【摘要】：隨著微電子技術(shù)和電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展,恒電位儀在常規(guī)電學(xué)測(cè)量、特征物定量定性分析、三電極測(cè)試系統(tǒng)等方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用;同時(shí)隨著生物傳感技術(shù)和微電子芯片技術(shù)的不斷發(fā)展,阻抗系統(tǒng)在檢測(cè)生物膜或細(xì)菌的生理狀況中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本論文從基于電化學(xué)參數(shù)分析的恒電位儀及阻抗系統(tǒng)的背景及現(xiàn)狀出發(fā),引出恒電位儀在三電極電化學(xué)檢測(cè)中的重要作用,控制電極電位達(dá)到恒定電位的極化目的,以應(yīng)用于食品中各濃度微量特征物的快速檢測(cè);以及進(jìn)行阻抗系統(tǒng)設(shè)計(jì)并應(yīng)用于貼附性生物膜的檢測(cè),采用微小的外加電壓或電流加載在生物膜或細(xì)菌上,非侵入地檢測(cè)在各濃度特征物(如維生素B2等)作用下,生物膜貼附狀態(tài)所引起的阻抗值變化。因此,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于電化學(xué)參數(shù)分析的恒電位儀及阻抗測(cè)試的聯(lián)立系統(tǒng),主要工作如下:針對(duì)目前市場(chǎng)上食品中微量特征物檢測(cè)的需求以及電化學(xué)分析的恒電位儀產(chǎn)品存在體型大、控制差等問(wèn)題,結(jié)合現(xiàn)代集成電子技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于AVR單片機(jī)的便攜式恒電位儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ATmega16為控制核心,采用高精度轉(zhuǎn)換芯片DAC8831和AD7705以及集成運(yùn)放芯片OPA211,有效控制了便攜式恒電位儀系統(tǒng)誤差,實(shí)現(xiàn)了恒電位設(shè)定和極化電流測(cè)量的功能。首先采用三電極等效模型測(cè)試了恒電位儀的電化學(xué)性能,電位誤差控制在5mV以內(nèi),測(cè)試電流下限為0.1μA,符合要求;然后與CHI660C商用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該平臺(tái)的穩(wěn)定性及靈敏性。針對(duì)傳統(tǒng)阻抗系統(tǒng)參數(shù)單一以及現(xiàn)有的阻抗系統(tǒng)存在抗干擾能力差、造價(jià)高、效率低等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于電化學(xué)參數(shù)分析的阻抗測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化便攜設(shè)計(jì),以阻抗轉(zhuǎn)換器AD5933為核心,利用MSP430單片機(jī)作為微控制器,實(shí)現(xiàn)了阻抗測(cè)試的自動(dòng)化和測(cè)試結(jié)果的實(shí)時(shí)讀取。建立生物膜-電極阻抗模型,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本性能測(cè)試,采用純電阻及阻容網(wǎng)絡(luò)在1Hz~100KHz的范圍內(nèi)進(jìn)行了校準(zhǔn)和測(cè)試,其精度在1%以內(nèi);并通過(guò)與CHI760E對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了在不同直徑電極、不同濃度溶液和不同種類溶液的情況下,方差皆在1以內(nèi),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,針對(duì)便攜式恒電位儀的研制,可對(duì)食品中微量維生素B2的濃度進(jìn)行定量檢測(cè)分析;同時(shí)針對(duì)阻抗系統(tǒng)的設(shè)計(jì),進(jìn)行相關(guān)的阻抗模型分析可對(duì)生物膜的生理狀態(tài)進(jìn)行定性定量評(píng)估。因此,基于便攜化恒電位儀的微量維生素檢測(cè)平臺(tái)和基于生物膜貼附的阻抗測(cè)試平臺(tái),可聯(lián)立構(gòu)建細(xì)菌檢測(cè)與微量維生素檢測(cè)的分析技術(shù),較快速準(zhǔn)確檢測(cè)出不同濃度維生素環(huán)境中的微生物生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)性。通過(guò)聯(lián)用平臺(tái)的交叉檢測(cè)結(jié)果,可更準(zhǔn)確反映特征物環(huán)境下的細(xì)菌長(zhǎng)期生長(zhǎng)情況,為食品和公共衛(wèi)生安全提供服務(wù)和技術(shù)支撐。
【圖文】：

阻抗傳感器的基礎(chǔ)[34]，基于電化學(xué)參數(shù)分析的阻抗測(cè)試平臺(tái)總體示意圖如圖1.2所示。圖 1.2 電化學(xué)阻抗測(cè)試平臺(tái)總體示意框圖此外，對(duì)生物組織電學(xué)性質(zhì)的相關(guān)研究是生物檢測(cè)領(lǐng)域所熱切關(guān)注的焦點(diǎn)，人類可以通過(guò)生物組織其電學(xué)特性來(lái)檢測(cè)研究一些機(jī)體功能和相關(guān)生理狀況，電阻抗在生命物質(zhì)研究中是一個(gè)重要的電學(xué)參數(shù)，在電化學(xué)和生理狀態(tài)研究中具有重要的研究意義，，可以通過(guò)檢測(cè)電阻抗來(lái)研究細(xì)菌、生物膜等生物組織的生長(zhǎng)狀況[35]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)可以通過(guò)檢測(cè)生物電阻抗特性來(lái)研究和預(yù)測(cè)早期疾病、辨別正常組織和病變組織以及藥物治療中某些物質(zhì)作用等監(jiān)測(cè)情況[36]。從國(guó)內(nèi)外相關(guān)的報(bào)道[37]中得到，關(guān)于一些細(xì)菌、生物膜等生物組織的

杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖 2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 恒電位儀硬件電路設(shè)計(jì)2.2.1 電源模塊在轉(zhuǎn)換模塊電路中，轉(zhuǎn)換芯片的穩(wěn)定性和精確度都將受到基準(zhǔn)電源性能的影響，所以基準(zhǔn)電壓源的重要性不言而喻。本文系統(tǒng)采用精密基準(zhǔn)源芯片AD780，其低輸出噪聲、超低溫漂和任意電容驅(qū)動(dòng)的能力提高了ADC和DAC的性能，高線性調(diào)整率保障了工作電極電位穩(wěn)定性，并且其尺寸小、外圍電路簡(jiǎn)單適合微型化設(shè)計(jì)。2.2.2 微控制器模塊本系統(tǒng)的微控器制模塊采用ATmega16單片機(jī)，其處理能力數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，因而能緩解調(diào)節(jié)處理速度與功率消耗之間的矛盾；在外設(shè)方面支持SPI接口，允許和其他外設(shè)進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸，因此整個(gè)芯片支持片內(nèi)調(diào)試與編程，其工作效率高，具有豐富的指令集，比復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)微控制器數(shù)據(jù)處理能力高至2~10倍[43]。2.2.3D/A 轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊中則采用轉(zhuǎn)換速度快、精確度高、噪聲及功耗極低的DAC8831芯片，實(shí)現(xiàn)恒電位儀系統(tǒng)設(shè)定電位的低速掃描，該芯片是16位DA轉(zhuǎn)換器
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH832

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2611695