基于生物电化学参数检测的恒电位仪优化及阻抗平台设计.pdfVIP

摘要

随着经济和社会的不断发展，人们对于食安领域微量特征物浓度检测的需求

也日益增长，恒电位仪在微量特征物浓度检测和分析领域发挥着重要的作用；同

时随着集成电路技术、电化学分析技术和软件设计方法的不断更新，阻抗检测系

统在由细菌等微生物形成的生物膜阻抗变化特性的研究领域得到了广泛的应用。

本论文从基于生物电化学参数检测的恒电位仪优化及阻抗平台设计的研究背景

和研究现状出发，针对目前便携式恒电位仪检测方法单一和缺乏数据优化算法的

问题，为便携式恒电位仪系统增加了电化学测试方法，并优化了基线峰位置校准

算法，最终进行了微量特征物的浓度检测；以及在AD5933阻抗检测系统的基础

上，设计并实现了便携式阻抗检测系统上位机软件，对该系统进行了性能测试，

并最终将其应用于生物膜简化等效模型的测试中。因此，本文设计并实现基于生

物电化学参数检测的恒电位仪优化方法及阻抗平台的测试与上位机软件设计，主

要工作如下：

针对目前便携式恒电位仪系统存在检测方法单一的问题，且基本上没有考虑

随着修饰物的增加基线、峰位置发生偏移的现象，本文在原有的便携式恒电位仪

系统中增加了计时电流法、差分脉冲伏安法的电化学检测方法，优化基线峰位置

校准算法，以使便携式恒电位仪系统满足电化学领域多场景使用、数据分析工作

越来越简单的需求。并将优化后的基线、峰位置校准算法应用在大肠杆菌测试实

验的数据上，结果表明经过算法处理过的数据，基线基本保持平行，峰位置误差

在1.23%以下。

针对电极上贴附的细菌等生物膜结构测试，本文在AD5933阻抗检测系统基

础上，设计并实现了便携式阻抗检测系统上位机，可用于由细菌等微生物形成的

生物膜阻抗变化特性的研究，改善了原有阻抗板存在问题。在便携式阻抗检测系

统上位机软件中，分别使用了扫描频率范围分组、对阻抗数据进行LMS自适应

滤波、拟合得到低频段的阻抗数据和测试结果，减小系统存在的误差问题，实现

软件设计流程，并在上位机软件中实现这些流程。

实验结果表明，针对便携式恒电位仪优化方面，设计了针对循环伏安法、CA

和DPV的性能测试实验和应用测试实验。在性能测试中和应用测试实验中，结

果均表明便携式恒电位仪性能较为优越，在性能测试实验中该系统得到的数据和

CHI760E大致相同，且峰高（稳定电流）的相对标准偏差在9.6%以下。其次，

在RC串并联网络下做了便携式阻抗检测系统的性能测试实验，以及在生物膜简

化等效模型下的测试实验，结果表明，二者在RC串并联网络中得到的数据曲线

趋势相同，且幅频特性方差在3.3Ω以下，相频特性方差在3.0°以下，表明该系

统具有较高的稳定性。因此，经优化后的便携式恒电位仪系统可以使用不同的电

化学检测方法实现对微量特征物的浓度检测，以及便携式阻抗检测系统可以实现

生物膜等效模型的基本测试，在实现快速检测和即时分析方面具有重要的应用价

值。

关键词：恒电位仪优化算法，生物电化学分析模型，基线峰位置校准算法，阻抗

检测系统

ABSTRACT

Withthedevelopmentofeconomyandsociety,thedemandfortheconcentration

detectionoftracefeaturesinthefoodsafetyfieldisalsoincreasing,thepotentiostat

playsanimportantroleinthedetectionandanalysisoftracefeatures.Atthesametime,

withthecontinuousupdateofintegratedcircuittechnology,electrochemicalanalysis

technologyandsoftwaredesignmethods,impedancemeasurementsystemhasbeen

widelyusedintheimpedancecharacteristicsofbiofilmsformedbybacteriaandother

microorganisms.Thispaperstartsfromtheoptimizationofthe