口和三电极接口均设置在外壳后面；电源接口连接电源模块，并经电源适配器输入直流电压；电源开关连接电源接口与电源模块，控制电源开启和关闭；背面通风口由铁丝网组成；信号转换接口连接RS485传输模块；三电极接口与运放检测模块相连接。

所述的电源适配器、USB连接线、RS485转接线、三电极连接线和外接应用连接线构成外部设备连接线。

所述的微控制器模块采用ATmega16芯片，通过I/O口与继电器组模块连接，通过SPI通信接口与D/A转换模块及A/D转换模块相连。

所述的D/A转换模块采用DAC8831芯片。

所述的A/D转换模块采用AD7705芯片。

所述的运放检测模块包括电压跟随器、反馈电路和电流跟随器，电压跟随器、反馈电路和电流跟随器均包含集成运算放大器；所述集成运算放大器的型号为OPA211；电压跟随器、反馈电路和电流跟随器的集成运算放大器分别将三电极接口传来的电流转化为电压检测信号，并各自将电压检测信号送入D/A转换模块。

所述的继电器组模块采用G6H-2-5VDC继电器。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

1、本发明适合电化学检测，恒电位误差控制在mV级以内，检测电流的下限达到10^-6A，采用三电极传感，对样品进行稳定的信号检测，具有灵敏度高、系统稳定、整体结构紧凑等优点；

2、本发明缩短了样品检测时间，可便捷地进行食品中微量维生素B的检测，比其他检测方法高效快速，并且多次重复采样，使得检测精度、检测全面性有了提高，降低检测成本，能够充分满足现场检测需求；

3、通过GPRS无线通信模块，实现智能控制装置与远程监控平台之间的通信，提高了整个系统的运行效率，也节约了人力物力。本发明后期可结合其他平台进行联合应用，增加了拓展性，例如与阻抗测试系统联合应用，对生物膜在不同维生素浓度下的生长贴附情况的实时联立检测；GPRS无线通信模块实现系统的远程控制和数据的远程传输，对检测信号进行检测控制，将检测到的实时信号发送给远程服务器。采用透明的传输协议，兼容MODBUS传输协议，数据传输更加简单方便。

4、继电器组模块采用G6H-2-5VDC继电器，该型号继电器尺寸较小，功耗较低，灵敏度高，电磁干扰低，可以高密度安装。

5、RS485传输是采用差分电平发送信号，抗干扰的能力强，信号传输距离远。本发明可应用于工程现场，工作环境噪声大，若要求传输距离较远。

6、运放检测模块的集成运算放大器将三电极传感器输入的nA级电流转化为电压检测信号，送入D/A转换模块，利用其高输入阻抗、高开环放大倍数、低失调电压的特点，有效控制恒电位仪的误差。

7、本发明符合目前的食品安全检测潮流，具有体积小、便于携带、功能突出、系统工作稳定、智能化程度高、人机界面良好等特点，拥有广阔的应用前景和实用价值，使用起来非常方便。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明中壳体组件的立体图；

图3为本发明中壳体组件的背面示意图；

图4为三电极电路简化等效模型图；

图5为本发明对三电极电路等效模型进行输出电压测试实验数据结果图；

图6为本发明在裸电极和修饰电极上测得的循环伏安曲线图；

图7为本发明与阻抗测试系统联合应用示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明，本发明的保护范围并不局限于实施例，凡是根据本发明公开的内容或原理实施的任何本领域的等同替换，均属于本发明的保护范围。

如图1所示，基于维生素B检测的便携式恒电位仪，由壳体组件、RS485传输模块9、外部设备连接线，以及设置在壳体组件内的电源模块1、微控制器模块2、D/A转换模块3、运放检测模块4、A/D转换模块5、继电器组模块6、按键显示模块7和GPRS无线通信模块10组成。电源模块1连接微控制器模块2的电源输入端；D/A转换模块3将微控制器模块2的数字量转换成模拟量传给运放检测模块4；A/D转换模块5将运放检测模块4中的采样数据由模拟量转换成数字量传给微控制器模块2进行处理；微控制器模块2中PC端口高低电平的变换来控制继电器组模块6吸合，从而控制运放检测模块4中工作电极的连接状态；按键显示模块7将设定的参数发送给微控制器模块2进行处理并将从微控制器模块2接收的信号和数据进行显示；RS485传输模块9与微控制器模块2连接，将检测到的信号传输到上位机8进行反馈控制，并将检测到的信号通过GPRS无线通信模块10实时发送给远程服务器11。

如图2和3所示，壳体组件包括外壳12、显示屏13、正面通风口14、通电指示灯15、功能选择按钮16、上下选择按钮17、印刷式电极检测芯片卡槽18、USB接口19、外接应用接口20、电源开关21、电源接口22、背面通风口23、信号转换接口24和三电极接口25。

显示屏13、正面通风口14、通电指示灯15、功能选择按钮16和上下选择按钮17均设置在外壳12顶面；显示屏13所在平面与功能选择按钮16所在平面成135°；显示屏13连接内部按键显示模块7并由微控制器模块2进行传输控制，能显示设置和检测的电压值、电流值及检测时间；正面通风口14由铁丝网组成，增加壳体内外空气流通；通电指示灯15与电源模块1相连接，通电时亮起绿色；功能选择按钮16连接按键显示模块7，并将设定的信息传输给微控制器模块2进行控制，包括电压、电流、扫速和灵敏度四个设置按键；上下选择按钮17与按键显示模块7相连接，调整功能选择按扭16的电压、电流、扫速或灵敏度数值的升、降。

印刷式电极检测芯片卡槽18、USB接口19和外接应用接口20均设置在外壳12侧面；USB接口19和外接应用接口20均连接微控制器模块2；印刷式电极检测芯片卡槽18设有两个安插槽用于安插印刷式电极检测芯片，不使用时缩进壳体；印刷式电极检测芯片卡槽18连接运放检测模块4；USB接口19可通过USB连接线与其它设备进行信号传输；外接应用接口20通过外接应用连接线可外接其它设备进行联合应用，应用于各个需要该便携式恒电位仪控制的场合，如与阻抗测试系统进行联合检测。

电源开关21、电源接口22、背面通风口23、信号转换接口24和三电极接口25均设置在外壳12后面；电源接口22连接电源模块1，并经电源适配器输入直流电压；电源开关21连接电源接口22与电源模块1，控制电源开启和关闭；背面通风口23由铁丝网组成，增加壳体内外空气流通，增强散热；信号转换接口24连接RS485传输模块9，并通过RS485转接线将信号远距离传输到上位机8进行通信；三电极接口25与运放检测模块4相连接，并通过三电极连接线与三电极检测平台相连接。

电源适配器、USB连接线、RS485转接线、三电极连接线和外接应用连接线构成外部设备连接线。

本发明对该恒电位仪应用平台进行前期性能实验测试和后期应用实验测试。

1、前期电化学性能测试

1.1根据电路等效原理把电解池中三电极间的关系等效为电阻、电容串并联形式的阻抗模型，如图4所示，把双电层电容、电极、溶液及电极反应所引起的阻抗进行分析，可认为电阻R_S等效为工作电极与对电极之间溶液的电阻，R_FW、C_FW是工作电极与电解质在接触面上产生的等效双电层阻抗。采用该三电极电路等效模型进行性能测试，实验中设定R_S为1KΩ，C_FW为50μF，R_FW的电阻值不断变化(1、10、30、5、100、200KΩ)，同时设定输入端的不同电压值(WE与RE两端间的电压值)分别为0.100、0.500、1.000、2.000、3.300V，测试该恒电位仪应用平台的输出电压情况。实验测试数据结果如表1所示。

表1 采用三电极电路等效模型进行输出电压测试数据表

图5为对三电极电路等效模型进行输出电压测试实验数据结果图。通过表1和图5可以看出改变R_FW的电阻值时，输出电压基本保持稳定，R_FW电阻值的改变对输出电压几乎无影响，输出电压跟随设定电压变化。

1.2采用三电极电路等效模型测试该恒电位仪应用平台的输出电流情况。先设定R_FW的电阻值为1KΩ时，改变C_FW的电容值分别为50μF、100μF、150μF，设定输入端的不同电压值(WE与RE两端间的电压值)分别为0.1、0.5、1.0、2.0、3.3V，测量该恒电位仪应用平台的输出电流值；再设定C_FW的电容值为100μF时，改变R_FW的电阻值分别为0.5KΩ、1KΩ、1.5KΩ，同样设定输入端的不同电压值(WE与RE两端间的电压值)分别为0.1、0.5、1.0、2.0、3.3V，测量该恒电位仪应用平台的输出电流值，实验测试数据结果如表2所示。

表2 采用三电极电路等效模型进行输出电流测试数据表

通过表2可以看出当R_FW的电阻值固定时，电容的改变对输出电流值略有影响，但影响不大，因为容性的电解池会给测量带来微弱的噪声，表2显示输出电流稳定在一定范围内；当电容值固定时，输出电流随着电阻值的增大而线性减少，符合理论值，其测量数据稳定性和精度满足实验要求。

2、后期应用实验测试

2.1为了验证及突出本发明的性能和应用是否符合要求，采用循环伏安法，在不同浓度的铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液([Fe(CN)₆]^3-/4-)中，进行本发明与CHI660C工作站的对比测量实验：1)配置好100mM/L的[Fe(CN)₆]^3-/4-溶液，用PBS溶液分别稀释成浓度为50mM/L、25mM/L、12.5mM/L、6.75mM/L的缓冲液，2)进行循环伏安法测试，初始电位-0.2V，静息时间2S，电极扫速分别为10mV/S、25mV/S、50mV/S、100mV/S，3)记录比较氧化还原的两个峰值电流ip1与ip2。实验数据结果如表3所示，其中，ip1与ip2数值中位于前面的值为CHI660C工作站的测量值，后面的值为本发明的测量值。

表3采用CHI660C与本发明测得[Fe(CN)6]^3-/4-缓冲液在不同浓度及扫速下的输出电流值

通过表3可以看出，相同浓度的缓冲液其电流值随扫速的增加而线性增加，相同扫速下其电流值随缓冲液浓度的减少而线性减少，皆成基本线性关系，其实验数据符合理论结果。通过与商用的CHI660C对比可以得出，本发明测量稳定性达到要求，能精确到10^-6A，符合实际的应用要求。

2.2本发明对食品中微量维生素B₂含量进行检测实验，采用pH为4.0的0.1mol/L的邻苯二甲酸氢钾缓冲液作为电解液(维生素B₂的浓度为2×10^-5mol/L)，扫描速率为0.1V/s，在裸电极和修饰电极上进行测试，测得循环伏安曲线图如图6所示。从图6中可看出，裸电极测得的曲线几乎没有峰值变化，且平稳无任何响应，在修饰电极上，出现一对尖锐的氧化还原峰，峰电位分别为-0.29V和-0.25V，对应的峰值电流分别为6.8μA和-7.1μA，根据维生素B₂的浓度与电流峰值成线性关系，从而可求解出此时电解液中维生素含量情况。

3、应用平台连接示意情况

图7为本发明平台与阻抗测试系统联合应用示意图。如图7所示，该基于维生素B检测的便携式恒电位仪应用平台27的外接应用接口连接阻抗测试系统26，对阻抗测试系统进行电位控制以及信号监测传输，RS485传输模块9连接上位机8进行信号控制输出处理并显示，用于检测贴附性生物膜(如某些细菌、细胞等)在不同维生素浓度下的贴附面积、附着力等情况来判断其生长状况随维生素浓度变化情况。