检测微量维生素B2的便携式恒电位仪平台设计

徐 莹 罗玉林 郭 淼

(杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院生物医学工程研究所，杭州 310018)

检测微量维生素B2的便携式恒电位仪平台设计

徐 莹 罗玉林 郭 淼*

(杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院生物医学工程研究所，杭州 310018)

设计并实现一种基于AVR单片机的便携式恒电位仪平台，用于食品中微量维生素的电化学检测。采用ATmega16为控制核心，选用AD7705和DAC8831作为转换芯片，集成运放选用OPA211为核心器件，软件优化校准逻辑设计，有效控制恒电位仪误差，实现恒电位设定功能和极化电流参数的测量功能。测试结果表明，恒电位仪的电位误差控制在mV级别，最大误差约1%，测试电流下限达到1 μA以内；与CHI660C商用平台进行对照性电学实验，验证该便携式恒电位仪的稳定性及灵敏性；平台应用性实验测得输出峰电流与维生素B2浓度呈线性关系，相关系数为0.994，初步实现对食品中维生素B2的快速检测。

快速电化学检测；便携式恒电位仪；AVR单片机；维生素B2检测

引言

维生素B2(VB2)是细胞中重要的生物氧化还原辅酶，是维持机体正常生活所必需的一类营养素[1]。对于婴幼儿食品中维生素B2的添加，必须通过检测严格控制，所以寻找一种简单、高效、快速的检测方法十分必要。维生素B2的分析主要有微生物分析法、荧光分析法、紫外分光光度法、高效液相色谱分析法及电化学分析法等[2]。微生物法耗时超过24 h；荧光法要根据不同的样品进行不同的提取、皂化、纯化等前处理；紫外分光光度法对水浴加热的温度有严格限定，且实验步骤复杂，花费时间较长，以上方法均存在耗时长、测试不稳定的缺点。电化学分析法根据物质在溶液中的电化学性质及其变化，通常采取在合适的电位下固定电位极化或在较宽范围内进行电位扫描、检测的一类分析方法，具有操作简单、分析速度快、准确度高等优点，可实现连续分析和现场分析，已经得到越来越多的应用[3]。

恒电位仪是电化学分析中三电极式传感器的接口设备，主要将外部激励信号精准地加载到传感器上，驱动样品溶液发生电化学反应，并对产生的响应信号做出相应的处理。目前，国内外使用较多的磁饱和恒电位仪和可控硅恒电位仪，大都存在体积大、功耗高、可靠性差等缺点[4]。例如，国内成邦防腐材料生产的工业级恒电位仪存在精度较低，操作复杂，体积大，无法满足现场电化学检测的需求；国外普林斯顿PAR273A恒电位仪控制范围较小，体型庞大(31 kg)，不易搬移。此外，一些商用实验平台如CHI660C恒电位仪虽精度高，但是其体积较大，不易携带，不适合实际工程应用[5]，而市场上小型的恒电位仪则存在精度低、定制性较差等缺点，如上海昕瑞DJS-292恒电位仪等。本研究针对现有恒电位产品的不足以及在体型、精度、检测范围等方面综合要求，并结合食安领域电化学快速检测的需求，设计实现了一种基于AVR单片机的便携式恒电位仪平台，电位最大误差约1%，测试电流下限为1 μA以内，平台测得峰电流与维生素B2浓度呈线性关系，能初步实现对于食品中维生素B2的快速检测。

1 恒电位仪平台硬件系统

1.1 平台测量原理

图1 恒电位仪平台测量原理Fig.1 Operating principle of potentiostat platform

在本研究中，恒电位仪平台测量原理如图1所示，主要由运算放大器、三电极体系、样品溶液等组成。三电极体系包含工作电极(WE)、参比电极(RE)和对电极(CE)。工作电极在外加电位下使待测溶液发生电化学反应，从而测定该电极上产生的电流，对电极和工作电极组成回路，而参比电极为工作电极和对电极提供基准电压。样品溶液内发生氧化还原反应，促使电子穿过电极和溶液形成的界面，产生电流，该电流信号与被测物质浓度具有一定关系，从而可算出被测物的浓度。在进行电化学检测时，需要在WE和RE间加一恒定电位，以维持传感器的电化学稳定性[6]。

1.2 平台结构

本研究恒电位仪平台结构框图如图2所示，主要由电源模块、微控制器模块、A/D转换模块、D/A转换模块、运算放大器模块等模块组成[7]。它以ATmega16单片机为控制核心，通过I/O口控制继电器组的闭合实现电极的工作状态的转换，将SPI通信接口与D/A转换模块和A/D转换模块相连接，实现恒电位仪电位的设定、实际电位和极化电流的采集，将转换得到的数字信号通过RS-232接口传给上位机进行处理，按键设置模块可设置选择所需模式，液晶显示模块则显示相应的电压和电流值。

图2 平台结构框图Fig.2 Platform structure diagram

1.3 硬件电路

本平台的微控器制模块采用ATmega16单片机，其处理能力可达到1 MIPS/MHz，能缓解功耗和处理速度之间的矛盾；支持SPI接口，允许和其他外设进行高速的同步数据传输，比复杂指令集结构的单片机的数据处理效率高出2～3倍。

电源性能对整个平台有很大的影响，A/D及D/A转换芯片需要基准电压源。本设计的恒电位仪电位测量范围为-5～5 V，采用AD780精密基准源芯片，其具有低输出噪声和任意电容驱动能力，可以增强高分辨率ADC和DAC的性能[8]。

A/D转换模块实现对WE-RE电位和经I-V转换后的极化电流采样，其结果将直接影响恒电位仪的性能。本设计采用AD7705作为A/D转换芯片，用于低频测量的2通道模拟前端，采用Σ-Δ技术，获得16位无误码数据输出，优良的硬件功能使软件实现变得简单，缩短了指令的执行时间，提高了程序运行效率。D/A转换模块实现恒电位仪设定电位的低速扫描，为提高测量精度和减少控制误差，本设计采用DAC8831作为转换芯片，将其通过SPI接口与单片机相连，实现电压扫描过程的稳定性、精确度和线性度[9]。

运算放大器模块采用集成运放OPA211，利用其高输入阻抗、高开环放大倍数、低失调电压等特点，有效地控制了恒电位仪的误差，能够满足平台设计要求[10]。

2 恒电位仪平台软件系统

采用高内聚低耦合的思想对软件设计进行了模块划分，以AVR单片机为控制核心，降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化[11]。软件分为继电器控制、D/A电位设定、A/D数据采集、串口通信等模块，并由主程序协调工作。主程序流程图如图3(a)所示，其中D/A电位设定及A/D数据采集模块的流程图如图3(b)所示。在数据采集模块，可根据实验操作中测试精度所需进行采样过程的动态调整，减少冗余，与同类恒电位仪设计相比，具有灵活性。

图3 软件流程。(a)主程序流程；(b)D/A及A/D模块控制流程Fig.3 Software flow chart. (a) The main program flowchart; (b) D/A and A/D modules control flowchart

本设计根据微量维生素测试的具体需求，进行了优化校准逻辑设计，用于提升电化学工作站的控制性能。通过闭环控制，减小恒电位仪输出信号与设定值的误差，即减少扰动信号的幅度及偏置的误差，提升处理速度。对溶出信号偏差的校准采用并行结构的数字增量型PID算法，其处理速度相对于其他结构具有明显的优势，有实时性高、控制效果好以及简洁和鲁棒性好等优点，流程如图4所示。

图4 数字增量式PID控制算法流程Fig.4 Flowchart of digital incremental PID control algorithm

3 恒电位仪测试方法

3.1 平台电学性能参数测试

电解池中三电极关系可等效为图5(a)。其中，RS1、RS2是参比电极与对电极、工作电极之间溶液的电阻；RC、RW分别是参比电极与对电极、工作电极之间发生电荷转移时的感应电阻，其值随电化学反应而变化；CC、CW分别是对电极和工作电极与电解质在接触面上所产生的双电层电容，由吸附在电极表面的离子形成[12]。

当电解反应稳定时，电容充电完成后相当于断路，此时可忽略其影响，简化为图5(b)所示，即模型Ⅰ。若考虑溶液中工作电极上双电层电容对实验的影响，可认为RS等效为工作电极与对电极之间溶液的电阻，RFW、CFW是工作电极与电解质在接触面上产生的等效双电层阻抗，则三电极等效模型如图5(c)所示，即模型Ⅱ。

图5 三电极电路的基本及简化等效模型。(a)三电极电路等效模型；(b)电路简化等效模型Ⅰ；(c) 电路简化等效模型ⅡFig.5 Basis of three-electrode circuit and equivalent model.(a) Equivalent circuit model of three-electrode system; (b) Simplified equivalent circuit modelⅠ; (c) Simplified equivalent circuit model Ⅱ

为测试恒电位仪平台的电学性能，首先采用图5(b)等效模型Ⅰ进行参数测量。将恒电位仪设定不同的输入电压值，固定溶液阻抗RS为1 kΩ，不断改变RFW值，测量RE/WE之间的电压值并记录结果。为验证不同等效电路对恒电位仪性能测试的影响，采用图5(c)等效模型Ⅱ进一步对其性能测试，设定不同的电压值，固定RS为1 kΩ，CFW为50 μF，改变RFW值，测量RE/WE之间电压值，测试结束后统计测试结果。

进一步地，为了分析等效模型的简化对输出误差的影响，将等效模型Ⅰ和Ⅱ中的电阻RFW皆设定为1 kΩ，同时改变不同的输入电压(小于1 V)设定值，测量RE/RW间的电压值，记录结果，并进行对比分析。

为了进一步验证恒电位仪平台的稳定性及灵敏度，采用更加符合实际电解池的等效电路(等效模型Ⅱ)对本研究平台和商用平台CHI660C进行对比实验。不断改变溶液中的阻抗变化情况，即改变等效电路中的RC值，测试本平台和商用平台CHI660C随着阻抗不断变化时其稳定性及灵敏度是否满足要求，以及两者之间的对比差异。先固定电路简化等效模型Ⅱ中RFW为1 kΩ，改变CFW值分别为50、100、150 μF，设定不同电压值，测量两者的输出电流值；同理，再固定CFW为100 μF时，改变RFW值分别为0.5、1、5 kΩ，设定不同电压值，测量两者的输出电流值，记录结果并进行比较分析。

3.3 平台应用实验

本研究微量维生素B2检测平台如图6所示，主要由单片机控制模块和检测电路模块两部分组成。检测电路模块包括恒电位仪电路电化学反应单元和微电流检测单元；单片机控制模块包括按键控制和液晶显示等。实验分析中，静置时间为2 s，以0.1 V/s扫描速率，在0～-0.8 V之间进行循环伏安法扫描，实验重复10次，单次扫描需16 s，整个检测过程共162 s。

图6 便携式恒电位仪检测微量维生素B2的实验平台Fig.6 The testing platform of portable potentiostat for the detection of vitamin B2

应用实验需首先验证基本电化学实验特性[13]，即采用循环伏安法，对不同浓度的铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液([Fe(CN)6]3-/4-)，进行本方法与CHI660C工作站的对比测量实验：

1)配置好100 mM/L的[Fe(CN)6]3-/4-溶液，分别用PBS溶液加倍稀释浓度为50.00、25.00、12.50、6.75 mM/L的缓冲液；

2)进行循环伏安法测试，初始电位-0.2 V，静息时间2 s，电极扫速分别为10、25、50、100 mV/s；

3)记录比较氧化还原的两个峰值电流ip1与ip2。

在进行食品中微量维生素B2含量的检测实验中，采用电化学工作站CHI660C以pH为4.0的0.1 mol/L的邻苯二甲酸氢钾缓冲液作为电解液(维生素B2浓度为2×10-5mol/L)，扫描速率为0.1 V/s，于裸电极和修饰电极上采用循环伏安法进行测试。接着，采用便携式恒电位仪平台对裸电极和修饰电极在相同条件下进行测量，在0～-0.5 V电压范围内等间隔(0.05 V)改变电压，进行其输出电流采样点测量分析。重复上述实验过程，于裸电极和修饰电极上设定每个输出值10次的重复氧化还原测试。由于测试过程中存在电化学系统、电极位置等差异，以及屏蔽设施完善性等因素，导致有些测试值的界面电阻值等尚未基本一致，产生接触噪声等干扰，从而使个别输出明显偏离其他测量值，对实验结果有一定的影响。因此，采用罗曼诺夫斯基准则剔除粗大误差后，对该可疑测试点进行再次重复测量，以补充数据点使结果符合要求，并取其平均值作C-V曲线进行对比分析。

最后，平台测量得到氧化还原反应峰电流的确切值，可根据峰电流与维生素B2浓度在一定范围内的线性关系来定量判定样品中其含量。标定维生素B2的浓度(2.0×10-4、1.0×10-4、5.0×10-5、2.0×10-5、1.0×10-5、5.0×10-6、2.0×10-6mol/L)进行循环伏安扫描测试，记录数据并把各组不同维生素B2浓度与还原峰电流值做统计曲线，求解出平台测得还原峰电流值与样品中维生素B2浓度的统计关系，通过测量样品中氧化还原反应的峰电流值，即可得到食品中微量维生素的含量情况。

目前大型泵站变频发电方式主要是根据泵站机组发电的总容量增加1套变频发电机组及相应辅助设备。抽水运行时水泵机组正常运行，不需要使用变频机组；发电运行时水泵机组以低于抽水时的转速运行，发出的低频、低电压电能驱动变频机组电动机运行，电动机驱动发电机向电网发出与电网频率、电压相同的电能。

4 结果

4.1 平台电学性能参数测试结果

恒电位仪平台在电学性能参数测试时，分别采用图5(b)等效模型Ⅰ和图5(c)等效模型Ⅱ进行参数测量，测试结果如表1所示。数据表明，不同的等效模型，改变电阻RFW值时，RE/WE间的电压基本保持稳定，不同的RFW值都能精确地跟随给定电位的变化而变化，其误差值随设定电压的增大而略增。这反映了电位不变时，阻抗的变化(反映了溶液中离子浓度的改变)引起的电流/电压的跟随能力。但是采用模型Ⅰ时，误差相对稳定，最大误差为0.6%，而采用模型Ⅱ时，其误差值相对较大，最大误差约1%，且误差值成振荡趋势。

当进一步分析等效模型的简化对输出的误差造成影响时，等效模型Ⅰ与模型Ⅱ在相同条件下测得结果如表2所示。可以看出，对于工作范围内的电位输入值(±1 V)，采用等效模型Ⅰ和Ⅱ的输出电位都能精确跟随输入电位，误差值随输入电压的升高而略有增加。显然，等效模型Ⅱ比模型Ⅰ的数据相对不稳定且偏差略大，因为三电极接口与容性元件相连时，会使电路变得不稳定，具有容性的电解池会给本来就产生相移的反馈信号带来额外的相移，使得电路输出有跳变或振荡。这种振荡虽是一种交流现象，但它对交流和直流测量皆有影响，不仅会对交流测量带来额外的噪声，也会对直流测量带来明显的偏移[14]。表2结果显示，因为考虑了双电层电容因素，等效模型Ⅱ更加符合实际，测试数据更能反映实际恒电位仪的特性。

表1 采用不同等效模型时的恒电位仪测试数据

Tab.1 Test data of the potentiostat when adopted to different equivalent models

等效模型类别电阻RFW/kΩ设定电压/V0.3130.5001.0002.000模型Ⅰ10.3150.5031.0032.004100.3160.5031.0032.004500.3150.5021.0022.0031000.3140.5021.0022.003模型Ⅱ2000.3140.5011.0022.00210.3160.5041.0052.006100.3160.5031.0052.005500.3150.5031.0042.0031000.3150.5021.0022.0042000.3120.5011.0022.002

表2 三电极电路等效模型Ⅰ与模型Ⅱ测量数据对比

Tab.2 Data comparison between three-electrode circuit equivalent model Ⅰand equivalent model Ⅱ

测试次数设定电位/mV模型Ⅰ电压/mV模型Ⅱ电压/mV模型Ⅰ误差/mV模型Ⅱ误差/mV111.01.000255.05.00031010.110.20.10.242020.220.20.20.253030.330.50.30.564040.540.70.50.775050.550.50.50.58100100.6100.80.60.8

4.2 平台稳定性及灵敏度测试结果

在验证恒电位仪平台稳定性及灵敏度时，采用等效模型Ⅱ对本平台和商用平台CHI660C对比，实验结果如表3所示。其中，斜杠左右两侧分别为本恒电位仪和商用平台CHI660C的电流值。

表3数据表明，两种平台的测试结果基本相近，均接近理论值，误差小于0.1 mA，相对误差在1%以内，检测精度达到微安级别，灵敏度符合测试要求。当阻值固定时，电容的改变对电流值略有影响，但影响很小，两者的电流值都稳定在一定范围内，达到稳定性要求；当电容固定时，两者的实测电流值随着电阻的增加而线性减少，随着设定电压的增大而线性增加，符合理论情况。对比检验进一步说明，本研究恒电位仪平台的数据稳定性基本满足应用要求。

表3 采用本恒电位仪/CHI660C测得的等效模型Ⅱ在不同电位和阻抗值时的电流值

Tab.3 Current value of equivalent model Ⅱmeasured by the potentiostat /CHI660C under different electric potential and impedance

电阻RFW电容CFW设定电压/V0.10.51.02.0RFW=1kΩCFW=50μF0.105/0.0990.497/0.4990.992/0.9862.030/1.985CFW=100μF0.103/0.1050.503/0.5011.010/0.9902.020/1.990CFW=150μF0.110/0.1010.498/0.4990.997/0.9882.035/1.998CFW=100μFRFW=0.5kΩ0.207/0.2021.010/1.0021.990/1.9954.025/4.002RFW=1kΩ0.103/0.1050.503/0.5011.010/0.9952.022/1.990RFW=5kΩ0.020/0.0200.102/0.0990.206/0.1990.405/0.399

4.3 平台应用实验结果

测试本方法的基本电化学实验特性时，恒电位仪平台与CHI660C工作站的对比测量实验结果如表4所示。其中，斜杠左侧为CHI660C测得的数据，右侧为相同条件下本平台测得的数据。

表4 采用CHI660C/本恒电位仪平台测得[Fe(CN)6]3-/4-缓冲液在不同浓度及扫速下的输出电流值

Tab.4 The output current value of [Fe (CN)6]3-/4-solution in the CHI660C/the potentiostat platform under different concentrations and sweep speed

扫速/(mV/s)峰值电流ip1/μA、ip2/μA[Fe(CN)6]3-/4-浓度/(mM/L)50.00mM/L25.00mM/L12.50mM/L6.25mM/L10ip1193.2/19694.8/9747.0/4627.0/24ip2-212.3/-213-102.2/-101-50.9/-52-24.8/2525ip1299.0/311139.8/14168.5/6932.4/35ip2-315.2/-323-149.9/-152-74.9/-73-36.4/-3450ip1399.0/386184.9/18089.6/9142.3/44ip2-418.6/-407-198.2/-191-98.3/-97-47.4/-49100ip1517.6/511238.2/243113.5/12253.4/52ip2-548.3/552-256.8/-267-126.3/-125-60.6/-58

表4表明，两平台测量结果接近，相同浓度的缓冲液其电流值随扫速的增加而增加，相同扫速下其电流值随缓冲液浓度的减少而减少，且输出电流和扫描速度及缓冲液浓度皆成基本线性关系，符合理论结果。本便携式恒电位仪平台基本能精确到10-6A，而CHI660C作为成品化商用平台，精确度更高，但便携检测平台的测量稳定性和灵敏度基本接近，误差相对较小，符合初步的应用要求。

在食品中微量维生素B2含量的检测时，采用电化学工作站CHI660C进行循环伏安法测试，所用电极为裸电极与修饰电极，制作方法如文献[15]所述。测得结果如图7所示，其中4条曲线从上到下分别为修饰电极还原反应、裸电极还原反应、裸电极氧化反应以及修饰电极氧化反应得到的结果。

图7 工作站测得的裸电极(虚线)和修饰电极(实线)下，2×10-5 mol/L维生素B2的循环伏安图Fig.7 Cyclic voltammetry diagram of 2×10-5 mol/L vitamin B2 measured by the workstation under bare electrode (dotted line) and modified electrode (solid line)

从图7中可看出，裸电极测得的结果几乎没有峰值变化，且平稳无响应。而在修饰电极上，出现一对尖锐的氧化还原峰，峰电位为Ep1=-0.30 V，Ep2=-0.24 V，峰值电流ip1=6.8 μA，ip2=-7.1 μA，从而可求解出此时溶液中维生素含量情况。

重复上述实验过程，采用便携式恒电位仪平台对裸电极和修饰电极在相同条件下进行测量。其中，修饰电极上进行还原反应的部分数据如表5所示，并作C-V曲线如图8所示。

表5表明，相同条件下，在修饰电极上进行10次重复测试其还原反应的电流值虽存在微小波动，但每次结果几乎相近，其标准偏差均在3%以内，满足系统要求；在测量过程中，可明显检测到电流值在扫描开始时间内不断上升，在-0.3 V附近出现较大的峰值现象，在后一段电压测量内电流值平稳上升并趋于稳定值。这表明，本平台能明确检测到微量维生素B2的峰值，且随浓度增加而增大，可用于不同浓度维生素B2的定性判定。

图8 本平台测得的裸电极和修饰电极下，2×10-5 mol/L维生素B2的循环伏安图Fig.8 Cyclic voltammetry diagram of 2×10-5 mol/L vitamin B2 measured by the pltform under bare electrode and modified electrode

表5 修饰电极上多次重复测量还原反应的部分电流值

Tab.5 Portion of the current value of the modified electrode repeatedly measuring the reduction reaction

电压值/V修饰电极还原反应电流值/μA实验1实验2 实验3… 实验10平均值/μA标准偏差0-1.37-1.42-1.40-1.39-1.400.027-0.051.962.002.031.982.010.029-0.12.512.532.492.512.510.018-0.152.652.632.622.642.620.014-0.22.922.962.952.932.940.017-0.254.484.554.524.494.520.030-0.36.596.626.606.636.610.017-0.354.794.824.844.794.810.024-0.43.803.813.823.793.800.015-0.454.004.024.033.994.010.016-0.54.684.724.714.684.710.019

对比图7、8，虽然本方法的曲线特性差于商业平台，但其在裸电极上无峰值变化，在修饰电极上也出现较大的峰电流值。输出电流值与CHI660C增幅规律非常相似，曲线趋势较吻合。

根据输出峰电流值，把各组不同维生素B2浓度与还原峰电流值做统计曲线图，如图9所示。测试结果可得，在2.0×10-6～5.0×10-5mol/L范围内，峰电流与维生素B2浓度呈良好的线性关系，两者的回归方程为y=0.012x+0.318(x：VB2浓度/10-6mol/L，y：峰电流值/10-5A)，相关系数为R2=0.994，检出限按3倍信噪比估算为1.4×10-6mol/L。结果表明，在低浓度下还原峰电流与维生素B2浓度呈良好的线性关系，且自制平台上的维生素B2浓度与还原峰电流的线性关系，基本与电化学工作站所测得数据有相同的变化趋势，较为快速地得到测试结果，满足了测试的基本要求。

图9 修饰电极上维生素B2浓度与还原峰电流的关系Fig.9 Relationship between the concentration of vitamin B2 and reduction peak current on the modified electrode

5 讨论和结论

本研究设计并实现了一种基于AVR单片机的便携式恒电位仪平台，用于食品中微量维生素的电化学检测。目前市场上的恒电位仪，无论是商用实验的还是工程应用的，均存在体积质量、检测范围、检测精度不可兼得的问题。本研究设计的便携式恒电位仪平台与现有成熟的商用平台CHI660C以及工程应用中工业级的恒电位仪进行比较，虽然在电压的控制精度上尚未达到CHI660C级别，但相比一般的工业级恒电位仪电位控制和电流检测精度已有一定程度提高，性能及应用上也有一定的优化，具体表现如下：

1) 本平台克服改进了现有实际工程应用的恒电位仪在检测范围、检测精度、仪器体型和定制性等不可兼得的问题，做了设计参数的优化权衡，在体型上面，采用便携设计，使体型变小，平台兼顾了实用性和便携性；电位检测范围达到-5～+5 V，电位误差控制在mV级别，检测电流的下限达到1 μA，保证了其性能在普遍的电化学检测场合能满足要求，符合本研究食品中微量VB2快速检测的需求。

2)本VB2检测采用电化学分析法，并优化恒电位仪三电极电化学检测技术，比其他检测方法缩短了样品检测时间，多次重复采样，使得检测精度、检测全面性有了提高，降低检测成本，可便捷地进行食品或微生物溶液中微量维生素B2的检测，能够充分满足现场三电极采集系统检测需求。

3)本平台硬件采用模块化的设计思想，各模块均选用低噪声、高精度的高性能芯片，软件采用高内聚低耦合的思想，进行了卡尔曼滤波设计和增量型PID算法的优化校准逻辑设计，降低了系统噪声，提高了检测精度。同时，本平台具有多接口可拓展性，后期可结合其他平台联合应用，自设计联立性好，例如与阻抗测试系统进行联合，对生物膜在不同维生素浓度下阻抗贴附情况的实时检测。

本平台由于初步设计存在一些问题，主要包括检测精度的提高、传输方式的增加以及后期联立应用的优化：

1)目前平台对于屏蔽及噪声控制尚不完善，所以虽然在体型上以及便携性上优于CHI660C，且两者的测量稳定性和灵敏度基本接近，但是作为成品化商用平台CHI660C的精确度更高，因此本平台在控制精度上可通过芯片性能进一步提高。

2)当前检测平台通过RS-232接口将采集信号和数据传送给上位机，不能进行远距离地监测和控制，在传输方式上下一步工作可以增加无线通信传输等模式。

因此，在未来的设计中，考虑便携优化、检测范围扩大的同时，不断改进平台的硬件和软件优化设计，使其检测精度和性能达到市场高精度应用水平。本平台的突出优点体现在自设计联立性，进一步应用方向是与课题组的电化学阻抗测试系统联合，将微生物代谢液成分的电化学检测与生物组织单元的生长进行联立性研究[16]。例如，可以和电生理阻抗测试系统联合应用，用于检测黏附性生物膜(如某些细菌、细胞等)在不同维生素浓度作用下的生长状态指标以及长期的生长变化情况。

综上所述，本研究针对食品中微量VB2快速检测的需求以及现有产品的不足，设计了一种便携式恒电位仪应用平台。平台以ATmega16为控制核心，采用便携设计，功能突出，自设计联立性强，方便现场电化学检测，具有10-6A测量精度和较好的测量稳定性。相对于微生物法、分光光度法等其他维生素B2的检测技术和方法，缩短了样品检测时间。在后续设计中，可以增加本平台的联用性，与其他多种检测平台进行联立应用，增加无线通信等模块功能，达到食安领域各种快速电化学检测的应用要求。

[1] Bai Jin, Ndamanisha JC, Liu Lin, et al. Voltammetric detection of riboflavin based on ordered mesoporous carbon modified electrode [J]. Journal of Solid State Electrochemistry, 2010, 14 (12):2251-2256.

[2] Wongkaew N, Kirschbaum SEK, Surareungchai W, et al. A Novel Three-Electrode System Fabricated on Polymethyl Methacrylate for On-Chip Electrochemical Detection [J]. Electroanalysis, 2012, 24 (10):1903-1908.

[3] Duwe M, Chen T. Low power integrated potentiostat design for μ electrodes with improved accuracy [C]//IEEE 54th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). Seoul: IEEE, 2011:1-4.

[4] 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(02): 1-5.

[5] 潘银松,张成伟,张仁富,等. 基于微生物传感器的恒电位仪电流积分电路的设计[J]. 传感技术学报,2009,22(3):307-310.

[6] 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.

[7] Ayers S, Gillis KD, Lindau M, et al. Design of a CMOS Potentiostat Circuit for Electrochemical Detector Arrays [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2007, 54 (4):736-744.

[8] Huang Chunyueh. Design and implementation of a voltammetry potentiostat with wide dynamic current range measurement for electrochemical biosensors [J]. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2014,81 (1):205-214.

[9] Jin Yang, Wang Hong, Lv Zhengliang, et al. Reliable Remote-Monitoring Electrochemical Potentiostat for Glucose Measurements [J]. Tsinghua Science & Technology, 2009, 14 (5):593-600.

[10] Kim JH, Lee JY, Jin JH, et al. A fully microfabricated carbon nanotube three-electrode system on glass substrate for miniaturized electroche micalbiosensors [J]. Biomedical Microdevices, 2012, 14 (3):613-624.

[11] Cardoso JL, Menezes LED, Emeri JLD, et al. Construction and Evaluation of an Opto-Coupled Potentiostat with a PC/PDA Interface [J]. Instrumentation Science & Technology, 2008, 36 (6):623-635.

[12] 王兆雨,吴效明,刘仲明. 基于C8051F020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(1):3909-3912.

[13] Levine PM, Gong P, Levicky R, et al. Active CMOS Sensor Array for Electrochemical Biomolecular Detection [J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, 43(8):1859-1871.

[14] Ramfos I, Vassiliadis N, Blionas S, et al. A compact hybrid-multiplexed potentiostat for real-time electrochemical biosensing applications [J]. Biosensors & bioelectronics, 2013, 47(18):482-489.

[15] 王泽华,曾冬冬,张欢,等. 电沉积纳米金修饰的16通道电流型PSA免疫传感器的制备[J]. 中国生物医学工程学报, 2015, 34(1):55-61.

[16] 胡金夫,徐铭恩,徐莹,等. 基于细胞三维受控组装技术的细胞芯片构建[J]. 中国生物医学工程学报,2012,31(3):374-381.

Design of the Portable Potentiostat for the Detection of Trace Level of Vitamin B2

Xu Ying Luo Yulin Guo Miao*

(BiomedicalEngineeringInstitute,CollegeofLifeInformationScience&InstrumentEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China)

This paper introduced a portable potentiostat platform based on AVR microcontroller, which was used for electrochemical detection of trace vitamin B2. The platform adopted the high-precise conversion chip AD7705 and DAC8831 and used a microcontroller ATmega16 as a controlling core. The integrated operational amplifier was designed by OPA211 as the core device. The software design adopted optimized calibration logic. Therefore, the potentiostat output was effectively controlled, and the functions of setting the potentiostatic and measuring the polarization current parameter were implemented. Testing results showed that the potentiostat potential error was controlled within the millivolt, the maximum error was about 1%, and the test current limit value was less than 1 μA. The stability and sensitivity of the portable potentiostat platform was also analyzed compared with the CHI660C electrochemical instrument. The linearity between the peak current and the concentration of vitamin B2was measured by the platform experiment, and the correlation coefficient was 0.994. The rapid detection of vitamin B2in food was preliminarily verified.

rapid electrochemical measurement; portable potentiostat; avr microcontroller; vitamin B2detection

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 02.009

2016-04-05， 录用日期:2016-09-08

国家自然科学基金(30800248，31300939)；浙江省公益技术应用研究项目(2016C33G2041024，2017C33055)

R318

A

0258-8021(2017) 02-0187-09

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: xuyingxy@hdu.edu.cn