快速檢測水中多氯聯苯含量的電化學免疫傳感器設計

劉源等

摘要：檢測水中多氯聯苯含量傳感器由電化學三電極、信號采集及轉換電路、單片機和顯示單元組成。采用示差脈沖法，在單片機的控制下，為三電極提供-0.3～0.6 V連續變化電壓信號，驅動三電極系統中待測液發生氧化/還原反應。該系統實現了對多氯聯苯含量的快速檢測。

關鍵詞：多氯聯苯； 電化學三電極系統； 免疫傳感器； 示差脈沖法

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）18-4593-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.052

多氯聯苯是一種持久性有機污染物，具有難降解和生物毒性大的特點[1]，其通常存在于水和土壤中。電化學免疫傳感器是基于抗原抗體反應的，可進行特異性的定量或半定量分析的自給式的集成器件。抗原/抗體是分子識別元件，且與電化學傳感元件直接接觸，并通過傳感元件將某種或者某類化學物質濃度信號轉變為相應的電信號[2]。電化學免疫傳感器是基于在恒電位下電極表面發生氧化還原反應引起電流的變化來測定溶液中相應的待測物質的濃度。本研究設計了快速檢測水中多氯聯苯含量的電化學免疫傳感器，實現了對多氯聯苯含量的快速檢測。

1 DPV原理

DPV是示差脈沖法的簡稱。該方法是在工作電流上施加一個線性變化的直流電壓，并用時間控制器同步在間隔一定時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時的電流差值，檢測靈敏度較高。

2 電化學免疫傳感器的組成及工作原理

電化學免疫傳感器由電化學三電極系統、數據采集及處理系統和顯示系統組成。當三電極放入待測溶液中，由單片機控制，給三電極提供-0.3～0.6 V連續變化電壓信號，通過恒電位電路將外部激勵信號準確地施加于電化學三電極傳感器上，驅動樣品溶液發生電化學反應，并對產生的響應信號做相應的處理（即信號IV轉換、放大、濾波、AD轉換等）后傳送到單片機內核，經過計算數據處理后找到峰電流。根據峰電流的變化可以測定溶液中多氯聯苯的含量。

3 系統設計

3.1 硬件系統設計

3.1.1 電化學三電極系統 設計采用電化學三電極系統，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產生電化學反應，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產生的電流信號，再由測量電路實現信號的轉換和放大[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，它是將多氯聯苯抗原固定在電極表面上，利用抗原間特異性反應，產生電動勢的變化。當電極上抗體與抗原發生反應，形成抗原-抗體絡合物后，峰電流發生變化。

3.1.2 恒電位電路設計 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電位，控制放大器的輸出端接輔助電極而形成閉環負反饋調節系統。電極中電流變化時，參比電位相對于工作電極電位的任何微小變化，均將為電路的電壓負反饋所糾正，從而達到自動恒定電位的目的[5-7]。

3.1.3 信號采集與處理系統 信號采集與處理系統由A/D轉換模塊的C8051F340、電壓反向器、控制放大器、2個電壓跟隨器和I/V轉換及低通濾波構成（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，經過IV轉換電路、低通濾波電路后輸入帶有A/D轉換模塊的C8051F340進行轉換和運算，將結果顯示出來。

3.1.4 信號掃描 該部分的硬件電路如圖3所示。由單片機給出循環伏安法激勵信號，通過A/D轉換、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連續變化電壓信號，該激勵信號作用于恒電位電路。

3.1.5 顯示模塊設計 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。顯示模塊的接口設計中，將LCD1602的數據接口即（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 軟件設計

3.2.1 主程序設計 單片機的主程序是由數據采集程序、數據處理程序、激勵信號產生程序和顯示程序組成（圖5）所示。該程序的關鍵是按DPV法的要求，在分別在脈沖加入前20 ms和脈沖終止前20 ms時進行采樣。數據處理程序完成對每次采集的數據處理，找到-0.3～0.6 V范圍內的電流的極大峰值。

3.2.2 循環掃描（激勵信號）程序設計 由單片機控制形成從-0.3～0.6 V范圍內的掃描信號，是由一個線性變化的直流電壓，并用時間控制器同步在間隔一定時間后疊加一個振幅為5～100 mV、持續時間為40～80 ms的矩形脈沖電壓，形成如圖6所示的激勵信號。

4 系統的測試與分析

4.1 測試條件和方法

測試前將不含多氯聯苯元素的樣品測試所得的峰電流值作為空白，利用該傳感器對不同多氯聯苯元素濃度含量進行測試測試。首先，將含有一定量多氯聯苯的養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間進行掃描，掃描速度控制在0.10 V/s，測得多氯聯苯濃度的標準曲線。每次掃描結束后，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性。

4.2 相關系數檢測

多氯聯苯的檢測值在1.25～10.00 ng/mL范圍內有很好的線性關系，電化學工作站CH660A測試值與檢測系統測試值相關系數R=0.994 8。

5 小結

多氯聯苯元素的濃度與峰值電流呈反比的。在-0.3～0.6 V的外加激勵信號作用下，多氯聯苯的氧化還原反應在13 min左右開始趨于穩定。所以，多氯聯苯的最佳測試時間應為13 min。

參考文獻：

[1] 孫人杰.多氯聯苯（PCB-77，PCB-101）電化學還原行為及其影響因素研究[D].合肥：合肥工業大學，2012.

[2] 繆 璐，劉仲明，張水華.電化學免疫傳感器的研究進展[J].中國醫學物理學雜志，2006，3（2）：132-134.

[3] 張 樂.電化學法COD檢測中的三電極系統開發研究[D].天津：河北工業大學，2010.

[4] 王兆雨，吳效明，劉仲明.基于C8051F02的三電極電化學檢測系統設計[J].中國醫學物理學雜志，2013（30）：3909-3912.

[5] 陳 坤.單片集成式電化學測試系統電路的研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[6] 鐘海軍，鄧少平.恒電位儀研究現狀及基于恒電位儀的電化學檢測系統的應用[J].分析儀器，2009（2）：2-5.

[7] 姚毓升，解永平，文 濤.三電極電化學傳感器的恒電位儀設計[J].儀表技術與傳感器，2009（9）：23-25.