快速檢測(cè)水中多氯聯(lián)苯含量的電化學(xué)免疫傳感器設(shè)計(jì)

劉源等

摘要：檢測(cè)水中多氯聯(lián)苯含量傳感器由電化學(xué)三電極、信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和顯示單元組成。采用示差脈沖法，在單片機(jī)的控制下，為三電極提供-0.3～0.6 V連續(xù)變化電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三電極系統(tǒng)中待測(cè)液發(fā)生氧化/還原反應(yīng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多氯聯(lián)苯含量的快速檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：多氯聯(lián)苯； 電化學(xué)三電極系統(tǒng)； 免疫傳感器； 示差脈沖法

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）18-4593-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.052

多氯聯(lián)苯是一種持久性有機(jī)污染物，具有難降解和生物毒性大的特點(diǎn)[1]，其通常存在于水和土壤中。電化學(xué)免疫傳感器是基于抗原抗體反應(yīng)的，可進(jìn)行特異性的定量或半定量分析的自給式的集成器件。抗原/抗體是分子識(shí)別元件，且與電化學(xué)傳感元件直接接觸，并通過傳感元件將某種或者某類化學(xué)物質(zhì)濃度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)[2]。電化學(xué)免疫傳感器是基于在恒電位下電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)引起電流的變化來測(cè)定溶液中相應(yīng)的待測(cè)物質(zhì)的濃度。本研究設(shè)計(jì)了快速檢測(cè)水中多氯聯(lián)苯含量的電化學(xué)免疫傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多氯聯(lián)苯含量的快速檢測(cè)。

1 DPV原理

DPV是示差脈沖法的簡(jiǎn)稱。該方法是在工作電流上施加一個(gè)線性變化的直流電壓，并用時(shí)間控制器同步在間隔一定時(shí)間后疊加一矩形脈沖電壓，并且采用兩次電流取樣的方法，記錄脈沖加入前20 ms和脈沖終止前20 ms時(shí)的電流差值，檢測(cè)靈敏度較高。

2 電化學(xué)免疫傳感器的組成及工作原理

電化學(xué)免疫傳感器由電化學(xué)三電極系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。當(dāng)三電極放入待測(cè)溶液中，由單片機(jī)控制，給三電極提供-0.3～0.6 V連續(xù)變化電壓信號(hào)，通過恒電位電路將外部激勵(lì)信號(hào)準(zhǔn)確地施加于電化學(xué)三電極傳感器上，驅(qū)動(dòng)樣品溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并對(duì)產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)做相應(yīng)的處理（即信號(hào)IV轉(zhuǎn)換、放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換等）后傳送到單片機(jī)內(nèi)核，經(jīng)過計(jì)算數(shù)據(jù)處理后找到峰電流。根據(jù)峰電流的變化可以測(cè)定溶液中多氯聯(lián)苯的含量。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 電化學(xué)三電極系統(tǒng) 設(shè)計(jì)采用電化學(xué)三電極系統(tǒng)，工作電極（WE）為石英晶體金電極、甘汞作參比電極（RE）、鉑作輔助電極（AE）。在工作電極的表面會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，而參比電極在沒有電流通過的前提下用來維持工作電極與參比電極間電壓的恒定，從而使得輔助電極輸出反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)，再由測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大[3，4]。電解液的成分為氯化鉀、PBS與鐵氰化鉀或亞鐵氰化鉀的混合溶液。電極作為敏感元件，它是將多氯聯(lián)苯抗原固定在電極表面上，利用抗原間特異性反應(yīng)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的變化。當(dāng)電極上抗體與抗原發(fā)生反應(yīng)，形成抗原-抗體絡(luò)合物后，峰電流發(fā)生變化。

3.1.2 恒電位電路設(shè)計(jì) 恒電位電路用來維持工作電極和參比電極間電位差恒定的，如圖1所示。將參比電極電位加到控制放大器的反向端，控制放大器的輸入端接地作為基準(zhǔn)電位，控制放大器的輸出端接輔助電極而形成閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電極中電流變化時(shí)，參比電位相對(duì)于工作電極電位的任何微小變化，均將為電路的電壓負(fù)反饋所糾正，從而達(dá)到自動(dòng)恒定電位的目的[5-7]。

3.1.3 信號(hào)采集與處理系統(tǒng) 信號(hào)采集與處理系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換模塊的C8051F340、電壓反向器、控制放大器、2個(gè)電壓跟隨器和I/V轉(zhuǎn)換及低通濾波構(gòu)成（圖2）。恒電位電路使工作電極和參比電極間的電壓保持恒定后。通過輔助電極采集電流信號(hào)，經(jīng)過IV轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路后輸入帶有A/D轉(zhuǎn)換模塊的C8051F340進(jìn)行轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，將結(jié)果顯示出來。

3.1.4 信號(hào)掃描 該部分的硬件電路如圖3所示。由單片機(jī)給出循環(huán)伏安法激勵(lì)信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換、光電隔離、放大電路，傳送到恒電位電路，給三電極提供-0.3～0.6 V連續(xù)變化電壓信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)作用于恒電位電路。

3.1.5 顯示模塊設(shè)計(jì) 顯示模塊由LCD1602液晶顯示屏與外圍接口組成（圖4）。其中LCD1602液晶屏為通用的液晶顯示屏。顯示模塊的接口設(shè)計(jì)中，將LCD1602的數(shù)據(jù)接口即（Data0-Data7）與C8051F340 MCU的P0口相連。將LCD1602的電源通過電源濾波和抗干擾電路與5 V電源輸入相連接。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序設(shè)計(jì) 單片機(jī)的主程序是由數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生程序和顯示程序組成（圖5）所示。該程序的關(guān)鍵是按DPV法的要求，在分別在脈沖加入前20 ms和脈沖終止前20 ms時(shí)進(jìn)行采樣。數(shù)據(jù)處理程序完成對(duì)每次采集的數(shù)據(jù)處理，找到-0.3～0.6 V范圍內(nèi)的電流的極大峰值。

3.2.2 循環(huán)掃描（激勵(lì)信號(hào)）程序設(shè)計(jì) 由單片機(jī)控制形成從-0.3～0.6 V范圍內(nèi)的掃描信號(hào)，是由一個(gè)線性變化的直流電壓，并用時(shí)間控制器同步在間隔一定時(shí)間后疊加一個(gè)振幅為5～100 mV、持續(xù)時(shí)間為40～80 ms的矩形脈沖電壓，形成如圖6所示的激勵(lì)信號(hào)。

4 系統(tǒng)的測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試條件和方法

測(cè)試前將不含多氯聯(lián)苯元素的樣品測(cè)試所得的峰電流值作為空白，利用該傳感器對(duì)不同多氯聯(lián)苯元素濃度含量進(jìn)行測(cè)試測(cè)試。首先，將含有一定量多氯聯(lián)苯的養(yǎng)殖水加入到樣品池中，然后，連接好電路，把膜修飾電極在該溶液中靜置12 min，在 -0.3～0.6 V間進(jìn)行掃描，掃描速度控制在0.10 V/s，測(cè)得多氯聯(lián)苯濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。每次掃描結(jié)束后，將電極置于PBS緩沖溶液中，更新電極表面，使電極有良好的重現(xiàn)性。

4.2 相關(guān)系數(shù)檢測(cè)

多氯聯(lián)苯的檢測(cè)值在1.25～10.00 ng/mL范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系，電化學(xué)工作站CH660A測(cè)試值與檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試值相關(guān)系數(shù)R=0.994 8。

5 小結(jié)

多氯聯(lián)苯元素的濃度與峰值電流呈反比的。在-0.3～0.6 V的外加激勵(lì)信號(hào)作用下，多氯聯(lián)苯的氧化還原反應(yīng)在13 min左右開始趨于穩(wěn)定。所以，多氯聯(lián)苯的最佳測(cè)試時(shí)間應(yīng)為13 min。

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