Lutz Stratmann Brendan Heery Brian Coffey

摘要：電化學(xué)產(chǎn)品日趨微型化;此外，電化學(xué)傳感器系統(tǒng)的開發(fā)需要具備固件、模擬和數(shù)字電子學(xué)知識(shí)以及對(duì)電化學(xué)的深入了解，工程部門通常不具備這種知識(shí)組合。ADI公司與PalmSens BV合作研發(fā)的EmStatPico是一款微型（30.5mm×18mm×2.6 mm）恒電勢(shì)器系統(tǒng)化模塊，只需很少的開發(fā)時(shí)間和精力即可將標(biāo)準(zhǔn)的電化學(xué)測(cè)量。本文詳細(xì)介紹了三種不同的電化學(xué)測(cè)量，表明可輕松地將該器件集成到系統(tǒng)中，并示范說(shuō)明了恒電勢(shì)器模塊的應(yīng)用范圍：OCP（pH）、循環(huán)伏安法和EIS。

關(guān)鍵詞：電化學(xué);恒電勢(shì)器;模塊;微型

0引言

電化學(xué)產(chǎn)品日趨微型化。儀器儀表從機(jī)架安裝式或臺(tái)式機(jī)縮小為手持式設(shè)備，以進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)或環(huán)境分析。下一代儀器儀表開始將恒電勢(shì)器集成到更小的設(shè)備（例如可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備或氣體監(jiān)測(cè)儀）中。ADI公司與PalmSens BV合作研發(fā)的EmStat Pico就是一款微型（30.5mm×18 mm×2.6 mm）恒電勢(shì)器系統(tǒng)化模塊（sOM），它延續(xù)了這一尺寸縮小的趨勢(shì)。該器件采用ADI技術(shù)構(gòu)建，包括ADuCM355、ADPl66、ADT7420和AD8606。

電化學(xué)傳感器系統(tǒng)的開發(fā)需要具備固件、模擬和數(shù)字電子學(xué)知識(shí)以及對(duì)電化學(xué)的深入了解。工程部門通常不具備這種知識(shí)組合。EmStat Pico模塊只需很少的開發(fā)時(shí)間和精力即可將標(biāo)準(zhǔn)的電化學(xué)測(cè)量，如線性掃描伏安法（LSV）、方波伏安法（sWV）或電阻抗光譜法（EIS），集成到單個(gè)產(chǎn)品中，從而使設(shè)計(jì)人員可以跳過(guò)學(xué)習(xí)過(guò)程，并縮短開發(fā)時(shí)間。鑒于電化學(xué)傳感器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，該模塊使開發(fā)人員擁有充足的時(shí)間搶占營(yíng)收先機(jī)。

本文詳細(xì)介紹了三種不同的電化學(xué)測(cè)量，表明可輕松地將該器件集成到系統(tǒng)中，并示范說(shuō)明了恒電勢(shì)器模塊的應(yīng)用范圍：OCP（pH）、循環(huán)伏安法和EIS。

1系統(tǒng)集成

EmStat Pico旨在僅使用四根導(dǎo)線（5 V、地、發(fā)射、接收）便可集成到任何基于微控制器的系統(tǒng)中。圖1顯示了示例設(shè)置，前者使用Arduino MKR作為主控制器，后者使用usB到UART轉(zhuǎn)換器連接到PC。在這兩種設(shè)置中，EmStat Pico都與絲印電極（sPE）連接，用于常見(jiàn)的電化學(xué)測(cè)量，如循環(huán)伏安法（cV）。

1.1開發(fā)板

圖2所示的EmStat Pico開發(fā)板將SOM連接斷開，并添加了一系列功能，包括：用于獨(dú)立運(yùn)行的電池電源和SD卡、USB和Bluetooth通信選項(xiàng)、用于標(biāo)記時(shí)間戳的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、用于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的EEprom以及用于直接插入Arduino MKR的接頭。

1.2軟件接口

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試臺(tái)應(yīng)用，可以通過(guò)USB連接使用PSTrace PC軟件來(lái)運(yùn)行EmStat Pico。

對(duì)于OEM應(yīng)用，可以通過(guò)UART進(jìn)行通信，主機(jī)可以使用MethodSCRIPT^TM”EmStat Pico腳本語(yǔ)言來(lái)控制EmStat Pico。這是一個(gè)可讀腳本，用來(lái)對(duì)EmStatPico進(jìn)行編程以使用電化學(xué)技術(shù)并執(zhí)行其他功能，例如循環(huán)、將數(shù)據(jù)記錄到sD、數(shù)字I/O、讀取輔助值（如溫度）以及睡眠或休眠狀態(tài)。方法腳本代碼可以在PSTrace中生成，也可以手動(dòng)編寫。

2pH值測(cè)量

范圍為0～14的pH值測(cè)量（酸性：0;中性：7;堿性：14）是最常見(jiàn)的電化學(xué)測(cè)量方法之一，它廣泛用于從環(huán)境化學(xué)到醫(yī)療傳感器等眾多領(lǐng)域。通常使用針對(duì)特定氫離子的玻璃離子選擇性電極（ISE）進(jìn)行測(cè)量，該電極會(huì)產(chǎn)生電壓響應(yīng)或開路電勢(shì)（OCP）。顧名思義，OCP表示沒(méi)有任何電流或只有極小的電流流入電極。因此，無(wú)誤差測(cè)量要求高阻抗輸入。pH電極的建立時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)30 s，并且測(cè)量值與溫度密切相關(guān)。

2.1典型測(cè)量參數(shù)

·電壓響應(yīng)：25℃時(shí)，-59.16 mV/pH單位;

·分辨率：±0.02PH雌位，即電壓分辨率<1.18 mV;

·溫度相關(guān)性：0.2 mV/pH單位/℃;

·要求的輸入阻抗：>100GΩ。

2.2設(shè)置設(shè)備

·EmStat Pico開發(fā)板。

pH電極：Voltcrafl PE-03。

·緩沖溶液：pH7。

·緩沖溶液：pH4（如圖3）。

pH電極連接到EmStat Pico開發(fā)板的RE 0輸入端，并以WE 0為基準(zhǔn)電壓源。注意：此方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電壓響應(yīng)。RE 0輸入端通過(guò)EmStat Pico上的AD8606運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖，以實(shí)現(xiàn)>1 TΩ的輸入阻抗。每隔20 s將電極在pH 4乖DpH 7緩沖溶液之間進(jìn)行移動(dòng)的同時(shí)，記錄2 min時(shí)間段內(nèi)RE 0相對(duì)于WE 0的電勢(shì)。將ISE從一個(gè)緩沖溶液中取出后，先用去離子水沖洗再將其浸入另一個(gè)緩沖溶液中。

pH 4和pH 7之間的電勢(shì)差為0.17 V，這意味著電勢(shì)與pH值的線性關(guān)系的斜率為56.7 mV/pH。考慮到25℃時(shí)的理論理想值為59.16 mv/pH單位，這表明設(shè)置擁有足夠的靈敏度。

3循環(huán)伏安法

循環(huán)伏安法技術(shù)是將電壓斜坡（如-1-+1 V）施加于溶液中的電極，然后再進(jìn)行反向（從+1-1 V），同時(shí)測(cè)量通過(guò)電極的電流。這種循環(huán)法可測(cè)量因電極溶液界面處的化學(xué)物質(zhì)的氧化和還原而產(chǎn)生的陽(yáng)極和陰極電流。該技術(shù)通常用于檢測(cè)并量化電活性物質(zhì)，例如普魯士藍(lán)（一種常見(jiàn)染料）等金屬絡(luò)合物。

3.1典型測(cè)量參數(shù)

·施加的電壓：-1-+1V

·步長(zhǎng)：10 mV

·電流響應(yīng)：±10nA-±1 mA

·斜坡率：100 mV/s

3.2設(shè)置設(shè)備

·EmStatPico開發(fā)板（如圖5）。

·絲印電極（SPE）：LanPrinTech的LP-3.13.WP.350。

·SPE連接器：DSl020-03STlD。

·鐵氰化鉀K3[Fe（III）（CN）6]。

·亞鐵氰化鉀K[Fe（II）（CN）6]。

·氯化鉀CIK。

通過(guò)采用Levenberg-Marquardt算法的PSTrace等效電路擬合來(lái)計(jì)算電路中的電子元件的數(shù)值。

4.3結(jié)果

圖8a顯示了圖8c所示Randles電路的波特圖。在低頻下，由于電容效應(yīng)較小，因此10 kΩ電阻占主導(dǎo)地位。在較高頻率下，隨著電容幾乎變?yōu)槔硐攵搪窢顟B(tài)，阻抗降至與溶液電阻相匹配。

圖8b中藍(lán)色所示為數(shù)據(jù)的奈奎斯特圖，橙色所示為數(shù)據(jù)擬合的理論模型。根據(jù)模型計(jì)算出的等效電路元件值如圖8d所示。這些值與虛設(shè)單元的標(biāo)稱值嚴(yán)格匹配。注意：電阻容差為0.1%，電容容差為5%。

5結(jié)論

EmStat Pico是一款用戶可配置的通用型恒電勢(shì)器，它能夠執(zhí)行大多數(shù)常見(jiàn)的電化學(xué)測(cè)量。它采用小尺寸的系統(tǒng)化模塊封裝，適合集成到小型檢測(cè)系統(tǒng)中。該器件采用ADI技術(shù)構(gòu)建，包括ADuCM3 55、AD8606、ADT7420和ADP166。