WANGXu，HADa，ZHANGWen，WAN Hao，SUN Qiyong，LIHaibo，SUN Fei，WANGPing

(Biosensor National Laboratory，Key Laboratory of Biomedical Engineering of Education Ministry，Department of Biomedical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Wireless Instrumentation Design for Heavy Metals Detection in Water Based on Light Addressable Potentiometric Sensor*

WANGXu，HADa，ZHANGWen，WAN Hao，SUN Qiyong，LIHaibo，SUN Fei，WANGPing*

(Biosensor National Laboratory，Key Laboratory of Biomedical Engineering of Education Ministry，Department of Biomedical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

A novel system based on lightaddressable potentiometric sensor(LAPS)was proposed and fabricated for determination of heavymetals in water environment.Compared with other detectionmethods such as atomic fluorescence spectrophotometry，this type of instrument ismuch easier to use，with the characteristics of automatic range controlling and uncomplicated pretreatment process，etc.The instrument can communicate with computer via ARMwirelessly.E－quipped with the independent fluidic system，it can detect pH and Pb2+concentration in water sampleswith a fastand automatic response，which has been verified.The detection range of pH unit was 5 to 9，with a sensitivity of 37.321 mV/pH and mean error of 4.4%，whichmeets the requirement of pH detection.The detection range of Pb2+unitwas 10－7to 10－1mol/L，with a sensitivity of 26.43 mV/pPb2+and average recovery rate of 86.7%.In themeantime，the interference of Zn2+，Cu2+and pH to Pb2+detection has also been investigated.

light addressable potentiometric sensor;determination of heavy metals;fluidic system，automatic range controlling

近年來隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，水環(huán)境重金屬污染問題日益嚴重，并危害了人類的生存健康，如何有效的解決重金屬對水質的污染已經成為一個熱點問題［1－2］。目前成熟的重金屬檢測技術包括原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、原子熒光光譜法、紫外－可見分光光度法、電感耦合等離子體質譜法、中子活化分析法、電化學分析法、酶分析法和免疫分析法等［3］。其中原子熒光光度法、電感耦合等離子體質譜法等方法具有較高的檢測精度，但是價格昂貴，需要操作者具有熟練的儀器操作經驗，且需要大量繁雜的前處理過程，因此無法實現(xiàn)現(xiàn)場快速高效的自動化檢測［4］。相比而言，電化學方法無需繁雜的前處理過程，且儀器設備結構簡單、價格低廉，操作與調試方便［5］。

光尋址電位傳感器(LAPS)是一種基于硅基底的高靈敏光學式電化學傳感器件，具有結構簡單、響應快、可以實現(xiàn)多參數(shù)檢測等優(yōu)點，特別是它的“光可尋址”特性，在局部信號的檢測中有很大的優(yōu)勢［6－7］，對于構建環(huán)境檢測的傳感平臺有很大的意義。通過光束掃描方式尋址傳感器表面的敏感膜區(qū)域，可獲得待測液的多種測量參數(shù)的輸出?？紤]LAPS以上優(yōu)點，儀器系統(tǒng)選用光尋址電位傳感器(LAPS)作為重金屬敏感元件，通過檢測LAPS伏安曲線來確定重金屬濃度。經驗證，儀器可以對溶液酸堿度及重金屬Pb2+濃度進行快速、自動化檢測。其中pH的檢測范圍為5～9，靈敏度為37.321 mV/pH，平均誤差為4.4%，滿足水環(huán)境酸堿度的實測需求。重金屬Pb2+的檢測范圍為10－7mol/L～10－1mol/L，靈敏度為26.43 mV/pPb2+，平均重復率為86.7%，并進行了Zn2+、Cu2+及pH對Pb2+檢測的干擾測量。

1 原理與設計

1.1 LAPS檢測原理及制備

光尋址電位傳感器LAPS(Light Addressable Potentiometric Sensors)自從1988年被Hafeman等人提出以來［8］，經過20多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經廣泛的應用于化學、生物、醫(yī)藥等領域［9－11］。光尋址電位傳感器(LAPS)是基于半導體內光電效應(Internal Photoelectric Effect)的敏感器件，工作狀態(tài)下LAPS基本結構如圖1(a)所示，從上到下可分為4層:敏感層、絕緣層、耗盡層和硅基底。N型硅基底的LAPS的I－V特性曲線如圖1(b)所示，可分成截止區(qū)(Cut－off Region)、過渡區(qū)(Transition Region)和飽和區(qū)(Saturation Region)，各區(qū)域的產生是由硅的特性決定的［12］。當LAPS器件上敏感層與被測溶液中的敏感物質發(fā)生作用，敏感層表面將吸附一層離子形成膜電位，從而導致絕緣層和半導體兩端的電壓產生一定的偏移，LAPS的I－V特性曲線也將產生相應的偏移。利用LAPS的這種工作特性，可通過做出響應曲線對重金屬溶液進行濃度檢測。

圖1 LAPS原理圖

LAPS芯片采用N型硅片為基底(厚度450 μm，晶向＜100＞，電阻率1Ωcm～10Ωcm)。RCA清洗之后，在拋光面用干氧氧化法制備100 nm的SiO2層，在反面用蒸汽法制備1μm的Al層作為歐姆接觸。pH敏感單元的敏感膜制備采用低壓化學氣相沉積(LPCVD)法，在SiO2層表面沉積50 nm Si3N4。所用測Pb2+敏感單元的敏感膜采用脈沖激光沉積技術(PLD)，將硫屬玻璃靶材PbSAgIAs2S3濺射到SiO2表面。硫屬玻璃靶材由俄羅斯圣彼得堡大學化學傳感器實驗室提供，其制備工藝和制備參數(shù)可參照文獻［13］。最后對芯片進行劃片及封裝。封裝有LAPS的測試腔系統(tǒng)如圖2所示，圖2 (a)為封裝LAPS芯片的PCB實物正面圖，圖2(b)為PCB反面，用于安裝LAPS激勵光源，圖2(c)為安裝測試腔和參比電極之后的整體測試腔系統(tǒng)實物圖，芯片作為工作電極與對電極鉑電極以及Ag/ AgCl參比電極共同構成三電極傳感器檢測系統(tǒng)。測試腔上面小孔供儀器管線進、排樣使用。

圖2 LAPS封裝PCB及測試腔實物圖

1.2 儀器總體設計

儀器系統(tǒng)總體結構如圖3(a)所示，LAPS檢測電路部分采用三電極系統(tǒng)，微處理器(MCU)控制數(shù)模轉換芯片(D/A)輸出信號通過放大器分別加在參考電極(RE)和對電極(AE)兩端。LAPS光源調制信號由MCU控制阻抗測量芯片AD5933提供，可實現(xiàn)對光源頻率和幅值的有效控制。工作電極返回電流經多量程I/V變換和濾波電路后進入AD5933進行阻抗運算。運算結果首先通過I2C通信傳給MCU，之后通過RS232傳遞給ARM開發(fā)板，然后通過ARM開發(fā)板與上位機的無線通信將運算結果傳遞給上位機。為滿足儀器與上位機遠距離無線通信需要，儀器使用大功率無線路由、無線網卡分別與ARM開發(fā)板、上位機相連，經實際通訊驗證，這種結構1km內可穩(wěn)定通訊。儀器通過MCU實現(xiàn)自動量程控制。用戶在上位機發(fā)送相關時序命令控制儀器進行相關操作，具體包括水路系統(tǒng)的泵閥控制以及LAPS檢測參數(shù)傳遞。當用戶發(fā)送檢測所需全部時序命令后，儀器即可實現(xiàn)對重金屬的全自動檢測。儀器實物如圖3(b)所示，上部為電源模塊，下部分別為測試腔、ARM開發(fā)板顯示屏和水路管線。LAPS檢測電路、ARM開發(fā)板以及泵閥均位于下部機箱內。

圖3 儀器總體結構及實物圖

1.3 系統(tǒng)關鍵模塊介紹

1.3.1 水路系統(tǒng)設計

儀器水路系統(tǒng)如圖4所示，利用多位閥4個出口分別連接純水池、樣品池、緩沖液池和測試腔，工作過程中4個出口選通一個。注射泵為溶液流動提供動力，一次最多抽取或排出5 mL液體。儀器檢測流程包括清洗、進樣、加緩沖液測量、排液和清洗5個步驟。首先使用純水清洗測試腔和電極3次～4次，然后抽取樣品，再加KCl緩沖液進行測量，最后將測試腔中的樣品排出并清洗測試腔。

圖4 儀器水路系統(tǒng)原理圖

1.3.2 下位機工作流程及自動量程

圖5 下位機電阻校準及LAPS檢測流程圖

下位機相關工作流程如圖5所示，儀器檢測之前首先需進行電阻校準，具體流程如圖5(a)所示，首先儀器進行整體系統(tǒng)初始化，具體包括晶振、MCU外部控制端口、阻抗測量芯片AD5933、檔位切換芯片、程控放大器及串行總線模塊的初始化。之后通過連接ARM的串口間接接收上位機發(fā)送過來的電阻校準數(shù)據(jù)命令，并根據(jù)預先設定好的通訊協(xié)議判斷數(shù)據(jù)命令是否正確。錯誤則串口輸出錯誤信息，正確則串口輸出電阻校準數(shù)據(jù)信息。電阻校準后即可實現(xiàn)LAPS檢測，檢測流程圖如圖5(b)所示。其中初始化內容與電阻校準相同，初始化后串口進入等待測試命令狀態(tài)(中斷機制)，隨時通過連接ARM的串口間接接收上位機傳來的測試命令，之后同樣依照通訊協(xié)議判斷命令是否正確，具體主要檢驗LAPS測量參數(shù)是否正確，LAPS檢測具體參數(shù)主要有:起始電壓、步進電壓、測量點數(shù)、相鄰點測量時間間隔、光調制頻率及光功率參數(shù)。命令錯誤則串口輸出錯誤信息，正確則串口輸出監(jiān)測數(shù)據(jù)至ARM，并通過無線通訊傳給上位機。

儀器系統(tǒng)在執(zhí)行LAPS檢測時具有自動量程功能，實現(xiàn)原理如圖6所示，儀器系統(tǒng)對每一個采樣點事先用做大量程檔位進行初采樣，之后根據(jù)初采樣值判斷并利用MCU控制檔位切換芯片選通合適量程檔位再次進行采樣，并將此次采樣數(shù)據(jù)返回給ARM開發(fā)板，ARM開發(fā)板接收完畢所有采樣數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)打包無線傳輸給上位機。

圖6 自動量程原理圖

2 實驗結果與討論

2.1 儀器重復性檢驗

為檢驗儀器系統(tǒng)重復性，在同一條件下對LAPS芯片進行4次重復I－V曲線測試，每次檢測時間約為3 min，兩次檢測時間間隔為5 s～10 s。儀器重復性結果如圖7所示，圖中1、2、3、4分別對應4次測試結果，由局部放大圖可見4次測試I－V曲線之間偏移量均在1mV以內，由此可見儀器測試重復性較好。

2.2 溶液酸堿度檢測

鑒于酸堿度對LAPS檢測重金屬可能形成干擾，首先利用儀器系統(tǒng)對溶液酸堿度進行標定。通過向0.5 mol/L KCl滴加KOH和HCl配合pH計調整溶液pH范圍在5～9之間。每次測試前均用超純水清洗測試腔3次并用待測液潤洗一次。不同pH溶液標定結果如圖8所示，從圖8(b)可見LAPS對pH靈敏度為37.321 mV/pH，低于能斯特方程理論值59 mV/pH。原因可能是Si3N4的制備工藝存在缺陷。但是其相對理論值較低的靈敏度并不影響標定過程，且標定曲線的線性度很好(R2= 0.999 2)，所以仍然可以滿足對樣品pH的標定需求。利用圖8(b)響應曲線對3種不同pH溶液進行檢測，結果如表1所示，由表可見平均誤差為4.4%，滿足水環(huán)境酸堿度的實測需求。

圖7 儀器重復性檢測結果

圖8 pH檢測實驗曲線

表1 實測3種不同溶液pH結果及誤差

2.3 重金屬Pb2+濃度檢測

針對Pb2+檢測，以10－1mol/L的KCl和Pb(NO3)2為母液配置如表2所示濃度溶液，其中控制最后溶液背景為0.5 mol/L的KCl，并配合pH計調節(jié)各濃度溶液pH同為7，以消除pH差異帶來的干擾。每次測試之前同樣用超純水清洗測試腔3次并用待測液潤洗1次。測試結果如圖9所示，由圖9(b)可見LAPS對Pb2+的靈敏度為26.43 mV/Pb2+，略小于能斯特方程的理論值29.5 mV/Pb2+。原因可能是PLD成膜效果欠佳，但是響應曲線線性度較好。另外，通過多次重復測量與被測溶液具有相同基底的空白溶液，取測量結果的3倍方差，確認儀器對Pb2+的檢出限為10－7mol/L。

圖9 Pb2+檢測實驗曲線

表2 實驗所用試劑表

2.4 干擾離子實驗

由于LAPS檢測Pb2+過程中，樣品均采用0.5 mol/L KCl作為背景，因此干擾離子排除K+和Cl－，在確保pH為7前提下，用Zn2+，Cu2+離子濃度分別為10－4、10－3mol/L的混合離子溶液進行LAPS檢測，以相對偏差不大于5%計，兩種離子不會對Pb2+檢測產生干擾。而在驗證pH對Pb2+檢測的影響時檢測結果如圖10所示。由圖可見在pH在酸性范圍內使檢測曲線左偏，而堿性范圍使檢測曲線右偏。由此可見pH對檢測結果存在影響，解決辦法可采用補充不同pH下Pb2+的響應曲線、控制加入KCl緩沖液調節(jié)合適pH或者探求不同pH下的Pb2+的濃度補償算法。通過控制加入KCl緩沖液調節(jié)合適pH，測得不同Pb(NO3)2溶液結果如表3所示。由表3可見檢測結果和實際值數(shù)量級基本一致，且重復率較好，平均為86.7%。說明在控制好KCl緩沖液加入的條件下，對Pb2+檢測是可行的。

圖10 pH干擾性試驗

表3 Pb(NO3)2溶液檢測結果及重復率

3 結論

介紹了一種新型的基于光尋址電位傳感器的水環(huán)境重金屬無線檢測儀器系統(tǒng)，儀器系統(tǒng)擁有獨立的水路系統(tǒng)，具有自動量程功能。通過無線通訊測試，以及對溶液pH、重金屬Pb2+的標定、干擾離子和檢測實驗，證明儀器系統(tǒng)可以對pH和重金屬濃度進行遠距離快速、自動化檢測，且檢測誤差較小、重復率較高。為水環(huán)境重金屬檢測提出了一種新的嘗試。

［1］郭紅蓀，蔡巍，王平，等.基于光電復合傳感器的重金屬檢測算法的研究［J］.傳感技術學報，2011，24(1):18－23.

［2］楊正亮，馮貴穎，呼世斌，等.水體重金屬污染研究現(xiàn)狀及治理技術［J］.干旱地區(qū)農業(yè)研究，2005，23(1):219－222.

［3］徐繼剛，王雷，肖海洋，等.我國水環(huán)境重金屬污染現(xiàn)狀及檢測技術進展［J］.環(huán)境科學導刊，2010，29(5):104－108.

［4］趙炎，張文，王平，等.水環(huán)境重金屬元素檢測系統(tǒng)的智能化設計［J］.傳感技術學報，2012，25(11):1473－1474.

［5］趙會欣，李毅，王平，等.水環(huán)境痕量重金屬檢測的電化學傳感器的研究［J］.儀表技術與傳感器，2009(z1):158－161.

［6］Owicki JC，Bousse L，Hafeman D G，et a1.The Light－Addressable Potentiometric Sensor:Principles and Biological Applications［J］. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure，1994 (23):87－113.

［7］李毅，張舟娜，蔡巍，等.基于PVC薄膜的汞離子光尋址電位傳感器［J］.浙江大學學報(工學版)，2010，44(6):1231－1233.

［8］Hafeman D G，Parce JW，Mcconnell H W.Light Addressable Potentionmetric Sensor for Biochemical Systems［J］.Science，1988 (240):1182－1185.

［9］Men Hong，Zou Shaofang，Li Yi，et a1.A Novel Electronic Tongue Combined MLAPSwith Stripping Voltammetry for Environment Detection［J］.Sensors and Actuators B，2005(110):350－357.

［10］Er’cole C，Del Gallo M，Moiello L，et a1.A Lepidi，Escherichiacoli Detection in Vegetable Food by a Potentiometric Biosensor［J］. Sensors and Actuators B，2003(91):163－168.

［11］Zhang Qintao，Wang Ping，Li Jianping，eta1.Diagnosis of Diabetes by Image Detection of Breath Using Gas－Sensitive Laps［J］.Biosensors and Bioelectronics，2000(15):249－256.

［12］Stein B，George M，Gaub H E，et al.Spatially Resolved Monitoring of Cellular Metabolic Activity with a Semiconductor－Based Biosensor［J］.Biosensors and Bioelectronics，2003(18):31－41.

［13］Mourzina Y，Sch?ning MJ，Schubert J，et al.A New Thin－Film Pb Microsensor Based on Chalcogenide Glasses［J］.Sensors and Actuators B，2000(71):13－18.

王旭(1988－)，男，浙江大學，碩士研究生，主要研究方向為電化學傳感器與重金屬檢測，wx7682@zju. edu.cn;

王平(1962－)，男，浙江大學，教授，博士生導師，主要研究方向為傳感器與檢測技術、生物芯片與生物電子學、人工嗅覺與人工味覺等，cnpwang@ zju.edu.cn。

基于光尋址電位傳感器的水環(huán)境重金屬無線檢測儀器設計*

王旭，哈達，張文，萬浩，孫啟永，李海波，孫斐，王平*

(浙江大學生物傳感器國家專業(yè)實驗室，生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室，生儀學院，杭州310027)

針對水環(huán)境重金屬檢測問題，設計了一種新型的基于光尋址電位傳感器(LAPS)的重金屬檢測儀器。相對于原子熒光光度法等其他方法，該儀器操作簡便，無需繁雜的前處理過程，具有自動量程功能以及獨立的水路系統(tǒng)。儀器通過ARM開發(fā)板與上位機無線通訊，檢測過程自動化進行。經驗證，儀器可以對水環(huán)境酸堿度以及重金屬Pb2+濃度進行快速、自動化檢測。其中pH的檢測范圍為5～9，靈敏度為37.321mV/pH，平均誤差為4.4%，滿足水環(huán)境酸堿度的實測需求。重金屬Pb2+的檢測范圍為10－7～10－1mol/L，靈敏度為26.43 mV/pPb2+，平均重復率為86.7%，并進行了Zn2+，Cu2+及pH對Pb2+檢測的干擾測量。

LAPS傳感器;重金屬檢測;水路系統(tǒng);自動量程

TP216

A

1004－1699(2014)01－0006－06

2013－10－16修改日期:2013－12－13

C:7230J

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.002

項目來源:國家863計劃項目(2007AA09210106);國家973計劃項目(2009CB320303)