检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的装置及方法

本发明涉及溶液浓度检测技术领域，尤其涉及一种检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的装置及方法。

背景技术：

糖类是多羟基醛、多羟基酮以及能水解而生成多羟基醛或多羟基酮的有机化合物。按分子结构可将糖类分为单糖、二糖和多糖。糖类是自然界中分布最广泛的有机化合物之一，在这些糖类中，葡萄糖、果糖和蔗糖又是最为常见的。

现有检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液的浓度的检测方法有仪器分析检测法和化学检测法，仪器分析检测法虽然操作简单，但是存在设备体积大、费用昂贵、检测精度低的缺陷；化学检测法存在操作繁琐，重复性差的不足。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的装置及方法，其能够快速准确的检测出葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液的浓度，结构简单，操作简便。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的装置，包括计算机、电化学工作站、多路数据选择器和检测机构，所述检测机构包括底座，所述底座上设有液体容器、第一检测组件和第二检测组件，所述第一检测组件包括位于液体容器上方的横梁以及用于驱动横梁升降的第一升降器，所述横梁下表面可拆卸连接有对电极、参比电极，所述第二检测组件包括位于液体容器上方的导轨、可沿导轨滑动的滑块、用于驱动导轨升降的第二升降器以及用于驱动滑块滑动的驱动模块，所述滑块位于导轨前侧，所述滑块下表面可拆卸连接有第一工作电极、第二工作电极和第三工作电极，所述第一工作电极为铜片电极，所述第二工作电极为泡沫镍电极，所述第三工作电极为铜膜电极，所述多路数据选择器的三个输入端分别与第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极电连接，所述电化学工作站分别与多路数据选择器的输出端、对电极、参比电极电连接，所述计算机分别与电化学工作站、第一升降器、第二升降器、驱动模块、多路数据选择器的控制端电连接。

在本方案中，检测时，将待测混合溶液注入液体容器，滑块滑动使第一工作电极位于液体容器正上方，第一升降器带动横梁下降使得对电极、参比电极插入待测混合溶液，第二升降器带动导轨下降使得第一工作电极插入待测混合溶液，此时第二工作电极、第三工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第一工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第一工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i1(t)，t为时间，将电流变化曲线i1(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y1；

接着，第二升降器带动导轨上升将第一工作电极移出液体容器，滑块滑动使得第二工作电极位于液体容器正上方，第二升降器带动导轨下降使得第二工作电极插入待测混合溶液，此时第一工作电极、第三工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第二工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第二工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i2(t)，将电流变化曲线i2(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y2；

同理将第三工作电极插入待测混合溶液，第一工作电极、第二工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第三工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第三工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i3(t)，将电流变化曲线i3(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y3；

计算机将特征值y1、特征值y2、特征值y3代入浓度检测模型：

其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、d1、d2、d3、e1、e2、e3都为已知系数；x1为混合溶液中葡萄糖浓度，x2为混合溶液中果糖浓度，x3为混合溶液中蔗糖浓度；

计算得到混合溶液中的葡萄糖浓度x1、果糖浓度x2、蔗糖浓度x3。

本方案将铜片电极、泡沫镍电极、铜膜电极分别作为工作电极与同样的对电极、参比电极配合对同一个葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液进行cv测试会得到三种不同的响应电流，根据三种不同的响应电流分别计算出对应的特征值，代入浓度检测模型计算出混合溶液中的葡萄糖浓度、果糖浓度、蔗糖浓度，结构简单，操作简便，能够快速准确的检测出葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液的浓度。

作为优选，所述横梁与导轨相互平行。

作为优选，所述第一工作电极、第二工作电极和第三工作电极从左至右排列成一条直线。

作为优选，所述液体容器内设有液位传感器，所述液位传感器与计算机电连接。液位传感器检测液体容器内的液位高度，计算机根据液位高度、工作电极需插入待测混合溶液的深度计算出导轨需下降的高度。

作为优选，所述对电极为铂电极，所述参比电极为ag/agcl电极。

本发明的检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的方法，用于上述的检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的装置，包括以下步骤：

s1：将待测混合溶液注入液体容器，将对电极、参比电极插入待测混合溶液，将第一工作电极插入待测混合溶液，第二工作电极、第三工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第一工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第一工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i1(t)，t为时间，将电流变化曲线i1(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y1；

s2：将第二工作电极插入待测混合溶液，第一工作电极、第三工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第二工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第二工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i2(t)，将电流变化曲线i2(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y2；

s3：将第三工作电极插入待测混合溶液，第一工作电极、第二工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第三工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第三工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i3(t)，将电流变化曲线i3(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y3；

s4：将特征值y1、特征值y2、特征值y3代入浓度检测模型：

其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、d1、d2、d3、e1、e2、e3都为已知系数；x1为混合溶液中葡萄糖浓度，x2为混合溶液中果糖浓度，x3为混合溶液中蔗糖浓度；

计算得到混合溶液中的葡萄糖浓度x1、果糖浓度x2、蔗糖浓度x3。

作为优选，所述步骤s1中计算机接收到电流变化曲线im(t)后计算出对应特征值ym的方法，m＝1～3，包括以下步骤：

n1：计算得到电流电压比函数v(t)为cv测试中的电压变化曲线；

n2：将电流电压比函数s(t)输入非线性动力学模型：

其中，x为动态参数，h、q为调整实参数，η(t)为承载激励信号，p为承载激励信号的强度，in(t)为输入信号，m为s(t)的强度，为输入信号的频率分量，f为频率，为初始角度，k为频率分量系数，n(t)是内部干扰信号，n为n(t)的强度，c(x)为承载系统，a、b为实参数；

承载激励信号η(t)的强度p从0开始增加时，动态参数x的动量处于上升状态，但是由于非线性动力学模型阻尼的影响，其运动状态处于受限状态，随着p的增加，当且仅当p＝pr时，动态参数x的运动状态从低能态向高能态跃迁，得到非线性动力学模型输出信号特征值该输出信号特征值csd即为特征值ym。

作为优选，所述扫描速率f为50mv/s。

作为优选，所述采用设定的扫描速率f进行一次cv测试包括以下步骤：采用设定的扫描速率f从-2.5v开始扫描到+2.5v，再从+2.5v扫描到-2.5v，完成一次cv测试。

作为优选，所述工作电极与待测混合溶液的接触面始终是一个0.5cm*0.5cm的正方形。

本发明的有益效果是：能够快速准确的检测出葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液的浓度，结构简单，操作简便。

附图说明

图1是实施例的电路连接框图；

图2是检测机构的结构示意图。

图中：1、计算机，2、电化学工作站，3、多路数据选择器，4、底座，5、液体容器，6、横梁，7、第一升降器，8、对电极，9、参比电极，10、导轨，11、滑块，12、第二升降器，13、第一工作电极，14、第二工作电极，15、第三工作电极，16、驱动模块，17、液位传感器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的装置，如图1、图2所示，包括计算机1、电化学工作站2、多路数据选择器3和检测机构，检测机构包括底座4，底座4上设有液体容器5、第一检测组件和第二检测组件，第一检测组件包括位于液体容器5上方的横梁6以及用于驱动横梁6升降的第一升降器7，横梁7下表面可拆卸连接有对电极8、参比电极9，第二检测组件包括位于液体容器5上方的导轨10、可沿导轨10滑动的滑块11、用于驱动导轨10升降的第二升降器12以及用于驱动滑块11滑动的驱动模块16，滑块11位于导轨10前侧，滑块11下表面可拆卸连接有第一工作电极13、第二工作电极14和第三工作电极15，第一工作电极13为铜片电极，第二工作电极14为泡沫镍电极，第三工作电极15为铜膜电极，多路数据选择器3的三个输入端分别与第一工作电极13、第二工作电极14、第三工作电极15电连接，电化学工作站2分别与多路数据选择器3的输出端、对电极8、参比电极9电连接，计算机1分别与电化学工作站2、第一升降器7、第二升降器12、驱动模块16、多路数据选择器3的控制端电连接。

横梁6与导轨10相互平行。第一工作电极13、第二工作电极14和第三工作电极15从左至右排列成一条直线。对电极8为铂电极，参比电极9为ag/agcl电极。

检测时，将待测混合溶液注入液体容器，滑块滑动使第一工作电极位于液体容器正上方，第一升降器带动横梁下降使得对电极、参比电极插入待测混合溶液，第二升降器带动导轨下降使得第一工作电极插入待测混合溶液，此时第二工作电极、第三工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第一工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第一工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i1(t)，t为时间，将电流变化曲线i1(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y1；

接着，第二升降器带动导轨上升将第一工作电极移出液体容器，滑块滑动使得第二工作电极位于液体容器正上方，第二升降器带动导轨下降使得第二工作电极插入待测混合溶液，此时第一工作电极、第三工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第二工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第二工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i2(t)，将电流变化曲线i2(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y2；

同理将第三工作电极插入待测混合溶液，第一工作电极、第二工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第三工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第三工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i3(t)，将电流变化曲线i3(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y3；

计算机将特征值y1、特征值y2、特征值y3代入浓度检测模型：

其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、d1、d2、d3、e1、e2、e3都为已知系数；x1为混合溶液中葡萄糖浓度，x2为混合溶液中果糖浓度，x3为混合溶液中蔗糖浓度；

计算得到混合溶液中的葡萄糖浓度x1、果糖浓度x2、蔗糖浓度x3。

本方案将铜片电极、泡沫镍电极、铜膜电极分别作为工作电极与同样的对电极、参比电极配合对同一个葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液进行cv测试会得到三种不同的响应电流，根据三种不同的响应电流分别计算出对应的特征值，代入浓度检测模型计算出混合溶液中的葡萄糖浓度、果糖浓度、蔗糖浓度，结构简单，操作简便，能够快速准确的检测出葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液的浓度。

液体容器5内设有液位传感器17，液位传感器17与计算机1电连接。液位传感器检测液体容器内的液位高度，计算机根据液位高度、工作电极需插入待测混合溶液的深度0.5cm计算出导轨需下降的高度。工作电极与待测混合溶液的接触面始终是一个0.5cm*0.5cm的正方形。

本实施例的检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的方法，用于上述的检测葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液浓度的装置，包括以下步骤：

s1：将待测混合溶液注入液体容器，将对电极、参比电极插入待测混合溶液，将第一工作电极插入待测混合溶液，第二工作电极、第三工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第一工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第一工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i1(t)，t为时间，将电流变化曲线i1(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y1；

s2：将第二工作电极插入待测混合溶液，第一工作电极、第三工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第二工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第二工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i2(t)，将电流变化曲线i2(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y2；

s3：将第三工作电极插入待测混合溶液，第一工作电极、第二工作电极不与待测混合溶液接触，多路数据选择器将第三工作电极与电化学工作站连通，电化学工作站通过第三工作电极、对电极、参比电极对待测混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，检测得到电流变化曲线i3(t)，将电流变化曲线i3(t)输入计算机，计算机计算出对应特征值y3；

s4：将特征值y1、特征值y2、特征值y3代入浓度检测模型：

其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、d1、d2、d3、e1、e2、e3都为已知系数；x1为混合溶液中葡萄糖浓度，x2为混合溶液中果糖浓度，x3为混合溶液中蔗糖浓度；

计算得到混合溶液中的葡萄糖浓度x1、果糖浓度x2、蔗糖浓度x3。

步骤s1中计算机接收到电流变化曲线im(t)后计算出对应特征值ym的方法，m＝1～3，包括以下步骤：

n1：计算得到电流电压比函数v(t)为cv测试中的电压变化曲线；

n2：将电流电压比函数s(t)输入非线性动力学模型：

其中，x为动态参数，h、q为调整实参数，η(t)为承载激励信号，p为承载激励信号的强度，in(t)为输入信号，m为s(t)的强度，为输入信号的频率分量，f为频率，为初始角度，k为频率分量系数，n(t)是内部干扰信号，n为n(t)的强度，c(x)为承载系统，a、b为实参数；

承载激励信号η(t)的强度p从0开始增加时，动态参数x的动量处于上升状态，但是由于非线性动力学模型阻尼的影响，其运动状态处于受限状态，随着p的增加，当且仅当p＝pr时，动态参数x的运动状态从低能态向高能态跃迁(此时，内部干扰信号n(t)的能量向电流电压比函数s(t)转化，被增强，因此可以从强背景噪声中被识别出来)，得到非线性动力学模型输出信号特征值该输出信号特征值csd即为特征值ym。

扫描速率f为50mv/s。cv测试的扫描范围为-2.5v～+2.5v。采用设定的扫描速率f进行一次cv测试包括以下步骤：采用设定的扫描速率f从-2.5v开始扫描到+2.5v，再从+2.5v扫描到-2.5v，完成一次cv测试。工作电极与待测混合溶液的接触面始终是一个0.5cm*0.5cm的正方形。

a1、a2、a3、b1、b2、b3、d1、d2、d3、e1、e2、e3的值通过下述方法计算得到：

m1：取四个不同混合浓度的葡萄糖、果糖、蔗糖混合溶液；

m2：电化学工作站通过第一工作电极、对电极、参比电极分别对上述四个混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，得到对应的四个特征值y1，将四个特征值y1及对应混合溶液中的葡萄糖浓度x1、果糖浓度x2、蔗糖浓度x3分别代入公式y1＝a1x1+b1x2+d1x3+e1建立方程组，可计算出a1、b1、d1、e1的值；

电化学工作站通过第二工作电极、对电极、参比电极分别对上述四个混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，得到对应的四个特征值y2，将四个特征值y2及对应混合溶液中的葡萄糖浓度x1、果糖浓度x2、蔗糖浓度x3分别代入公式y2＝a2x1+b2x2+d2x3+e2建立方程组，可计算出a2、b2、d2、e2的值；

电化学工作站通过第三工作电极、对电极、参比电极分别对上述四个混合溶液采用设定的扫描速率f进行一次cv测试，得到对应的四个特征值y3，将四个特征值y3及对应混合溶液中的葡萄糖浓度x1、果糖浓度x2、蔗糖浓度x3分别代入公式y3＝a3x1+b3x2+d3x3+e3建立方程组，可计算出a3、b3、d3、e3的值。

由于取的四个不同混合浓度的混合溶液中的葡萄糖浓度x1、果糖浓度x2、蔗糖浓度x3都是已知的，所以将已知浓度值及四个特征值代入对应的公式能够计算出需要的系数值。