基于宽频脉冲伏安法的电化学电子舌制造技术

本发明专利技术公开了一种基于宽频脉冲伏安法的电化学电子舌，由电极阵列、宽频脉冲扫描仪和数据分析处理软件组成，电极阵列是由参比电极、辅助电极和多个工作电极构成的多通道电化学电极组，数据分析处理软件安装到计算机中；将电极阵列置于待测溶液体系中，由宽频脉冲扫描仪输出若干不同频段的脉冲扫描信号，经电极阵列的参比电极和工作电极施加于待测溶液体系中，溶液产生的电流响应信号经辅助电极返回至宽频脉冲扫描仪，最后传送至数据分析处理计算机。本发明专利技术可有效地测定物质的总体特征以及物质间特性的差异，检测物质的浓度含量等，具有分析速度快、频率变化范围宽、获取信息量大等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电化学分析技术，尤其是涉及一种基于宽频脉冲伏安法的电化学电子舌。
技术介绍
电化学分析法是一种通过对溶液施加不同电信号同时采集溶液响应电流信号的方法，运用电化学分析法即通过分析扫描信号和响应信号的关系可以探测溶液的特性。在国内外，电化学分析法中主要使用的扫描方式是循环伏安法和恒电位法等，这些方法存在的问题是分析速度慢，提供的信息量不多，检测应用领域与范围受到一定的限制。近几年瑞典、俄罗斯等国家有研究者提出了常规脉冲扫描方法，可以实现不同电位脉冲的激励输出，其产生的图谱如图6所示，该扫描方法的脉冲时间间隔固定，其宽度是能够让前一个电位脉冲在电极表面形成的双电层放电至零，即常规脉冲的不同脉冲电位之间的电化学反应过程不会相互影响。由于常规脉冲的频率没有变化，因此无法获取由于激励脉冲频率增大时，前后脉冲电位电化学反应过程中，由于交互感应产生的更多反映溶液性质和溶液组分电化学性质的信息。电子舌(electronic tongue，E-Tongue)是一种模拟人类味觉感受机制，以传感器阵列检测样品信息，结合模式识别处理或多元统计分析方法，对样品进行定性定量分析的一类新型现代化分析仪器。电子舌作为检测领域和人工智能感官系统的一类重要的技术，在国内外均得到了较快的发展和应用。国际上研究电子舌系统的主要有日本九州大学的Kiyoshi Toko课题组；俄罗斯彼得堡大学的Andrey V.Legin课题小组；瑞典Linkping大学的Ingemar Lundstrm研究小组；巴西的Riul研究小组和西班牙的Rodríguez-Méndez研究小组。国内有浙江大学、同济大学等相关学科的教授在研究电子舌检测系统。电子舌的主要类型有电位型、阻抗谱型和伏安型等。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于宽频脉冲伏安法的电化学电子舌，以宽频脉冲扫描信号作为激励信号，检测溶液体系在低频脉冲激励下产生的电化学反应过程的响应电流信号和在高频脉冲激励下引起的电化学反应交互感应时的响应电流信号，以测定物质的总体特征以及物质间特性的差异，检测物质的浓度含量等。一种基于宽频脉冲伏安法的电化学电子舌，所述的电子舌由电极阵列、宽频脉冲扫描仪和数据分析处理软件组成，电极阵列是由参比电极、辅助电极和多个工作电极构成的多通道电化学电极组，数据分析处理软件安装到计算机中；将电极阵列置于待测溶液体系中，由宽频脉冲扫描仪输出若干不同频段的脉冲扫描信号，经电极阵列的参比电极和工作电极施加于待测溶液体系中，溶液产生的电流响应信号经辅助电极返回至宽频脉冲扫描仪，最后传送至数据分析处理计算机。所述的脉冲扫描信号频率为0.1Hz～1MHz。所述的宽频脉冲扫描仪包括单片机，单片机依次连接有D/A转换电路、高频脉冲调幅电路、化学电极接口、电流电压转换电路、程控放大滤波电路和A/D转换电路，化学电极接口连接有一个参比电极，一个辅助电极和多个工作电极；单片机外扩USB通讯接口和/或RS232通讯接口。所述的程控放大滤波电路包括运放电路，运放电路并联接有电阻网络和电容网络，电阻网络、电容网络分别与选择逻辑电路相接。所述的辅助电极采用铂柱电极或铂盘电极。所述的参比电极采用银/氯化银电极或甘汞电极等参比电极。所述的工作电极采用铂盘电极、金盘电极、银盘电极、钯盘电极、铜盘电极、镍盘电极、钛盘电极、铝盘电极、铁盘电极、钨盘电极等金属裸电极中的一种或几种。所述的数据分析处理软件由参数设置模块、测试模块、扫描模块、电极清洗模块、数据保存模块、文件查看模块、结果查询模块、特征参数提取模块和分析处理模块组成，其数据分析处理过程包括以下步骤(1)提取响应电流信号的特征值，即提取出每一个脉冲响应电流信号中，反映溶液带电离子特性的顶点和反映溶液氧化还原组分特性的拐点值； (2)采用多元统计分析中常用的主成分分析方法对步骤(1)获得的特征值数据进行降维处理，消除互相重叠的信息，将原变量进行转换，得到能较好表征原变量信息的新变量；(3)运用步骤(2)中得到的新变量表征和反映检测溶液的特性，实现对溶液的定性分析，从而达到溶液质量检测和真伪辨识等目的。也可采用偏最小二乘法和人工神经网络方法对步骤(1)获得的特征值数据进行分析，以获取对溶液的定量分析结果；运用模式识别方法对特征值数据进行分析处理，可以建立被检溶液的特征模型，从而实现溶液质量的检测和真伪辨识。本专利技术电化学电子舌基于宽频脉冲扫描方法，以常规脉冲为基元，将脉冲频率拓展到从0.1Hz到1MHz，输出一族频率以5或10倍的指数递增的变频脉冲扫描信号作为电化学传感器的激励信号，同时检测溶液的响应电流信号，可以有效地测定物质的总体特征以及物质间特性的差异，检测物质的浓度含量等。具有分析速度快(8分钟以内就能完成一次全频段的扫描)，频率变化范围宽(0.1Hz到1MHz)，获取信息量大等特点，是目前其它电化学分析方法及仪器所无法比拟的。适用于各种现场化学物质及体系的快速检测，能够应用于食品质量分析、食品安全检测、药品检验、环境监测和化学反恐等领域。附图说明图1为本专利技术的结构组成示意图；图2为宽频脉冲扫描仪的结构示意框图；图3为程控放大滤波电路的示意图；图4为宽频脉冲扫描仪的控制流程图；图5为数据分析处理系统的功能模块结构图；图6为脉冲响应电流信号的特征值分布；图7为常规脉冲扫描信号及其响应电流信号的波形示意图；图8为宽频脉冲扫描信号的波形示意图；图9a-图9c是不同频段响应电流信号的波形示意图。具体实施例方式如图1所示，一种基于宽频脉冲伏安法的电化学电子舌，由电极阵列、宽频脉冲扫描仪和数据分析处理软件组成，电极阵列是由参比电极、辅助电极和多个工作电极构成的多通道裸金属电极组，数据分析处理软件安装在计算机中。辅助电极采用铂柱电极或铂盘电极。参比电极采用银/氯化银电极或甘汞电极等参比电极。工作电极采用铂盘电极、金盘电极、银盘电极、钯盘电极、铜盘电极、镍盘电极、钛盘电极、铝盘电极、铁盘电极、钨盘电极等金属裸电极中的一种或几种。如图2所示，宽频脉冲扫描仪包括单片机，单片机依次连接有D/A转换电路、高频脉冲调幅电路、化学电极接口、电流电压转换电路、程控放大滤波电路和A/D转换电路，化学电极接口连接有一个参比电极，一个辅助电极和多个工作电极；单片机外扩USB通讯接口和/或RS232通讯接口。宽频脉冲扫描仪能够产生频率从0.1Hz到1MHz，以5倍或10倍的指数递增的变频脉冲扫描信号，同时能够快速采集反映被测溶液特性征的电流响应信号，通过对原始数据的特征提取和分析处理，可以分析物质的特性和浓度等。宽频脉冲扫描仪结构小巧轻便，同时具有交流电供电接口和电池供电接口。满足低功耗要求，普通6节干电池可以连续使用160小时以上。宽频脉冲扫描仪上电工作后，先进行初始化，然后根据设置的检测通道输出多个频段的脉冲扫描信号，同时根据灵敏度参数采集被测溶液体系的响应电流并进行数据的保存，再将数据通过串行接口传送到数据分析处理计算机做进一步的分析处理，其流程如图3所示。单片机采用TI公司的MSP430F1611或其它类似功能的单片机。如图4所示，程控放大滤波电路包括运放电路，运放电路并联接有电阻网络和电容网络，电阻网络、电容网络分别与选择逻辑电路相接。程控放大滤波电路可实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于宽频脉冲伏安法的电化学电子舌，其特征在于：所述的电子舌由电极阵列、宽频脉冲扫描仪和数据分析处理软件组成，电极阵列是由参比电极、辅助电极和多个工作电极构成的多通道电化学电极组，数据分析处理软件安装到计算机中；将电极阵列置于待测溶液体系中，由宽频脉冲扫描仪输出若干不同频段的脉冲扫描信号，经电极阵列的参比电极和工作电极施加于待测溶液体系中，溶液产生的电流响应信号经辅助电极返回至宽频脉冲扫描仪，最后传送至数据分析处理计算机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓萍，詹舒越，邓少平，张夏宾，田师一，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[]