EmStat Pico：微型嵌入式电化学模块恒电位仪系统

作者：Lutz Stratmann, Brendan Heery, and Brian Coffey

电化学已经小型化。仪器已从机架式或台式计算机缩小到手持设备，用于护理点或环境分析。下一代仪器正在将恒电位仪集成到可穿戴设备、医疗设备或气体监测仪等小型设备中。EmStat Pico是ADI公司和PalmSens BV的合作产品，是一款微型（30.5 mm×18 mm ×2.6 mm）模块（SOM）恒电位仪系统，延续了这种减小尺寸的趋势。该器件采用ADI公司技术制造，包括ADuCM355、ADP166、ADT7420和AD8606。

电化学传感器系统开发需要了解固件、模拟和数字电子学，并熟悉电化学。这种知识组合在工程部门中通常不存在。EmStat Pico 模块允许设计人员跳过学习曲线并缩短开发时间，只需将线性扫描伏安法 （LSV）、方波伏安法 （SWV） 或电阻抗谱 （EIS） 等标准电化学测量集成到产品中，只需最少的开发时间和精力。鉴于电化学传感器市场的竞争日益激烈，该模块为开发人员提供了强大的收入优势。

本文详细介绍了三种不同的电化学测量：OCP （pH）、循环伏安法和EIS，展示了该器件易于集成到系统中，并演示了恒电位仪模块的应用范围。

系统集成

EmStat Pico设计用于仅使用四根线（5 V，接地，发送，接收）集成到任何基于微控制器的系统中。图 1 显示了示例设置，首先使用 Arduino MKR 作为主控制器，其次使用 USB 到 UART 转换器与 PC 接口。在这两种设置中，EmStat Pico都与丝网印刷电极（SPE）连接，用于常见的电化学测量，如循环伏安法（CV）。

一个。

b.

图1.EmStat Pico系统集成（a）通过Arduino MKR控制，（b）通过USB到UART转换器直接从PC控制。

开发板

图 2 所示的 EmStat Pico 开发板打破了 SOM 连接，并添加了一系列功能，包括：用于独立操作的电池电源和 SD 卡、USB 和蓝牙通信选项、用于时间戳的实时时钟 （RTC）、用于校准数据存储的 EEprom 以及用于直接插入 Arduino MKR 的接头。®

图2.EmStat Pico开发板。

软件接口

对于实验室和测试台应用，EmStat Pico可以通过USB连接由PSTrace PC软件操作。

对于 OEM 应用程序，通信是通过 UART 进行的，主站可以使用方法脚本™EmStat Pico脚本语言来控制EmStat Pico。这是一个人类可读的脚本，用于对 EmStat Pico 进行编程，以运行电化学技术并执行其他功能，例如循环、SD 数据记录、数字 I/O、读取辅助值（例如温度）以及睡眠或休眠。方法脚本代码可以在 PSTrace 中生成或手动编写。

酸碱度测量

pH值为0至14（酸性：0，中性：7，碱性：14）是最常见的电化学测量之一，用于从环境化学到医疗传感器的许多领域。测量通常使用特定于氢离子的玻璃离子选择电极（ISE）进行，该电极产生电压响应或开路电位（OCP）。正如OCP所暗示的那样，电极中不应流动任何电流或最小电流。因此，无差错测量需要高阻抗输入。pH电极的建立时间长达30秒，测量结果与温度密切相关。1

典型测量参数：

电压响应：25 ̊C 时 –59.16 mV/pH 单位

分辨率：±0.02 pH 单位，因此电压分辨率 <1.18 mV

温度依赖性：0.2 mV/pH 单位/ ̊C

所需输入阻抗：>100 GΩ

设置设备：

开发板上的 EmStat Pico

pH电极：伏特工艺PE-03

缓冲溶液：pH 7

缓冲溶液：pH 4

 

信号	开发板引脚	pH电极
RE_0	Con 4 针 6	内核
WE_0	Con 4 针 7	外护罩

 

图3.EmStat Pico开发板的pH测量设置。

pH电极连接到EmStat Pico开发板的RE_0输入，并参考WE_0。注意：此方向会产生反相电压响应。RE_0输入由EmStat Pico上的运算放大器AD8606缓冲，以实现输入阻抗>1 TΩ。记录RE_0 Vs WE_0上的电位2分钟，同时每20秒在pH 4和pH 7缓冲液之间转移电极。从一个缓冲液中取出ISE后，用脱矿水冲洗，然后将其浸入另一个缓冲液中。

 

酸碱度标准品	潜在
4	–0.14 V
7	+0.03 V

 

图4.在 EmStat Pico 开发板上测量 pH 值。

pH 4和pH 7下的电位差为0.17 V，这意味着电位和pH之间的线性关系斜率为56.7 mV/pH。考虑到25°C时59.16 mV/pH单位的理论理想值，这表明具有足够的灵敏度。

循环伏安法

循环伏安法是一种技术，其中将电压斜坡（例如–1 V至+1 V）施加到溶液中的电极上，然后反转至+1 V至–1 V，同时测量通过电极的电流。该循环允许测量由于电极溶液界面处化学物质的氧化和还原而导致的阳极和阴极电流。2该技术通常用于检测和定量电活性物质，例如普鲁士蓝（一种常见染料）等金属配合物。

典型测量参数：

施加电压：–1 V 至 +1 V

步长：10 mV

电流响应：±10 nA 至 ±1 mA

斜坡速率：100 mV/s

设置设备：

开发板上的 EmStat Pico

丝网印刷电极（SPE）：LP-3.13.WP.350，LanPrinTech

SPE 连接器：DS1020-03ST1D

铁氰化钾K3[铁（III）（中文）6]

亚铁氰化钾K4[二（二）（中）6]

氯化钾时钟

 

信号	开发板引脚	SPE 电极
RE_0	Con 4 针 6	再
WE_0	Con 4 针 7	我们
CE_0	Con 4 针 8	行政长官

 

图5.EmStat Pico开发板的循环伏安设置。

铁氰化钾钾溶液3[铁（III）（中文）6]和亚铁氰化钾K4[二（二）（中）6]（均为5 mmol/L）以1：1摩尔比与0.1mol/L氯化钾作为支撑电解质在蒸馏水中制备。

离子[Fe（II）（CN）6]4–可氧化成[铁（III）（CN）6]3–通过正电势，然后[Fe（III）（CN）6]3–可还原为[铁（II）（CN）6]4–通过负电势。这种可逆的氧化还原反应使该溶液适用于CV测量的演示。

SPE连接器使用EmStat Pico开发板的螺丝端子（CON4）放置在PSTAT_0通道中。将200 μL铁氰化物：亚铁氰化物溶液液滴在SPE的活性表面上。

EmStat Pico设置为在具有以下测量参数的PSTAT_0上运行CV - 施加电压：–0.4 V至+0.7 V;步长：10 mV;斜坡速率：100 mV/s。使用PSTrace记录数据。

结果

 

	潜在	当前
氧化	+340毫伏	+0.163毫安
减少	–80 mV	–0.15毫安

 

图6.5 mM 铁氰化物的循环伏安法：使用 EmStat Pico PSTAT_0 SPE 上的亚铁氰化物。

图6中的循环伏安图显示，由于[Fe（II）（CN）的氧化，在+340 mV的施加电位下，电流峰值为+0.163 mA。6]4–至 [铁（III）（中文）6]3–.–0.15 mA的负电流峰值出现在–80 mV时，是由于过程逆转时的降低。电流的大小与电活性物质的浓度成正比，这使得该技术适用于传感应用。峰值电位的平均值（180 mV）是形式电位;也就是说，还原或氧化反应的优势发生变化的电位。

环境影响评估系统

电阻抗谱（EIS）通常用于检查腐蚀界面或电池电极等表面的界面化学。这通常是通过施加小的正弦电位并在低于1 Hz至MHz的频率范围内测量电流响应来实现的。3

电化学界面可以用电路元件的组合进行建模。最简单的模型是包含两个电阻器和一个电容器的Randles电路。代表扩散的Warburg元件被省略，因为它没有等效的电路元件。PalmSens假电池有三个测试电路，包括一个Randles电池，标称值如图8c所示。这里，Rs代表溶液（电解质）电阻，Cddl代表双层（界面）电容，Rct代表电荷转移（界面）电阻。

EIS数据通常表示为奈奎斯特图或波特图，然后使用数学电路拟合来识别等效电路元件的值。

典型测量参数：

激励电压：10 mVP-P正弦

直流失调电压：100 mV

频率范围：0.1 Hz 至 100 kHz

电流响应：±100 nA 至 ±1 mA

设置设备：

开发板上的 EmStat Pico

传感器电缆：掌上传感器电缆

兰德尔斯等效电路：掌心假电池

 

信号	开发板引脚	电缆颜色	SPE 电极
RE_0	Con 8 针 1	蓝	再
WE_0	Con 8 针 5	红	WE_C
CE_0	Con 8 针 3	黑	行政长官

 

图7.EmStat Pico开发板的电阻抗谱（EIS）设置。

传感器电缆插入EmStat Pico开发板的CON8，鳄鱼夹连接连接到Randles虚拟单元，如图7所示。

EmStat Pico设置为使用以下参数对PSTAT_0执行EIS测量：直流电压：+1 V;正弦： 10 mV 峰峰值;频率范围：10 Hz 至 200 kHz。

使用Levenberg-Marquardt算法的PSTrace等效电路拟合用于计算电路中电气元件的值。

结果

图8a显示了图8c中Randles电路的波特图。在低频时，由于电容效应较小，10 kΩ电阻占主导地位。在较高频率下，阻抗下降以匹配溶液电阻，因为电容器几乎完全短路。

图8b以蓝色显示数据的奈奎斯特图，以橙色显示拟合到数据的理论模型。根据该模型计算出的等效电路元件的值如图8d所示。这些与虚拟电池的标称值非常匹配。注：电阻容差为0.1%，电容容差为5%。

一个。

b.

c.

 

电路参数	名义	计算
卢比	560 Ω	560.5 Ω
Rp	10 kΩ	10.01 千分电阻
镉一	33 nF	33 nF

 

图8.EmStat Pico测量PalmSens虚拟Randles电路的EIS结果由（a）波特图，（b）具有拟合模型的奈奎斯特图，（c）兰德尔斯电路模型和（d）从拟合模型计算的电路参数显示。

结论

EmStat Pico是一款多功能、用户可配置的恒电位仪，能够执行最常见的电化学测量。它采用小型系统封装，适合集成到小型化传感系统中。该器件基于ADI公司技术，包括ADuCM355、AD8606、ADT7420和ADP166。