电化学毫伏测量电路基本要求

Posted 2020-10-06 wolf_man9999

安培法测量电化学传感器对电路的要求

2013-10-23 10:06阅读：662

搞生物化学传感器的人多半是学化学或生物工程出身，许多人对电子电路不甚了解，这里简单分别涉及一下对测试电路设计方面的要求,有班门弄斧之嫌，只给有需要的“准外行”作个参考。
测量传感器电流的电路原理非常简单，是欧姆定律：I=V/R。在惰性金属电极上测量氧化还原性分子或离子，用于水溶液中的电压范围一般在-0.5至+0.7V范围。
电化学传感器在设计上都尽量避免消耗过多被测物分子，所以要求灵敏度高，单位浓度的被测分子在电极上产生的信号密度越大越好。另外又都要求检测限低，要求能够检出并分辨的浓度越低越好。这二者不矛盾，在化学上说是同一回事，但是在电路设计上则是两回事。
要求低检测限必须提出明确的最低可分辨电流，比如说0.2nA。对有经验的专家，只要你说出这个0.2nA，基本上他就能理解需要什么样的电路参数来实现。另外不需要特别指出的是电路本身的漏电流（或曰暗电流），这一项来自半导体或介电材料本身的固有电阻或电导，任何材料都有一个电阻率，正常测量微安以上级别的电路可以不太留意元器件材料性能的问题，但是纳安极的电路就不然。
如果要求电路能够分辨0.2nA电流，在0.7V恒电压下，用欧姆定律：
R = V/I = 0.7/0.2x（10-9）= 3500MΩ = 35亿欧姆 （位数正确否？）
这个数字的意义是，你的电路整体介电性能需要高于它，这包括所有元器件+PCB+焊点+表面涂层+甚至空气。。。最最要命的是，整个仪器内部或裸露线路任何一点的表面被潮气粘上，有灰尘杂质或盐类时，就相当于短路，你绞尽脑汁也找不到哪里出问题了，所以对仪器绝缘性能包括传感器接口和导线等都需要注意。
下面是个电流测量电路（伏安测量电路）原理图，左面的放大器提供参比电位（注意相对于工作电极来说，电压符号是反向的）和对电极接口（对二电极系统，将参比与对电极合并即可），右面的放大器是电流检测电路，一步直接转换为电压并放大输出。R2/R1的比值是对原始信号的放大倍数，如果选取100M/1K的话，就是一步放大10万倍。

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前面所说的灵敏度问题，表现在原理图上并不难，增加R2/R1比值就解决了，必要时可以增加一个次极放大电路。最后在电压输出端加上模数转换器就可以实现数据输出。
要想把这个简单伏安电路升级为电压扫描电路（扫描伏安或循环伏安）时，将电压源变成扫描源就可以了。当然这些是原理，实际电路不是如此简单。
要实现高精度、高灵敏度电流测量，关键是整个电路的质量。实用的化学传感器电路最大的优势是对频率特性要求较低，对环境干扰要求也低，一般不需要屏蔽，实际上需要在工作电极端接一个合适的电容滤掉噪音。所以除了医院的核磁仪器腔内，大部分场合都去得，没什么明显干扰。

 

 

 

前一篇讨论了传感器微量电流测量电路基本要求，再讨论另一种重要测量电路：毫伏电压测量的基本原理和要求.
不就是测量电压么？拿个万用表来谁不会用？
且慢！电化学仪器之所以值几万银子，肯定不是万用表能替代的。电化学与一般固体电路不同，关键在于它的电流-电压关系是靠电极表面与溶液中分子离子的电子交换来实现并维持的。要想测量电极表面平衡态的电荷积累状态（相间电位），就必须用电流等于零的方式来测量，这本身违反欧姆定律，没有电流是测不到电压的，那又如何实现测量？
实际生活中，要求测量电路本身具有极大电阻，以电流接近与零的方式来完成测量，使测量时流过的电流所消耗的电极电荷相对于电极表面的总体平衡态可以忽略不计，不会明显扰动电极表面状态。
上面这句话含义其实很深，注意！电压本身是非加和量（这个术语一时间想不起来了,Intensive quantity），与电极表面积无关，但是电极表面积却是加和量(extensive quantity)，电极表面积越大，所能允许的测量电流就越大，所以在尽可能情况下（例如测试液体体积不受限制时），电极面积越大越好，能够降低对测量电路的要求。
下面是一个原理电路，使用一个高输入阻抗的运算放大器直接实现毫伏电压测量，想要可靠测量毫伏电压，测量时的微量放电就可能使整个测量结果失效，所以需要测量电路的输入阻抗大于10-14欧姆以上(这个量值也是直接从欧姆定律得来的)。

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第一个运算放大器（高输入阻抗）直接测量pH电极与参比电极之间的电压差，第二个放大器将电压符号转换一下输出至显示器。理论上说原理与万用表没什么区别，主要是对测量电路输入阻抗的要求极高，不能有电流流过，否则造成电极放电，就测不准了。
再就是毫伏电压测量受环境干扰极大，必须有足够消除噪音的措施。表现在上面电路中，就是多处电容的使用。
再就电极表面现象解释一下，离子选择电极的毫伏测量是对表面相间电位的测量，如下图所示。这是一个电极表面（或玻璃膜表面）在溶液中，由于离子积 累所产生的电容效应。若每一个正负离子对代表一个单位电位差，则单位面积上的所有离子对的代数和(电荷密度）就是外电路测量所得电压。