一种基于智能手机的电化学阻抗仪及使用方法

1.本发明涉及一种电化学阻抗仪，具体为一种基于智能手机的电化学阻抗仪及使用方法。


背景技术：

2.随着传感器技术的不断发展，电化学传感器受到研究者的广泛关注，可应用于环境激素的检测，利用纳米复合材料、电活性物质修饰电化学传感器进行阻抗检测以达到检测不同浓度环境激素检测的目的，成为一种新型的检测方法。通常阻抗测量主要是利用专业的检测仪器来实现，如电化学工作站autolab，gamry等，但是仪器价格比较昂贵，体积偏大，不便于携带，很难满足激素现场、快速、高灵敏度阻抗检测的需求。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于智能手机的电化学阻抗仪，包括多通道电化学阻抗传感器、电化学阻抗检测模块和android智能手机；所述多通道电化学阻抗传感器包括多个通道工作电极，以及一对参比电极、对电极；所述电化学阻抗检测模块包括stm32主控模块和与其通信连接的多个单通道的电化学阻抗模块、蓝牙传输模块、液晶显示模块、矩阵键盘模块和供电模块；所述电化学阻抗模块通信连接电化学阻抗传感器的电极通道，包括ad5933芯片、低阻抗放大电路和外围电路；所述stm32主控模块驱动并控制所述电化学阻抗模块，并通过蓝牙传输模块将检测数据传送到所述android智能手机；所述android智能手机以图形和数值形式显示检测结果，并将数据保存。
4.本发明的另一个目的提供了一种基于智能手机的电化学阻抗仪检测激素的使用方法，包括：将碳基纳米复合材料和待测物抗体修饰多通道电化学阻抗传感器的工作电极，然后用超纯水反复清洗；采用比例稀释方法配置一系列激素标准抗原溶液；对电化学阻抗仪进行参数设置，对不同浓度激素标准抗原溶液进行测量，得到对应的阻抗结果，根据randles电路进行拟合，根据阻抗值与阻抗曲线之间的对应关系，分别获得不同浓度激素对应的阻抗值；将不同浓度激素及其检测得到的对应阻抗值分别作为横、纵坐标，利用线性拟合方法得到激素浓度与阻抗之间的拟合曲线，将获得的拟合曲线写入stm32主控代码中用于后续检测。利用移液枪将待测样本溶液滴加至多通道电化学阻抗传感器的加样处，待测样本通过纤维素滤纸的虹吸效应到达多通道工作电极表面，静置预定的时间，待抗原与抗体充分反应后，将多通道电化学阻抗传感器的电极接头插入电化学阻抗仪的插槽中，按照前述步骤中的检测方法进行阻抗检测，根据多通道的检测结果获得对应的阻抗值，将其带入到阻抗标准曲线方程，从而可求得待测物的浓度。
5.优选的，多通道电化学阻抗传感器的多通道工作电极通过旋转切换开关进行不同工作电极通道的选择。
6.优选的，电化学阻抗传感器工作电极表面修饰碳基纳米复合材料。
7.本发明的有益效果为：本发明采用高精度的电化学阻抗测量方法，能够实现不同修饰层的阻抗测量，从而实现不同浓度被测物检测。多通道电化学阻抗传感器包含多个工作电极、一个参比电极和一个对电极，能够对多种不同待测物同时进行阻抗检测，检测效率高。无线蓝牙模块的使用打破了传统的有线通信的制约，能够实现数据的无线通信，极大地扩大了设备的使用范围。本发明检测精确，成本较低，结构简单合理，体积小，随时都可以携带使用，有很广阔的市场前景。
附图说明
8.图1 为本发明整体结构设计框图；图2 为本发明中电化学阻抗模块电路图；图3 为本发明中电化学阻抗检测模块电路图；图4 为本发明实施例的阻抗测试结果图。
具体实施方式
9.下面结合附图对本发明做出详细的说明，以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定的电路图等具体细节，以便透彻理解本发明实施例。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
10.本发明提供一种基于智能手机的多通道电化学阻抗仪，包括多通道电化学阻抗传感器、电化学阻抗检测模块和android智能手机。
11.电化学阻抗检测模块包括stm32主控模块、多个单通道的电化学阻抗模块、蓝牙传输模块、液晶显示模块、矩阵键盘模块和供电模块。
12.如图1所示，多通道电化学阻抗传感器与电化学阻抗模块相连，实现将待测激素浓度信号转换为电化学阻抗电信号，电化学阻抗检测模块的检测结果通过无线蓝牙模块传输到android智能手机实现电化学阻抗检测信号的存储和显示。本发明解决了激素快速检测缺少便携式阻抗检测设备的需求。
13.本实施例中，多通道电化学阻抗传感器，由对称排列的多通道n（n=6~12）工作电极和一对参比电极、对电极组成，多通道工作电极可利用旋转切换开关进行不同工作电极通道的选择；电化学阻抗传感器表面修饰碳基纳米复合材料用于激素检测，碳基纳米复合材料在传感器表面形成疏松多孔结构吸附蛋白分子和电活性物质放大检测信号；该多通道电化学阻抗传感器通过连接组件与电化学阻抗检测模块相连可用于多种激素同时检测；由于纳米材料具有量子尺寸效应、表面效应等优异的物理化学特性,可以实现对检测信号的放大、改善免疫检测方法结果重现性差、假阳性率和假阴性率高等问题。
14.多通道电化学阻抗检测模块包括stm32主控模块、电化学阻抗模块、蓝牙传输模块、液晶显示模块、矩阵键盘模块和供电模块。
15.该本实施例中电化学阻抗检测模块包含六个通道，可以实现不同检测精度范围的需求，能够进行无线蓝牙数据传输功能，具备与android智能手机实时通信功能，实现即时快速检测，检测结果以图形和数值形式实时显示在android智能手机界面上，同时存入手机内部的数据库中， 电化学阻抗检测模块的通道数可根据多通道电化学阻抗传感器的检测精度需求进行拓展。
16.stm32主控模块用于产生阻抗检测控制算法，驱动电化学阻抗模块，对其初始参数值进行设定。检测信号通过电化学阻抗模块进行信号放大、滤波等处理后施加于电化学阻抗传感器电极端进行激素浓度的检测。
17.供电模块用于向stm32主控模块提供适合的电源电压，矩阵键盘模块用于输入参数值等。
18.电化学阻抗检测模块：采用高精度阻抗转换芯片ad5933实现不同精度的阻抗检测；每个单通道的电化学阻抗模块是通过ad5933芯片、低阻抗放大电路和外围电路来实现的。
19.如图2所示，ad5933内部包含频率发生器和12位模数转换器adc，转换速率位1msps。阻抗测量可通过stm32芯片来控制内部寄存器设定起始频率，频率分辨率和扫描点数，选取频率发生器的不同输出电压范围，将频率信号发生器产生的激励信号施加到待测阻抗两端，通过片内adc高速采样，采样数据经由片内dsp实现傅里叶变化dft，测量结果存储在对应的存储器中，通过校准计算来完成阻抗的测量。
20.由于ad5933芯片存在激励信号输出阻抗高、激励电压驱动能力较弱、直流偏置非vdd/2等一些限制影响测量精度，需通过外围电路的优化以提高。外围电路不仅消除了ad5933芯片自身的一些限制，而且提高了阻抗测量结果的精度和准确度。
21.低阻抗放大电路主要用于辅助测量阻抗值较小的待测电阻。设计利用高精度运算放大器opa4364、t型反馈电阻网络和电容构成放大电路进行检测信号的放大，以完成小阻抗电阻测量。
22.opa4364是高性能的cmos运算放大器，带宽位7mhz，cmrr为90db，压摆率为5v/us。设计利用基准电源芯片lm4040为运算放大器opa4364正相输入端提供固定电压vdd/2，通过“虚短”将该电压施加到反相输入端，t型反馈电阻网络可通过电阻阻抗调整实现不同放大倍数。
23.多通道电化学阻抗检测模块电路如图3所示，可通过多路开关来选择不同通道输出测量范围，从而实现不同浓度待测物的测量，测量结果可通过stm32芯片的i2c接口数据线scl和sda来进行读取。
24.蓝牙传输模块：阻抗检测结果可以实时显示在液晶显示模块上，也可以通过无线蓝牙模块跟android智能手机连接进行数据传输，以数据库的形式存储在手机中用于数据的管理和查询，检测结果可传输至云端，发送至大型检测机构。蓝牙模块采用hc-05模块，设计利用csr bc417143b芯片，蓝牙2.0协议，可在1200-115200bps范围内进行波特率设置，与stm32芯片之间通过txd和rxd端口进行蓝牙数据通信。该模块价格便宜，体积小，功耗低，可用于移动检测设备。
25.在本发明中，阻抗测量采用高性能的ad5933芯片和低阻抗放大器电路构成阻抗测量电路对多通道电化学阻抗传感器进行阻抗测量。根据不同浓度待测物质在电化学阻抗传感器的工作电极和参比电极之间产生的电阻阻抗不同的原理进行测量。设计通过stm32芯片来进行内部寄存器设置，设置阻抗测量起始频率、频率增量和增量数，输出正弦波形的峰值，通过发射端的27位相位累加器dds内核提供正弦波激励波形，用以激励待测传感器电极之间的待测阻抗，产生的电信号输入ad5933芯片的接收级，通过内部的电流电压放大器、可编程增益放大器、滤波器和adc进行fft计算，得到待测电阻阻抗的实部和虚部值，存储到内
部寄存器中，通过i2c接口信号scl 和sda与stm32芯片进行通信获取阻抗值，通过测得的阻抗值来获得对应的待测物浓度。
26.本发明还提供了一种本设备检测激素的使用方法，针对多种激素同时检测的需求，结合多通道电化学阻抗传感器，利用发明的基于智能手机的多通道电化学阻抗仪，实现待测物快速高灵敏度的检测。以激素作为检测对象，设计采用多通道工作电极加一对参比电极、对电极构成的多通道电化学阻抗传感器结构，利用碳基纳米复合材料和不同的电活性物质修饰传感器，实现多种激素的同时检测。
27.可通过阻抗测量方式获得激素的阻抗标准曲线，然后将标准曲线方程写入到阻抗仪的程序中，最后在测量中依据每种激素对应的标准曲线阻抗值求出对应的浓度值。
28.以促卵泡生成激素fsh的检测为实施例，具体步骤如下所示：（1）准备足量制备好的碳基纳米复合材料和待测物抗体修饰后的多通道电化学阻抗传感器，利用超纯水反复清洗后备用；（2）采用比例稀释方法配置一系列fsh标准抗原溶液：0 miu ml-1
、5 miu ml-1
、25 miu ml-1
、50 miu ml-1
；（3）对发明的多通道电化学阻抗仪进行参数设置，频率范围为：1~10
5 hz，对不同浓度fsh标准抗原溶液进行测量，得到对应的阻抗结果，根据randles电路进行拟合，根据阻抗值与阻抗曲线之间的对应关系，分别获得不同浓度fsh对应的阻抗值；（4）将不同浓度fsh及其检测得到的对应阻抗值分别作为横、纵坐标，利用线性拟合方法得到fsh浓度与阻抗之间的拟合曲线，将获得的拟合曲线写入stm32主控代码中用于后续检测。
29.待测fsh检测步骤如下：首先，利用移液枪将待测样本溶液滴加至多通道电化学阻抗传感器的加样处，待测样本通过纤维素滤纸的虹吸效应到达多通道工作电极表面，静置25分钟，待抗原与抗体充分反应后，将多通道电化学阻抗传感器的电极接头插入发明的多通道电化学阻抗仪的插槽中，按照前述步骤中的检测方法进行阻抗检测，根据六通道的检测结果获得对应的阻抗值，将其带入到阻抗标准曲线方程，从而可求得待测物的浓度。
30.不同浓度fsh的阻抗检测结果如图4所示。
31.本发明的有益效果为：（1）多通道电化学阻抗传感器包含多个工作电极、一个参比电极和一个对电极，能够对六种不同待测物同时进行阻抗检测，检测效率高。
32.（2）本发明采用高精度的电化学阻抗测量方法，能够实现不同修饰层的阻抗测量，从而实现不同浓度被测物检测。
33.（3）本发明阻抗仪采用蓝牙无线模块实现便携式阻抗仪与android智能手机之间的通信，能够将采集数据实时显示在智能手机上并进行数据的处理与管理。蓝牙无线模块的使用打破了传统的有线通信的制约，能够实现数据的无线通信，极大地扩大了设备的使用范围。
34.（4）低成本低功耗设计：使用音频接口作为供电方式，克服了传统的电池续航时长的短板，音频供电方式能够极大地降低设备的功耗；同时usb和纽扣电池作为备用电源的方式也为设备提供了更多的供电方式。设备选用低功耗的arm stm32f103rct6芯片，内部包含
12位adc和dac，相比单独采用adc 和dac的设计方式，极大地降低设计成本；选用低功耗的蓝牙模块进一步降低整个设备的功耗。