專利名稱：便攜式重金屬檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種重金屬檢測儀，具體是一種采用三電極系統(tǒng)的便攜式重金屬檢測儀。
背景技術(shù)：
水體中重金屬嚴重威脅了水環(huán)境安全和人類健康，是水體質(zhì)量檢測的重要指標。目前常采用原子吸收方法檢測，原子吸收儀器主要裝備在實驗室，由于需要取樣分析、分析時間長、儀器昂貴等原因，導致該技術(shù)難以得到普遍應用。陽極溶出伏安法以其低成本與高靈敏度的特點，成為快速、簡便測定水體中重金屬的方法，大量應用于醫(yī)藥、生物和環(huán)境分析中。但目前采用的陽極伏安法大都采用汞基體傳感器作為工作電極，在檢測中會造成二次污染，而且汞基體電極存在電極處理等技術(shù)問題，難以發(fā)展成為在線檢測技術(shù)，不能適應對水體在線快速檢測的要求。本課題研究基于陽極溶出伏安技術(shù)，實現(xiàn)對水體中重金屬快速、高效、高靈敏度的檢測。該技術(shù)能夠形成水質(zhì)在線監(jiān)測，能成為水環(huán)境管理決策和預防的重要技術(shù)支撐。目前，隨著材料技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)小型化、快速、超靈敏、便宜的現(xiàn)場/在線環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及儀器提供了可能性。其中金、玻碳基體工作電極由于電極維護方便、優(yōu)良的穩(wěn)定性為實現(xiàn)陽極溶出伏安技術(shù)提供了技術(shù)支撐，由于用陽極溶出伏安技術(shù)獲得的水體中重金屬存在的信息豐富，通過對重金屬陽極溶出伏安信息的分析能夠獲得多種重金屬的含量，簡化了檢測方法，縮短了檢測時間，降低了檢測成本?；诮?、玻碳基體工作電極的陽極溶出伏安技術(shù)仍有很多技術(shù)挑戰(zhàn)。(I)盡管金、玻碳基體工作電極已經(jīng)應用與陽極溶出伏安法，但是滿足實現(xiàn)陽極溶出伏安技術(shù)的傳感器配置還需要進行研究，以解決實現(xiàn)技術(shù)的穩(wěn)定性；(2)重金屬的陽極溶出伏安信息的挖掘、處理，目前還缺乏這方面的研究。對于金屬含量的檢測常用檢測技術(shù)是原子光譜技術(shù)，其中以原子吸收光譜為主要技術(shù)，原子吸收光譜具有靈敏度高、檢測限低、技術(shù)成熟等優(yōu)點，能夠檢測水體中需要監(jiān)控的重金屬元素，能夠滿足水體中重金屬檢測的需要，但是，由于原子吸收光譜儀器只適合裝備在實驗室中使用，不能適應現(xiàn)場檢測的需要，更不能滿足在線檢測的要求。陽極溶出伏安法儀器體積小，操作簡便的特點，為滿足現(xiàn)場檢測對儀器便攜、操作簡便的需求，發(fā)展了陽極溶出伏安法來滿足對水體中重金屬含量的現(xiàn)場、簡便檢測的需求。目前，陽極溶出伏安法采用三電極系統(tǒng)，其中工作電極采用汞基材的電極，由于汞基材電極不能實現(xiàn)原位維護，而且會造成汞的二次污染，這已經(jīng)成為環(huán)境水體重金屬快速、簡便檢測的技術(shù)瓶頸。同時，國內(nèi)外已開發(fā)出基于X射線熒光光譜的便攜式重金屬離子檢測儀，如美國賽默飛世爾Niton手持式X射線熒光光譜(XRF)重金屬檢測儀、國內(nèi)江蘇天瑞儀器公司便攜式XRF 土壤重金屬檢測儀(EDX系列)，具有分析速度快、X射線熒光光譜跟樣品的化學結(jié)合狀態(tài)無關(guān)、非破壞分析、制樣簡單、精度高等優(yōu)點，但是該項技術(shù)仍存在下面難以克服的缺點:a)很難作絕對分析，故定量分析需要大量標樣；b)容易受其他元素干擾和疊加峰影響。因此，迫切需要開發(fā)一種新型的傳感技術(shù)用于現(xiàn)場快速檢測環(huán)境中重金屬離子含量。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型基于陽極溶出伏安技術(shù)，提供一種便攜式重金屬檢測儀，采用金、玻碳基體工作電極實現(xiàn)對水體中重金屬快速、高效、高靈敏度的檢測，且本檢測儀能夠形成水質(zhì)在線監(jiān)測，能成為水環(huán)境管理決策和預防的重要技術(shù)支撐。按照本實用新型提供的技術(shù)方案，所述的便攜式重金屬檢測儀包括:通過導線連接的手持機和三電極系統(tǒng)電解池，所述三電極系統(tǒng)電解池包括檢測容器以及三電極電路，所述三電極電路的三個電極，即參比電極、對電極和工作電極伸入所述檢測容器中，并共同固定在攪拌基座上；所述手持機內(nèi)部包括微處理器，所述微處理器的輸出端依次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、第一差分傳輸電路、第一差分接收電路連接到三電極電路的參比電極和對電極，所述微處理器的輸入端分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、第二差分接收電路、第二差分傳輸電路、量程切換電路連接到三電極電路的工作電極，所述微處理器同時還連接攪拌基座的電機控制電路、電源管理模塊、按鍵電路和顯示屏。所述工作電極采用金或玻碳基體的工作電極。所述微處理器連接有USB接口。所述手持機內(nèi)置充電電池，與所述電源管理模塊相連。本實用新型的優(yōu)點:本便攜式重金屬檢測儀具有對重金屬元素的快速、簡便的在線檢測的能力。能夠快速檢測水體中Cu2+ ,Pb2+，As3+，Zn2+，Cd2+，Hg2+含量，檢出限可達
0.5ppb。使用方便(可單手操作)、重量輕、體積小、攜帶方便。既可用于實驗室檢測，也可用于野外現(xiàn)場檢測。用于實驗室:與計算機連接使用，配備專用軟件控制檢測過程。用于野外現(xiàn)場:充電電池保證供電，檢測數(shù)據(jù)直接顯示在液晶屏上。

圖1是本實用新型電路框圖。圖2是方波伏安法掃描的對電極輸出波形。圖3是方波伏安法掃描的掃描波形細節(jié)。圖4是二電極電路原理圖。圖5是本實用新型的工作流程示意圖。
具體實施方式
本檢測儀是基于陽極溶出伏安法技術(shù)的便攜式重金屬檢測儀，包括通過導線連接的手持機和三電極系統(tǒng)電解池，實現(xiàn)對水體中Cu2+，Pb2+，As3+，Zn2+，Cd2+，Hg2+等重金屬元素的快速、簡便的在線檢測。陽極溶出伏安法(以下簡稱ASV)的原理是:被測物質(zhì)在恒電位及攪拌條件下富集，然后從相對負電位掃描到相對正電位，使富集在電極表面的物質(zhì)發(fā)生氧化反應而重新溶出。所述三電極系統(tǒng)電解池包括檢測容器以及三電極電路，所述三電極電路的三個電極，即參比電極、對電極和工作電極伸入所述檢測容器中，并共同固定在攪拌基座上。如圖1所示，所述手持機內(nèi)部包括微處理器，所述微處理器的輸出端依次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、第一差分傳輸電路、第一差分接收電路連接到三電極電路的參比電極和對電極，所述微處理器的輸入端分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、第二差分接收電路、第二差分傳輸電路、量程切換電路連接到三電極電路的工作電極，所述微處理器同時還連接攪拌基座的電機控制電路、電源管理模塊、按鍵電路、顯示屏、USB接口。所述手持機內(nèi)置充電電池，與所述電源管理模塊相連。本實用新型通過以上電路結(jié)構(gòu)提供電位，完成方波分析法從而測量溶液中的重金屬離子濃度。微處理器連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DA，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出模擬信號轉(zhuǎn)換為差分信號，傳輸?shù)饺姌O電路端，差分接收后轉(zhuǎn)為單端信號，再轉(zhuǎn)化為參比電極和對電極要求的信號。處理器也連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路AD，金電極(工作電極)輸出連接到采樣電阻，再經(jīng)模擬開關(guān)，連接到放大器的輸出端，信號變?yōu)殡妷盒盘?，再轉(zhuǎn)為差分信號，連接到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入微處理器。本實用新型的微處理器通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DA輸出到對電極和參比電極，采用方波伏安法掃描方式:線性掃描+方波(振幅1(T30 mV、頻率33，15 Hz,寬度10-40ms)在方波電壓改變方向的瞬間記錄電解電流。掃描電位與電流圖譜如圖2所示。如圖2所示，在圖中的A、B、C、D四點分別為以下步驟。A.清洗步驟:加高的氧化電位，定速攪拌，除去電極表面雜質(zhì)；B.電沉積步驟:定速攪拌，足夠低的電位還原待分析物質(zhì)并把物質(zhì)沉積在電極上；C.平衡步驟:停止攪拌，維持還原電位，讓待分析物質(zhì)在電極上分布得更為均勻；(注:如果是固態(tài)電極，這一步不需要做。)D.溶出步驟:提高工作電極上的電位，溶出(氧化)待分析物質(zhì)。當待分析物質(zhì)被氧化的時候，會釋放電子，產(chǎn)生測量電流。如圖3所示的電流-電位圖。階梯波掃描圖，對電極CNT輸出階梯方波圖形如圖，方波以τ周期，Esw的幅度，AEsw的偏移進行掃描，電流采樣點在t1; t2時刻，就是波形翻轉(zhuǎn)時刻采樣。脈沖寬度tp典型值為I 500 ms, 一般建議使用階梯波步進電位Λ Es和脈沖高度AEp值分別為5 mV，10 30 mV, tp為10 -40ms (I 500 ms)，對應的掃描速度1.25V/s (5 10 mV/s)。電化學檢測(尤其是基于電位控制的體系)的根本在于三電極電路。電化學分析儀的性能指標主要由它所決定。目前通常采用的測試線路原理如圖3所示。三電極體系中能自動補償溶液中的歐姆電位降(即被測電極之間的溶液電阻)。因此采用三電極體系能夠保持工作電極電位恒定，使得實驗的精密度顯著提高。圖4中:AMP1是電壓跟隨器，AMP2是電流電壓轉(zhuǎn)換器，RO是采樣電阻，SI為量程切換模擬開關(guān)，Rl和R2反饋電阻，Cl為濾波電容，CNT是對電極，REF是參比電極，W是工作電極，輸入端輸入電壓波形，經(jīng)電壓跟隨器AMPl(以溶液為反饋回路)，使參比電極REF電壓波形和輸入端一樣，對電極CNT端也一樣(CNT提供電流，REF作為參考)。三電極電路中，工作電極W是虛地的，電壓信號施加在參比電極REF上，從而構(gòu)成相對于參比電極REF的工作電極的電位變化。而電流則通過對電極CNT形成通路。三電極的體系要求參比電極REF與工作電極W的電位差嚴格的等于輸入的控制信號。由于參比電極REF上多少具有一定的內(nèi)阻，所以一般要求參比電極REF上沒有電流流過。所以，AMPl接成電壓跟隨器，使之具有較高的輸入阻抗，從而保證電流不會流入?yún)⒈入姌OREF，導致電壓損耗和參比電極的鈍化。電壓控制信號從輸入端施加到參比電極REF上。而工作電極W上流過的電流通過電流電壓轉(zhuǎn)換器AMP2進行電流電壓轉(zhuǎn)換。其中，參比電壓Veef-W =V 輸λ -O ，工作電極虛地，Vw = O，如果令參比電極和工作電極之間的阻抗為Ζ，則輸出電壓為V1 =RO ( Vc/Z ) ，Vc為對電極CNT的電壓。對于三電極電路而言，由于電解池的阻抗特性變化范圍非常大，而運放的輸出電壓有限，所以對于不同的電解池，三電極電路應該具用不同的靈敏度。所以，在電流電壓轉(zhuǎn)換時，往往采用模擬開關(guān)SI來選擇不同的轉(zhuǎn)換電阻，切換不同的靈敏度。由于在測量較小的極化電流時，系統(tǒng)容易引入噪聲，所以選用的模擬開關(guān)時應使該內(nèi)阻和漏電流盡可能小。本實用新型的微處理器采用TI公司的TMS320F2808，主要完成產(chǎn)生波形，驅(qū)動電機，測量結(jié)果分析等功能。如圖5所示，本實用新型的工作流程是:上電之后軟件進行系統(tǒng)初始化，校驗探頭(三電極電路)，初始化完畢之后，進入菜單，根據(jù)用戶選擇測量各個金屬元素，在測量之前首先選擇探頭用的哪種工作電極，選擇完畢之后進入標量標定，先標小值溶液，再標大值溶液；標準溶液標定好之后，進入實際測量階段，開始測量，標液標定和實際測量時軟件設(shè)置的流程是首先波形發(fā)生，先清洗電位，電機攪動，再電沉積電位過程，再平衡，電機停止，然后階梯波發(fā)生，與此同時開始采集電流，產(chǎn)生完畢，電流數(shù)據(jù)采集也結(jié)束。在采集的數(shù)據(jù)中找出最大的電流值，利用此值計算出濃度。
權(quán)利要求1.便攜式重金屬檢測儀，其特征是:包括通過導線連接的手持機和三電極系統(tǒng)電解池，所述三電極系統(tǒng)電解池包括檢測容器以及三電極電路，所述三電極電路的三個電極，即參比電極、對電極和工作電極伸入所述檢測容器中，并共同固定在攪拌基座上；所述手持機內(nèi)部包括微處理器，所述微處理器的輸出端依次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、第一差分傳輸電路、第一差分接收電路連接到三電極電路的參比電極和對電極，所述微處理器的輸入端分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、第二差分接收電路、第二差分傳輸電路、量程切換電路連接到三電極電路的工作電極，所述微處理器同時還連接攪拌基座的電機控制電路、電源管理模塊、按鍵電路和顯示屏。
2.如權(quán)利要求1所述便攜式重金屬檢測儀，其特征是，所述工作電極采用金或玻碳基體的工作電極。
3.如權(quán)利要求1所述便攜式重金屬檢測儀，其特征是，所述微處理器連接有USB接口。
4.如權(quán)利要求1所述便攜式重金屬檢測儀，其特征是，所述手持機內(nèi)置充電電池，與所述電源管理模塊相連。
專利摘要本實用新型提供了一種便攜式重金屬檢測儀，它包括手持機和三電極系統(tǒng)電解池，三電極系統(tǒng)電解池包括檢測容器及三電極電路，三電極電路的三個電極伸入檢測容器并共同固定在攪拌基座上；手持機內(nèi)部包括微處理器，微處理器的輸出端依次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、差分傳輸電路、差分接收電路連接三電極電路的參比電極和對電極，微處理器的輸入端分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、差分接收電路、差分傳輸電路、量程切換電路連接三電極電路的工作電極，微處理器還連接攪拌基座的電機控制電路、電源管理模塊、按鍵電路和顯示屏。其優(yōu)點具有對重金屬元素的快速、簡便的在線檢測的能力。使用方便、重量輕、體積小、攜帶方便。既可用于實驗室檢測，也可用于野外現(xiàn)場檢測。
文檔編號G01N27/48GK203037618SQ201320049608
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者王健, 顧建軍, 菅志軍, 陸麗芳, 徐本亮 申請人:無錫市政設(shè)計研究院有限公司