多通道电化学分析仪的研制及性能测试

　　0　引言

　　作为一种快速准确的检测设备,生物传感器已有四十多年历史[1]。而电化学分析技术在生物传感器中的应用成为近年来发展非常迅速的一个研究领域[2]。电化学生物传感器具有电极制作简便、使用寿命长、重复性好、灵敏度高、成本低等诸多优点。近年来,各种电化学生物传感器广泛应用于基因诊断[3]、药物检测[4]、环境监测[5]、食品工业[6, 7]、基因芯片[8]等方面。显而易见,电化学生物传感器对促进生物检测技术的发展具有重要的战略意义[9]。电化学分析测试系统是电化学生物传感器的重要组成部分。它是通过电化学方法对化学体系进行研究的仪器[10],包括一个执行控制电极电势的恒电势仪(或一个用于控制通过电解池电流的恒电流仪)、一个产生所需信号的函数发生器、以及可以测量和显示采集数据的系统[11]。与以前的电化学分析仪器相比,其最大特点是引入了计算机,实现了自动控制和数据采集,从而形成了一个能完成整个实验过程的体系[12]。

　　目前市场主流的CHI系列和EG&G系列等电化学分析仪器[13],一般集成度低、体积大、功耗大、单通道,不适合实验室外使用,也不适合进行电极芯片测试[14]等研究。因此开发出适合多通道同步操作,体积功耗较小的电化学检测系统具有重要的研究和应用价值。

　　1　仪器设计

　　1. 1　总体框架设计

　　本文所设计和研制的16通道电化学分析仪的总体框架如图1所示。图中每个通道信号都通过三电极体系引入到系统中。恒电位仪的控制电势由D/A转换器产生,将待检测的电流信号通过I/V转换及滤波,得到与电流相对应的电压值,再经过A/D转换器得到电压的数字量。最后在微处理器的控制下实现数据的读取、处理,并将数据通过USB接口传输到上位机。

　　1. 2　具体模块设计

　　仪器主要功能是将电化学反应池中的电流信号,转化为数字量,并实现数据传输和处理。主要包括以下几个部分:函数发生器设计、恒电位仪设计、电流检测设计、USB接口设计。其中函数发生器为了产生用户设置的电压,恒电位仪为了稳定电压信号,电流检测为了将微弱电流转化为电压,USB接口为了方便与PC通信。

　　1. 2. 1　函数发生器

　　在电化学实验中,通常需要控制电极间电势连续性变化,这就需要用到函数发生器。从硬件设计的角度来说,函数发生器的设计就是选择合适的DAC及其外围器件。根据系统设计的要求,控制电压的最大变化范围为4 V,电压分辨能力为1 mV。

　　因此,采用12位以上分辨率、5 V电压基准源作为基准电压的DAC便能符合要求。基于此,选用单5V电源供电、具有14位分辨率、内含上电复位电路的DAC芯片AD5551。