恒電位儀研究現(xiàn)狀及基于電化學(xué)檢測系統(tǒng)應(yīng)用

1恒電位儀研究現(xiàn)狀及基于恒電位儀電化學(xué)檢測系統(tǒng)的應(yīng)鐘海軍鄧少1恒電位儀研究現(xiàn)狀及基于恒電位儀電化學(xué)檢測系統(tǒng)的應(yīng)鐘海軍鄧少平(浙江工商大學(xué)食品感官科學(xué)實驗室,杭州, 介紹了恒電位儀的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理;分析了恒電位儀電位控制誤差問題;從溶液電阻的角摘 簡介了基于恒電位儀的電化學(xué)檢測系統(tǒng)的應(yīng)用 對恒電位儀的發(fā)展前景進行了展望關(guān)鍵 言A1和A2、三電極體系、樣品溶液、反饋電阻四部分構(gòu)成1)。其中三電極體系由工作電極、參比電極、輔助電極組成。工作電極的作用是在外加電位條件下使待測溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而測定該電極上產(chǎn)生的電流;輔助電極和工作電極組成一個導(dǎo)通回路;而參比電極作為工作電極和輔助電極的基準(zhǔn)電極。反饋電阻主要將工作電極產(chǎn)生的電換成電壓,以符合后端采集輸入的要求恒電位儀是各種三電極式(工作電輔助電極、參比電極電化學(xué)傳感器的接口主要將外部激勵信號近乎準(zhǔn)確地施加于傳感器上,驅(qū)動樣品溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),并對產(chǎn)生的響應(yīng)信號做相應(yīng)的預(yù)號值偏離的問題,而且促進了電化學(xué)檢測與分析領(lǐng)域的多元化發(fā)展。因此,恒電位儀在電化學(xué)檢測系早期由于半導(dǎo)體集成技術(shù)相對落后,恒電位儀雜、恒電勢控制差等不足,限制了其應(yīng)用范圍12]。隨著微電子和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展恒電位儀在便攜性、低功耗、精度方面有了長足進步批新型的恒電位儀,比如基于無線遙感技術(shù)的雙通道恒電位儀和高性能芯片級恒電位儀4]。本文就恒電位儀的結(jié)構(gòu)及原理進行了闡述,針對恒電位儀電位控制誤差的難題,圖況,同時簡要介紹了基于恒電位儀的電化學(xué)檢測統(tǒng)及其應(yīng)用CE1輔助電極RE1參比電極WE1工作電在圖1中,A1和A2的反相端虛地,根據(jù)運虛短虛斷的性質(zhì),可以得到下式VW-R=( 理想的三電極恒電位儀電路主要由運算放式中VW-R工作電極相對于參比電極的電ei外部施加的電作者簡介:鐘海軍,男,1983年出生,碩士研究生,主要研究方向:味覺仿生學(xué)。E-mail:zhonghj83@163.鄧少平,男,1956年出生,博士生導(dǎo)師,主要從事仿生舌(鼻)模型機研究與味覺平衡現(xiàn)象及機理研究。E-mail:spdeng@. 24(1)式表明外加電位的值與工作電極和參比電極之間的電位保持一致,且不受檢測過程中樣品24(1)式表明外加電位的值與工作電極和參比電極之間的電位保持一致,且不受檢測過程中樣品從上述分析可知溶液電Ru的存在是造成恒品溶液阻抗角度出發(fā),一般可以用增加樣品溶液的濃度或降低其黏度等方法來提高介質(zhì)的電導(dǎo)率,以減小溶液的總電阻進Ru值另外研究表明移動參比電極的位置,使其盡可能地接近工作電極液阻抗波動的影響[5]。另外,反饋電阻工作電極產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換成電壓,如下式所示與運放A2構(gòu)成電流跟隨器V0=輸出電iR(式中V0i))Rf—)工作電極產(chǎn)生的電反饋電7]Bruckenstein等人可以Ru所占比例減提出并驗看出,運算放大器影響著整個恒電位儀的性能。因此要實現(xiàn)電勢恒定,要求運算放大器具有:1輸入阻抗無窮大,輸出阻抗為零;o開環(huán)放大倍數(shù)無窮大;?輸出電壓與電流足夠大;?器件溫漂為零,不產(chǎn)噪聲6]了使用微電極的優(yōu)越性,主要是因為使用微電極產(chǎn)生的電流非常小,這樣不僅簡化了實驗設(shè)計,而且無須考慮參比電極的位置,可以極大地減少Ru值,進一步降低了電勢控制誤差。以上這些解決方案在實際應(yīng)用上都難以推廣,一方面由于檢測對象的多樣化和復(fù)雜性,只針對某一測試體系設(shè)計檢測溶作不僅造價昂貴,而且受制造工藝水平的限制,難以液電Ru進行補償這種方法具有設(shè)計靈活、制作簡易成本低、恒定控制效率高等優(yōu)勢因此本文著Britz等人設(shè)計了一種傳統(tǒng)型基于電流跟隨器的恒電位儀見圖3a利用差分運放方法將施加的激勵信vd與參比電極電位相比較其差值被放大后加在輔助電極上,用來補償因溶液電阻Ru引起電勢誤差,從而保持工作電極 實際上運算放大器的性能遠遠達不到上述要放置方式等因素的變化都將在溶液電阻上得以體現(xiàn),并對恒電位儀的性能產(chǎn)生影響。以下主要從溶液電阻方面闡述電勢的恒定控制對恒電位儀的影三電極體系的電子等效電路模型由輔助電面阻ZcR8Ru作電極界面阻Zw三部分組成5](見圖2其中,參比電極將樣品溶液電阻劃分成RR決于i和R的大小若電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流非常小同時R只占總?cè)芤弘娮璧臉O小部分的電壓降就可以忽略不計,但是絕大多數(shù)實驗,比如電解實驗,由于物質(zhì)的傳遞速度增大,恒 。但當(dāng)設(shè)備工作在較高頻率時,電流跟隨仍將出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象,影響電位的有效控[Davis等人針對這一問題的研究發(fā)現(xiàn):由于電流跟隨器的輸入阻抗與反饋電阻R構(gòu)成了電阻-電感電路若沒有采取措施對其補償電感部分與電極表面的雙電層電容會發(fā)生共振產(chǎn)生相位偏移從而導(dǎo)致電流跟隨器不穩(wěn)定9。Kanazawa等人在Davis課題組研究的基礎(chǔ)上,(見圖3b)。這種設(shè)計主要是將適當(dāng)?shù)碾娙菖c反饋電阻并聯(lián)并確定其時間常數(shù)S,從而可以有效消電流跟隨器的輸入感抗S由下式得出溶液中有大電流通過,S=(實驗表明,一般電流跟隨器 以下頻率范圍圖3運行穩(wěn)定10]圖圖基于電流跟隨器的傳統(tǒng)型恒電位儀和基于電流跟隨器的改進型恒電位儀(C3運行穩(wěn)定10]圖圖基于電流跟隨器的傳統(tǒng)型恒電位儀和基于電流跟隨器的改進型恒電位儀(CE1輔助電極RE1參比電極WE1工作電CE1輔助電極RE1參比電極WE1工作電建一個先進的微型檢測系統(tǒng)。Prakash等人基于CMOS工藝技術(shù)設(shè)計出芯片級恒電位儀5a)它主要由電壓跟隨器OP1基于運OP2R1的反饋電路、基于運OP3與反饋電Rf的電流跟隨器等三部分組成[12]。要達到恒電位儀的設(shè)計性能,運放部分必須滿足如下要求:高增益(>50dB),以實現(xiàn)電位恒定軌對軌輸入輸出盡量滿足輸入輸出動態(tài)變化范圍具備大電流處理能力從而驅(qū)動傳感器陣列發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。但是基于CMOS技術(shù)集成的芯片供電電源電壓通常比較低,一般采用0.18LmCMOS技術(shù)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)單端型恒電位儀,液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。針對這問題,Martin等人基于CMOS技術(shù)設(shè)計一種新型的全差分恒電位儀(見圖5b),主要利用全差分運放OP6來動態(tài)控制工作電極與輔助電極之間的電壓,達到增大信號擺幅的目[1Fidler等人設(shè)計了一種壓控電流源型恒電位儀,其電路原理見圖4。通過差分放大器OP1對外部激勵信號vd與工作電極和參比電極間的電位進行比較,其差值v0用來控制壓控電流源,驅(qū)動輔助電極以補償電勢差達到電位恒定。同時v0與前端傳感器產(chǎn)生的電流成正比,可以直接當(dāng)作測量信號輸入至后端系統(tǒng)進行處理11]。與傳統(tǒng)的基于電流跟隨器的恒電位儀相比該儀器具有以下優(yōu)點工作電極直接接地,消除了電位因工作電極虛地而隨頻率發(fā)生偏離的問題系統(tǒng)穩(wěn)定性增強信噪比得到明顯改善,可以無損地獲得信號。隨著超大規(guī)模集成(VLSI)技術(shù)和微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,芯片級恒電位儀開始見諸報道。這類芯片有別于傳統(tǒng)的恒電位儀電路,它功耗低,具有超高靈敏度,穩(wěn)定性好,能最大限度地降器件本身的耦合噪聲,同時可以結(jié)合微電極陣列,5CMOS技術(shù)的恒電位儀電CE1輔助電極RE1參比電極WE1工作電在使用同樣供電電源的條件下,全差分型恒位儀的信號擺幅幾乎是標(biāo)準(zhǔn)單端型恒電位儀的源條件下,不僅整個電路功耗低,而且有效地抑制了4共模噪聲,這種設(shè)計非常適合微型電化學(xué)檢測系的要求機理等角度分析其原4共模噪聲,這種設(shè)計非常適合微型電化學(xué)檢測系的要求機理等角度分析其原因,并采取相應(yīng)措施盡量保電勢的恒定51恒電位儀作為三電極式電化學(xué)傳感器的接口,在環(huán)境監(jiān)測方面,Christidis等人基于恒電位儀組建了便攜式的電化學(xué)檢測系統(tǒng),采用微分脈沖溶出伏安法對重金屬污染的土壤進行現(xiàn)場監(jiān)測和區(qū)性高等優(yōu)勢,構(gòu)建了一種基于恒電位儀的多通道電化學(xué)檢測系統(tǒng),并驗證了系統(tǒng)的可行性和靈敏HarrarJE,StephensFB,PechacekRE.AnalyticalChemistry,1962,34:1036-1037BoomanGL,HolbrookWB.AnalyticalChemistr1965,37:795-RocchittaG,MigheliR,DedolaSonia,etal.SensorsandActuatorsB,2007,126(2):700-709ZhangJ-ichun,HuangYue,TromblyN,etal.Jsors,2005:385-J,巴德,拉里,R著,邵元華,朱果逸,董獻堆等譯.電化學(xué)方法原理和應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:442-443藤嶼昭著,陳震,姚建年譯.電化學(xué)測定方法.北京:北京大學(xué)出版社,1995:51-53BritzD.JournalofElectroanalyticalChemistry,1978,88(3):309-352BruckensteinS.AnalyticalChemistry,1987,59(17)2098-DavisJE,TorenEC.AnalyticalChemistry,1974,46(6):647-650KanazawaKK,GalweyRK.AnalyticalChemistry,1977,49(4):677-688FidlerJC,PenroseWR,BobisJP.JInstrumentationandMeasurement,1992,41(2):308-310PrakashSB,AbshireP,UrdanetaM,etal.CircuitsandSystems,2006:5555-5558MartinSM,GebaraFH,StrongTD,etal.CircuitsandSystems,2004,4:892-895ChristidisK,RobertsonP,GowK,etal.JMeasure-ment,2007,40:960-967LiHua-qing,LuoXian-bo,LiuChun-xiu,etal.InfomationAcquisition,2004:224-MurariK,StanacevicM,GauwenberghsG,etal.En-gineeringinMedicineandBiologyMagazine,2005,24(6):23-29HuangChun-yueh,SyuMijywan,ChangYong-shuen,etal.BiosensorsandBioelectronics,2007,22(5):1694-CiosekP,WroblewskiW.Talanta,2008,76(3):-吳堅,劉軍.傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(4):963-965FerreiraEJ,PereiraRCT,DelbemACB,etElectronicsLetters,2007,43(21):1138-2345性[15]。在生命科學(xué)研究方面,Murari等人基于超大規(guī)模集成技術(shù)設(shè)計了一種16通道、超6,)))巴胺的動態(tài)變化情況[16];臺南國立大學(xué)課題組基于片上系統(tǒng)(SOC)設(shè)計了一種便攜式的恒7位儀,并結(jié)合基于分子印記技術(shù)制備的膽紅素傳感器,用于監(jiān)測器官病變情況[17]伏安型電子舌,這種系統(tǒng)在食品品質(zhì)控制方面也展點,并已在白酒、龍井茶、紅酒區(qū)分辨識方面取良好效果2123]896的組成部分,其性能的好壞直接影響著測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。隨著MEMS技術(shù)、計算機技術(shù)和信息智能化技術(shù)的飛速發(fā)展,微型化和智能化的恒電位儀將是恒電位儀繼續(xù)發(fā)展的一個趨勢。另一方面,恒電位儀電勢恒定控制難點并未完全解決,還需要從電極材料、電極界面阻抗溶液電阻、電化學(xué)521滕炯華,王磊,袁朝輝.測控技術(shù),521滕炯華,王磊,袁朝輝.測控技術(shù),2004,23(11):4- 23TianShi-yi,DengShao-ping,DingChun-hui,etSensorsandMaterials,2007,19(5):287-收稿日期:2008-10-22TianShi-yi,Deng,Shao-ping,ChenZhong-xiu.sorsandActuatorsB,2003,123(2):1049-Currentstateofresearchonpotentiostatandapplicationsofelectrochemicaldetetionsystemsbasedonpo-tentiostat.ZhongHaijun,DengShaoping(LaboratoryofFoodSensuousScience,ZhejiangIndustryandCommerceUniversity,Hangzhou,310035)Thebasicstructureandworkingprincipleofpotentiostatareintroduced.Theerrorsinthecontrolofpotentiostatareanalyzed,andtheprogressofresearchonptentiostatisdiscussedintermsoflution-resistance.Theapplicationsofelect