檢測微量維生素B2的便攜式恒電位儀平臺設(shè)計

徐 瑩 羅玉林 郭 淼

(杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，杭州 310018)

檢測微量維生素B2的便攜式恒電位儀平臺設(shè)計

徐 瑩 羅玉林 郭 淼*

(杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，杭州 310018)

設(shè)計并實現(xiàn)一種基于AVR單片機的便攜式恒電位儀平臺，用于食品中微量維生素的電化學(xué)檢測。采用ATmega16為控制核心，選用AD7705和DAC8831作為轉(zhuǎn)換芯片，集成運放選用OPA211為核心器件，軟件優(yōu)化校準(zhǔn)邏輯設(shè)計，有效控制恒電位儀誤差，實現(xiàn)恒電位設(shè)定功能和極化電流參數(shù)的測量功能。測試結(jié)果表明，恒電位儀的電位誤差控制在mV級別，最大誤差約1%，測試電流下限達到1 μA以內(nèi)；與CHI660C商用平臺進行對照性電學(xué)實驗，驗證該便攜式恒電位儀的穩(wěn)定性及靈敏性；平臺應(yīng)用性實驗測得輸出峰電流與維生素B2濃度呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.994，初步實現(xiàn)對食品中維生素B2的快速檢測。

快速電化學(xué)檢測；便攜式恒電位儀；AVR單片機；維生素B2檢測

引言

維生素B2(VB2)是細胞中重要的生物氧化還原輔酶，是維持機體正常生活所必需的一類營養(yǎng)素[1]。對于嬰幼兒食品中維生素B2的添加，必須通過檢測嚴格控制，所以尋找一種簡單、高效、快速的檢測方法十分必要。維生素B2的分析主要有微生物分析法、熒光分析法、紫外分光光度法、高效液相色譜分析法及電化學(xué)分析法等[2]。微生物法耗時超過24 h；熒光法要根據(jù)不同的樣品進行不同的提取、皂化、純化等前處理；紫外分光光度法對水浴加熱的溫度有嚴格限定，且實驗步驟復(fù)雜，花費時間較長，以上方法均存在耗時長、測試不穩(wěn)定的缺點。電化學(xué)分析法根據(jù)物質(zhì)在溶液中的電化學(xué)性質(zhì)及其變化，通常采取在合適的電位下固定電位極化或在較寬范圍內(nèi)進行電位掃描、檢測的一類分析方法，具有操作簡單、分析速度快、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，可實現(xiàn)連續(xù)分析和現(xiàn)場分析，已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用[3]。

恒電位儀是電化學(xué)分析中三電極式傳感器的接口設(shè)備，主要將外部激勵信號精準(zhǔn)地加載到傳感器上，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)信號做出相應(yīng)的處理。目前，國內(nèi)外使用較多的磁飽和恒電位儀和可控硅恒電位儀，大都存在體積大、功耗高、可靠性差等缺點[4]。例如，國內(nèi)成邦防腐材料生產(chǎn)的工業(yè)級恒電位儀存在精度較低，操作復(fù)雜，體積大，無法滿足現(xiàn)場電化學(xué)檢測的需求；國外普林斯頓PAR273A恒電位儀控制范圍較小，體型龐大(31 kg)，不易搬移。此外，一些商用實驗平臺如CHI660C恒電位儀雖精度高，但是其體積較大，不易攜帶，不適合實際工程應(yīng)用[5]，而市場上小型的恒電位儀則存在精度低、定制性較差等缺點，如上海昕瑞DJS-292恒電位儀等。本研究針對現(xiàn)有恒電位產(chǎn)品的不足以及在體型、精度、檢測范圍等方面綜合要求，并結(jié)合食安領(lǐng)域電化學(xué)快速檢測的需求，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于AVR單片機的便攜式恒電位儀平臺，電位最大誤差約1%，測試電流下限為1 μA以內(nèi)，平臺測得峰電流與維生素B2濃度呈線性關(guān)系，能初步實現(xiàn)對于食品中維生素B2的快速檢測。

1 恒電位儀平臺硬件系統(tǒng)

1.1 平臺測量原理

圖1 恒電位儀平臺測量原理Fig.1 Operating principle of potentiostat platform

在本研究中，恒電位儀平臺測量原理如圖1所示，主要由運算放大器、三電極體系、樣品溶液等組成。三電極體系包含工作電極(WE)、參比電極(RE)和對電極(CE)。工作電極在外加電位下使待測溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而測定該電極上產(chǎn)生的電流，對電極和工作電極組成回路，而參比電極為工作電極和對電極提供基準(zhǔn)電壓。樣品溶液內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，促使電子穿過電極和溶液形成的界面，產(chǎn)生電流，該電流信號與被測物質(zhì)濃度具有一定關(guān)系，從而可算出被測物的濃度。在進行電化學(xué)檢測時，需要在WE和RE間加一恒定電位，以維持傳感器的電化學(xué)穩(wěn)定性[6]。

1.2 平臺結(jié)構(gòu)

本研究恒電位儀平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由電源模塊、微控制器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、運算放大器模塊等模塊組成[7]。它以ATmega16單片機為控制核心，通過I/O口控制繼電器組的閉合實現(xiàn)電極的工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，將SPI通信接口與D/A轉(zhuǎn)換模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接，實現(xiàn)恒電位儀電位的設(shè)定、實際電位和極化電流的采集，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號通過RS-232接口傳給上位機進行處理，按鍵設(shè)置模塊可設(shè)置選擇所需模式，液晶顯示模塊則顯示相應(yīng)的電壓和電流值。

圖2 平臺結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Platform structure diagram

1.3 硬件電路

本平臺的微控器制模塊采用ATmega16單片機，其處理能力可達到1 MIPS/MHz，能緩解功耗和處理速度之間的矛盾；支持SPI接口，允許和其他外設(shè)進行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸，比復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)的單片機的數(shù)據(jù)處理效率高出2～3倍。

電源性能對整個平臺有很大的影響，A/D及D/A轉(zhuǎn)換芯片需要基準(zhǔn)電壓源。本設(shè)計的恒電位儀電位測量范圍為-5～5 V，采用AD780精密基準(zhǔn)源芯片，其具有低輸出噪聲和任意電容驅(qū)動能力，可以增強高分辨率ADC和DAC的性能[8]。

A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)對WE-RE電位和經(jīng)I-V轉(zhuǎn)換后的極化電流采樣，其結(jié)果將直接影響恒電位儀的性能。本設(shè)計采用AD7705作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，用于低頻測量的2通道模擬前端，采用Σ-Δ技術(shù)，獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，優(yōu)良的硬件功能使軟件實現(xiàn)變得簡單，縮短了指令的執(zhí)行時間，提高了程序運行效率。D/A轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)恒電位儀設(shè)定電位的低速掃描，為提高測量精度和減少控制誤差，本設(shè)計采用DAC8831作為轉(zhuǎn)換芯片，將其通過SPI接口與單片機相連，實現(xiàn)電壓掃描過程的穩(wěn)定性、精確度和線性度[9]。

運算放大器模塊采用集成運放OPA211，利用其高輸入阻抗、高開環(huán)放大倍數(shù)、低失調(diào)電壓等特點，有效地控制了恒電位儀的誤差，能夠滿足平臺設(shè)計要求[10]。

2 恒電位儀平臺軟件系統(tǒng)

采用高內(nèi)聚低耦合的思想對軟件設(shè)計進行了模塊劃分，以AVR單片機為控制核心，降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計、調(diào)試和維護等操作簡單化[11]。軟件分為繼電器控制、D/A電位設(shè)定、A/D數(shù)據(jù)采集、串口通信等模塊，并由主程序協(xié)調(diào)工作。主程序流程圖如圖3(a)所示，其中D/A電位設(shè)定及A/D數(shù)據(jù)采集模塊的流程圖如圖3(b)所示。在數(shù)據(jù)采集模塊，可根據(jù)實驗操作中測試精度所需進行采樣過程的動態(tài)調(diào)整，減少冗余，與同類恒電位儀設(shè)計相比，具有靈活性。

圖3 軟件流程。(a)主程序流程；(b)D/A及A/D模塊控制流程Fig.3 Software flow chart. (a) The main program flowchart; (b) D/A and A/D modules control flowchart

本設(shè)計根據(jù)微量維生素測試的具體需求，進行了優(yōu)化校準(zhǔn)邏輯設(shè)計，用于提升電化學(xué)工作站的控制性能。通過閉環(huán)控制，減小恒電位儀輸出信號與設(shè)定值的誤差，即減少擾動信號的幅度及偏置的誤差，提升處理速度。對溶出信號偏差的校準(zhǔn)采用并行結(jié)構(gòu)的數(shù)字增量型PID算法，其處理速度相對于其他結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢，有實時性高、控制效果好以及簡潔和魯棒性好等優(yōu)點，流程如圖4所示。

圖4 數(shù)字增量式PID控制算法流程Fig.4 Flowchart of digital incremental PID control algorithm

3 恒電位儀測試方法

3.1 平臺電學(xué)性能參數(shù)測試

電解池中三電極關(guān)系可等效為圖5(a)。其中，RS1、RS2是參比電極與對電極、工作電極之間溶液的電阻；RC、RW分別是參比電極與對電極、工作電極之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移時的感應(yīng)電阻，其值隨電化學(xué)反應(yīng)而變化；CC、CW分別是對電極和工作電極與電解質(zhì)在接觸面上所產(chǎn)生的雙電層電容，由吸附在電極表面的離子形成[12]。

當(dāng)電解反應(yīng)穩(wěn)定時，電容充電完成后相當(dāng)于斷路，此時可忽略其影響，簡化為圖5(b)所示，即模型Ⅰ。若考慮溶液中工作電極上雙電層電容對實驗的影響，可認為RS等效為工作電極與對電極之間溶液的電阻，RFW、CFW是工作電極與電解質(zhì)在接觸面上產(chǎn)生的等效雙電層阻抗，則三電極等效模型如圖5(c)所示，即模型Ⅱ。

圖5 三電極電路的基本及簡化等效模型。(a)三電極電路等效模型；(b)電路簡化等效模型Ⅰ；(c) 電路簡化等效模型ⅡFig.5 Basis of three-electrode circuit and equivalent model.(a) Equivalent circuit model of three-electrode system; (b) Simplified equivalent circuit modelⅠ; (c) Simplified equivalent circuit model Ⅱ

為測試恒電位儀平臺的電學(xué)性能，首先采用圖5(b)等效模型Ⅰ進行參數(shù)測量。將恒電位儀設(shè)定不同的輸入電壓值，固定溶液阻抗RS為1 kΩ，不斷改變RFW值，測量RE/WE之間的電壓值并記錄結(jié)果。為驗證不同等效電路對恒電位儀性能測試的影響，采用圖5(c)等效模型Ⅱ進一步對其性能測試，設(shè)定不同的電壓值，固定RS為1 kΩ，CFW為50 μF，改變RFW值，測量RE/WE之間電壓值，測試結(jié)束后統(tǒng)計測試結(jié)果。

進一步地，為了分析等效模型的簡化對輸出誤差的影響，將等效模型Ⅰ和Ⅱ中的電阻RFW皆設(shè)定為1 kΩ，同時改變不同的輸入電壓(小于1 V)設(shè)定值，測量RE/RW間的電壓值，記錄結(jié)果，并進行對比分析。

為了進一步驗證恒電位儀平臺的穩(wěn)定性及靈敏度，采用更加符合實際電解池的等效電路(等效模型Ⅱ)對本研究平臺和商用平臺CHI660C進行對比實驗。不斷改變?nèi)芤褐械淖杩棺兓闆r，即改變等效電路中的RC值，測試本平臺和商用平臺CHI660C隨著阻抗不斷變化時其穩(wěn)定性及靈敏度是否滿足要求，以及兩者之間的對比差異。先固定電路簡化等效模型Ⅱ中RFW為1 kΩ，改變CFW值分別為50、100、150 μF，設(shè)定不同電壓值，測量兩者的輸出電流值；同理，再固定CFW為100 μF時，改變RFW值分別為0.5、1、5 kΩ，設(shè)定不同電壓值，測量兩者的輸出電流值，記錄結(jié)果并進行比較分析。

3.3 平臺應(yīng)用實驗

本研究微量維生素B2檢測平臺如圖6所示，主要由單片機控制模塊和檢測電路模塊兩部分組成。檢測電路模塊包括恒電位儀電路電化學(xué)反應(yīng)單元和微電流檢測單元；單片機控制模塊包括按鍵控制和液晶顯示等。實驗分析中，靜置時間為2 s，以0.1 V/s掃描速率，在0～-0.8 V之間進行循環(huán)伏安法掃描，實驗重復(fù)10次，單次掃描需16 s，整個檢測過程共162 s。

圖6 便攜式恒電位儀檢測微量維生素B2的實驗平臺Fig.6 The testing platform of portable potentiostat for the detection of vitamin B2

應(yīng)用實驗需首先驗證基本電化學(xué)實驗特性[13]，即采用循環(huán)伏安法，對不同濃度的鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀溶液([Fe(CN)6]3-/4-)，進行本方法與CHI660C工作站的對比測量實驗：

1)配置好100 mM/L的[Fe(CN)6]3-/4-溶液，分別用PBS溶液加倍稀釋濃度為50.00、25.00、12.50、6.75 mM/L的緩沖液；

2)進行循環(huán)伏安法測試，初始電位-0.2 V，靜息時間2 s，電極掃速分別為10、25、50、100 mV/s；

3)記錄比較氧化還原的兩個峰值電流ip1與ip2。

在進行食品中微量維生素B2含量的檢測實驗中，采用電化學(xué)工作站CHI660C以pH為4.0的0.1 mol/L的鄰苯二甲酸氫鉀緩沖液作為電解液(維生素B2濃度為2×10-5mol/L)，掃描速率為0.1 V/s，于裸電極和修飾電極上采用循環(huán)伏安法進行測試。接著，采用便攜式恒電位儀平臺對裸電極和修飾電極在相同條件下進行測量，在0～-0.5 V電壓范圍內(nèi)等間隔(0.05 V)改變電壓，進行其輸出電流采樣點測量分析。重復(fù)上述實驗過程，于裸電極和修飾電極上設(shè)定每個輸出值10次的重復(fù)氧化還原測試。由于測試過程中存在電化學(xué)系統(tǒng)、電極位置等差異，以及屏蔽設(shè)施完善性等因素，導(dǎo)致有些測試值的界面電阻值等尚未基本一致，產(chǎn)生接觸噪聲等干擾，從而使個別輸出明顯偏離其他測量值，對實驗結(jié)果有一定的影響。因此，采用羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則剔除粗大誤差后，對該可疑測試點進行再次重復(fù)測量，以補充數(shù)據(jù)點使結(jié)果符合要求，并取其平均值作C-V曲線進行對比分析。

最后，平臺測量得到氧化還原反應(yīng)峰電流的確切值，可根據(jù)峰電流與維生素B2濃度在一定范圍內(nèi)的線性關(guān)系來定量判定樣品中其含量。標(biāo)定維生素B2的濃度(2.0×10-4、1.0×10-4、5.0×10-5、2.0×10-5、1.0×10-5、5.0×10-6、2.0×10-6mol/L)進行循環(huán)伏安掃描測試，記錄數(shù)據(jù)并把各組不同維生素B2濃度與還原峰電流值做統(tǒng)計曲線，求解出平臺測得還原峰電流值與樣品中維生素B2濃度的統(tǒng)計關(guān)系，通過測量樣品中氧化還原反應(yīng)的峰電流值，即可得到食品中微量維生素的含量情況。

目前大型泵站變頻發(fā)電方式主要是根據(jù)泵站機組發(fā)電的總?cè)萘吭黾?套變頻發(fā)電機組及相應(yīng)輔助設(shè)備。抽水運行時水泵機組正常運行，不需要使用變頻機組；發(fā)電運行時水泵機組以低于抽水時的轉(zhuǎn)速運行，發(fā)出的低頻、低電壓電能驅(qū)動變頻機組電動機運行，電動機驅(qū)動發(fā)電機向電網(wǎng)發(fā)出與電網(wǎng)頻率、電壓相同的電能。

4 結(jié)果

4.1 平臺電學(xué)性能參數(shù)測試結(jié)果

恒電位儀平臺在電學(xué)性能參數(shù)測試時，分別采用圖5(b)等效模型Ⅰ和圖5(c)等效模型Ⅱ進行參數(shù)測量，測試結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明，不同的等效模型，改變電阻RFW值時，RE/WE間的電壓基本保持穩(wěn)定，不同的RFW值都能精確地跟隨給定電位的變化而變化，其誤差值隨設(shè)定電壓的增大而略增。這反映了電位不變時，阻抗的變化(反映了溶液中離子濃度的改變)引起的電流/電壓的跟隨能力。但是采用模型Ⅰ時，誤差相對穩(wěn)定，最大誤差為0.6%，而采用模型Ⅱ時，其誤差值相對較大，最大誤差約1%，且誤差值成振蕩趨勢。

當(dāng)進一步分析等效模型的簡化對輸出的誤差造成影響時，等效模型Ⅰ與模型Ⅱ在相同條件下測得結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，對于工作范圍內(nèi)的電位輸入值(±1 V)，采用等效模型Ⅰ和Ⅱ的輸出電位都能精確跟隨輸入電位，誤差值隨輸入電壓的升高而略有增加。顯然，等效模型Ⅱ比模型Ⅰ的數(shù)據(jù)相對不穩(wěn)定且偏差略大，因為三電極接口與容性元件相連時，會使電路變得不穩(wěn)定，具有容性的電解池會給本來就產(chǎn)生相移的反饋信號帶來額外的相移，使得電路輸出有跳變或振蕩。這種振蕩雖是一種交流現(xiàn)象，但它對交流和直流測量皆有影響，不僅會對交流測量帶來額外的噪聲，也會對直流測量帶來明顯的偏移[14]。表2結(jié)果顯示，因為考慮了雙電層電容因素，等效模型Ⅱ更加符合實際，測試數(shù)據(jù)更能反映實際恒電位儀的特性。

表1 采用不同等效模型時的恒電位儀測試數(shù)據(jù)

Tab.1 Test data of the potentiostat when adopted to different equivalent models

等效模型類別電阻RFW/kΩ設(shè)定電壓/V0.3130.5001.0002.000模型Ⅰ10.3150.5031.0032.004100.3160.5031.0032.004500.3150.5021.0022.0031000.3140.5021.0022.003模型Ⅱ2000.3140.5011.0022.00210.3160.5041.0052.006100.3160.5031.0052.005500.3150.5031.0042.0031000.3150.5021.0022.0042000.3120.5011.0022.002

表2 三電極電路等效模型Ⅰ與模型Ⅱ測量數(shù)據(jù)對比

Tab.2 Data comparison between three-electrode circuit equivalent model Ⅰand equivalent model Ⅱ

測試次數(shù)設(shè)定電位/mV模型Ⅰ電壓/mV模型Ⅱ電壓/mV模型Ⅰ誤差/mV模型Ⅱ誤差/mV111.01.000255.05.00031010.110.20.10.242020.220.20.20.253030.330.50.30.564040.540.70.50.775050.550.50.50.58100100.6100.80.60.8

4.2 平臺穩(wěn)定性及靈敏度測試結(jié)果

在驗證恒電位儀平臺穩(wěn)定性及靈敏度時，采用等效模型Ⅱ?qū)Ρ酒脚_和商用平臺CHI660C對比，實驗結(jié)果如表3所示。其中，斜杠左右兩側(cè)分別為本恒電位儀和商用平臺CHI660C的電流值。

表3數(shù)據(jù)表明，兩種平臺的測試結(jié)果基本相近，均接近理論值，誤差小于0.1 mA，相對誤差在1%以內(nèi)，檢測精度達到微安級別，靈敏度符合測試要求。當(dāng)阻值固定時，電容的改變對電流值略有影響，但影響很小，兩者的電流值都穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，達到穩(wěn)定性要求；當(dāng)電容固定時，兩者的實測電流值隨著電阻的增加而線性減少，隨著設(shè)定電壓的增大而線性增加，符合理論情況。對比檢驗進一步說明，本研究恒電位儀平臺的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性基本滿足應(yīng)用要求。

表3 采用本恒電位儀/CHI660C測得的等效模型Ⅱ在不同電位和阻抗值時的電流值

Tab.3 Current value of equivalent model Ⅱmeasured by the potentiostat /CHI660C under different electric potential and impedance

電阻RFW電容CFW設(shè)定電壓/V0.10.51.02.0RFW=1kΩCFW=50μF0.105/0.0990.497/0.4990.992/0.9862.030/1.985CFW=100μF0.103/0.1050.503/0.5011.010/0.9902.020/1.990CFW=150μF0.110/0.1010.498/0.4990.997/0.9882.035/1.998CFW=100μFRFW=0.5kΩ0.207/0.2021.010/1.0021.990/1.9954.025/4.002RFW=1kΩ0.103/0.1050.503/0.5011.010/0.9952.022/1.990RFW=5kΩ0.020/0.0200.102/0.0990.206/0.1990.405/0.399

4.3 平臺應(yīng)用實驗結(jié)果

測試本方法的基本電化學(xué)實驗特性時，恒電位儀平臺與CHI660C工作站的對比測量實驗結(jié)果如表4所示。其中，斜杠左側(cè)為CHI660C測得的數(shù)據(jù)，右側(cè)為相同條件下本平臺測得的數(shù)據(jù)。

表4 采用CHI660C/本恒電位儀平臺測得[Fe(CN)6]3-/4-緩沖液在不同濃度及掃速下的輸出電流值

Tab.4 The output current value of [Fe (CN)6]3-/4-solution in the CHI660C/the potentiostat platform under different concentrations and sweep speed

掃速/(mV/s)峰值電流ip1/μA、ip2/μA[Fe(CN)6]3-/4-濃度/(mM/L)50.00mM/L25.00mM/L12.50mM/L6.25mM/L10ip1193.2/19694.8/9747.0/4627.0/24ip2-212.3/-213-102.2/-101-50.9/-52-24.8/2525ip1299.0/311139.8/14168.5/6932.4/35ip2-315.2/-323-149.9/-152-74.9/-73-36.4/-3450ip1399.0/386184.9/18089.6/9142.3/44ip2-418.6/-407-198.2/-191-98.3/-97-47.4/-49100ip1517.6/511238.2/243113.5/12253.4/52ip2-548.3/552-256.8/-267-126.3/-125-60.6/-58

表4表明，兩平臺測量結(jié)果接近，相同濃度的緩沖液其電流值隨掃速的增加而增加，相同掃速下其電流值隨緩沖液濃度的減少而減少，且輸出電流和掃描速度及緩沖液濃度皆成基本線性關(guān)系，符合理論結(jié)果。本便攜式恒電位儀平臺基本能精確到10-6A，而CHI660C作為成品化商用平臺，精確度更高，但便攜檢測平臺的測量穩(wěn)定性和靈敏度基本接近，誤差相對較小，符合初步的應(yīng)用要求。

在食品中微量維生素B2含量的檢測時，采用電化學(xué)工作站CHI660C進行循環(huán)伏安法測試，所用電極為裸電極與修飾電極，制作方法如文獻[15]所述。測得結(jié)果如圖7所示，其中4條曲線從上到下分別為修飾電極還原反應(yīng)、裸電極還原反應(yīng)、裸電極氧化反應(yīng)以及修飾電極氧化反應(yīng)得到的結(jié)果。

圖7 工作站測得的裸電極(虛線)和修飾電極(實線)下，2×10-5 mol/L維生素B2的循環(huán)伏安圖Fig.7 Cyclic voltammetry diagram of 2×10-5 mol/L vitamin B2 measured by the workstation under bare electrode (dotted line) and modified electrode (solid line)

從圖7中可看出，裸電極測得的結(jié)果幾乎沒有峰值變化，且平穩(wěn)無響應(yīng)。而在修飾電極上，出現(xiàn)一對尖銳的氧化還原峰，峰電位為Ep1=-0.30 V，Ep2=-0.24 V，峰值電流ip1=6.8 μA，ip2=-7.1 μA，從而可求解出此時溶液中維生素含量情況。

重復(fù)上述實驗過程，采用便攜式恒電位儀平臺對裸電極和修飾電極在相同條件下進行測量。其中，修飾電極上進行還原反應(yīng)的部分數(shù)據(jù)如表5所示，并作C-V曲線如圖8所示。

表5表明，相同條件下，在修飾電極上進行10次重復(fù)測試其還原反應(yīng)的電流值雖存在微小波動，但每次結(jié)果幾乎相近，其標(biāo)準(zhǔn)偏差均在3%以內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求；在測量過程中，可明顯檢測到電流值在掃描開始時間內(nèi)不斷上升，在-0.3 V附近出現(xiàn)較大的峰值現(xiàn)象，在后一段電壓測量內(nèi)電流值平穩(wěn)上升并趨于穩(wěn)定值。這表明，本平臺能明確檢測到微量維生素B2的峰值，且隨濃度增加而增大，可用于不同濃度維生素B2的定性判定。

圖8 本平臺測得的裸電極和修飾電極下，2×10-5 mol/L維生素B2的循環(huán)伏安圖Fig.8 Cyclic voltammetry diagram of 2×10-5 mol/L vitamin B2 measured by the pltform under bare electrode and modified electrode

表5 修飾電極上多次重復(fù)測量還原反應(yīng)的部分電流值

Tab.5 Portion of the current value of the modified electrode repeatedly measuring the reduction reaction

電壓值/V修飾電極還原反應(yīng)電流值/μA實驗1實驗2 實驗3… 實驗10平均值/μA標(biāo)準(zhǔn)偏差0-1.37-1.42-1.40-1.39-1.400.027-0.051.962.002.031.982.010.029-0.12.512.532.492.512.510.018-0.152.652.632.622.642.620.014-0.22.922.962.952.932.940.017-0.254.484.554.524.494.520.030-0.36.596.626.606.636.610.017-0.354.794.824.844.794.810.024-0.43.803.813.823.793.800.015-0.454.004.024.033.994.010.016-0.54.684.724.714.684.710.019

對比圖7、8，雖然本方法的曲線特性差于商業(yè)平臺，但其在裸電極上無峰值變化，在修飾電極上也出現(xiàn)較大的峰電流值。輸出電流值與CHI660C增幅規(guī)律非常相似，曲線趨勢較吻合。

根據(jù)輸出峰電流值，把各組不同維生素B2濃度與還原峰電流值做統(tǒng)計曲線圖，如圖9所示。測試結(jié)果可得，在2.0×10-6～5.0×10-5mol/L范圍內(nèi)，峰電流與維生素B2濃度呈良好的線性關(guān)系，兩者的回歸方程為y=0.012x+0.318(x：VB2濃度/10-6mol/L，y：峰電流值/10-5A)，相關(guān)系數(shù)為R2=0.994，檢出限按3倍信噪比估算為1.4×10-6mol/L。結(jié)果表明，在低濃度下還原峰電流與維生素B2濃度呈良好的線性關(guān)系，且自制平臺上的維生素B2濃度與還原峰電流的線性關(guān)系，基本與電化學(xué)工作站所測得數(shù)據(jù)有相同的變化趨勢，較為快速地得到測試結(jié)果，滿足了測試的基本要求。

圖9 修飾電極上維生素B2濃度與還原峰電流的關(guān)系Fig.9 Relationship between the concentration of vitamin B2 and reduction peak current on the modified electrode

5 討論和結(jié)論

本研究設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于AVR單片機的便攜式恒電位儀平臺，用于食品中微量維生素的電化學(xué)檢測。目前市場上的恒電位儀，無論是商用實驗的還是工程應(yīng)用的，均存在體積質(zhì)量、檢測范圍、檢測精度不可兼得的問題。本研究設(shè)計的便攜式恒電位儀平臺與現(xiàn)有成熟的商用平臺CHI660C以及工程應(yīng)用中工業(yè)級的恒電位儀進行比較，雖然在電壓的控制精度上尚未達到CHI660C級別，但相比一般的工業(yè)級恒電位儀電位控制和電流檢測精度已有一定程度提高，性能及應(yīng)用上也有一定的優(yōu)化，具體表現(xiàn)如下：

1) 本平臺克服改進了現(xiàn)有實際工程應(yīng)用的恒電位儀在檢測范圍、檢測精度、儀器體型和定制性等不可兼得的問題，做了設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化權(quán)衡，在體型上面，采用便攜設(shè)計，使體型變小，平臺兼顧了實用性和便攜性；電位檢測范圍達到-5～+5 V，電位誤差控制在mV級別，檢測電流的下限達到1 μA，保證了其性能在普遍的電化學(xué)檢測場合能滿足要求，符合本研究食品中微量VB2快速檢測的需求。

2)本VB2檢測采用電化學(xué)分析法，并優(yōu)化恒電位儀三電極電化學(xué)檢測技術(shù)，比其他檢測方法縮短了樣品檢測時間，多次重復(fù)采樣，使得檢測精度、檢測全面性有了提高，降低檢測成本，可便捷地進行食品或微生物溶液中微量維生素B2的檢測，能夠充分滿足現(xiàn)場三電極采集系統(tǒng)檢測需求。

3)本平臺硬件采用模塊化的設(shè)計思想，各模塊均選用低噪聲、高精度的高性能芯片，軟件采用高內(nèi)聚低耦合的思想，進行了卡爾曼濾波設(shè)計和增量型PID算法的優(yōu)化校準(zhǔn)邏輯設(shè)計，降低了系統(tǒng)噪聲，提高了檢測精度。同時，本平臺具有多接口可拓展性，后期可結(jié)合其他平臺聯(lián)合應(yīng)用，自設(shè)計聯(lián)立性好，例如與阻抗測試系統(tǒng)進行聯(lián)合，對生物膜在不同維生素濃度下阻抗貼附情況的實時檢測。

本平臺由于初步設(shè)計存在一些問題，主要包括檢測精度的提高、傳輸方式的增加以及后期聯(lián)立應(yīng)用的優(yōu)化：

1)目前平臺對于屏蔽及噪聲控制尚不完善，所以雖然在體型上以及便攜性上優(yōu)于CHI660C，且兩者的測量穩(wěn)定性和靈敏度基本接近，但是作為成品化商用平臺CHI660C的精確度更高，因此本平臺在控制精度上可通過芯片性能進一步提高。

2)當(dāng)前檢測平臺通過RS-232接口將采集信號和數(shù)據(jù)傳送給上位機，不能進行遠距離地監(jiān)測和控制，在傳輸方式上下一步工作可以增加無線通信傳輸?shù)饶Ｊ健?/p>

因此，在未來的設(shè)計中，考慮便攜優(yōu)化、檢測范圍擴大的同時，不斷改進平臺的硬件和軟件優(yōu)化設(shè)計，使其檢測精度和性能達到市場高精度應(yīng)用水平。本平臺的突出優(yōu)點體現(xiàn)在自設(shè)計聯(lián)立性，進一步應(yīng)用方向是與課題組的電化學(xué)阻抗測試系統(tǒng)聯(lián)合，將微生物代謝液成分的電化學(xué)檢測與生物組織單元的生長進行聯(lián)立性研究[16]。例如，可以和電生理阻抗測試系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，用于檢測黏附性生物膜(如某些細菌、細胞等)在不同維生素濃度作用下的生長狀態(tài)指標(biāo)以及長期的生長變化情況。

綜上所述，本研究針對食品中微量VB2快速檢測的需求以及現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，設(shè)計了一種便攜式恒電位儀應(yīng)用平臺。平臺以ATmega16為控制核心，采用便攜設(shè)計，功能突出，自設(shè)計聯(lián)立性強，方便現(xiàn)場電化學(xué)檢測，具有10-6A測量精度和較好的測量穩(wěn)定性。相對于微生物法、分光光度法等其他維生素B2的檢測技術(shù)和方法，縮短了樣品檢測時間。在后續(xù)設(shè)計中，可以增加本平臺的聯(lián)用性，與其他多種檢測平臺進行聯(lián)立應(yīng)用，增加無線通信等模塊功能，達到食安領(lǐng)域各種快速電化學(xué)檢測的應(yīng)用要求。

[1] Bai Jin, Ndamanisha JC, Liu Lin, et al. Voltammetric detection of riboflavin based on ordered mesoporous carbon modified electrode [J]. Journal of Solid State Electrochemistry, 2010, 14 (12):2251-2256.

[2] Wongkaew N, Kirschbaum SEK, Surareungchai W, et al. A Novel Three-Electrode System Fabricated on Polymethyl Methacrylate for On-Chip Electrochemical Detection [J]. Electroanalysis, 2012, 24 (10):1903-1908.

[3] Duwe M, Chen T. Low power integrated potentiostat design for μ electrodes with improved accuracy [C]//IEEE 54th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). Seoul: IEEE, 2011:1-4.

[4] 鐘海軍,鄧少平. 恒電位儀研究現(xiàn)狀及基于恒電位儀的電化學(xué)檢測系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 分析儀器, 2009(02): 1-5.

[5] 潘銀松,張成偉,張仁富,等. 基于微生物傳感器的恒電位儀電流積分電路的設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2009,22(3):307-310.

[6] 姚毓升,解永平,文濤. 三電極電化學(xué)傳感器的恒電位儀設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2009( 9):23-25.

[7] Ayers S, Gillis KD, Lindau M, et al. Design of a CMOS Potentiostat Circuit for Electrochemical Detector Arrays [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2007, 54 (4):736-744.

[8] Huang Chunyueh. Design and implementation of a voltammetry potentiostat with wide dynamic current range measurement for electrochemical biosensors [J]. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2014,81 (1):205-214.

[9] Jin Yang, Wang Hong, Lv Zhengliang, et al. Reliable Remote-Monitoring Electrochemical Potentiostat for Glucose Measurements [J]. Tsinghua Science & Technology, 2009, 14 (5):593-600.

[10] Kim JH, Lee JY, Jin JH, et al. A fully microfabricated carbon nanotube three-electrode system on glass substrate for miniaturized electroche micalbiosensors [J]. Biomedical Microdevices, 2012, 14 (3):613-624.

[11] Cardoso JL, Menezes LED, Emeri JLD, et al. Construction and Evaluation of an Opto-Coupled Potentiostat with a PC/PDA Interface [J]. Instrumentation Science & Technology, 2008, 36 (6):623-635.

[12] 王兆雨,吳效明,劉仲明. 基于C8051F020的三電極電化學(xué)檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2013,30(1):3909-3912.

[13] Levine PM, Gong P, Levicky R, et al. Active CMOS Sensor Array for Electrochemical Biomolecular Detection [J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, 43(8):1859-1871.

[14] Ramfos I, Vassiliadis N, Blionas S, et al. A compact hybrid-multiplexed potentiostat for real-time electrochemical biosensing applications [J]. Biosensors & bioelectronics, 2013, 47(18):482-489.

[15] 王澤華,曾冬冬,張歡,等. 電沉積納米金修飾的16通道電流型PSA免疫傳感器的制備[J]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報, 2015, 34(1):55-61.

[16] 胡金夫,徐銘恩,徐瑩,等. 基于細胞三維受控組裝技術(shù)的細胞芯片構(gòu)建[J]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2012,31(3):374-381.

Design of the Portable Potentiostat for the Detection of Trace Level of Vitamin B2

Xu Ying Luo Yulin Guo Miao*

(BiomedicalEngineeringInstitute,CollegeofLifeInformationScience&InstrumentEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China)

This paper introduced a portable potentiostat platform based on AVR microcontroller, which was used for electrochemical detection of trace vitamin B2. The platform adopted the high-precise conversion chip AD7705 and DAC8831 and used a microcontroller ATmega16 as a controlling core. The integrated operational amplifier was designed by OPA211 as the core device. The software design adopted optimized calibration logic. Therefore, the potentiostat output was effectively controlled, and the functions of setting the potentiostatic and measuring the polarization current parameter were implemented. Testing results showed that the potentiostat potential error was controlled within the millivolt, the maximum error was about 1%, and the test current limit value was less than 1 μA. The stability and sensitivity of the portable potentiostat platform was also analyzed compared with the CHI660C electrochemical instrument. The linearity between the peak current and the concentration of vitamin B2was measured by the platform experiment, and the correlation coefficient was 0.994. The rapid detection of vitamin B2in food was preliminarily verified.

rapid electrochemical measurement; portable potentiostat; avr microcontroller; vitamin B2detection

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 02.009

2016-04-05， 錄用日期:2016-09-08

國家自然科學(xué)基金(30800248，31300939)；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項目(2016C33G2041024，2017C33055)

R318

A

0258-8021(2017) 02-0187-09

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: xuyingxy@hdu.edu.cn