电流型电化学遥测系统的研制与应用.pdf

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1、第44卷分析化学(FENXIHUAXUE)仪器装置与实验技术第9期2016年9月ChineseJournalofAnalytieMChemistry1465～1470DOI：10．11895／j．i鼯l1．0253-3820．160234电流型电化学遥测系统的研制与应用李晓钢郭彬乾秦泰春郝洁于萍毛兰群(北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100191)(中国科学院化学研究所，活体分析化学院重点实验室，北京100190)摘要研制了一种微型嵌入式遥测系统，并利用此系统实现了电化学传感检测。遥测系统的输出电压范围为--0．5—0．5V，分辨率<1mV；电流检

2、测范围为一1—1A，最小分辨率为0．2nA。此遥测系统是基于ADuCM360微处理器设计的，包括恒电位仪、电流检测模块和无线模块，尺寸大小为24mm×13mm×11mm。利用LabVIEW开发上位机软件，用于数据存储和实时显示。为了验证该系统的精度和可靠性，对系统进行了电学性能测试。应用遥测系统检测不同浓度抗坏血酸溶液的电流响应，电极施加的工作电位为30mV，在浓度范围50～300~mol／L内，抗坏血酸电极的电流响应与其浓度呈现良好的线性关系，线性方程为，(nA)=2．98C^(~mol／L)一137．39，线性相关系数R0．984。并以脑缺血模型为例，探

3、索了仪器在活体动物研究中的适用性。结果表明，该系统可用于相关动物模型的研究。关键词遥测系统；微型化；电化学；安培法；抗坏血酸1引言探索脑神经生理和病理的物质基础一直是多学科交叉的前沿研究领域，建立这些生理活性分子活体、实时、动态分析方法，将为脑神经生理和病理过程物质基础的研究奠定基础。电化学方法具有高灵敏度、低成本和易于微型化的特点⋯，且具有高的时空分辨，是原位实时探测脑内物质的重要分析方法。安培分析法是电分析化学中重要的分析方法之一，由于它可以连续实时检测在活体分析中备受青睐。然而，目前的检测通常是采用商用仪器，使用有线方式进行测量，这不仅会限制动物的自由

4、活动，而且会对实验测量带来一定的噪音干扰J，测得的数据很难反映动物的真实状态_3』。随着科学技术的发展，生物遥测技术已应用于自由活动动物的脑神经化学分析_4J、活体内物质浓度以及生理信号监测等方面，比有线数据采集系统具有更大的优势和更多大的发展空间。到目前为止，生物遥测技术已实现了脑内多巴胺、抗坏血酸J、葡萄糖、乳酸¨。。等物质的分析，然而，为了进一步减轻对动物的干扰，微型化和低功耗的生物遥测系统的研制仍然迫在眉睫。在本研究组的前期研究中，曾自主发展了基于遥测技术的电位型分析方法。为了进一步满足安培分析法的需求，本研究研制了一种结构简单、性能可靠以及价格低廉

5、的遥测系统，结合在线电化学检测平台检测在脑缺血的情况下脑内抗坏血酸水平的变化，测试了遥测系统的性能。实验结果表明，遥测系统对三电极传感器施加的电位稳定性好、精确度高，且电流分辨率高，抗干扰能力强。2实验部分2．1仪器与试剂发送端微控制芯片ADuCM360(美国模拟器件公司)，运算放大器AD8606(美国模拟器件公司)，多路复用器ADG839(美国模拟器件公司)，接收端微控制芯片STC11F02E(中国深圳宏晶科技有限公司)；无线数据传输芯片nRF24L01+(挪威Nordic公司)，协议转换芯片CH340T(中国江苏沁恒股份有限公司)；电平转换芯片CAT62

6、19-330TD—GT3(美国安森美半导体公司)，表贴高精度电阻(0．1％)，贴片电容和钽电容。2016~3-28收稿；2016-06—15接受本文系国家自然科学基金委重大国际合作项目(No．21210007)资助E-mail：lqmao@iotas．aC．ca1466分析化学第44卷人工脑脊液(aCSF)由NaCI(126mmol／L)、KC1(2．4mmol／L)、KH2PO4(0．5mmol／L)、MgC12(0．85mmol／L)、NaHCO(27．5mmol／L)、Na2SO4(0．5mmol／L)配制，pH7．4；新配抗坏血酸盐溶液；单壁碳纳米管

7、(SWNTs，平均直径<2nm，长度0．5—5Om)；玻碳电极(上海辰华仪器有限公司)；微透析探针(透析长度：4mm；直径：0．24mm)；实验用超纯水(18．2MQ·cm)。2．2系统总体设计遥测系统结构如图1所示，主要由数据采集发送端、接收端和计算机3个部分组成。计算机通过接收端以无线数据传输的方式向数据采集发送端发送指令，可以控制其工作状态。数据采集发送端采集三电极电化学传感器产生的电流响应信号，经过处理转换成电压信号，然后把电压信号转换为数字量，最后通过无线数据传输的方式把转换后的数字量发送给数据接收端。接收端收到信号后，进行协议转换，通过USB串口

8、发送给计算机；计算机通过上位机软件对数字信号重新编码