基于三電極的便攜式重金屬離子檢測儀研制與應用

高鋆函，趙 杰*，鄧宇珩，袁劍英，崔國峰

（1．華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2．中山大學 化學學院，廣東 廣州 510275；3．中山大學 廣東省低碳化學與過程節能重點實驗室，廣東 廣州 510275）

重金屬是指相對原子質量介于63．5～200．6 g/mol之間且原子密度≥5．0 g/cm3的金屬。重金屬因高毒性、生物富集性和不可降解性，對生態系統構成了嚴重威脅［1-2］。以鉛為例，攝入過量的鉛會對人體中樞神經系統［3-5］、免疫系統［6］、消化系統［7］等造成損害。世界衛生組織（WHO）規定飲用水中鉛離子的最大值為10．0 μg/L［8］，我國地表水環境質量標準（GB3838-2002）規定農業用水中鉛離子不得高于100 μg/L［9］。

傳統的重金屬離子檢測技術主要有原子吸收光譜（AAS）［10］、電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）［11］、電感耦合等離子體發射光譜（ICP-OES）［12］、X 射線熒光光譜（XRFS）［13］和原子熒光光譜（AFS）［14］。上述技術具有良好的檢測精度，但實際應用中存在操作復雜、設備昂貴等不足，通常需在現場采集樣品后，由專業技術人員使用專門的設備進行實驗，無法滿足重金屬離子的現場檢測需求。電化學分析方法具有成本低、操作簡單、分析速度快、靈敏度高等優點。隨著半導體技術的進步，可將電化學分析技術集成在小型化的設備上［15-16］，使得電化學分析技術更易應用于重金屬離子的現場檢測。

近年來，國外已有不少關于重金屬離子檢測的自制電化學檢測設備的研究。Rowe等［17］設計了名為CheapStat的手持恒電位儀，可支持循環伏安法（CV）和方波伏安法（SWV）等檢測方法，并通過檢測湖泊水中的砷濃度驗證了方波陽極溶出伏安法（SWASV）的性能。Lopin 等［18］提出了一種芯片可編程系統（PSoC-Stat），這是一種由單個集成電路構建的恒電位儀，可在不使用其他外部電子元件的情況下進行電化學實驗，并通過采用陽極溶出伏安法對水中鉛離子進行了檢測。Adams等［19］設計了MiniStat，將輸出級、輸入級、控制和通信集成在27 mm × 20 mm 的電路板上，以低成本實現了檢測設備的小型化，并通過使用玻碳電極作為傳感器檢測了銅離子。Umar 等［20］提出HMstat 用于蠟染工業廢水監測，并對Cd2+和Pb2+進行了定量檢測，將結果與開源設備Rodeostat 進行對比，準確率高于95%。此外，Dryden等［21］提出了一種通用恒電位儀，盡管激勵信號輸出范圍為0 ～ 3 V，無法滿足大多數重金屬離子的檢測要求，但其采用16 位數字模擬轉換芯片（DAC）和24 位模數轉換器（ADC）后，能夠實現pA 級別的電流檢測，大大提高了檢測分析能力。綜上，大部分自研儀器在重金屬離子的檢測中存在檢出限較高、精度較低、輸出電壓范圍有限和無法輸出雙極性信號等不足。因此，本文研制了一種高精度、能夠實現雙極性激勵信號輸出以及pA 級別電流檢測的便攜式重金屬離子檢測儀，通過Type-C 線連接到筆記本電腦即可進行現場離子檢測。重金屬離子檢測儀工作示意圖如圖1所示。

圖1 重金屬離子檢測儀工作示意圖Fig．1 Working diagram of heavy metal ion detector

1 重金屬離子檢測儀設計

重金屬離子檢測儀的系統結構主要包括電源管理模塊（Power management unit）、主控芯片（Microcontroller unit，MCU）、激勵信號發生模塊（Stimulus signal unit）、模擬前端（Analog front end）以及微電流檢測模塊（Microcurrent detection unit）。圖2展示了系統整體結構。

圖2 儀器系統結構框圖（A）和模擬前端電路原理示意圖（B）Fig．2 Instrument system structure diagram（A） and schematic diagram of the analog front-end circuit（B）

1.1 電源管理模塊

電源管理模塊由低壓差線性穩壓器（LDO）和電壓基準芯片組成，LDO 負責將USB 輸出的5 V電壓轉換成系統需要的電壓，而電壓基準芯片則負責輸出一個高精度的基準電壓，該模塊決定了整個系統的信號質量，因此芯片的選擇非常重要。本儀器選用LTC3260（美國Analog Devices 公司）作為電源管理芯片，該芯片能夠同時產生正負電壓，并能通過調節外置電路的電阻值比來調控輸出的電源電壓值，根據芯片手冊中的計算公式［22］，得出LTC3260的輸出電壓為±2．518 7 V。

系統電壓基準為2．5 V，采用精度高達0．01%的電壓基準芯片REF3225（美國Texas Instruments 公司），并由低噪聲緩沖放大器OPA350（美國Texas Instruments公司）構成電壓跟隨電路以提高輸出能力。

1.2 激勵信號輸出模塊

激勵信號的準確性是保證電化學實驗結果正確的基礎，同時，對于痕量重金屬離子的檢測，通過雙極性激勵信號實現陽極溶出伏安法是必要條件。激勵信號輸出模塊由電壓輸出電路和濾波電路組成。電壓輸出模塊主要由DAC構成，其作用是接收MCU發出的數字信號并將其轉換為模擬信號，選擇高分辨率的DAC 能夠提高輸出精度，減小量化誤差。本儀器選用16 位的具有雙極性輸出能力（輸出電壓范圍在-VREF～ +VREF）的數模轉換器MAX5444（美國Maxim公司）。

為保證信號質量，提高輸出信號精度，設置截止頻率為33 kHz的二階低通有源濾波電路來濾除高頻噪聲。

1.3 模擬前端電路

模擬前端是整個儀器的核心關鍵，該部分電路將直接決定激勵信號能否按預期作用于電解池以及電化學反應產生的電流能否被及時準確地檢測。如圖2B所示，模擬前端由恒電位控制電路和跨阻抗放大電路構成。

1.3.1 恒電位控制電路恒電位控制電路主要有兩個運算放大器組成，連接對電極（CE）的輸出控制放大器U1構成反向求和電路，連接參比電極（RE）的緩沖放大器U2構成電壓跟隨電路。

由于U2形成了一個負反饋電路，根據“虛短”特性，VRE滿足下式：VRE= -R2VSig/R1，選擇R1=R2=15 kΩ，則VRE=-VSig。由于工作電極（WE）處于運放U3 的反向輸入端，并構成負反饋電路，其正相輸入端接地，根據“虛短”特性，WE 處的電位始終保持與地相同，約等于0 V。因此WE 相對于RE 的電位：VWR=VWE-VRE，即施加在RE 和WE 之間的激勵信號為：VWR= 0 -( -VSig) =VSig。上述公式中，VRE、VWE以及VSig分別表示圖2B中RE、WE以及Signal處的電壓，VWR表示WE和RE之間的電壓。

根據三電極體系的基本原理，電解池中反應產生的電流在CE和WE之間流過，并且不希望有電流流經RE，從而引起不必要的電壓降。這就要求RE處的運算放大器U2有極高的輸入阻抗以及極低的輸入偏置電流。本儀器選用高精密運算放大器OPA392（美國Texas Instruments 公司）作為U2 和U1，其輸入偏置電流僅有10 fA，同時具有較大的開環增益、足夠低的電壓噪聲密度和輸入偏置電壓［23］。

1.3.2 跨阻抗放大電路由于大多數ADC不能直接測量電流，本儀器使用跨阻抗放大電路（TIA）將通過WE的電流信號轉換成電壓信號（見圖2），同時通過選擇指定增益將該電壓信號放大相應的倍數后由ADC 讀取。需要注意的是，ADC 所讀取的電流為運算放大器輸入偏置電流與流經WE 的被測電流相加后再乘上增益的倍數，因此，如果運算放大器的輸入偏置電流較高，或當被檢測的電流較小時，將會造成較大誤差。本儀器選擇LMP7721（美國Texas Instruments 公司）作為跨阻抗放大電路的運算放大器，即圖2B 中的U3，該運算放大器具有極低的輸入偏置電流，僅為3 fA［24］。同時設置了8 個檔位的增益，由模擬開關ADG1408（美國Analog Devices公司）進行控制選擇，不同檔位適用于不同電流區間的電化學實驗。

1.4 微電流采集模塊

微電流采集模塊的主要作用是將模擬前端檢測到的電壓信號經處理并轉換為數字信號供MCU 讀取，該模塊由一個電壓加法電路、一個低通濾波電路和一個ADC 組成。由于重金屬離子檢測時常會出現負電壓，但ADC 無法采集負電壓信號，因此本儀器運用電壓加法電路對信號進行調節，將被測信號從-2．5 ～ +2．5 V 范圍調整到0 ～ 5 V 范圍，以便ADC 讀取。電壓加法電路的運算放大器同樣選擇OPA392。

ADC 的分辨率決定了整個系統對微小信號的分辨能力，為提高對微小電流的分辨能力，本儀器選用24 位模數轉換器ADS1255（美國Texas Instruments 公司）。理論上，以0 ～ 5 V 的測量范圍計算，該ADC最小能夠分辨的電壓信號為0．298 μV。

為提高信號質量，在ADC 采集信號之前設置了截止頻率為35 Hz 的二階低通濾波電路，以濾除工頻信號的干擾。

2 結果與討論

2.1 儀器與試劑

電化學工作站Gamry Reference 600+（美國Gamry 公司）；乙酸（CH3COOH）、三水合乙酸鈉（CH3COONa·3H2O）、乙醇（CH3CH2OH）、氯化鉀（KCl）、鐵氰化鉀（K3［Fe（CN）6］）和三水合亞鐵氰化鉀（K4［Fe（CN）6］·3H2O）購于阿拉丁公司（上海）。Pb（NO3）2購于廣州西隴化工有限公司。通過溶解、稀釋Pb（NO3）2制備Pb2+標準溶液。使用的電極包括Au 工作電極、Pt 對電極和Ag/AgCl 參比電極。實驗用水為去離子水，經Millipore 系統進行水凈化（電阻率＞18．3 MΩ·cm）；所有化學試劑均為分析純，無需額外處理。

2.2 重金屬離子檢測儀的硬件性能評估

根據三電極體系的基本原理，反應電解池可等效為圖3A 所示的模型，其中RS1、RS2分別為RE 與CE、WE之間的溶液電阻；RC和RW分別為RE與CE、RE與WE發生電荷轉移時的感應電阻；CC和CW為吸附在CE和WE表面的離子與電介質形成的雙電層電容。由于本系統適用于直流信號，因此將等效模型進一步簡化，如圖3B所示。后文基于圖3B中的簡化等效模型進行硬件測試。

圖3 電解池等效阻抗模型（A）和簡化模型（B）Fig．3 Electrolytic cell equivalent impedance model（A） and simplified model（B）

2.2.1 激勵信號輸出精度測試在-2．5 ～ +2．5 V范圍內每間隔250 mV 輸出一個電壓值，使用萬用表對輸出的激勵信號進行測量。每個電壓值測量5次，并在每次讀數后復位單片機重新輸出該電壓值，計算5 次讀數的平均值。結果表明，實測輸出電壓值（VM）與理論值（VT）的線性回歸方程為：

VM(V) = 0．999 98VT+ 0．000 027，相關系數（r2）=1。

為進一步研究輸出電壓的精度，分別進行了±20 mV、±5 mV 和±1 mV 的測試，以評估輸出較低電壓時的精度。結果顯示，由于輸出電壓的絕對誤差幾乎保持不變，因而相對誤差隨著輸出電壓絕對值的減小而增大。盡管如此，當輸出為±1 mV 時，激勵信號的相對誤差仍小于5%。

2.2.2 恒電位電路的穩定性測試在保證激勵信號的輸出精度后，進一步研究電位控制電路保持電位恒定的能力。參照圖3B 的簡化等效阻抗，選擇RS1為1 kΩ，改變RS2的電阻值，在-2．5 ～ +2．5 V 范圍內測量RE 和WE 之間的電位差是否為激勵信號的輸出值。每500 mV進行一次測試，結果如表1所示。

表1 RS2值不同時恒電位電路維持不同輸出電壓的能力Table 1 Ability of the potentiostatic circuit with different RS2 values to maintain different output voltages

由表1可知，當RS2的電阻接近RS1值，且輸出電壓較大時，RE和WE之間的電勢差不再等于所輸出的激勵信號。當RE 和WE 之間存在電勢差時，由于RS1的存在，CE 和WE 之間形成閉環回路，電流經過RS1形成壓降，導致CE 處的電位VCE發生改變，并滿足：VCE=VRW(1 +RS1/RS2)，其中VRW為RE 和WE之間的電勢差。由于本設計中VCE處可能輸出的最大電壓為2．5 V（放大器的供電電壓），則以RS2=10 kΩ為例，當輸出電壓為-2．498 V 時，所測得的VRW為-2．271 0 V，根據上式計算得出VCE=-2．498 1 V，該值即為所輸出的電壓值。

結合表1 數據，本儀器能夠在大部分場景中保持良好的恒電位控制能力，且輸出電壓精度高，能夠達到痕量重金屬離子檢測的要求。

2.2.3 微小電流檢測的準確性根據圖3B 的簡化等效模型，流過工作電極處的電流（IW）滿足：IW=VWR/RS2，在每次讀取電流值前，使用萬用表確定RS2值，并根據實際所測電阻值計算理論電流值。由表2可以看出，對于45 nA ～ 7．8 mA范圍內的電流，所研發儀器能夠保證良好的檢測精度，實際電流與測量電流的相對誤差均在0．4%以下。

表2 微小電流測試結果Table 2 Testing results of microcurrent

2.2.4 系統伏安性能測試伏安系統最關鍵的性能指標是能否在輸入動態波形的同時精確測量電流。對圖3B 的簡化等效阻抗進行循環伏安掃描，理想情況下，對于一個只有電阻的模擬電路，循環伏安（CV）實驗得出的I～E圖像應是一條直線，其斜率的倒數為電阻的阻值。

分別使用標稱值為300 kΩ 和300 MΩ 的RS2進行測試，CV 掃描范圍為-2．5 ～ +2．5 V，掃描速率為100 mV/s。由圖4A 和4B 可知，I～E曲線均為一條平滑直線，幾乎無噪聲，表明本儀器在μA 和nA 水平的檢測能力良好。線性方程分別為：I300kΩ(μA) = 3．320 54E+ 0．023 38 和I300MΩ(nA) = 3．435E+0．006 49，r2分別為1和0．999 99。

圖4 RS2的標稱值為300 kΩ（A）和300 MΩ（B）時的循環伏安圖，以及筆記本電腦使用電池供電（C）和電源供電（D）時的循環伏安圖Fig．4 Cyclic voltammograms when the nominal value of RS2 is 300 kΩ（A） and 300 MΩ（B），and cyclic voltammograms of a laptop running on battery（C） and mains（D）

由線性方程得到兩個電阻的阻值分別為301．155 kΩ 和291．117 MΩ，與ET4401 LCR 測量儀（East Tester公司）所得的電阻值（301．2 kΩ和291．6 MΩ）非常接近。

為進一步觀察電流噪聲，對300 MΩ 的電阻進行-200 ～ 200 mV 的循環伏安掃描，掃描速率為50 mV/s，該掃描區間內響應電流的數量級為百皮安級，如圖4C 所示，I～E圖為一條平滑直線，未見明顯噪聲。作為比較，將筆記本電腦插上電源后進行測量，即人為引入工頻噪聲，結果如圖4D所示，能夠觀察到明顯的噪聲。

測試結果表明，本儀器能夠在動態測量中表現出良好性能，對于百皮安數量級的電流有著優異的檢測性能，人為引入工頻噪聲后，I～E曲線才觀察到明顯波動。

2.3 電化學性能測試

為評估本儀器的電化學性能，在5 mmol/L［Fe（CN）6］3-/［Fe（CN）6］4-溶液中，以100 mV/s 的掃描速率進行循環伏安實驗。將檢測結果與商用電化學儀器Gamry Reference 600+進行比較，如圖5 所示，伏安曲線高度重合。

圖5 本儀器和Gamry Reference 600+的循環伏安曲線對比Fig．5 Comparison of cyclic voltammetry curves between this device and Gamry Reference 600+

此外，分別以10 ～ 250 mV/s 的掃描速率進行循環伏安實驗（見圖6）。鐵氰化鉀的氧化峰和還原峰電流與掃描速率的平方根呈線性關系，r2分別為0．998 6和0．995 5，線性方程分別為：Ipa(μA)=16．853v1/2+23．425和Ipc(μA)=-17．149v1/2+44．609。

圖6 不同掃描速率的循環伏安曲線（A）以及峰值電流與掃描速率平方根的線性關系（B）Fig．6 Cyclic voltammetry curves at different scan rates（A），and the linear relationships between the peak current and the square root of scan rate（B）

2.4 重金屬離子檢測

為驗證儀器檢測重金屬離子的準確性和穩定性，對不同濃度的Pb2+進行了SWASV 測試。實驗中富集電位為-1．1 V，富集時間為60 s，方波頻率為30 Hz，脈沖高度為25 mV，步長為4 mV，緩沖溶液為0．1 mol/L pH 5．5 的醋酸-醋酸鈉溶液，并使用Gamry Reference 600+在相同條件下進行對比實驗。

2.4.1 校準曲線對比如圖7A 所示，鉛離子的溶出峰在-0．36 V 左右，在10 ～ 100 μg/L 范圍內，隨著鉛離子質量濃度以10 μg/L 的步長遞增，峰值電流也逐漸增大。線性方程為：Ithiswork(μA) = 0．089 05C+ 0．932 09 和IGamry(μA) = 0．088 49C+ 0．948 73，r2分別為0．998 9和0．999 1，兩校準曲線（見圖7B）高度重合，證明了本儀器的可靠性。

圖7 Pb2+的溶出伏安曲線（A）與校準曲線比較（B）Fig．7 Stripping voltammetry curves of Pb2+（A） and the calibration curve comparison（B）

2.4.2 檢出限檢出限（LOD）計算采用公式：LOD = 3σ/S，其中，σ為空白組的標準差，S為擬合曲線的斜率。根據上式得出，本儀器在使用絲網印刷金電極檢測鉛離子時的檢出限為0．295 μg/L。本文選擇未經修飾的商用絲網印刷金電極作為工作電極，主要原因如下：雖然改性電極具有更好的傳感性能，但制備過程繁瑣，且電極間的靈敏度可能存在差異，不利于評估儀器性能。選擇商用絲網印刷金電極既可保證一定的靈敏度，且不同電極間的差異較小，可避免產生不必要的誤差。

2.4.3 實驗重復性在上述實驗環境下，對80 μg/L Pb2+進行了5 次SWASV 實驗，以檢驗儀器的重復性（圖8）。峰值電流測量的標準偏差為20．64 nA，約為待測電流的0．26%，表明所研制的重金屬離子檢測儀具有良好的重復性。

圖8 5次重復實驗的溶出伏安圖（A）和峰電流高度（B）Fig．8 Stripping voltammograms of 5 repeated experiments（A） and the peak current heights（B）

3 結 論

本文基于電化學三電極體系，設計了一種小型化的重金屬離子檢測儀，具有高精度、性能穩定、便攜和低成本等優點。硬件性能測試表明該系統至少能夠精確測量數百皮安級別的電流，通過對鐵氰化鉀溶液進行不同掃描速率的循環伏安實驗表征了系統的整體電化學性能。使用未經修飾的絲網印刷金電極對鉛離子進行方波陽極溶出伏安法檢測，在 10 ～ 100 μg/L 質量濃度范圍內具有良好的線性關系，檢出限為0．295 μg/L，遠低于地表水環境質量標準（GB3838-2002）中農業用水的國家標準（100 μg/L）以及WHO 規定的飲用水標準（10．0 μg/L）。與臺式電化學儀器Gamry Reference 600+進行了比較，得到幾乎一致的溶出伏安曲線和校準曲線，驗證了儀器的可靠性。相比于現有的電化學儀器，所研制的重金屬離子檢測儀在保證性能相近的前提下，兼具便攜性和低成本，通過與各類絲網印刷電極結合［25］，將在水體環境中重金屬離子的現場檢測方面發揮作用。