電化學傳感器係統的開發需要具備固件、模擬和數字電子學知識以及對電化學的深入了解。工程部門通常不具備這種知識組合。EmStat Pico模塊隻需很少的開發時間和精力即可將標準的電化學測量，如線性掃描伏安法(LSV)、方波伏安法(SWV)或電阻抗光譜法(EIS)，集(ji)成(cheng)到(dao)單(dan)個(ge)產(chan)品(pin)中(zhong)，從(cong)而(er)使(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)跳(tiao)過(guo)學(xue)習(xi)過(guo)程(cheng)，並(bing)縮(suo)短(duan)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)。鑒(jian)於(yu)電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)市(shi)場(chang)競(jing)爭(zheng)日(ri)趨(qu)激(ji)烈(lie)，該(gai)模(mo)塊(kuai)使(shi)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)擁(yong)有(you)充(chong)足(zu)的(de)時(shi)間(jian)搶(qiang)占(zhan)營(ying)收(shou)先(xian)機(ji)。

 

本文詳細介紹了以下三種不同的電化學測量，表明可輕鬆地將該器件集成到係統中
，並示範說明了恒電勢器模塊的應用範圍：OCP (pH)
、循環伏安法和EIS。

 

係統集成

 

EmStat Pico旨在僅使用四根導線（5 V、地、發射、接收）便可集成到任何基於微控製器的係統中。圖1顯示了示例設置，前者使用Arduino MKR作為主控製器，後者使用USB到UART轉換器連接到PC。在這兩種設置中，EmStat Pico都與絲印電極(SPE)連接，用於常見的電化學測量

，如循環伏安法(CV)。

 

圖1.EmStat Pico係統集成(a)通過Arduino MKR控製
，以及(b)通過USB與UART轉換器連接直接從PC控製。

 

 

圖2所示的EmStat Pico開發板將SOM連接斷開，並添加了一係列功能
，包括：用於獨立運行的電池電源和SD卡、USB和Bluetooth®通信選項
、用於標記時間戳的實時時鍾(RTC)
、用於校準數據存儲的EEprom以及用於直接插入Arduino MKR的接頭。

 

圖2.EmStat Pico開發板。

 

軟件接口

 

對於實驗室和測試台應用，可以通過USB連接使用PSTrace PC軟件來運行EmStat Pico。

 

對於OEM應用
，可以通過UART進行通信
，主機可以使用MethodSCRIPT™ EmStat Pico腳本語言來控製EmStat Pico。 這是一個可讀腳本，用來對EmStat Pico進行編程以使用電化學技術並執行其他功能，例如循環、將數據記錄到SD、數字I/O、讀取輔助值（如溫度）以及睡眠或休眠狀態。方法腳本代碼可以在PSTrace中生成，也可以手動編寫。

 

pH值測量

 

範圍為0至14的pH值測量（酸性：0、中性：7、堿性：14）是最常見的電化學測量方法之一
，它廣泛用於從環境化學到醫療傳感器等眾多領域。通常使用針對特定氫離子的玻璃離子選擇性電極(ISE)進行測量，該電極會產生電壓響應或開路電勢(OCP)。顧名思義，OCP表示沒有任何電流或隻有極小的電流流入電極。因此
，無誤差測量要求高阻抗輸入。pH電極的建立時間可長達30秒
，並且測量值與溫度密切相關。1

典型測量參數：

 

●  電壓響應：25˚C時-59.16 mV/pH單位

●  分辨率：±0.02 pH單位

，即電壓分辨率<1.18 mV

●  溫度相關性：0.2 mV/pH單位/˚C

●  要求的輸入阻抗：>100 GΩ

設置設備：

●  EmStat Pico開發板

●  pH電極：Voltcraft PE-03

●  緩衝溶液：pH 7

●  緩衝溶液：pH 4

 

圖3. EmStat Pico開發板的pH值測量設置。

 

pH電極連接到EmStat Pico開發板的RE_0輸入端，並以WE_0為基準電壓源。注意：此方向會產生一個反向電壓響應。RE_0輸入端通過EmStat Pico上的AD8606運算放大器進行緩衝，以實現>1 TΩ的輸入阻抗。每隔20秒將電極在pH 4和pH 7緩衝溶液之間進行移動的同時，記錄2分鍾時間段內RE_0相對於WE_0的電勢。將ISE從一個緩衝溶液中取出後，先用去離子水衝洗再將其浸入另一個緩衝溶液中。

 

圖4. EmStat Pico開發板上的pH值測量。

 

pH 4和pH 7之間的電勢差為0.17 V
，這意味著電勢與pH值的線性關係的斜率為56.7 mV/pH。考慮到25˚C時的理論理想值為59.16 mV/pH單位，這表明設置擁有足夠的靈敏度。 

 

循環伏安法

 

循環伏安法技術是將電壓斜坡（如-1 V至+1 V）施加於溶液中的電極
，然後再進行反向（從+1 V至-1 V）
，同時測量通過電極的電流。這種循環法可測量因電極溶液界麵處的化學物質的氧化和還原而產生的陽極和陰極電流。2 該技術通常用於檢測並量化電活性物質，例如普魯士藍（一種常見染料）等金屬絡合物。

 

典型測量參數：

 

●  施加的電壓：-1 V至+1 V

●  步長：10 mV

●  電流響應：±10 nA至±1 mA

●  斜坡率：100 mV/s

 

設置設備：

 

●  EmStat Pico開發板

●  絲印電極(SPE)：LanPrinTech的LP-3.13.WP.350

●  SPE連接器：DS1020-03ST1D

●  鐵氰化鉀K3[Fe(III)(CN)6]

●  亞鐵氰化鉀K4[Fe(II)(CN)6]

●  氯化鉀 ClK

 

圖5.EmStat Pico開發板的循環伏安法設置。

 

在蒸餾水中製備摩爾比為1:1的鐵氰化鉀K3[Fe(III)(CN)6]和亞鐵氰化鉀K4[Fe(II)(CN)6]（各5 mmol/L）的溶液

，並以0.1 mol/L氯化鉀作為支持電解質。

 

離子[Fe(II)(CN)6]4–可被正電勢氧化為[Fe(III)(CN)6]3–，而[Fe(III)(CN)6]3–可被負電勢還原為[Fe(III)(CN)6]4–。這種氧化還原的可逆反應使該溶液適合於CV測量演示。

 

使用EmStat Pico開發板的螺絲端子(CON4)將SPE連接器置於PSTAT_0通道中。將200 µL的鐵氰化物:亞鐵氰化物溶液滴劑滴到SPE的活性表麵上。

 

使用以下測量參數將EmStat Pico設置在PSTAT_0中運行CV
，施加的電壓：-0.4 V 至+0.7 V
；步長：10 mV；斜坡率：100 mV/s。使用PSTrace記錄數據。

 

結果

 

圖6.使用EmStat Pico的PSTAT_0在SPE上的5 mM鐵氰化物:亞鐵氰化物循環伏安法。

 

圖6中的循環伏安圖顯示，由於[Fe(II)(CN)6]4–氧化為[Fe(III)(CN)6]3–，施加的電勢為+340 mV時，電流峰值為+0.163 mA。在-80 mV處出現的-0.15 mA的負電流峰值是由反向還原過程所致。電流的幅度與電活性物質的濃度成正比
，因此該技術適合於檢測應用。峰值電勢的平均值(180 mV)是形式電勢；即還原反應或氧化反應的主導地位發生改變時的電勢。

 

EIS

 

電阻抗光譜法(EIS)通常用於檢查腐蝕界麵或電池電極等表麵的界麵化學性能。通常通過施加一個小的正弦波電勢並在低於1 Hz到MHz的頻率範圍內測量電流響應來完成。3

 

電化學界麵模型可以采用一個電路元件組合來構建。最簡單的模型是Randles電路，包含兩個電阻和一個電容。代表擴散的Warburg元件被略去，因為沒有與之等效的電路元件。PalmSens虛設單元具有三個測試電路
，包括一個Randles單元
，其標稱值如圖8c所示。在這裏，Rs代表溶液（電解質）電阻
，Cdl代表雙層（界麵）電容，Rct代表電荷轉移（界麵）電阻。

 

EIS數據通常以奈奎斯特或波特圖表示，然後使用數學電路擬合來確定等效電路的元件值。

 

典型測量參數：

 

●  激勵電壓：10 mV p-p正弦波

●  失調電壓：100 mV

●  頻率範圍：0.1 Hz至100 kHz

●  電流響應：±100 nA至±1 mA

 

設置設備：

 

●  EmStat Pico開發板

●  傳感器電纜：PalmSens傳感器電纜

●  Randles等效電路：PalmSens虛設單元

 

圖7.EmStat Pico開發板的電阻抗光譜法(EIS)設置。

 

將傳感器電纜插入EmStat Pico開發板的CON8，並將鱷魚夾連接器連接到Randles虛設單元
，如圖7所示。

 

圖8.EmStat Pico測量PalmSens虛設Randles電路的EIS結果如以下圖表所示：(a)波特圖、(b)采用擬合模型得到的奈奎斯特圖
、(c)Randles電路模型以及(d)由擬合模型計算得出的電路參數。

 

通過采用Levenberg-Marquardt算法的PSTrace等效電路擬合來計算電路中的電子元件的數值。

 

結果

 

圖8b中藍色所示為數據的奈奎斯特圖，橙色所示為數據擬合的理論模型。根據模型計算出的等效電路元件值如圖8d所示。這些值與虛設單元的標稱值嚴格匹配。注意：電阻容差為0.1%，電容容差為5%。

 

結論

 

EmStat Pico是shi一yi款kuan用yong戶hu可ke配pei置zhi的de通tong用yong型xing恒heng電dian勢shi器qi，它ta能neng夠gou執zhi行xing大da多duo數shu常chang見jian的de電dian化hua學xue測ce量liang。它ta采cai用yong小xiao尺chi寸cun的de係xi統tong化hua模mo塊kuai封feng裝zhuang，適shi合he集ji成cheng到dao小xiao型xing檢jian測ce係xi統tong中zhong。該gai器qi件jian采cai用yongADI技術構建，包括ADuCM355、AD8606

、ADT7420和ADP166。

 

參考文獻

 

1 Tim Meirose.《pH值測量概要》
，Thermo Fischer Scientific，2019年。

2 Allen J. Bard和Larry R. Faulkner.《電化學方法：基本原理與應用》，第2卷。紐約：John Wiley & Sons, Inc.
，2000年12月。

3 Evgenij Barsoukov和J. Ross Macdonald.《阻抗譜分析：理論

、 實驗和應用》，John Wiley & Sons, Inc.，2005年3月。

 

作者簡介

 

Lutz Stratmann是PalmSens BV的電化學家，自2014年起便在那裏工作。2013年
，他獲得了波鴻魯爾大學免疫傳感器研發博士學位。聯係方式：lutz@palmsens.com。

 

Brendan Heery是PalmSens BV的硬件工程師
，自2015年起便在那裏工作。2018年，他獲得了都柏林城市大學環境傳感器研發博士學位。聯係方式：brendan@palmsens.com。

 

Brian Coffey於1999年畢業於利默裏克大學，獲得計算機工程學士學位，擁有超過20年的半導體行業經驗。他曾擔任過多種工程

、工程管理和營銷管理職位，目前是ADI公司分子傳感器部的產品營銷經理，工作地點在愛爾蘭利默裏克。Brian於2011年獲得利默裏克大學工商管理碩士學位。除了在ADI公司的職位外，他還是愛爾蘭微電子協會MIDAS的副總經理。Brian業餘時間喜歡指導愛爾蘭式曲棍球和蓋爾式足球運動。聯係方式：brian.coffey@analog.com。

 

 

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