一种基于近场通讯技术的微型电化学系统和检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于NFC技术的微型电化学系统和检测方法。该系统它包括第一基底和加工在第一基底且依次相连的NFC天线、NFC芯片及其外围电路、单片机芯片及其外围电路、电化学恒电位仪电路、电极连接焊盘、重金属检测电极阵列。本发明专利技术在无线无源的柔性NFC标签上集成了微型的电化学系统，实现了电化学检测装置的微型化，柔性化和集成化，该标签可以贴附于各种容器的内壁，实现溶液中的重金属检测，在食品安全、环境监测等领域具有广泛的应用前景。本发明专利技术的方法可用于痕量的铅、镉等重金属离子的定量检测。

A micro electrochemical system and detection method based on near-field communication technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于近场通讯技术的微型电化学系统和检测方法
本专利技术实施例涉及一种电化学检测技术，尤其涉及一种基于近场通讯(NFC)技术的微型电化学系统和检测方法。
技术介绍
铅、镉、汞、铜等重金属会对生命健康造成非常严重的威胁，比如癌症，心血管疾病，脑损伤，肾病等。我们常用的一些容器，比如陶瓷，搪瓷，或者上釉的玻璃容器，在长时间盛放食品或饮品的过程中，会缓慢地迁移铅、镉等重金属到食品中，间接危害我们的健康。那么，构建一种微型化、标签式的重金属检测系统，可以放入容器内监测食品或饮品中的重金属含量，就显得尤为迫切。目前，在研究领域，重金属检测的技术手段已经非常成熟。传统的检测方法主要是使用大型仪器对目标样本进行重金属分析，比如X射线荧光光谱，原子吸收能谱(AAS)，电感耦合等离子质谱(ICP-MS)等，但是这些大型仪器价格昂贵，检测费时费力，需要专业人员操作以及复杂的前处理过程，不适合我们在日常生活中随时随地的检测。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术实施例提供一种基于近场通讯(NFC)技术的微型电化学系统和检测方法，解决了相关技术中存在的检测系统不够集成、不够微型化、不够柔性化、仪器价格昂贵、检测费时费力的问题。本专利技术实施例的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术实施例提供一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，它包括第一基底和加工在第一基底且依次相连的NFC天线、NFC芯片及其外围电路、单片机芯片及其外围电路、电化学恒电位仪电路、电极连接焊盘、重金属检测电极阵列。<br>进一步地，具有NFC功能的移动终端通过与NFC天线之间的电磁感应，给NFC芯片及其外围电路、单片机芯片及其外围电路、电化学恒电位仪电路无线供电；电化学恒电位仪电路在单片机及其外围电路的控制下，通过电极连接焊盘给重金属检测电极阵列施加相应的电势激励，溶液中的重金属离子在电极阵列上首先被还原沉积，再被氧化，产生的响应电流通过电极连接焊盘传到电化学恒电位仪电路，经过信号处理后传送到单片机芯片及其外围电路行模数转换，转换后的数据传输至NFC芯片及其外围电路；具有NFC功能的移动终端通过与NFC天线之间的电磁感应，实时获取重金属离子检测的浓度信息。进一步地，所述重金属检测电极阵列包括第二基底和加工在第二基底上的工作电极、公用参比电极、公用对电极。进一步地，所述工作电极包括铅离子工作电极、镉离子工作电极。进一步地，所述铅离子工作电极的碳基底上修饰有一层金纳米颗粒，上面覆盖有一层Nafion薄膜。进一步地，所述镉离子工作电极的碳基底上修饰有一层铋纳米颗粒，上面覆盖有一层Nafion薄膜。进一步地，所述公用参比电极的材料为银-氯化银基底。进一步地，所述公用对电极的材料为碳基底。进一步的，所述金纳米颗粒层的制作方法如下：将0.1wt％的氯金酸溶于0.5M的硫酸钠溶液中，取适量混合液滴加在铅离子工作电极的碳基底上，采用循环伏安法扫描5圈，扫描电压-1.4V-1V，扫描速率0.1V/s，扫描结束后得到金纳米颗粒层。进一步的，所述铋纳米颗粒层的制作方法如下：将Bi(NO3)3溶于1M的HCl溶液中，取适量混合液滴加在镉离子工作电极的碳基底上，采用恒电势法扫描120s，扫描电压-0.5V，扫描结束后得到铋纳米颗粒层。本专利技术的另一目的是提供一种基于近场通讯技术的微型电化学系统进行目标重金属离子检测的方法，包括如下步骤：(1)用该电子贴片检测不用浓度的重金属离子标准样品溶液将具有NFC功能的移动终端靠近NFC天线，给NFC芯片及其外围电路、单片机芯片及其外围电路、电化学恒电位仪电路无线供电；在重金属检测电极阵列表面依次滴加配制好的不同浓度的目标重金属离子标准样品溶液；电化学恒电位仪电路在单片机及其外围电路的控制下，通过电极连接焊盘给重金属检测电极阵列施加阳极溶出方波脉冲伏安法(SWASV)的电势激励，溶液中的重金属离子在工作电极上首先被还原沉积，再被氧化，产生的响应电流通过电极连接焊盘传到电化学恒电位仪电路，经过信号处理后传送到单片机芯片及其外围电路进行模数转换，转换后的数据传输至NFC芯片及其外围电路；具有NFC功能的移动终端通过与NFC天线之间的电磁感应，持续接收微型电化学系统测得的电流信号，并计算每个浓度下的峰值电流，测完每个浓度需要对工作电极施加恒电位进行电极清洗，冲洗重金属检测电极阵列表面并干燥；(2)建立重金属离子标准样品溶液浓度与方波脉冲伏安曲线峰值电流的标准曲线：针对每种重金属离子，分别换用至少三片重金属检测电极阵列，重复步骤(1)中的测量过程，得到每片重金属检测电极阵列在不同的重金属离子浓度下的峰值电流，进而得到各个重金属离子标准样品溶液浓度与峰值电流之间的关系曲线，该关系曲线用于通过测得的方波脉冲伏安曲线峰值电流值来计算真实样本中的目标重金属浓度；(3)真实样本中的目标重金属离子浓度检测：将待测的重金属检测电极阵列通过电极连接焊盘与电化学恒电位仪电路进行连接；将具有NFC功能的移动终端靠近NFC天线，给NFC芯片及其外围电路、单片机芯片及其外围电路、电化学恒电位仪电路无线供电；在重金属检测电极阵列表面滴加待测真实样本溶液，电化学恒电位仪电路在单片机及其外围电路的控制下，通过电极连接焊盘给重金属检测电极阵列施加阳极溶出方波脉冲伏安法(SWASV)的电势激励，溶液中的目标重金属离子在工作电极上首先被还原沉积，再被氧化，产生的响应电流通过电极连接焊盘传到电化学恒电位仪电路，经过信号处理后传送到单片机芯片及其外围电路进行模数转换，转换后的数据传输至NFC芯片及其外围电路；具有NFC功能的移动终端通过与NFC天线之间的电磁感应，持续接收微型电化学系统测得的电流信号，并计算峰值电流。利用步骤(2)中重金属离子标准样品溶液浓度与峰值电流之间的关系曲线，计算出目标重金属离子的浓度，并显示；测完每种重金属离子，需要对相应工作电极施加恒电位进行清洗。本专利技术相对于现有的电化学重金属离子检测系统具有以下有益效果：本专利技术实施例使用带有NFC功能的移动终端就可以实现完整的重金属检测功能，不需要依赖任何外部仪器。该系统基于近场通讯NFC技术构建而成，无需电池供电，也不需要通过有线连接与移动终端进行数据传输，而是通过NFC天线实现无线的数据传输和无线供电。这种设计大大提升了系统的小型化、集成化和柔性化。基于这个设计，我们在超薄的柔性NFC标签上，集成了用于电化学传感分析的恒电位仪系统，用于痕量的重金属离子的定量检测。该系统经过良好的封装之后，可以贴附于各种容器的内壁，如矿泉水桶，酒坛，菜坛，实现长时间的重金属离子检测。该系统未来可以广泛应用于食品安全、水体污染监测等领域，具有广阔的应用前景。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术实施例中基于近场通讯(NFC)技术的微型电化学系统的整体结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，它包括第一基底(1)和加工在第一基底(1)且依次相连的NFC天线(2)、NFC芯片及其外围电路(3)、单片机芯片及其外围电路(4)、电化学恒电位仪电路(5)、电极连接焊盘(6)、重金属检测电极阵列(7)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，它包括第一基底(1)和加工在第一基底(1)且依次相连的NFC天线(2)、NFC芯片及其外围电路(3)、单片机芯片及其外围电路(4)、电化学恒电位仪电路(5)、电极连接焊盘(6)、重金属检测电极阵列(7)。


2.根据权利要求1所述的一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，具有NFC功能的移动终端通过与NFC天线(2)之间的电磁感应，给NFC芯片及其外围电路(3)、单片机芯片及其外围电路(4)、电化学恒电位仪电路(5)无线供电；电化学恒电位仪电路(5)在单片机及其外围电路(4)的控制下，通过电极连接焊盘(6)给重金属检测电极阵列(7)施加相应的电势激励，溶液中的重金属离子在电极阵列(7)上首先被还原沉积，再被氧化，产生的响应电流通过电极连接焊盘(6)传到电化学恒电位仪电路(5)，经过信号处理后传送到单片机芯片及其外围电路(4)进行模数转换，转换后的数据传输至NFC芯片及其外围电路(3)；具有NFC功能的移动终端通过与NFC天线(2)之间的电磁感应，实时获取重金属离子检测的浓度信息。


3.根据权利要求1所述的一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，所述重金属检测电极阵列(7)包括第二基底(71)和加工在第二基底(71)上的工作电极、公用参比电极(74)、公用对电极(75)。


4.根据权利要求3所述的一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，所述工作电极包括铅离子工作电极(72)、镉离子工作电极(73)。


5.根据权利要求4所述的一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，所述铅离子工作电极(72)的碳基底(721)上修饰有一层金纳米颗粒(722)，上面覆盖有一层Nafion薄膜(723)。


6.根据权利要求4所述的一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，所述镉离子工作电极(73)的碳基底(731)上修饰有一层铋纳米颗粒(732)，上面覆盖有一层Nafion薄膜(733)。


7.根据权利要求4所述的一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，所述公用参比电极(74)的材料为银-氯化银基底(741)。


8.根据权利要求4所述的一种基于近场通讯技术的微型电化学系统，其特征在于，所述公用对电极(75)的材料为碳基底(751)。


9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于近场通讯技术的微型电化学系统进行目标重金属离子检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用该电子贴片检测不用浓度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘清君，许刚，程晨，杨杰，李鑫，卢妍利，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33