一种用于重金属监测的无线浮标传感系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于重金属监测的无线浮标传感系统，它由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，其中重金属检测仪器包括电化学与光电集成芯片、参比电极、泵阀水路模块、信号采集电路、光源调制电路、ARM控制板、测试腔和激励光源，实现了对湖水重金属的在线、实时监测，具有极大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于重金属监测的无线浮标传感系统
本技术涉及化学传感器和生物传感器领域，尤其涉及一种用于重金属监测的无线浮标传感系统。
技术介绍
重金属通过矿山开采、金属提炼与加工、化工生产、农药化肥使用和生活垃圾等各种人为污染方式为主要途径进入水体，具有高毒性、不易代谢、易被生物富集并具有生物放大效应等特点，严重危害生态环境与人类健康，迫切需要建立水环境的重金属现场实时监测系统。迄今为止，少有国内的环境监测中心对水体的重金属含量变化进行监测。 常用于重金属检测的方法以原子吸收光谱法(Atomic absorpt1n spectroscopy,AAS)和电感稱合等离子体质谱法(Inductively-coupled plasma mass spectroscopy,ICP-MS)为主。通常用于实验室测量，并需要复杂的前处理操作，无法用于现场的实时监测。而且，仪器的价格昂贵、操作复杂、耗费时间长、难以实现多种重金属的同时检测。相比之下，溶出伏安法通过在恒定电位下对重金属富集，极大地提高了工作电极表面重金属的浓度，随后施加由负至正的扫描电压，使富集的重金属重新氧化为离子态，通过重金属对应的特征峰进行定量分析。溶出伏安法具有很低的检测下限，能同时检测多种重金属，测量时间短，灵敏度高，操作简单，可作为实时在线检测手段。 微电极阵列(Microelectrode array, MEA)为某一维尺寸达到微米级的电极阵列，由于其尺寸小，便于精确定位与分析，已广泛用于生物、化学、环境等多种领域中。在电化学分析中，相比传统的大电极，微电极阵列具有传质速率高、电流密度大、时间常数小、信噪比高、iR降低等优良的电化学特性，成为水环境重金属检测的重要手段之一。国内外研究者在微电极阵列用于重金属检测的研究中，通常仅局限于实验室的分析研究，无法应用于现场的实际检测。 光寻址电位传感器(Lightaddressable potent1metric sensor, LAPS)是一种功能类似化学场效应管的半导体化学传感器，通过光激励来调制器件的电场效应，该效应对器件绝缘层与电解溶液间的敏感膜电位变化敏感，且其响应电流与被测样品的离子浓度成线性关系，通过获得反应区敏感膜的响应电流对待测样品进行定量检测。在PH的测定中，LAPS表现出良好的灵敏度、线性度与稳定性，已广泛用于生物与细胞实验中。 随着无线网络技术的进步和完善，传感器向着微型化、集成化与网络化的方向发展，越来越多的传感器网络应用于现场监测。本技术采用基于电化学与光寻址电位传感器的集成芯片，引入不同传感器的数据融合与校准，以解决现场湖水环境PH变化的影响，提高集成芯片检测的准确度与抗干扰能力。同时，基于该集成芯片设计了安装于浮标上且可用于现场湖水重金属监测的无线网络传感系统，可实现对湖水重金属的在线、实时监测，同时通过多个监测系统组成传感器网络，具有极大的应用前景。
技术实现思路
本技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于重金属监测的无线浮标传感系统，本技术可以用于现场湖水重金属离子的实时快速监测。 本技术的目的是通过以下技术方案来实现的:一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，它由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，重金属检测仪器包括:电化学与光电集成芯片、参比电极、泵阀水路模块、信号采集电路、光源调制电路、ARM控制板、测试腔和激励光源；其中，所述电化学与光电集成芯片由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，电化学与光电集成芯片固定在测试腔的底部，参比电极插入测试腔的顶盖，参比电极使用饱和KCl溶液为内充液，参比电极与电化学与光电集成芯片中的微电极阵列、光寻址电位传感器及对电极阵列构成三电极系统，作为重金属的传感器检测单元；电化学与光电集成芯片通过焊盘封装在PCB板上，与信号采集电路连接，进行信号采集；封装有电化学与光电集成芯片的PCB板封装于测试腔底部以进行检测；激励光源封装于电化学与光电集成芯片中的光寻址电位传感器背部，与光源调制电路相连，通过激励光使光寻址电位传感器产生光生电流；泵阀水路模块、信号采集电路均通过串口与ARM控制板相连，光源调制电路与信号采集电路连接；泵阀水路模块由六通路多位阀和三路注射泵相连组成。 本技术的有益效果是，本技术采用基于电化学与光寻址电位传感器的光电集成芯片为检测元件，提高系统的检测准确度与抗干扰能力。同时，传感系统搭载ARM控制板，实现无线浮标传感系统与服务器的通信。系统搭载于浮标上，可实现湖水重金属的现场实时监测。 【附图说明】 图1是本技术无线浮标传感系统的结构框图； 图2是本技术无线浮标传感系统的水路结构图； 图3是本技术搭载的浮标系统结构图； 图中，电化学与光电集成芯片1、参比电极2、泵阀水路模块3、信号采集电路4、光源调制电路5、ARM控制板6、测试腔7、激励光源8、纯水池42、样品池43、镀汞液池44、缓冲液池45、标液池46、六通路多位阀47、三通路注射泵48、废液池49、浮标支架50、浮标主体51、浮标腔室52、固定钢板53、通信支架54、取样孔55、重金属检测仪器56。 【具体实施方式】 下面结合附图和实施例对本技术作进一步说明。 如图1所示，本技术用于湖水重金属无线监测，无线浮标传感系统由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，重金属检测仪器包括:电化学与光电集成芯片1、参比电极2、泵阀水路模块3、信号采集电路4、光源调制电路5、ARM控制板6、测试腔7和激励光源8。其中，电化学与光电集成芯片I由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，详细结构如图2所示。电化学与光电集成芯片I固定在测试腔7的底部，参比电极2插入测试腔7的顶盖，使用饱和KCl溶液为内充液。参比电极2与电化学与光电集成芯片I中的微电极阵列(工作电极)、光寻址电位传感器(工作电极)及对电极阵列构成三电极系统，作为重金属的传感器检测单元。电化学与光电集成芯片I通过焊盘封装在PCB板上，与信号采集电路4连接，进行信号采集。之后，封装有电化学与光电集成芯片I的PCB板封装于测试腔7底部以进行检测。激励光源8封装于电化学与光电集成芯片I中的光寻址电位传感器背部，与光源调制电路7相连，通过激励光使光寻址电位传感器产生光生电流。泵阀水路模块3、信号采集电路4均通过串口与ARM控制板6相连，光源调制电路5与信号采集电路4连接。 如图2所示，泵阀水路模块3主要由六通路多位阀47和三路注射泵48相连组成。六通路多位阀47分别与纯水池42，样品池43，镀汞液池44，缓冲液池45，标液池46及测试腔7相连，通过注射泵48抽取或排出各种试剂。注射泵通路与测试腔相连，用于排空测试腔的溶液。并与废液池49相连，通过从测试腔7中抽取溶液，最终排入废液池49。 本技术完整的水路流程为:三路注射泵48从纯水池42中抽取纯水进入测试腔7，对测试7腔进行清洗。随后将测试腔7中的纯水排入废液池49。从镀汞液池44中抽取试剂进入测试腔7对电化学与光电集成芯片进行前处理。对测试腔7进行排液和清洗。再从样品池43抽取待测的湖本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于重金属监测的无线浮标传感系统，其特征在于，它由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，重金属检测仪器包括：电化学与光电集成芯片（1）、参比电极（2）、泵阀水路模块（3）、信号采集电路（4）、光源调制电路（5）、ARM控制板（6）、测试腔（7）和激励光源（8）；其中，所述电化学与光电集成芯片（1）由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，电化学与光电集成芯片（1）固定在测试腔（7）的底部，参比电极（2）插入测试腔（7）的顶盖，参比电极（2）的内充液为饱和KCl溶液，参比电极（2）与电化学与光电集成芯片（1）中的微电极阵列、光寻址电位传感器及对电极阵列构成三电极系统，作为重金属的传感器检测单元；电化学与光电集成芯片（1）通过焊盘封装在PCB板上，与信号采集电路（4）连接；封装有电化学与光电集成芯片（1）的PCB板封装于测试腔（7）底部；激励光源（8）封装于电化学与光电集成芯片（1）中的光寻址电位传感器背部，与光源调制电路（7）相连；泵阀水路模块（3）、信号采集电路（4）均通过串口与ARM控制板（6）相连，光源调制电路（5）与信号采集电路（4）连接；泵阀水路模块（3）由六通路多位阀（47）和三路注射泵（48）相连组成。...

【技术特征摘要】
1.一种用于重金属监测的无线浮标传感系统，其特征在于，它由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，重金属检测仪器包括:电化学与光电集成芯片(I)、参比电极(2)、泵阀水路模块(3)、信号采集电路(4)、光源调制电路(5)、ARM控制板(6)、测试腔(7)和激励光源(8);其中，所述电化学与光电集成芯片(I)由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，电化学与光电集成芯片(I)固定在测试腔(7)的底部，参比电极(2)插入测试腔(7)的顶盖，参比电极(2)的内充液为饱和KCl溶液，参比电极(2)与电化学与光电集成芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，万浩，孙启永，王旭，李海波，哈达，徐宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33