摘要/簡介

電化學(xué)產(chǎn)品日趨微型化。儀器儀表從機(jī)架安裝式或臺式機(jī)縮小為手持式設(shè)備，以進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)或環(huán)境分析。下一代儀器儀表開始將恒電勢器集成到更小的設(shè)備(例如可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備或氣體監(jiān)測儀)中。ADI公司與PalmSens BV合作研發(fā)的EmStat Pico就是一款微型(30.5 mm × 18 mm × 2.6 mm)恒電勢器系統(tǒng)化模塊(SOM)，它延續(xù)了這一尺寸縮小的趨勢。該器件采用ADI技術(shù)構(gòu)建，包括ADuCM355、ADP166、ADT7420和AD8606。

電化學(xué)傳感器系統(tǒng)的開發(fā)需要具備固件、模擬和數(shù)字電子學(xué)知識以及對電化學(xué)的深入了解。工程部門通常不具備這種知識組合。EmStat Pico模塊只需很少的開發(fā)時(shí)間和精力即可將標(biāo)準(zhǔn)的電化學(xué)測量，如線性掃描伏安法(LSV)、方波伏安法(SWV)或電阻抗光譜法(EIS)，集成到單個產(chǎn)品中，從而使設(shè)計(jì)人員可以跳過學(xué)習(xí)過程，并縮短開發(fā)時(shí)間。鑒于電化學(xué)傳感器市場競爭日趨激烈，該模塊使開發(fā)人員擁有充足的時(shí)間搶占營收先機(jī)。

本文詳細(xì)介紹了以下三種不同的電化學(xué)測量，表明可輕松地將該器件集成到系統(tǒng)中，并示范說明了恒電勢器模塊的應(yīng)用范圍：OCP (pH)、循環(huán)伏安法和EIS。

系統(tǒng)集成

EmStat Pico旨在僅使用四根導(dǎo)線(5 V、地、發(fā)射、接收)便可集成到任何基于微控制器的系統(tǒng)中。圖1顯示了示例設(shè)置，前者使用Arduino MKR作為主控制器，后者使用USB到UART轉(zhuǎn)換器連接到PC。在這兩種設(shè)置中，EmStat Pico都與絲印電極(SPE)連接，用于常見的電化學(xué)測量，如循環(huán)伏安法(CV)。

圖1.EmStat Pico系統(tǒng)集成(a)通過Arduino MKR控制，以及(b)通過USB與UART轉(zhuǎn)換器連接直接從PC控制。

開發(fā)板

圖2所示的EmStat Pico開發(fā)板將SOM連接斷開，并添加了一系列功能，包括：用于獨(dú)立運(yùn)行的電池電源和SD卡、USB和Bluetooth®通信選項(xiàng)、用于標(biāo)記時(shí)間戳的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、用于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲的EEprom以及用于直接插入Arduino MKR的接頭。

圖2.EmStat Pico開發(fā)板。

軟件接口

對于實(shí)驗(yàn)室和測試臺應(yīng)用，可以通過USB連接使用PSTrace PC軟件來運(yùn)行EmStat Pico。

對于OEM應(yīng)用，可以通過UART進(jìn)行通信，主機(jī)可以使用MethodSCRIPT? EmStat Pico腳本語言來控制EmStat Pico。 這是一個可讀腳本，用來對EmStat Pico進(jìn)行編程以使用電化學(xué)技術(shù)并執(zhí)行其他功能，例如循環(huán)、將數(shù)據(jù)記錄到SD、數(shù)字I/O、讀取輔助值(如溫度)以及睡眠或休眠狀態(tài)。方法腳本代碼可以在PSTrace中生成，也可以手動編寫。

pH值測量

范圍為0至14的pH值測量(酸性：0、中性：7、堿性：14)是最常見的電化學(xué)測量方法之一，它廣泛用于從環(huán)境化學(xué)到醫(yī)療傳感器等眾多領(lǐng)域。通常使用針對特定氫離子的玻璃離子選擇性電極(ISE)進(jìn)行測量，該電極會產(chǎn)生電壓響應(yīng)或開路電勢(OCP)。顧名思義，OCP表示沒有任何電流或只有極小的電流流入電極。因此，無誤差測量要求高阻抗輸入。pH電極的建立時(shí)間可長達(dá)30秒，并且測量值與溫度密切相關(guān)。

典型測量參數(shù)：

·電壓響應(yīng)：25?C時(shí)-59.16 mV/pH單位

·分辨率：±0.02 pH單位，即電壓分辨率<1.18 mV

·溫度相關(guān)性：0.2 mV/pH單位/?C

·要求的輸入阻抗：>100 GΩ

設(shè)置設(shè)備：

·EmStat Pico開發(fā)板

·pH電極：Voltcraft PE-03

·緩沖溶液：pH 7

·緩沖溶液：pH 4

圖3. EmStat Pico開發(fā)板的pH值測量設(shè)置。

pH電極連接到EmStat Pico開發(fā)板的RE_0輸入端，并以WE_0為基準(zhǔn)電壓源。注意：此方向會產(chǎn)生一個反向電壓響應(yīng)。RE_0輸入端通過EmStat Pico上的AD8606運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖，以實(shí)現(xiàn)>1 TΩ的輸入阻抗。每隔20秒將電極在pH 4和pH 7緩沖溶液之間進(jìn)行移動的同時(shí)，記錄2分鐘時(shí)間段內(nèi)RE_0相對于WE_0的電勢。將ISE從一個緩沖溶液中取出后，先用去離子水沖洗再將其浸入另一個緩沖溶液中。

圖4. EmStat Pico開發(fā)板上的pH值測量。

pH 4和pH 7之間的電勢差為0.17 V，這意味著電勢與pH值的線性關(guān)系的斜率為56.7 mV/pH。考慮到25?C時(shí)的理論理想值為59.16 mV/pH單位，這表明設(shè)置擁有足夠的靈敏度。

循環(huán)伏安法

循環(huán)伏安法技術(shù)是將電壓斜坡(如-1 V至+1 V)施加于溶液中的電極，然后再進(jìn)行反向(從+1 V至-1 V)，同時(shí)測量通過電極的電流。這種循環(huán)法可測量因電極溶液界面處的化學(xué)物質(zhì)的氧化和還原而產(chǎn)生的陽極和陰極電流。2 該技術(shù)通常用于檢測并量化電活性物質(zhì)，例如普魯士藍(lán)(一種常見染料)等金屬絡(luò)合物。

典型測量參數(shù)：

·施加的電壓：-1 V至+1 V

·步長：10 mV

·電流響應(yīng)：±10 nA至±1 mA

·斜坡率：100 mV/s

設(shè)置設(shè)備：

·EmStat Pico開發(fā)板

·絲印電極(SPE)：LanPrinTech的LP-3.13.WP.350

·SPE連接器：DS1020-03ST1D

·鐵氰化鉀K3[Fe(III)(CN)6]

·亞鐵氰化鉀K4[Fe(II)(CN)6]

·氯化鉀 ClK

圖5.EmStat Pico開發(fā)板的循環(huán)伏安法設(shè)置。

在蒸餾水中制備摩爾比為1:1的鐵氰化鉀K3[Fe(III)(CN)6]和亞鐵氰化鉀K4[Fe(II)(CN)6](各5 mmol/L)的溶液，并以0.1 mol/L氯化鉀作為支持電解質(zhì)。

離子[Fe(II)(CN)6]4–可被正電勢氧化為[Fe(III)(CN)6]3–，而[Fe(III)(CN)6]3–可被負(fù)電勢還原為[Fe(III)(CN)6]4–。這種氧化還原的可逆反應(yīng)使該溶液適合于CV測量演示。

使用EmStat Pico開發(fā)板的螺絲端子(CON4)將SPE連接器置于PSTAT_0通道中。將200 μL的鐵氰化物:亞鐵氰化物溶液滴劑滴到SPE的活性表面上。

使用以下測量參數(shù)將EmStat Pico設(shè)置在PSTAT_0中運(yùn)行CV，施加的電壓：-0.4 V 至+0.7 V;步長：10 mV;斜坡率：100 mV/s。使用PSTrace記錄數(shù)據(jù)。

結(jié)果

圖6.使用EmStat Pico的PSTAT_0在SPE上的5 mM鐵氰化物:亞鐵氰化物循環(huán)伏安法。

圖6中的循環(huán)伏安圖顯示，由于[Fe(II)(CN)6]4–氧化為[Fe(III)(CN)6]3–，施加的電勢為+340 mV時(shí)，電流峰值為+0.163 mA。在-80 mV處出現(xiàn)的-0.15 mA的負(fù)電流峰值是由反向還原過程所致。電流的幅度與電活性物質(zhì)的濃度成正比，因此該技術(shù)適合于檢測應(yīng)用。峰值電勢的平均值(180 mV)是形式電勢;即還原反應(yīng)或氧化反應(yīng)的主導(dǎo)地位發(fā)生改變時(shí)的電勢。

EIS

電阻抗光譜法(EIS)通常用于檢查腐蝕界面或電池電極等表面的界面化學(xué)性能。通常通過施加一個小的正弦波電勢并在低于1 Hz到MHz的頻率范圍內(nèi)測量電流響應(yīng)來完成。

電化學(xué)界面模型可以采用一個電路元件組合來構(gòu)建。最簡單的模型是Randles電路，包含兩個電阻和一個電容。代表擴(kuò)散的Warburg元件被略去，因?yàn)闆]有與之等效的電路元件。PalmSens虛設(shè)單元具有三個測試電路，包括一個Randles單元，其標(biāo)稱值如圖8c所示。在這里，Rs代表溶液(電解質(zhì))電阻，Cdl代表雙層(界面)電容，Rct代表電荷轉(zhuǎn)移(界面)電阻。

EIS數(shù)據(jù)通常以奈奎斯特或波特圖表示，然后使用數(shù)學(xué)電路擬合來確定等效電路的元件值。

典型測量參數(shù)：

·激勵電壓：10 mV p-p正弦波

·失調(diào)電壓：100 mV

·頻率范圍：0.1 Hz至100 kHz

·電流響應(yīng)：±100 nA至±1 mA

設(shè)置設(shè)備：

·EmStat Pico開發(fā)板

·傳感器電纜：PalmSens傳感器電纜

·Randles等效電路：PalmSens虛設(shè)單元

圖7.EmStat Pico開發(fā)板的電阻抗光譜法(EIS)設(shè)置。

將傳感器電纜插入EmStat Pico開發(fā)板的CON8，并將鱷魚夾連接器連接到Randles虛設(shè)單元，如圖7所示。

EmStat Pico設(shè)置為在PSTAT_0上執(zhí)行EIS測量，使用的參數(shù)如下：直流電壓：+1 V;正弦波：10 mV p-p;頻率范圍：10 Hz至200 kHz。

圖8.EmStat Pico測量PalmSens虛設(shè)Randles電路的EIS結(jié)果如以下圖表所示：(a)波特圖、(b)采用擬合模型得到的奈奎斯特圖、(c)Randles電路模型以及(d)由擬合模型計(jì)算得出的電路參數(shù)。

通過采用Levenberg-Marquardt算法的PSTrace等效電路擬合來計(jì)算電路中的電子元件的數(shù)值。

結(jié)果

圖8a顯示了圖8c所示Randles電路的波特圖。在低頻下，由于電容效應(yīng)較小，因此10 kΩ電阻占主導(dǎo)地位。在較高頻率下，隨著電容幾乎變?yōu)槔硐攵搪窢顟B(tài)，阻抗降至與溶液電阻相匹配。

圖8b中藍(lán)色所示為數(shù)據(jù)的奈奎斯特圖，橙色所示為數(shù)據(jù)擬合的理論模型。根據(jù)模型計(jì)算出的等效電路元件值如圖8d所示。這些值與虛設(shè)單元的標(biāo)稱值嚴(yán)格匹配。注意：電阻容差為0.1%，電容容差為5%。

結(jié)論

EmStat Pico是一款用戶可配置的通用型恒電勢器，它能夠執(zhí)行大多數(shù)常見的電化學(xué)測量。它采用小尺寸的系統(tǒng)化模塊封裝，適合集成到小型檢測系統(tǒng)中。該器件采用ADI技術(shù)構(gòu)建，包括ADuCM355、AD8606、ADT7420和ADP166。