EmStat Pico：支撑软件运转的嵌入式小型电化学恒电势器体例化模块

　　摘 要：电化学产物日趋微型化；其余，电化学传感器体例的开拓须要具备固件、模仿和数字电子学学问以及对电化学的长远体会，工程部分经常不具备这种学问组合。ADI公司与PalmSens BV配合研发的EmStatPico是一款微型(30.5 mm×18 mm×2.6 mm)恒电势器体例化模块，只需很少的开拓年光和元气心灵即可将尺度的电化学丈量。本文精确先容了三种分歧的电化学丈量，解说可轻松地将该器件集成到体例中，并树范阐述了的使用边界：OCP (pH)、轮回伏安法和EIS。

　　电化学产物日趋微型化。仪器仪外从机架安置式或台式机缩小为手持式修立，以举行宗旨点或情况解析。下一代仪器仪外开头将恒电势器集成到更小的修立（比如可穿着修立、医疗修立或气体监测仪）中。ADI公司与PalmSens BV配合研发的EmStat Pico便是一款微型(30.5 mm×18 mm×2.6 mm)恒电势器体例化模块(SOM)，它延续了这一尺寸缩小的趋向。该器件采用ADI本事构修，网罗ADuCM355、ADP166、ADT7420和AD8606。

　　电化学传感器体例的开拓须要具备固件、模仿和数字电子学学问以及对电化学的长远体会。工程部分经常不具备这种学问组合。EmStat Pico模块只需很少的开拓年光和元气心灵即可将尺度的电化学丈量，如线性扫描伏安法(LSV)、方波伏安法(SWV)或电阻抗光谱法(EIS)，集成到单个产物中，从而使打算职员可能跳过进修经过，并缩短开拓年光。鉴于电化学传感器市集逐鹿日趋激烈，该模块使开拓职员具有富足的年光抢占营收先机。

　　本文精确先容了三种分歧的电化学丈量，解说可轻松地将该器件集成到体例中，并树范阐述了恒电势器模块的使用边界：OCP (pH)、轮回伏安法和EIS。

　　EmStat Pico旨正在仅操纵四根导线 V、地、发射、授与）便可集成到任何基于微局限器的体例中。图1显示了示例树立，前者操纵Arduino MKR动作主局限器，后者操纵USB到UART转换器邻接到PC。正在这两种树立中，EmStat Pico都与丝印电极(SPE)邻接，用于常睹的电化学丈量，如轮回伏安法(CV)。

　　图2所示的EmStat Pico开拓板将SOM邻接断开，并增加了一系列成效，网罗：用于独立运转的电池电源和SD卡、USB和Bluetooth通讯选项、用于标识年光戳的及时时钟(RTC)、用于校准数据存储的EEprom以及用于直接插入Arduino MKR的接头。

　　关于实行室和测试台使用，可能通过USB邻接操纵PSTrace PC软件来运转EmStat Pico。

　　关于OEM使用，可能通过UART举行通讯，主机可能操纵MethodSCRIPT™ EmStat Pico剧本发言来局限EmStat Pico。 这是一个可读剧本，用来对EmStatPico举行编程以操纵电化学本事并推广其他成效，比如轮回、将数据纪录到SD、数字I/O、读取辅助值（如温度）以及睡眠或歇眠状况。措施剧本代码可能正在PSTrace中天生，也可能手动编写。

　　为0~14的pH值丈量（酸性：0；中性：7；碱性：14）是最常睹的电化学丈量措施之一，它平常用于从情况化学到医疗传感器等稠密周围。经常操纵针对特定氢离子的玻璃离子采选性电极(ISE)举行丈量，该电极会形成电压反应或开道电势(OCP)。顾名思义，OCP体现没有任何电流或惟有极小的电流流入电极。因而，无偏差丈量央求高阻抗输入。pH电极的修树年光可长达30 s，而且丈量值与温度亲切合系。[1]

　　pH电极邻接到EmStat Pico开拓板的RE_0输入端，并以WE_0为基准电压源。谨慎：此宗旨会形成一个反向电压反应。RE_0输入端通过EmStat Pico上的AD8606运算放大器举行缓冲，以竣工1 TΩ的输入阻抗。每隔20 s将电极正在pH 4和pH 7缓冲溶液之间举行转移的同时，纪录2 min年光段内RE_0相关于WE_0的电势。将ISE从一个缓冲溶液中取出后，先用去离子水冲洗再将其浸入另一个缓冲溶液中。

　　pH 4和pH 7之间的电势差为0.17 V，这意味着电势与pH值的线 mV/pH单元，这解说树立具有足够的精巧度。

　　轮回伏安法本事是将电压斜坡（如-1~+1 V）施加于溶液中的电极，然后再举行反向（从+1~-1 V），同时丈量通过电极的电流。这种轮回法可丈量因电极溶液界面处的化学物质的氧化和还原而形成的阳极和阴极电流。[2]该本事经常用于检测并量化电活性物质，比如普鲁士蓝（一种常睹染料）等金属络合物。

　　操纵EmStat Pico开拓板的螺丝端子(CON4)将SPE邻接器置于PSTAT_0通道中。将200 µL的铁氰化物:亚铁氰化物溶液滴剂滴到SPE的活性外面上。

　　图6中的轮回伏安图显示，因为[Fe(II)(CN)6]4–氧化为[Fe(III)(CN)6]3–，施加的电势为+340 mV时，电流峰值为+0.163 mA。正在-80 mV处崭露的-0.15 mA的负电流峰值是由反向还原经过所致。电流的幅度与电活性物质的浓度成正比，因而该本事适合于检测使用。峰值电势的均匀值(180 mV)是时势电势；即还原反响或氧化反响的主导位置发作改换时的电势。

　　电阻抗光谱法(EIS)经常用于检讨腐化界面或电池电极等外面的界面化学机能。经常通过施加一个小的正弦波电势并正在低于1 Hz到MHz的频率边界内丈量电流反应来达成。[3]

　　电化学界面模子可能采用一个电道元件组合来构修。最粗略的模子是Randles电道，包罗2个电阻和1个电容。代外扩散的Warburg元件被略去，由于没有与之等效的电道元件。PalmSens虚设单位具有3个测试电道，网罗1个Randles单位，其标称值如图8c所示。正在这里，Rs代外溶液（电解质）电阻，Cdl代外双层（界面）电容，Rct代外电荷迁移（界面）电阻。

　　EIS数据经常以奈奎斯特或波特图体现，然后操纵数字电道拟合来确定等效电道的元件值。

　　将传感器电缆插入EmStat Pico开拓板的CON8，并将鳄鱼夹邻接器邻接到Randles虚设单位，如图7所示。

　　通过采用Levenberg-Marquardt算法的PSTrace等效电道拟合来计较电道中的电子元件的数值。

　　图8a显示了图8c所示Randles电道的波特图。正在低频下，因为电容效应较小，因而10 kΩ电阻占主导位置。正在较高频率下，跟着电容险些变为理思短道状况，阻抗降至与溶液电阻相成亲。

　　图8b中蓝色所示为数据的奈奎斯特图，橙色所示为数据拟合的外面模子。凭据模子计较出的等效电道元件值如图8d所示。这些值与虚设单位的标称值正经成亲。谨慎：电阻容差为0.1%，电容容差为5%。

　　EmStat Pico是一款用户可摆设的通用型恒电势器，它不妨推广大大批常睹的电化学丈量。它采用小尺寸的体例化模块封装，适合集成到小型检测体例中。该器件采用ADI本事构修，网罗ADuCM355、AD8606、ADT7420和ADP166。