一种基于电化学检测的实验教学设备制造技术

本发明专利技术公开了一种基于电化学检测的实验教学设备，其特点是将电极固定单元、检测单元、控制单元、传感器和流通池采用一体化设计，集成为微型化的电化学钠离子浓度检测教学装置，所述检测单元接收传感器传感器信号，实现对样品的信号采集；所述控制单元控制检测单元采集离子选择性传感器信号，完成电化学检测；所述流通池根据不同实验控制电极修饰试剂或待检测试剂覆盖指定电极，控制实验过程的样品检测。本发明专利技术与现有技术相比具有结构简单，可实现多学科实验内容交互，培养学生学习兴趣、创新意识，弥补中小学教育知识内割裂，实验操作单一的不足，解决了样品消耗大、仪器庞大、操作冗杂的问题，具有良好的商业应用前景。具有良好的商业应用前景。具有良好的商业应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电化学检测的实验教学设备


[0001]本专利技术涉及电化学检测设备
，尤其是一种便携式微型化电位型电化学钠离子浓度检测的教学设备。
[0002]化学课本中介绍了有关电化学原理的相关知识，但是其内容偏向于理论分析，不利于学生掌握电化学检测的常用技术方法。为了夯实基础，开齐开足开好课程标准规定实验，切实扭转忽视实验教学的倾向，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式，注重实效，强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造，着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养和意志品质。电化学实验方式丰富、操作简单，能够激发学生的学习兴趣、动手能力、创新能力等。并且电化学作为化学学科的一个分支，已经不仅仅局限于化学方面的知识，其融合了化学、生物、物理等多学科知识，使学生进行实验时能够更加容易的将多学科知识融合，锻炼学生综合实践能力。
[0003]电化学传感技术是由化学、物理、生物、医学、电子等多门学科技术相互渗透而成长起来的一门新兴学科，电化学传感器具有灵敏度高、分析速度快、可在线连续监测、仪器成本低等特点，被广泛用于环境检测、生命科学、生物医学及食品安全等多个领域。电化学传感设备主要由两个集成部分组成:传感部分和电子电路部分。传感部分是带有功能化电极的传感组件，用于将分析物浓度转化为电信号;电子电路部分用于处理、计算和传输这些信号，以便于终端设备读取。由于电化学检测电路设计所需元器件较少、电路整体复杂度不高，电化学传感部分便于实现小型化、轻量化，电化学检测技术在离子检测领域的检测优势已经得到广泛肯定。
[0004]离子选择性电极作为经典的电位分析技术，聚合物离子选择性膜通过内充液、内参比电极共同构成了离子选择性电极检测体系的指示电极，通过与外参比电极构成的回路系统，实现对目标离子活度的直接检测。当离子选择性电极浸入待测离子溶液时，只有待测离子可以被允许到达离子选择性敏感膜内部，其它离子则被排斥在膜外。由于待测离子带有电荷，待测离子在进入膜相的过程中，会在聚合物膜/水相呈现不均匀分布，从而产生相间电位。由于内充液中含有一定活度的目标离子溶液，因此聚合物膜内部电位保持恒定。通过对离子选择性电极电位的直接测定，可以间接求出待测溶液中目标离子的活度。
[0005]现有技术的电化学检测装置价格昂贵，操作复杂，理解难度高出现的样品消耗大、仪器庞大、操作冗杂等问题。设计一台结合中小学教育特点，面向生命领域需求，基于电化学检测原理的综合实验教育装备，开发集物理电化学检测于一体的化学反应实验的综合实验教育装备，弥补目前实验操作单一，提高和培养学生学习兴趣和创新意识。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于电化学检测的实验教学设备，采用集物理和电化学检测为一体的综合实验教育装备，将电极固定单元、检测单元、控制单元、离子选择性传感器和微流控流通池采用一体化设计，该实验教学仪器结合了中
小学教育特点，面向生命领域需求，基于电化学检测原理和化学反应实验，可用于钠离子浓度检测，弥补目前中小学教育知识内割裂，实验操作单一的不足，教学仪器结构简单，可实现多学科实验内容交互，培养学生学习兴趣、创新意识，可以广泛应用于人体汗液钠离子浓度的检测，具备较好的灵敏度，检测方便，可以随时随地实现人体健康监测，同时解决传统人体汗液钠离子浓度监测中出现的样品消耗大、仪器庞大、操作冗杂的问题，具有良好的商业应用前景。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：一种基于电化学检测的实验教学设备，其特点是该实验教学设备包括：电极固定单元、检测单元、控制单元和传感单元(离子选择性电极)，所述离子选择性电极通过插卡的方式与电极固定单元连接；所述离子选择性电极和检测单元以电极固定单元作为中介连接；所述控制单元包括：信号调理模块和中央处理模块。
[0008]所述电极固定单元和检测单元采用一体化设计，将电极固定、电化学检测实现和电极信号采集等多项功能集合在一个小型电化学设备中，电极固定单元和检测单元整体使用树脂材料3D打印而成，前端为电极固定部分，此部分配有卡槽和电极引线，实验时将制备完成的离子选择性电极插入电极固定孔。此时，离子选择性电极的工作电极、参比电极、辅助电极即可以通过孔内安装的电极触片连接至电化学检测电路，电化学检测电路连接至控制单元，通过信号调理模块和中央处理模块，实现对离子选择性电极表面电化学反应的控制，快速实现对一个样品的开路电压
‑
时间曲线的检测。
[0009]进一步的，本实验教学设备将信号调理模块中的信号放大电路各个接口连接至外壳表面，形成人工操作界面，界面主要包括：电源开关、参比电极电压孔（V
参
）、量程输入孔（Vi）、量程选择孔a（Vi1‑4）、量程选择孔b（Vo1‑4）、电压信号输出孔（Vo）、接地口（GND），各个孔之间可以使用香蕉导线进行相连。人工操作界面预留的孔可供学生进行操作，对于不同浓度的待测Na
+
溶液，学生可以手动选择量程，本实验教学仪器提供了四个量程的选择，量程一：不放大电压，检测范围为
‑
0.7v至0.7v；量程二：将电压放大4.7倍，检测范围为
‑
0.15v至0.15v；量程三：将电压放大10倍，检测范围为
‑
0.07v至0.07v；量程四：将电压放大100倍，检测范围为
‑
0.007v至0.007v。量程的选择可以通过香蕉导线将量程输入孔Vi与量程选择孔Vi1‑4的任意一个孔相连，以及连接Vo与Vo1‑4的任意一个孔，这样既可以锻炼学生动手能力，也能让学生更加深入的学习到电化学检测的原理。并且学生可以通过电压表测量电压信号输出孔（Vo）和参比电极电压孔（V
参
）的比值，从而验证量程是否选择正确，Vo的值可以与上位机检测到的数据做比较，验证实验教学仪器的检测准确性。当实验教学仪器不做电化学检测时，学生可以将电压信号输入孔（V
参
）连接至电压源，通过选择量程放大电压，并且使用电压表检测电压信号输出孔（Vo）的电压。此时，可以用来做物理、电化学实验，也可以在仪器调节过程中熟悉电路原理，实现了装置的多功能使用。
[0010]所述控制单元负责协调信号调理电路与检测单元和中央处理模块的连接，实时控制实验的开始、暂停、继续、停止步骤，得到检测过程中多个浓度钠离子溶液的时间电压曲线，根据时间电压曲线得到浓度与电压的关系，最后根据此关系，即可测量并计算待测溶液的钠离子浓度。
[0011]所述离子选择性电极的制备方法，具体步骤为：选择合适的三电极体系作为钠离子选择性电极地基础制作材料；2）根据实际需求对电极进行纳米金修饰，依次将钠离子载体X、四[3,5
‑
双(三氟甲
基)苯基]硼酸钠(Na
‑
TFPB)、癸二酸二正辛酯(DOS)溶解到四氢呋喃(THF)中，用涡旋混匀器搅拌5m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电化学检测的实验教学设备，其特征在于，将电极固定单元、检测单元、控制单元、离子选择性传感器和微流控流通池采用一体化设计，集成为微型化的电化学钠离子浓度检测的教学装置，所述离子选择性传感器与电极固定单元为插卡方式连接，通过电极固定单元固定离子选择性传感器；所述检测单元为电化学检测电路，且由电极固定单元为中介与离子选择性传感器连接，通过电极引线接收离子选择性传感器传感器信号，实现对样品的信号采集；所述控制单元由信号调理模块和中央处理模块组成，且由信号调理模块与检测单元连接，控制检测单元采集离子选择性传感器信号，分别完成电路调试和电化学检测；所述微流控流通池设置在离子选择性传感器的正上方，根据不同实验控制电极修饰试剂或待检测试剂覆盖指定电极，控制实验过程的样品检测。2.根据权利要求1所述基于电化学检测的实验教学设备，其特征在于，所述离子选择性传感器的制备具体包括如下步骤：1) 选择Au
‑
Au
‑
Ag/AgCl三电极体系作为钠离子选择性电极地基础制作材料；2)依次将0.005～0.0020g钠离子载体X、0.0002～0.0010g Na
‑
TFPB和0.03～0.07g DOS溶解到0.5～1 mL四氢呋喃中搅拌5min，然后超声振荡30min，使其完全溶解，所述钠离子载体X为4
‑
叔丁基杯[4]芳烃
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四乙酸四乙酯；3)向上述溶液中加入0.02～0.05g PVC搅拌使其溶解，得到离子选择性膜溶液；4)每次滴加3～5ul分三次将离子选择性...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛耀锋，邱奕盛，朱芳清，王坤，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：