智能移動設(shè)備在電化學(xué)檢測分析中的應(yīng)用

包宇，王偉，關(guān)怡然，王昭，牛利

(中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所現(xiàn)代分析技術(shù)工程實驗室，吉林長春 130022)

智能移動設(shè)備在電化學(xué)檢測分析中的應(yīng)用

包宇，王偉，關(guān)怡然，王昭，牛利*

(中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所現(xiàn)代分析技術(shù)工程實驗室，吉林長春 130022)

智能移動設(shè)備近年來發(fā)展迅速，市場占有率急劇增長。面向不同研究領(lǐng)域，與多種傳感技術(shù)相結(jié)合的移動檢測系統(tǒng)常見諸報道。該文綜述了智能移動設(shè)備硬件和軟件的迅速發(fā)展，以及為了滿足日益增長的移動分析檢測需求所開發(fā)的基于智能移動設(shè)備的分析檢測方法，特別是智能移動設(shè)備在電化學(xué)檢測分析中的應(yīng)用。

智能移動設(shè)備；智能手機；電化學(xué)檢測

0 引言

分析檢測是人們認(rèn)識世界的重要手段，能否及時、快速地獲取被測對象的信息，對經(jīng)濟和社會發(fā)展至關(guān)重要。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，用于移動檢測的方法和設(shè)備都取得了長足的進步。通過內(nèi)置的傳感器可直接檢測不同的物理量，如三軸加速度計、三軸磁強計、氣壓計和光傳感器等等，還可以通過無線界面（如藍(lán)牙、WiFi和近場通訊）與其它設(shè)備（無線傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)采集板卡等）進行通信?；谶@些先進的技術(shù)，使得智能移動設(shè)備正在成為移動檢測系統(tǒng)的一個重要組成部分。智能移動設(shè)備的市場也正在連續(xù)不斷地擴展，預(yù)計到2016年，智能移動設(shè)備總量將超過20億，占所有移動設(shè)備數(shù)量的76%［1］。

與此相關(guān)的傳感應(yīng)用也在不斷向著多樣化發(fā)展，從局域傳感應(yīng)用到全球傳感（借助互聯(lián)網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)［2］。目前，有很多研究者致力于將智能移動設(shè)備作為傳感裝置的探索，將其應(yīng)用于不同的分析檢測領(lǐng)域。已經(jīng)有一些商業(yè)化分析應(yīng)用產(chǎn)品研制成功，并投入市場。例如Runtastic公司的心率檢測應(yīng)用，通過智能手機上的攝像頭采集皮膚顏色變化來監(jiān)測人的心率［3］；華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)中心開發(fā)了一款iPhone應(yīng)用程序，可以運用呼吸的音頻算法來測量肺活量［4］；在iOS設(shè)備底部連接便攜式的酒精傳感器件，可以準(zhǔn)確地檢測呼出氣體中的酒精含量［5］；根據(jù)反射式光學(xué)技術(shù)檢測手指的血容量隨著心臟功能的變化，可以獲得用戶心率、血液氧含量和呼吸頻率等方面的信息［6］。手機等移動設(shè)備也可作為光學(xué)顯微鏡使用［7］。其它方面的應(yīng)用，例如紫外線強度測試儀［8］、皮膚含水量測試儀［9］、空氣監(jiān)測儀［10］、超聲波成像系統(tǒng)［11］、智能家用血壓計［12］等也有了廣泛的研究探索和應(yīng)用。另外，一些基于光學(xué)和電學(xué)的智能移動設(shè)備分析應(yīng)用基礎(chǔ)探索也正在廣泛地進行。

1 智能移動設(shè)備發(fā)展迅速

近年來，智能手機、平板電腦等智能移動設(shè)備發(fā)展迅速。截至到2013年底，全球智能手機擁有量已超過14億，正在使用中的平板電腦也已超過2．8億臺，分別達(dá)到了全球人口的22%和6%［13］。而在2009年，這一數(shù)字分別是2．6億和不足1千萬臺。早在2010年第四季度，全球智能手機和平板電腦的出貨量就已經(jīng)超越個人電腦。2013年第二季度，全球智能手機和平板電腦的保有量已超過個人電腦，成為人們使用最多的電子設(shè)備之一。在2013年，中國智能手機用戶數(shù)量也已達(dá)到3．54億，超越美國成為世界上智能手機用戶最多的國家［14］。

在這些智能設(shè)備中，作為運算核心的嵌入式應(yīng)用處理器主頻已經(jīng)超過了1GHz，核芯數(shù)量也由單核發(fā)展到雙核和四核，甚至八核。這些嵌入式應(yīng)用處理器通常具有自動調(diào)節(jié)執(zhí)行頻率的功能，以避免電量消耗過快。大存儲空間也已成為當(dāng)前智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，它們通常具有1GB或更多的程序運行空間，例如4GB以上的程序存儲空間。大部分設(shè)備還支持通過外置存儲卡的方式擴展存儲空間。這些設(shè)備都具有多色彩（26萬色以上）和大尺寸的（4英寸以上，分辨率超過QVGA）顯示屏幕，以及完整的音頻輸出功能。

當(dāng)前的智能移動設(shè)備，通常具有多種無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，例如第三代或第四代的數(shù)字通信技術(shù)（3G或4G）、無線局域網(wǎng)（W iFi）、藍(lán)牙（Bluetooth）、近場通訊（NFC）等。有線數(shù)據(jù)接口則包括USB、HDMI、音頻接口等。這些無線或有線的通信方式使得智能設(shè)備可以通過多種方式與外圍設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)中的其他主機進行數(shù)據(jù)交換。其中的USB接口和音頻接口不僅可以作為數(shù)據(jù)通信接口，更可以同時為外圍設(shè)備提供電力供應(yīng)［15］。

越來越多的傳感器被集成到現(xiàn)代智能設(shè)備中，從早期的GPS接收器、FM接收器、照相機等，到重力傳感器、陀螺儀、加速度傳感器、氣壓傳感高度計、溫度濕度傳感器、指紋傳感器、前置攝像頭、環(huán)境光傳感器、紅外接近傳感器、降噪麥克風(fēng)等。以三星公司出產(chǎn)的Galaxy S4智能手機為例，如圖1所示：在機身內(nèi)放置了1300萬像素的主相機、200萬像素的前置相機、環(huán)境光強度傳感器、距離傳感器、紅外線傳感器、加速度傳感器、電子羅盤、陀螺儀、氣壓傳感器、溫度濕度傳感器、主麥克風(fēng)、背景噪聲麥克風(fēng)等。上述各種傳感器都對第三方應(yīng)用開放。

圖1 三星Galaxy S4智能手機硬件構(gòu)成［16］Fig．1 Hardware description of SansungGalaxy S4

操作系統(tǒng)是現(xiàn)代智能設(shè)備的重要組成部分，它一方面實現(xiàn)硬件的管理和驅(qū)動，另一方面要為應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境以及文件管理、內(nèi)存管理、電源管理等服務(wù)，同時還要為應(yīng)用軟件開發(fā)者提供友好的開發(fā)環(huán)境。2013年智能設(shè)備操作系統(tǒng)的市場占有率情況如圖2所示，三大操作系統(tǒng)Android、iOS、Windows（包括Windows Phone、WindowsRT）占據(jù)了智能手機96%和平板電腦幾乎100%的市場份額。Android系統(tǒng)因其具有開源、免費的特點，市場份額最高。iOS緊隨其后，Windows由于在移動市場起步較晚，份額較小，但增長速度卻是三大系統(tǒng)中最快的。這三種操作系統(tǒng)都提供了完整的應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，使得開發(fā)者可以在其基礎(chǔ)之上快速地進行應(yīng)用開發(fā)。

強大的運算能力、大量的存儲空間、遠(yuǎn)近兼?zhèn)涞臄?shù)據(jù)通信功能、多種傳感器的集成，完整的軟件開發(fā)環(huán)境以及持久的電力供應(yīng)和便攜的特性，使得智能移動設(shè)備已經(jīng)超越個人電腦，成為新一代個人數(shù)據(jù)中心。近年來，越來越多的研究者將傳統(tǒng)的分析檢測技術(shù)與智能移動設(shè)備相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)出多種多樣的移動分析檢測方法。

圖2 智能移動設(shè)備操作系統(tǒng)市場占有率［17］，（A）智能手機（B）平板電腦Fig．2 Market share of different operating systems：Smartphone（A）and Tablet（B）

2 增長中的移動分析檢測需求

移動分析檢測在當(dāng)今社會愈來愈融入人們的生活，大到電磁信號遠(yuǎn)程監(jiān)控及地震預(yù)報［18］，小到水質(zhì)中K+［19］、NH4+［20］的檢測及抗體［21］、過敏原［22］、蛋白［23］及其它與健康有關(guān)的檢測［24～25］，移動分析檢測都發(fā)揮著重要的作用。隨著被測樣品的多樣化和對在線快速檢測—即檢測結(jié)果時效性的要求，與傳統(tǒng)意義上將樣品帶回實驗室，采用大型精密儀器進行分析檢測的方式不同，新的移動分析檢測技術(shù)是在被測樣品現(xiàn)場進行實時檢測。這種需求隨著人們對糧食、水質(zhì)、環(huán)境、保健和國土安全關(guān)注程度的增長而日漸擴大。如圖3所示：以智能移動設(shè)備作為核心的移動檢測系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸如運動、城市環(huán)境、教育、現(xiàn)場測量、科學(xué)實驗、安全、醫(yī)藥、食品等多種測量領(lǐng)域。

依照其實現(xiàn)方式的不同，可將基于智能移動設(shè)備的分析檢測方法分為三類：一是以智能移動設(shè)備內(nèi)置的傳感器為基礎(chǔ)，配合相關(guān)的應(yīng)用，直接對一些物理量或人體特征進行檢測，例如光強、氣壓、溫度、心率等［3，26～27］；二是以智能移動設(shè)備內(nèi)置的傳感器為基礎(chǔ)，配合相關(guān)的檢測附件，如光學(xué)鏡頭［5］、外部光源［21］、流通體系［23］等，再加上相關(guān)的應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)處理算法，對被測對象進行檢測，如便攜式的熒光顯微鏡［24］、紫外光強度檢測［8］、皮膚含水量檢測［9］等；第三種是采用獨立的外部便攜式檢測設(shè)備，兩者之間通過有線或者無線的通信方式傳遞數(shù)據(jù)，或?qū)⒅悄芤苿釉O(shè)備內(nèi)置的傳感器與外部傳感器相結(jié)合，實現(xiàn)更加復(fù)雜的檢測功能［20］。無論是采取哪種方式，新型的、高效的微型化傳感器件都是移動分析檢測設(shè)備的重要組成部分。近年來，研究者們在傳感器的微型化、移動化方面開展了大量的研究。

圖3 智能手機測量系統(tǒng)的不同應(yīng)用領(lǐng)域［28］Fig．3 App lication of smart phone sasmea surement systems

3 智能移動設(shè)備與多種傳感器的結(jié)合

通常情況下，一個移動檢測系統(tǒng)由4部分組成：（i）轉(zhuǎn)換器（將能量由一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式）；（ii）信號處理裝置（將轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換成一種適于處理的形式）；（iii）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（將電模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號）；（iv）數(shù)字接口（將測量值傳輸至應(yīng)用處理器）［29］。同時，還需要特定的應(yīng)用軟件，來實現(xiàn)對傳感器測試參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)采集過程的控制以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、過濾和存儲等功能。更進一步的是通過智能移動設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建出由傳感元件——智能移動設(shè)備——中央服務(wù)器所構(gòu)成的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。每一個智能移動設(shè)備都作為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，與中央服務(wù)器保持通信，實時地傳輸檢測數(shù)據(jù)并接受來自服務(wù)器的控制參數(shù)信息。

Daponte等［28］按照傳感的物理原理，將智能移動設(shè)備傳感器分為光學(xué)傳感器［23～24，30］（目前應(yīng)用最廣泛）、熱傳感器、聲學(xué)傳感器、磁傳感器和機械傳感器。除此之外，還有一類非常重要的電化學(xué)傳感器。

Chen等［31］報道了一種可以檢測室內(nèi)和室外環(huán)境中有毒排放物的可佩戴式傳感器。這種傳感器是利用音叉的共振頻率來實時監(jiān)測不同環(huán)境中的揮發(fā)性有機化合物（VOC）濃度，并且每三分鐘給出一組環(huán)境毒物的數(shù)據(jù)。檢測單元由三個單獨的部分組成，如圖4所示，分別是樣品采集和調(diào)節(jié)單元、傳感器陣列單元和檢測電路單元。樣品采集和調(diào)節(jié)單元是在取樣和凈化之間循環(huán)的，每個循環(huán)給出一個數(shù)據(jù)。傳感器陣列是由微加工的音叉組成的，這種設(shè)計可以使之能通過電路板上的管腳很容易進行撤換、變化或調(diào)節(jié)。音叉的表面修飾了一層基于分子印跡聚合物的高比表面?zhèn)鞲胁牧希摬牧蠈偀N（芳香族化合物、烷烴及衍生物和氯化的烷烴及衍生物）具有高的選擇性。檢測電路是基于一個優(yōu)化的高分辨頻率計數(shù)器（噪音低于0．2mHz的），將高比表面材料與低噪音計數(shù)器兩者結(jié)合可以大大提高傳感器的靈敏度，檢測限可達(dá)μL/m3量級。該傳感器對芳香族化合物、烷烴及衍生物和氯化烷烴及衍生物具有高特異性和靈敏度，檢測分辨率低至4μL/m3，檢測范圍在4μL/m3到1 000μL/L之間。在不同的環(huán)境條件下，用氣相色譜和質(zhì)譜比對該傳感器的性能，如圖5所示，其總體準(zhǔn)確度高于81%。

Gallegos等［32］用智能手機的相機作為光譜儀，報道了一種免標(biāo)記的光子晶體生物傳感器。他們設(shè)計并搭建了一個特制的支架，將智能手機的相機、光子晶體和其它一系列光學(xué)部件的光學(xué)界面對齊，可以用于準(zhǔn)確和重復(fù)地檢測光子晶體傳感器共振波長的移動。外部的寬帶光通過一個小孔入射，然后依次通過透鏡和偏振器，得到平行的偏振光，再入射到光子晶體生物傳感器上，得到窄波長的共振反射光，最后通過柱面透鏡來增加光強，用智能手機的相機進行數(shù)據(jù)采集檢測分析，如圖6所示。用一個定制的應(yīng)用軟件將相機所采集的圖像轉(zhuǎn)換成光子晶體在可見波長范圍的透射光譜。通過曲線擬合來進行分析，可得到0．009 nm的光子晶體振動波長準(zhǔn)確度。該檢測系統(tǒng)被成功地用于檢測固定化的蛋白質(zhì)單分子層，以及選擇性地檢測與功能化光子晶體成鍵的不同濃度的抗體。

圖4 佩戴式揮發(fā)性有機化學(xué)物傳感器。（A）傳感器的組成和圖片，圖中女士佩戴了一個離呼吸區(qū)域較近的傳感器，并將手機作為使用界面；（B）手機上的用戶界面，顯示了從監(jiān)控檢測電路獲得的數(shù)據(jù)；（C）傳感器在1 Hz分辨率時的響應(yīng)［31］Fig．4 Wearable VOCsensor．（A）Sensor components，and pictures．Itshowsa person wearing the detection unit near the breathing zone while holding thephone that actsasuser interface，as wellasa view of both VOCsensor components．（B）User interface on the phone，disp laying the data received from themonitor．（C）Robustness test：the plotshows thesensor response（at1－Hz data resolution）during x－，y－，and z－acceleration eventsd etected with an accele rometerat tached to the VOC sensor［31］

4 智能移動設(shè)備在電化學(xué)分析中的應(yīng)用

電化學(xué)分析方法具有檢測靈敏度高、選擇性好、設(shè)備簡單、操作方便和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，并且許多方法便于自動化，可用于連續(xù)、自動及遙控測量，在生產(chǎn)、科研和醫(yī)藥衛(wèi)生等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?；陔娀瘜W(xué)傳感器的移動檢測系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，可以將其應(yīng)用于氣體監(jiān)測［31］、小分子檢測分析［1］和離子檢測分析［20］等應(yīng)用領(lǐng)域。

電化學(xué)傳感器在工作時，通常需要持續(xù)的外部電源供應(yīng)。智能移動設(shè)備大多具有可多次使用的鋰聚合物電池，可以通過耳機通訊接口和Micro－USB數(shù)據(jù)接口（iOS設(shè)備為其獨有的復(fù)合接口）來為外部傳感器提供電源。

Kuo等［15］對通過智能設(shè)備耳機接口進行供電和數(shù)據(jù)通信的可行性進行了研究，他們利用耳機接口的一個聲道輸出固定頻率（22 kHz）的正弦波形，通過外部電路進行交流－直流轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓、濾波等，得到穩(wěn)定的直流電源供應(yīng)，其功率最大可達(dá)7．4mW，此時的供電效率為47%。雙向的數(shù)據(jù)通信則利用耳機接口的另一個聲道和麥克風(fēng)通道，實現(xiàn)了8．82 kbps的雙向通信速率。

圖5 VOC傳感器的校準(zhǔn)和確認(rèn)。使用選擇離子流管質(zhì)譜（SIFT－MS）和空氣質(zhì)量部門（AQDX）作為標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)和傳感器認(rèn)證。（A）使用二甲苯樣品，在實驗室內(nèi)將研制的VOC傳感器與SIFT－MS進行對比，兩者的測試結(jié)果有很好的相關(guān)性，斜率是1．05，僅3%的誤差；（B）在室外環(huán)境中，用AQDX對VOC傳感器進行認(rèn)證，從圖中能看到分別用VOC傳感器和AQDX測得的3個樣品中總烴含量，檢測結(jié)果基本一致；（C）在室內(nèi)環(huán)境中，用SIFT－MS來確認(rèn)VOC傳感器，圖中是分別用VOC傳感器和SIFT－MS測得的室內(nèi)不同區(qū)域的總烴含量，檢測結(jié)果也基本一致［31］Fig．5 Calibration and validation of the VOC sensor．The sensorwas calibrated and validated using the SIFT－MS and AQDX asstandards forcomparison．（A）Intra－laboratory sensor calibrationand validationwith SIFT－MS，using artificialsamplesofxylenes（n=3）．The VOCsensor showsgood correlationwith the SIFT－MS，with a slopeof1．05，error of3%at95%CI．（B）VOC sensor validationwith AQDX for outdoor environments．Comparative plotof total hydrocarbon readings from the ASUVOCsensorversus the results from ADQX．Thenumberof timeseach sample wasanalyzed isshown in theplot．These testssampled outdoor locationsand show results thatare in agreement．（C）VOC sensor validation with SIFT－MS for indoor environments．Comparativep lotof totalhydrocarbon readings from the ASUVOCsensorversus the results from SIFT－MSin samples taken from variousindoor testing locations

圖6 （A）智能手機支架的光學(xué)部件示意圖；（B）將光子晶體生物傳感芯片插入到檢測槽中的支架照片F(xiàn)ig．6（A）Schematic of theopticalcomponentswithin thesmartphone cradle．（B）Photoof the cradlewith a PCbiosensor slide inserted into the detection slot

Delaney等［1］報道了一種通過手機電位控制的低成本紙基微流控傳感器。該傳感器應(yīng)用了手機播放聲音的功能，在手機上安裝合適的軟件，使耳機插座上可以通過聲音來控制施加到紙基微流控傳感器上的電位，如圖7所示。采用FuncGen應(yīng)用程序來研究耳機插座激發(fā)電化學(xué)發(fā)光（ECL）反應(yīng)的可能性，通過數(shù)字示波器來檢測低頻正弦波的最大振幅和方波信號，發(fā)現(xiàn)最大的有效峰電壓接近1．77V，這個電位足以激發(fā)Ru（bpy）32+/共反應(yīng)物的電化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，也就是氧化具有電化學(xué)發(fā)光活性的分子。如圖8（A）所示，在上圖中，采用手機產(chǎn)生ECL反應(yīng)所需的電位，在下圖中，采用恒電位儀施加電位，并使用普通的光電倍增管來檢測ECL反應(yīng)的發(fā)光強度。從圖中能很明顯地看出，光電信號隨著激發(fā)電位漲落，并隨著擴散層中共反應(yīng)物的消耗逐漸降低。上下圖中ECL反應(yīng)的光電信號隨電位的變化非常相似，說明手機可以用于ECL檢測的電位控制。另外，手機攝像頭可以在視頻模式下檢測ECL反應(yīng)的發(fā)光強度。如圖8（B）所示，該傳感器能成功地用于檢測L－脯氨酸的濃度，檢測限能達(dá)到100 μmol/L，可用于高脯氨酸血癥的診斷分析。

López等［20］報道了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，用于漁場pH、NH4+和溫度的檢測。采用一種可以獲得池塘pH值和NH4+濃度的離子敏感場效應(yīng)晶體管作為傳感器，檢測芯片如圖9所示。利用電位檢測法，通過設(shè)備臨界電位的變化來檢測pH值的變化，并設(shè)計了信號放大電路來作為有關(guān)信號的輸出界面，來獲得傳感器件的電信號響應(yīng)。

圖7 基于電化學(xué)發(fā)光分析的系統(tǒng)示意圖。耳機插座可以為紙基微流控傳感器提供工作電位，電化學(xué)發(fā)光的強度由手機攝像頭在視頻模式進行檢測。電化學(xué)發(fā)光反應(yīng)過程的激發(fā)和檢測都可以由應(yīng)用軟件來控制，并能將結(jié)果通過e－mail進行傳輸。在手機頂端的黑色塑料套可以將傳感器固定在攝像頭的附近，并屏蔽周圍雜散光的影響［1］Fig．7 Arrangementused formobile phonebased ECL sensing．Theaudio jack supplies the potential to the paper microfluidic sensor，while the resultantem ission is detected by the camera in videomode．Both the excitation and detection processesare controlled by asoftwareapplicationwhich can also transmit the resultsviae－mail．Theblack plastic sleeve surrounding the top of the phoneholds the sensoradjacent to the cameraand blocksambient light

Lillehoj等［33］報道了一種基于智能手機的電化學(xué)檢測系統(tǒng)，可以用于生物分子的快速、定量檢測。該檢測系統(tǒng)包括用于信號處理和數(shù)據(jù)分析的嵌入電路和用于流體流動和生物傳感的一次性微流控芯片。如圖10（A）所示：外部嵌入式微處理器，一方面與運行Android系統(tǒng)的智能手機通過USB接口相連接，另一方面與便攜式的恒電位儀模塊通過UART接口相連接，實現(xiàn)電力的供應(yīng)和數(shù)據(jù)通信。通過在智能手機上運行相應(yīng)的向?qū)綉?yīng)用程序，可以實現(xiàn)電化學(xué)聚合、電脈沖混合信號以及安培檢測等不同功能。圖10（B）和（C）展示了研究者采用由微流控體系構(gòu)成的生物檢測器，整個芯片尺寸僅25mm×15mm，與手機的SIM卡相當(dāng)，芯片表面有一層聚二甲基硅氧烷親水層，以便于液體流動。如圖10（C）所示，微流控芯片的最后一部分是一個作為毛細(xì)管泵和廢液儲存庫的蛇形通道，這一部分可以用于3，3’，5，5’－四甲基聯(lián)苯胺/過氧化氫（TMB/H2O2）基底清洗和下一步電流檢測的酶反應(yīng)空間。研究者將系統(tǒng)用于人體血液中Pf HRP2抗體濃度的檢測，其檢測限可達(dá)16 ng/mL，如圖10（D）和圖10（E）所示。

圖8 （A）對比手機（上圖）和傳統(tǒng)恒電位儀（下圖）產(chǎn)生電位信號激發(fā)的ECL反應(yīng)發(fā)光強度；（B）使用紙基微流控ECL傳感器檢測2－丁基氨乙醇（DBAE）和L－脯氨酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線，智能手機既能通過耳機插頭用于電化學(xué)激發(fā)，又將內(nèi)置攝像頭作為發(fā)光信號檢測器［1］Fig．8（A）Comparison of ECL responsesproduced using voltageexcitation signalproduced by phone（uppergraph）and a conventionalpotentiostat（lowergraph）．（B）Calibration curves for（a）DBAEand（b）L－prolineusing paper microfluidic ECL sensors，where amobile phonewasused for both electrochemicalexcitation（via theaudio socket）and detection of the luminescentsignal（via thebuilt－in camera）

圖9 （A）通過硅微電子技術(shù)制得的芯片實驗室干涉圖像［20］；（B）由三個節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡(luò)通訊測試Fig．9（A）Interferometric imageof the Lab－on－Chip fabricated by siliconmicroelectronics technology;（B）Wireless communication performance for threenodesof the network

Li等［34］報道了一種智能化學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由一個具有小型化、低成本、低功耗、高速度等特點的納米傳感器陣列作為主要檢測元件，由運行相應(yīng)軟件的智能手機作為供電和控制設(shè)備，獲取具有威脅性的化學(xué)物質(zhì)的信息，并通過智能手機的通信網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程的中央服務(wù)器上。傳感器結(jié)構(gòu)如圖11（A）所示，在多通道的硅基叉指電極表面覆蓋一薄層的碳納米管材料，電極之間的電阻率會隨著待測氣體的吸附和脫附而變化；如圖11（B）和（C）所示。傳感器與檢測電路組裝在一起后，連接在智能手機上，即可通過應(yīng)用軟件控制進行分析和采集。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的29臺移動傳感裝置分布在美國東西部的不同地區(qū)。其中18臺分布在加利福尼亞州，2臺在田納西州，9臺在華盛頓特區(qū)。29臺設(shè)備同時工作，實現(xiàn)了較大范圍的聯(lián)動監(jiān)控，檢測數(shù)據(jù)連同地理位置信息一起發(fā)送到中央服務(wù)器，進而在地圖上實時地顯示監(jiān)測結(jié)果。

Liu等［35］報道了一種基于智能手機的便攜式細(xì)菌傳感器，該傳感器是帶有預(yù)富集功能的微流控阻抗傳感器。通過對檢測樣品中的細(xì)菌進行預(yù)富集，將檢測限降低到每毫升10個細(xì)菌細(xì)胞。細(xì)菌檢測系統(tǒng)由一個Android手機、一個藍(lán)牙接口、一個微控制器、一塊阻抗分析芯片和一個自制的傳感器組成，通過電化學(xué)阻抗測量來定量地檢測細(xì)菌的濃度。阻抗分析芯片和微控制器一起來完成電化學(xué)阻抗的檢測和分析，應(yīng)用Android應(yīng)用程序來控制傳感器和記錄檢測結(jié)果。圖12（A）是基于Randles模型的等效電路，細(xì)菌在相互交叉電極之間的分布情況會影響界面電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)，進而增加或降低電解質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移電導(dǎo)率。圖12（B）是自制傳感器的設(shè)計示意圖，通過兩個過濾層達(dá)到將樣品中細(xì)菌預(yù)富集的目的。圖12（C）是使用自制的電化學(xué)阻抗傳感器對不同濃度細(xì)菌進行測試的結(jié)果。

圖10 （A）組裝的電化學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)樣機照片，箭頭所指為微流控芯片；（B）微流控芯片與手機SIM卡的尺寸對比圖片；（C）微流控芯片放大圖，流體通路用染料填充以增加其結(jié)構(gòu)的可視化。（D）人血清中Pf HRP2抗體的電化學(xué)檢測，在2 200mV電位差下，隨著Pf HRP2抗體濃度增加的電流響應(yīng)，（E）Pf HRP2抗體檢測的濃度分布曲線，電流值是電流測試最后15 s的平均值，每一個誤差條代表三次獨立測試結(jié)果的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig．10（A）Photograph of theassembled prototype device．Thearrow indicates themicrofluidic chip．（B）Photograph of the chip and amobile phone SIM card forcomparison．（C）An enlarged imageof the chipwith labeled components．The channelsare filled with dye for improved visualization of the fluidic network．（D）Electrochemicaldetection of Pf HRP2 antigen in human serum．Representativeamperometricmeasurementsofincreasing Pf HRP2 antigen concentrationsat2 200mV．（E）Concentration profile for Pf HRP2 antigen detection．Valuesareaveraged over the final15 sofamperometricmeasurements．Each bar represents themean standard deviation of three separate measurements

一些商業(yè)公司，也推出了基于智能移動設(shè)備和電化學(xué)傳感原理的便攜式檢測設(shè)備。Agamatrix公司推出了一款可用于iPhone和iPod touch的血糖儀［36］，主體模塊只有U盤大小，使用一次性試紙檢驗血糖水平。這款設(shè)備采用了“動態(tài)電化學(xué)（Dynamic Electrochemistry）”技術(shù)，可以排除干擾信號，使血糖測量更接近真實值。使用時將檢測模塊插入iPhone或iPod touch的相應(yīng)接口，啟動應(yīng)用軟件，即可實現(xiàn)血糖測量、上傳數(shù)據(jù)、趨勢圖顯示等功能；iHealth Lab公司開發(fā)了可以通過藍(lán)牙與智能手機進行通信的血壓計和血糖儀［37］，用戶可以通過相應(yīng)的應(yīng)用程序進行血壓和血糖的測量、記錄、跟蹤比較等。

圖11 （A）硅基材料的64通道傳感器模塊圖片；（B）傳感器與智能手機組裝圖；（C）在地圖上的分布顯示結(jié)果Fig．11（A）Imagesofminiaturizedmodules：a silicon based 64－channelsensorchip on aboard;（B）The intergration of sensormodule and cellphone;（C）A cloud displays phone－sensorson Google Maps

圖12 （A）電化學(xué)阻抗譜（EIS）的傳感原理，Randles等效電路圖、典型的Nyquist圖和EIS細(xì)菌傳感器的橫截面圖；（B）EIS細(xì)菌傳感器的3D示意圖；（C）EIS細(xì)菌傳感器對不同濃度細(xì)菌的測試結(jié)果Fig．12（A）Electrochemical Impedance Spectroscopic（EIS）sensingprinciple，Rand lesequivalentcircuitof EIS，a typicalNyquistplot forEISand Cross－sectionalview of the integrated EISbacteria sensor;（B）3Dmodelof the EIS bacteria sensor package;（C）Two methods of concentration measurement using EIS bacteria sensor

5 展望

檢測分析是人類認(rèn)識世界的重要手段之一，它無處不在，與我們的日常生活密切相關(guān)，能夠隨時隨地進行快速準(zhǔn)確的檢測，是人們一直追求的目標(biāo)。如圖13所示，智能移動設(shè)備的快速發(fā)展，為移動檢測的發(fā)展提供了一個契機，越來越多的傳統(tǒng)分析方法被遷移到智能移動平臺上來，其中光學(xué)檢測方法和電化學(xué)分析方法是其中的先行者，受到了較多研究者的關(guān)注，也取得了很多成果。目前智能移動設(shè)備都內(nèi)置了數(shù)字照相機，因此在光學(xué)分析方法中的應(yīng)用探索相對廣泛，而與電化學(xué)傳感器的結(jié)合則剛剛起步，應(yīng)用相對較少。隨著研究的進一步深入，必將有越來越多微型的、低功耗的、高靈敏度的、適用于移動檢測的電化學(xué)傳感器件涌現(xiàn)出來，傳感器件與智能移動設(shè)備之間的接口方式也會越來越簡潔、高效、通用，讓分析檢測變得更加便捷和智能化，讓人們的生活更加美好。

圖13 以智能移動設(shè)備為核心的移動分析檢測技術(shù)及其應(yīng)用Fig．13 Analytical techniquesbased on smartdevices

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Appli cations of smart mobile devices in electrochem icalsensing

Bao Yu，WangWei，Guan Yi-ran，Wang Zhao，Niu Li*
（Engineering Laboratory forModern Analytical Techniques，Changchun Institute of App lied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China）

Smartmobile devices，containing different sensor technologies，have been developing rapid ly in recent years，with theirmarketshare increasing sharply．And they can be used as stand－alonemeasurement instrumentson awide range of application domains．Here，the evolution of smartmobile devices，including hardware and software developments，is presented．In order to solve the increasingmobile analysis testing requirements，the analysis and determ ination methods which are available on smartmobile devices，are developed and discussed．Measurements applicationsofsmartmobile deviceswhich combined electrochemical techniquesarealso reviewed．

smartmobile devices;smartphones;electrochemicalsensing

國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金（21225524）項目資助

*通訊聯(lián)系人，Tel：（0431－85262425），E－mail：lniu＠ciac．a(chǎn)c．cn