多离子浓度检测芯片与判断溶液中多种离子浓度的方法技术

本发明专利技术提供了一种多离子浓度检测芯片，包括FPC接口、分立的第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管、参比电极和多种SC

【技术实现步骤摘要】
多离子浓度检测芯片与判断溶液中多种离子浓度的方法


[0001]本专利技术涉及离子浓度测量方法，尤其涉及一种多离子浓度检测芯片与判断溶液中多种离子浓度的方法。

技术介绍

[0002]水是生命之源，人类社会生活涉及的各领域都离不开水，且对水质提出个性化的需求。水产养殖行业对水中的溶解氧、pH值和温度等参数有严格的把控，这些是水生动物们生存的重要指标[4]。生物医疗领域将检人类体液中的生物标记物如K+,Ca2+,Mg2+,NH4+等离子或分子，贡献于初步的身体代谢状态检测与复杂的心脏功能研究等[4
‑
6]。
[0003]水质检测技术在广泛的应用需求驱动下发展迅速。检测技术可以按照目标物分类，如针对水中病原体微生物常用polymerase chain reaction技术[7]，针对生物大分子如核酸、蛋白等常采用electrophoresis技术[8]。然而，水中物质多以离子形态存在，对水中各种离子的检测技术内涵广泛。基础地，常用络合滴定进行离子的定性与定量，其原理简单但滴定终点误差大。有报道采用分光光度法检测还原后的亚硝酸盐，也有结合原子吸收的分光光度法检测血清钙，存在易受干扰，分析设备昂贵的问题[9
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10]。此外电位滴定法、示波极谱法等被用来进行离子检测，也存在需要实验室环境，不可实时监测等缺点。
[0004]离子选择性电极是化学传感器的一个重要分支，其检测原理通常基于离子选择性敏感膜的零电流开路电位与待测离子的活度关系符合能斯特(Nernst)方程，因此得到零电流开路电位可以计算待测离子活度。目前,聚合物膜离子选择性电极是研究最为活跃的离子选择性电极,主要包括液体接触式电极和全固态电极两类。
[0005]液体接触式电极将选择性敏感膜，贴在内充液和待测溶液之间的电极管外壁底部，在电极管内配一定浓度的溶液，和工作电极。另一根无敏感膜电极作为参比电极。两根电极同时插入待测溶液中，提供电势差信号，另一端接入电位计中读数。
[0006]全固态电极将敏感膜覆盖在起电子感应作用的材料上，如金属、导电碳等。工作区域浸入待测溶液，将电压信号直接通过金属传导，接入电位计中。
[0007]这两种电极都是孤立的感应器件，需要外接电路才能读出电压信号。
[0008]固态离子选择性电极(SC
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ISE)具备避免上述各缺点的潜力，可满足环境监测和生物流体分析等快速离子检测的需求[11]。这是一种无污染，被动的检测方式，可以将初级离子的活度转为电势。由于其体积小，可集成性好，成本低等优势，ISEs在医学、环境、可穿戴设备等领域有广阔应用前景[12,13]。
[0009]依据ISE特异性，人们通常组合多个选择性不同的ISEs实现多离子传感。但由于ISEs对离子的选择性不是理想的，物理化学性能相似的干扰离子会对ISEs的电势产生影响，导致解算的离子活度失真。Otto M团队提出对拓展能斯特方程(Nikolskii formula)进行矩阵运算的方法，如下：
[0010][0011]Or
[0012][0013]再利用几个ISEs构成活度向量与响应参数的矩阵，在误差10％下解算了离子浓度。实验标定过程较复杂，存在主分析物浓度低时的不显著问题。Duarte L T团队采用贝叶斯非线性盲源分离算法，分离了Na+，NH4+，K+独立的信息[14]，这一工作假设信号源都是独立的，而实际上各离子将相互影响，使产生的电势随活度分布不同而变化。Gallardo J团队采用无选择性的多个ISE捕获混合信号，训练人工神经网络获取映射规律，这种方案忽略了ISEs的选择性对信号源独立性的贡献。Mimendia A团队在实验室中利用ANN对特异性的ISEs进行训练，实现实时河流水环境无线监测。[16]Cho W J团队水培环境检测中，同样采用了特异性ISEs，利用自动数据采集系统自动训练ANN，结合TPN归一化方法，实现多离子解算。[17][0014]这些方法几乎都是从信号处理的角度，对混合信号进行分解，缺乏从反应现象和实验动力学角度的探索。且目前报导的多离子组合检测方案，通常是基于液接形ISEs实现，集成度有提升的空间。
[0015]综上，现有实现离子浓度测量的方案存在以下缺陷：
[0016]1、现有实现离子选择性电极阵列并实现算法校正的方案几乎采用多个液体接触型电极组合而成，传感器体积大，需要夹具等，待测溶液也因此需要较大的液体环境。导致传感器只能在固定的实验室环境测试，可集成性差。而采用固体选择性电极的方案，通常只是传感电极孤立地实现目标离子传感，无法排除干扰。
[0017]2、现有实现离子浓度解算的方法，大多采用神经网络算法，需要大量的训练数据集以及数千次的训练过程，才能达到较好的拟合效果，效率较低，需要占用较多的计算资源。意味着很难在不使用昂贵计算芯片的单片机上实现，限制了集成度。而采用统计信号处理的方法，容易忽略电极本身对离子的选择性信息，
[0018]导致结果准确度不够高，且理论计算复杂。
[0019]参考文献如下：
[0020][1]Gunnarsdottir M J,Gardarsson S M,Figueras M J,et al.Water safety plan enhancements with improved drinking water quality detection techniques[J].Science of the total environment,2020,698:134185.
[0021][2]Wen X,Chen F,Lin Y,et al.Microbial indicators and their use for monitoring drinking water quality—A review[J].Sustainability,2020,12(6):2249.
[0022][3]Clark R M,Hakim S.Public
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Private Partnerships and Their Application to US Drinking Water Systems[J].Public Private Partnerships:Construction,Protection,and Rehabilitation of Critical Infrastructure,2019:281
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289.
[0023][4]Huan J,Li H,Wu F,et al.Design of water quality monitoring system for aquaculture ponds based on NB
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IoT[J].Aquacultural Engineering,2020,90:102088.
[0024][5]Bellando F,Garcia
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Corde本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多离子浓度检测芯片，其特征在于：包括FPC接口、分立的第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管、参比电极和多种SC
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ISE组成的多通道传感阵列，SC
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ISE为固体接触型离子选择性电极，所述第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管、参比电极、多通道传感阵列分别通过导线与所述FPC接口连接。2.根据权利要求1所述的多离子浓度检测芯片，其特征在于：所述多通道传感阵列包括至少两个传感单元，所述传感单元包括容器和固体接触型离子选择性电极，所述固体接触型离子选择性电极设置在所述容器之内，所述容器之内设有敏感膜，所述固体接触型离子选择性电极至少有两个并检测所述敏感膜的不同位点的电压。3.一种判断溶液中多种离子浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、电极重置；S2、电极浓度标定；S3、比例因子模型建立；S4、未知溶液测试；S5、曲面法解模型方程；S6、多通道信息组合；S7、多离子浓度显示。4.根据权利要求3所述的判断溶液中多种离子浓度的方法，其特征在于：在步骤S1中，将离子选择性电极浸入纯水中重置，以清洗膜上残留的离子；步骤S2包括以下子步骤：S21、准备标定组溶液；S22、准备测试组溶液；S23、将检测芯片从低浓度到高浓度依次浸入标定组的纯溶液中，浸入溶液时，离子选择性电极表面电势将变大，与同时浸入溶液中的参比电极形成回路，读出离子选择性电极与参比电极的电势差。5.根据权利要求4所述的判断溶液中多种离子浓度的方法，其特征在于：在步骤S3中，根据步骤S2中得到的离子选择性电极与参比电极的电势差，建立比例因子模型如下：离子1浓度对数为x1，电极1的响应电势差为y1，电极1的电势差漂移为a，电极1对离子1的响应度为a1，电极1对离子2的响应度为a2；离子2浓度对数为x2，电极2的响应电势差为y2，电极2的电势差漂移为b，电极2对自身目标离子的响应度为b1，电极2对电极1目标离子的响应度为b2；其中，y1,y2在测...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，刘兴慧，麦展程，张威，
申请(专利权)人：广科知微广东传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：