基于计时电位溶出法的痕量重金属检测系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种基于计时电位溶出法的痕量重金属检测系统，包括计时电位溶出仪和丝网印刷电极；所述计时电位溶出仪包括壳体、位于所述壳体内的工作主板，以及以所述壳体作为平台分别装载于该壳体上的电极插槽、内置电源、输入单元和输出单元；所述丝网印刷电极包括基片，所述基片上印刷有工作电极、对电极和参比电极，三电极上覆盖有一层绝缘层，三电极的一端与开设在绝缘层上的开孔一起形成电解池腔，检测的试样滴加在该电解池腔内；所述丝网印刷电极插入所述壳体的电极插槽内，其参比电极接头与所述工作主板的恒电位模块连接。本实用新型专利技术中检测系统组成简单，易于小型化，配合使用丝网印刷电极，避免了电极预处理，方便使用。

Trace heavy metal detection system based on chronometric stripping method

The utility model discloses a trace heavy metal detection system based on the timing potential dissolution method, including a timing potential dissolving instrument and a screen printing electrode, which includes a housing, a working motherboard in the shell, and an electrode slot loaded on the shell with the shell as a platform. The screen printing electrode includes a substrate, the substrate is printed with a working electrode, a pair electrode and a reference electrode, and a layer of insulation is covered on the three electrode. One end of the three electrode is formed with an opening on the insulating layer to form an electrosolution pool cavity, and the detected sample is added to the electricity. The screen printed electrode is inserted into the electrode slot of the shell, and the reference electrode joint is connected with the constant potential module of the working motherboard. The detection system of the utility model is simple and easy to be miniaturized, and the screen printing electrode is used to avoid electrode pretreatment and convenient use.

【技术实现步骤摘要】
基于计时电位溶出法的痕量重金属检测系统
本技术涉及重金属检测领域，具体涉及痕量重金属现场快速检测领域。
技术介绍
重金属广泛存在于自然界中，是指密度大于5g/cm3的金属，约有45种，如铜、铅、锌、镉、锰、铁、钴、汞、金、银等。大部分重金属如铅、镉、汞等并非生命活动所必需，威胁生物的生存和人类健康。随着工业化进程，人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，重金属污染环境的问题日益突出，造成不少重金属进入大气、水、土壤中，受重金属污染的水体和土壤会在植物和水产品体内进一步地的蓄集。受到重金属污染的食品和饮用水会危害人们的健康。由于重金属对农作物的污染是以化学的形态进入到食物中的，因此通过简单的浸泡和洗涤并不能去除，重金属无法进行生物降解，通过食物链的作用后在人体中蓄积。重金属在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可以在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等，对人体会造成很大的危害。受重金属污染事件的增多的影响，给重金属监测提出了更高的要求，也对重金属的现场检测提出更紧迫的需求。因此准确而快速地检测水、食品中重金属元素的含量，对于水质安全、食品质量评价、生态环境考查和人类健康保护都有极其重要的意义。重金属含量的监测和控制已成为关系到环境保护、可持续发展和居民生活水平提高的重要问题。随着分析测试技术的迅速发展，不但有越来越多的方法可应用于不同样品中重金属含量的分析，而且检测的灵敏度和准确性也有大大提高，研究简单、快速、低成本的重金属快速检测方法对于有效评估和预警污染以及保障人民健康和生态安全将具有重要的现实意义。目前常用的重金属分析方法包括分光光度法，原子吸收光谱法、电感藕合等离子体法、原子荧光光谱法、生物酶抑制法、免疫分析法、生物化学传感器法和电化学分析法等。上述方法中：分光光度法仪器便宜，但操作繁琐，灵敏度低，不适合痕量重金属的检测；原子吸收光谱法，原子荧光光谱法，电感耦合等离子体原子发射光谱法虽然灵敏度高，但都存在需要大型仪器，不适合现场使用，测定步骤多，测定周期长，成本高；生物酶抑制法、免疫分析法和生物化学传感器法虽有利于实现重金属现场快速检测，但是灵敏度和特异性较低，检测重金属的种类有限。电化学溶出法灵敏度高，仪器简单，相对上述方法，仪器易于小型化，可适用现场检测。电化学分析法是根据物质在溶液中和电极上的电化学性质为基础建立起来的一种分析方法。电化学分析法应用于检测重金属主要包括溶出伏安法、极谱法、电位溶出法、电导分析法等手段。其中，溶出伏安法是以极谱法为基础，并衍生出示波极谱、阳极溶出伏安法等多种方法。电化学溶出伏安法检测重金属的检测限较低，测试灵敏度较高，能测定umol/L的金属离子，与极谱法、电导分析法相比是一种很好的痕量重金属分析手段。电位溶出法，如专利CN1182389C公开的一种电位极谱分析仪，就是以电位溶出技术为基础的重金属检测仪器。电位溶出法与溶出伏安法在检测过程都包含有富集和溶出两个阶段：富集阶段，溶液中多种金属离子在电化学还原作用下，还原成重金属单质在电极表面；在溶出阶段重金属单质从电极表面的氧化成离子游离到溶液中，在特定的电位(峰电位)下有溶出峰，根据峰电位来定性，峰高的大小来定量。两种方法中在富集阶段大体相同，区别主要在溶出阶段，溶出伏安法中溶出是通过电化学氧化，得到是电流信号；电位溶出法中溶出是通过化学氧化，得到是电压信号。因为两者的富集阶段相同，因此电路上恒电位系统是相同的(如图1，工作电极接地，控制参比电极恒电压实现恒电位功能)。又因溶出阶段的不同，导致溶出伏安法和电位溶出法在仪器的设计和检测方法的运用上有很大的区别，影响了两种方法的仪器开发难易程度和成本。溶出伏安法是通过在工作电极和参比电极间的输入扫描电位信号来检测工作电极和对电极间的电流信号(在参比电极上输入扫描电压)，如专利CN201210417212电化学溶出伏安法快速检测重金属装置及其检测方法。因为金属单质在电极表面是电化学氧化溶出，性质属于主动溶出，受溶液性质的影响小，而且扫描的电位范围广，在正负电位范围内都可以测量。另外，随着现在的微电字技术发展，可以把溶出伏安法的设备做成便携式，如专利CN201420513939.3一种便携式重金属快速检测仪，就是将阳极溶出技术的仪器便携化，适合现场使用。但与此同时，由于电流信号反映出重金属的浓度，电流信号大小变化很大，有的可能要跨越几个数量级，而读取电流信号是将电流信号通过特点的电阻转变为电压信号(如图2的微电流检测电路图)，传输给A/D芯片读取电压信号。电流信号在几个数量级的变化，需要开关电路能迅速切换到相对应的电阻，这就造成软硬件在溶出阶段工作量大，给溶出伏安法仪器工作带来不稳定，主要体现在：1、电流信号的变化，需要事先判断需要切换到哪个电阻，这就增加了主芯片的运算过程；2、开关电路能迅速切换，需要响应速度快，一般是纳秒级，而且要求开关电路的断开时漏电流要很小，才不会干扰小电流信号；导通时导通电阻很小，才不会影响到大的电流信号，符合这种要求的开关电路芯片价格不菲；3、由于电路存在热噪声，会干扰小电流信号的采集，在电路设计中要尽可能降低热噪声的幅度，需要使用高性能的元器件，带来成本的上升；4、采集电流信号，对大小的判断，控制开关的切换，都需要高速的运算器，高性能的主芯片才能胜任此项工作，同时软件的编译工作内容多。电位溶出法在溶出阶段是通过化学氧化，得到是电压信号。因而没有溶出伏安法检测电流信号的复杂和困难，在硬件上大大简化了信号采集功能电路部分(如图1中右边的部分电路)，同时在软件处理上也相对简单。电位溶出法的仪器可以做的更小型，耗电量更低，仪器自身的噪声小，灵敏度高，更适合作便携式检测仪。但由于金属单质在电极表面是通过化学氧化溶出，是被动溶出，受溶液中氧化还原性影响大，而且扫描的电位范围相对较窄，通常在负电位下测量，能测量的元素相对少些。可以看出，上述的两种方法在用于重金属检测时，在具有一定优势的同时，也存在难以克服的缺陷。在电化学溶出方法中还有一种计时电位溶出法，较少被关注，也没有见于应用在重金属检测的报导。计时电位溶出法与上述两方法相同，有相同的富集阶段，在溶出阶段给予工作电极恒电流输入，检测参比电极电压信号。由于采集的是电压信号，电路部分和软件部分都比较简单，仅比电位溶出法多个恒电流模块，因此采用计时电位溶出法的仪器能够具有与电位溶出法的仪器相同的优点，耗电量低，灵敏度高；同时，溶出时在工作电极有输入电流，金属单质在电极表面是电化学氧化溶出，因而同样具有溶出伏安法的优势，溶液性质的影响小，扫描的电位范围广，能测量的元素同溶出伏安法。因此，如果能将计时电位溶出法应用于重金属检测领域，必然能够给重金属监测和重金属的现场检测带来深远的影响。不过，如前面所说，计时电位溶出法较少被关注，更无将其应用在重金属检测领域的先例，因此如何将计时电位溶出法应用于重金属检测，特别是痕量的重金属检测，仍然需要进一步的研究。除此之外，传统的电化学溶出法重金属检测采用固体三电极，包括玻碳电极、参比电极和对电极，携带不方便，并且玻碳电极在每次使用前需要打磨处理，参比电极要日本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于计时电位溶出法的痕量重金属检测系统，其特征在于，包括计时电位溶出仪和丝网印刷电极；所述计时电位溶出仪包括壳体、位于所述壳体内的工作主板，以及以所述壳体作为平台分别装载于该壳体上的电极插槽、内置电源、输入单元和输出单元；所述工作主板包括输入/输出单元控制模块、D/A和A/D模块、恒电位模块、恒电流模块和向各模块供电的电源模块；所述输入/输出单元控制模块与所述输入单元和输出单元分别连接，所述D/A和A/D模块分别与输入/输出单元控制模块、恒电位模块和恒电流模块连接；所述丝网印刷电极包括基片，所述基片上印刷有工作电极、对电极和参比电极，三电极上覆盖有一层绝缘层，三电极的其中一端裸露在绝缘层外侧，作为电极接头，另一端与开设在绝缘层上的开孔一起形成电解池腔，检测的试样滴加在该电解池腔内；所述丝网印刷电极插入所述壳体的电极插槽内，其参比电极与所述工作主板的恒电位模块连接，所述D/A和A/D模块由所述输入/输出单元控制模块控制，采集所述恒电位模块上的电位数据；工作电极与所述恒电流模块连接，所述恒电流模块受D/A和A/D模块控制，向所述工作电极输入恒定电流。

【技术特征摘要】
1.一种基于计时电位溶出法的痕量重金属检测系统，其特征在于，包括计时电位溶出仪和丝网印刷电极；所述计时电位溶出仪包括壳体、位于所述壳体内的工作主板，以及以所述壳体作为平台分别装载于该壳体上的电极插槽、内置电源、输入单元和输出单元；所述工作主板包括输入/输出单元控制模块、D/A和A/D模块、恒电位模块、恒电流模块和向各模块供电的电源模块；所述输入/输出单元控制模块与所述输入单元和输出单元分别连接，所述D/A和A/D模块分别与输入/输出单元控制模块、恒电位模块和恒电流模块连接；所述丝网印刷电极包括基片，所述基片上印刷有工作电极、对电极和参比电极，三电极上覆盖有一层绝缘层，三电极的其中一端裸露在绝缘层外侧，作为电极接头，另一端与开设在绝缘层上的开孔一起形成电解池腔，检测的试样滴加在该电解池腔内；所述丝网印刷电极插入所述壳体的电极插槽内，其参比电极与所述工作主板的恒电位模块连接，所述D/A和A/D模块由所述输入/输出单元控制模块控制，采集所述恒电位模块上的电位数据；工作电极与所述恒电流模块连接，所述恒电流模块受D/A和A/D模块控制，向所述工作电极输入恒定电流。2.根据权利要求1所述的基于计时电位溶出法的痕量重金属检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昌云，刘钦普，李朝晖，曾嵘斌，赵波，
申请(专利权)人：南京晓庄学院，南京师范大学淮安研究院，
类型：新型
国别省市：江苏,32