快速检测水中多氯联苯含量的电化学免疫传感器设计

刘源等

摘要：检测水中多氯联苯含量传感器由电化学三电极、信号采集及转换电路、单片机和显示单元组成。采用示差脉冲法，在单片机的控制下，为三电极提供-0.3～0.6 V连续变化电压信号，驱动三电极系统中待测液发生氧化/还原反应。该系统实现了对多氯联苯含量的快速检测。

关键词：多氯联苯； 电化学三电极系统； 免疫传感器； 示差脉冲法

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）18-4593-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.052

多氯联苯是一种持久性有机污染物，具有难降解和生物毒性大的特点[1]，其通常存在于水和土壤中。电化学免疫传感器是基于抗原抗体反应的，可进行特异性的定量或半定量分析的自给式的集成器件。抗原/抗体是分子识别元件，且与电化学传感元件直接接触，并通过传感元件将某种或者某类化学物质浓度信号转变为相应的电信号[2]。电化学免疫传感器是基于在恒电位下电极表面发生氧化还原反应引起电流的变化来测定溶液中相应的待测物质的浓度。本研究设计了快速检测水中多氯联苯含量的电化学免疫传感器，实现了对多氯联苯含量的快速检测。

1 DPV原理

DPV是示差脉冲法的简称。该方法是在工作电流上施加一个线性变化的直流电压，并用时间控制器同步在间隔一定时间后叠加一矩形脉冲电压，并且采用两次电流取样的方法，记录脉冲加入前20 ms和脉冲终止前20 ms时的电流差值，检测灵敏度较高。

2 电化学免疫传感器的组成及工作原理

电化学免疫传感器由电化学三电极系统、数据采集及处理系统和显示系统组成。当三电极放入待测溶液中，由单片机控制，给三电极提供-0.3～0.6 V连续变化电压信号，通过恒电位电路将外部激励信号准确地施加于电化学三电极传感器上，驱动样品溶液发生电化学反应，并对产生的响应信号做相应的处理（即信号IV转换、放大、滤波、AD转换等）后传送到单片机内核，经过计算数据处理后找到峰电流。根据峰电流的变化可以测定溶液中多氯联苯的含量。

3 系统设计

3.1 硬件系统设计

3.1.1 电化学三电极系统 设计采用电化学三电极系统，工作电极（WE）为石英晶体金电极、甘汞作参比电极（RE）、铂作辅助电极（AE）。在工作电极的表面会产生电化学反应，而参比电极在没有电流通过的前提下用来维持工作电极与参比电极间电压的恒定，从而使得辅助电极输出反应产生的电流信号，再由测量电路实现信号的转换和放大[3，4]。电解液的成分为氯化钾、PBS与铁氰化钾或亚铁氰化钾的混合溶液。电极作为敏感元件，它是将多氯联苯抗原固定在电极表面上，利用抗原间特异性反应，产生电动势的变化。当电极上抗体与抗原发生反应，形成抗原-抗体络合物后，峰电流发生变化。

3.1.2 恒电位电路设计 恒电位电路用来维持工作电极和参比电极间电位差恒定的，如图1所示。将参比电极电位加到控制放大器的反向端，控制放大器的输入端接地作为基准电位，控制放大器的输出端接辅助电极而形成闭环负反馈调节系统。电极中电流变化时，参比电位相对于工作电极电位的任何微小变化，均将为电路的电压负反馈所纠正，从而达到自动恒定电位的目的[5-7]。

3.1.3 信号采集与处理系统 信号采集与处理系统由A/D转换模块的C8051F340、电压反向器、控制放大器、2个电压跟随器和I/V转换及低通滤波构成（图2）。恒电位电路使工作电极和参比电极间的电压保持恒定后。通过辅助电极采集电流信号，经过IV转换电路、低通滤波电路后输入带有A/D转换模块的C8051F340进行转换和运算，将结果显示出来。

3.1.4 信号扫描 该部分的硬件电路如图3所示。由单片机给出循环伏安法激励信号，通过A/D转换、光电隔离、放大电路，传送到恒电位电路，给三电极提供-0.3～0.6 V连续变化电压信号，该激励信号作用于恒电位电路。

3.1.5 显示模块设计 显示模块由LCD1602液晶显示屏与外围接口组成（图4）。其中LCD1602液晶屏为通用的液晶显示屏。显示模块的接口设计中，将LCD1602的数据接口即（Data0-Data7）与C8051F340 MCU的P0口相连。将LCD1602的电源通过电源滤波和抗干扰电路与5 V电源输入相连接。

3.2 软件设计

3.2.1 主程序设计 单片机的主程序是由数据采集程序、数据处理程序、激励信号产生程序和显示程序组成（图5）所示。该程序的关键是按DPV法的要求，在分别在脉冲加入前20 ms和脉冲终止前20 ms时进行采样。数据处理程序完成对每次采集的数据处理，找到-0.3～0.6 V范围内的电流的极大峰值。

3.2.2 循环扫描（激励信号）程序设计 由单片机控制形成从-0.3～0.6 V范围内的扫描信号，是由一个线性变化的直流电压，并用时间控制器同步在间隔一定时间后叠加一个振幅为5～100 mV、持续时间为40～80 ms的矩形脉冲电压，形成如图6所示的激励信号。

4 系统的测试与分析

4.1 测试条件和方法

测试前将不含多氯联苯元素的样品测试所得的峰电流值作为空白，利用该传感器对不同多氯联苯元素浓度含量进行测试测试。首先，将含有一定量多氯联苯的养殖水加入到样品池中，然后，连接好电路，把膜修饰电极在该溶液中静置12 min，在 -0.3～0.6 V间进行扫描，扫描速度控制在0.10 V/s，测得多氯联苯浓度的标准曲线。每次扫描结束后，将电极置于PBS缓冲溶液中，更新电极表面，使电极有良好的重现性。

4.2 相关系数检测

多氯联苯的检测值在1.25～10.00 ng/mL范围内有很好的线性关系，电化学工作站CH660A测试值与检测系统测试值相关系数R=0.994 8。

5 小结

多氯联苯元素的浓度与峰值电流呈反比的。在-0.3～0.6 V的外加激励信号作用下，多氯联苯的氧化还原反应在13 min左右开始趋于稳定。所以，多氯联苯的最佳测试时间应为13 min。

参考文献：

[1] 孙人杰.多氯联苯（PCB-77，PCB-101）电化学还原行为及其影响因素研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[2] 缪 璐，刘仲明，张水华.电化学免疫传感器的研究进展[J].中国医学物理学杂志，2006，3（2）：132-134.

[3] 张 乐.电化学法COD检测中的三电极系统开发研究[D].天津：河北工业大学，2010.

[4] 王兆雨，吴效明，刘仲明.基于C8051F02的三电极电化学检测系统设计[J].中国医学物理学杂志，2013（30）：3909-3912.

[5] 陈 坤.单片集成式电化学测试系统电路的研究[D].重庆：重庆大学，2011.

[6] 钟海军，邓少平.恒电位仪研究现状及基于恒电位仪的电化学检测系统的应用[J].分析仪器，2009（2）：2-5.

[7] 姚毓升，解永平，文 涛.三电极电化学传感器的恒电位仪设计[J].仪表技术与传感器，2009（9）：23-25.