一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法，涉及重金属离子浓度分析设备

【技术实现步骤摘要】
一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法


[0001]本专利技术涉及重金属离子浓度分析设备，尤其涉及一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法
。

技术介绍

[0002]目前适用于重金属离子检测的方法主要包括质谱法
、
光谱法
、
生物检测法和电化学分析法等
。
上述方法都有着良好的检测精度，但是一些方法在实际应用上存在一定程度的局限性
。
例如，质谱法
、
光谱法需要经过训练的专业人员使用高昂的设备在实验室中进行，这使得这些方法几乎无法应用于重金属离子的现场检测
。
生物检测法对检测环境的要求十分严苛，并且只能单一测量某一种元素，也不适用于现场检测
。
电化学分析技术具有成本低
、
操作简单
、
分析快速等优点，并且随着现在半导体技术的进步，使电化学检测设备更加小型化
、
集成化，极大地提高了现场检测的便携性和精度，因此电化学分析技术在现场检测方面具有很大的潜力
。
[0003]现如今使用电化学方法检测痕量重金属离子需要依赖于商用台式设备，这些商用台式电化学检测设备体积通常较大，并且需要固定电源和在实验室条件下才能进行检测，而其高昂的成本也提高了使用门槛
。
因此，研制一台高精度
、
稳定性良好
、
成本适当并且能够在非实验室条件下重金属检测仪是十分有必要的，这能够方便研究人员在现场实时对环境水体中的重金属离子进行检测，及时高效地发现污染源，实现从源头治理，提高重金属污染治理效率
。

技术实现思路

[0004]为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种痕量重金属离子浓度分析仪及测量方法
。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种痕量重金属离子浓度分析仪，包括：
[0007]主控芯片模块，包括微控制单元，所述微控制单元用于输出数字信号；所述主控芯片模块通过接口连接至上位机；
[0008]激励信号模块，包括数模转换单元和第一信号调理单元，所述数模转换单元用于将数字信号转换为模拟信号，所述第一信号调理单元用于对模拟信号进行滤波处理，并输出激励信号；
[0009]模拟前端模块，包括恒电位仪电路
PTC
和跨阻放大电路
TIA
；所述恒电位仪电路连接参比电极
RE
和对电极
CE
，用于根据激励信号控制待测溶液中的电压值；所述跨阻放大电路连接工作电极
WE
，用于采集并放大微电流信号，以及将微电流信号转换为电压信号；
[0010]信号检测模块，包括模数转换单元和第二信号调理单元，所述第二信号调理单元用于对电压信号进行滤波处理，所述模数转换单元用于将滤波处理后的电压信号转换为数字信号，并将该数字信号传输至微控制单元；
[0011]电源管理模块，用于为痕量重金属离子浓度分析仪中的各模块供电；
[0012]其中，参比电极
、
对电极和工作电极均与三电极传感器连接，在检测分析过程中，所述三电极传感器浸没在待测溶液中
。
[0013]进一步地，所述微控制单元采用型号为
STM32F407
的芯片来实现，基于
HAL
库对主控芯片模块进行开发，基于
PyGObject
开源项目进行上位机框架的开发；
[0014]通过上位机选择不同的检测方法进行重金属离子的检测，其中检测方法包括方波阳极溶出伏安法
、
方波伏安法
、
差分脉冲伏安法
。
[0015]进一步地，所述参比电极的材料为
Ag/AgCl
，所述对电极的材料为铂金属，所述工作电极的材料为石墨烯
、
平面金或者石墨烯金纳米材料
。
[0016]进一步地，所述工作电极为石墨烯金纳米颗粒电极
。
[0017]进一步地，所述恒电位仪电路包括第一放大器
、
第二放大器
、
第一电阻和第二电阻；
[0018]所述第二电阻的一端输入激励信号，所述第二电阻的另一端连接所述第一放大器的反相输入端，所述第一放大器的同相输入端接地，所述第一放大器的输出端连接对电极；
[0019]所述第一电阻的一端输入激励信号，所述第一电阻的另一端连接所述第二放大器的输出端，所述第二放大器的同相输入端连接参比电极，所述第二放大器的反相输入端连接所述第二放大器的输出端
。
[0020]进一步地，所述跨阻放大电路包括第三放大器和可调电阻；
[0021]所述第三放大器的反相输入端连接工作电极，所述第三放大器的同相输入端接地，所述第三放大器的输出端输出电压信号；所述可调电阻的一端连接在所述第三放大器的反相输入端，所述可调电阻的另一端连接在所述第三放大器的输出端；
[0022]所述可调电阻包括多种阻值，通过模拟开关选择不同的阻值
。
[0023]进一步地，所述数模转换单元采用型号为
MAX5444
的芯片来实现，所述模数转换单元采用型号为
ADS1255
的芯片来实现；所述第一信号调理单元和所述第二信号调理单元均为二阶低通滤波电路
。
[0024]本专利技术所采用的另一技术方案是：
[0025]一种痕量重金属离子浓度检测方法，包括以下步骤：
[0026]采集水样，采用预设的缓冲溶液对采集的水样进行稀释，获得待测液体，将三电极传感器浸没在待测溶液中；
[0027]通过上位机选择检测方法，并启动痕量重金属离子浓度分析仪，获得检测信号；
[0028]根据检测信号和预设的标准曲线获得检测结果；
[0029]其中，所述痕量重金属离子浓度分析仪为上所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪
。
[0030]进一步地，所述标准曲线通过以下方式绘制获得：
[0031]获取
50mL
缓冲溶液；
[0032]逐滴将5μ
L 0.1g/L
的重金属离子溶液滴入
50mL
缓冲溶液中；
[0033]记录每滴一次重金属离子溶液对应的电量信号，并绘制获得标准曲线
。
[0034]进一步地，所述缓冲溶为醋酸
‑
醋酸钠缓冲溶液
。
[0035]本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的仪器能够实现对重金属离子的痕量检测，有
着高精度
、
高灵敏度和低成本等优势；另外，通过与丝网印刷三电极结合使用，能够在重金属离子的现场检测中发挥重要作用
。
附图说明
[0036]为了更清楚地说明本专利技术实施例或者现有技术中的技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，包括：主控芯片模块，包括微控制单元，所述微控制单元用于输出数字信号；所述主控芯片模块通过接口连接至上位机；激励信号模块，包括数模转换单元和第一信号调理单元，所述数模转换单元用于将数字信号转换为模拟信号，所述第一信号调理单元用于对模拟信号进行滤波处理，并输出激励信号；模拟前端模块，包括恒电位仪电路和跨阻放大电路；所述恒电位仪电路连接参比电极和对电极，用于根据激励信号控制待测溶液中的电压值；所述跨阻放大电路连接工作电极，用于采集并放大微电流信号，以及将微电流信号转换为电压信号；信号检测模块，包括模数转换单元和第二信号调理单元，所述第二信号调理单元用于对电压信号进行滤波处理，所述模数转换单元用于将滤波处理后的电压信号转换为数字信号，并将该数字信号传输至微控制单元；其中，参比电极
、
对电极和工作电极均与三电极传感器连接，在检测分析过程中，所述三电极传感器浸没在待测溶液中
。2.
根据权利要求1所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述微控制单元采用型号为
STM32F407
的芯片来实现，基于
HAL
库对主控芯片模块进行开发，基于
PyGObject
开源项目进行上位机框架的开发；通过上位机选择不同的检测方法进行重金属离子的检测，其中检测方法包括方波阳极溶出伏安法
、
方波伏安法
、
差分脉冲伏安法
。3.
根据权利要求1所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述参比电极的材料为
Ag/AgCl
，所述对电极的材料为铂金属，所述工作电极的材料为石墨烯
、
平面金或者石墨烯金纳米材料
。4.
根据权利要求3所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述工作电极为石墨烯金纳米颗粒电极
。5.
根据权利要求1所述的一种痕量重金属离子浓度分析仪，其特征在于，所述恒电位仪电路包括第一放大器
、
第二放大器
、
第一电阻和第二电阻；所述第二电阻的一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，高鋆函，邓宇珩，袁剑英，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：