一种特定离子的检测系统的制作方法

本发明属于离子检测技术领域，涉及一种检测系统，特别是涉及一种特定离子的检测系统。

背景技术：

随着现代社会日新月异的发展，各种离子的检测在食品、农业、医疗等多个行业有着很大的需求。例如钙离子，因为钙离子的浓度对于苹果的贮存有着重要的影响，所以在苹果采摘后检测钙离子的浓度对于苹果行业有着特殊的价值。另外，在乳制品行业，对于牛奶钙含量的检测也有着广泛的需求。在医疗行业，对于钙离子的迅速有效的检测在针对肝肾功能差的患者的心脏手术中有着重要的意义。

现有的检测技术有钙离子选择性电极，电感耦合等离子体质谱等。钙离子选择性电极需要配合电解液使用，而且测量精度不高。电感耦合等离子质谱测量精度高，但是测量周期长。

因此，如何提供一种特定离子的检测系统，以解决现有技术无法准确，快速检测出待测溶液中特定离子的浓度信息等缺陷，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种特定离子的检测系统，用于解决现有技术中无法准确，快速检测出待测溶液中特定离子的浓度信息的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种特定离子的检测系统，包括：中央处理模块，用于发送针对所述特定离子的检测指令；传感模块，用于接收所述检测指令，并根据所述检测指令，生成由待检测溶液中特定离子形成的检测电流信号；其中，所述传感模块解析所述检测电流信号，以检测出待检测溶液中特定离子的浓度信息；或所述中央处理模块接收所述传感模块生成的检测电流信号，解析所述检测电流信号，以检测待检测溶液中特定离子的浓度信息。

于本发明的一实施例中，所述传感模块包括：控制单元，用于接收所述检测指令，并根据所述检测指令，输出充电指令或放电指令；测量单元，用于当接收到所述充电指令时，待所述控制单元对所述测量单元开始充电，生成通过所述测量单元吸附的特定离子形成的第一检测电流信号；或用于当接收所述放电指令时，待所述测量单元开始放电，生成从所述测量单元上脱附的特定离子形成的第二检测电流信号。

于本发明的一实施例中，所述测量单元包括：特定离子选择电极、以及对电极；所述对电极与所述特定离子选择电极的极性相反。

于本发明的一实施例中，所述特定离子选择电极与所述对电极之间具有用于装载所述待检测溶液的液流通道；所述特定离子选择电极与待检测溶液接触的表面贴敷有一特定离子选择性薄膜；所述特定离子选择性薄膜用于在所述控制单元对所述测量单元充电时，从所述待检测溶液中吸附所述特定离子并排斥与该特定离子极性相反的其他离子；吸附在所述特定离子选择电极上特定离子的数量作为所述待检测溶液中特定离子的数量。

于本发明的一实施例中，所述特定离子选择电极还包括：碳基材料层和导电基板；其中，所述特定离子选择性薄膜的另一面与所述碳基材料层的一面相贴合，及与所述碳基材料层的另一面与所述导电基板的一面相贴合。

于本发明的一实施例中，待所述特定离子选择性薄膜吸附特定离子，所述特定离子选择电极与对极之间产生第一离子电流信号，所述第一检测电流信号与所述第一离子电流信号的幅值相同，方向相反；待所述特定离子选择性薄膜脱附特定离子，所述特定离子选择电极与对极之间产生第二离子电流信号，所述第二检测电流信号信号与所述第二离子电流信号的幅值相同，方向相反。

于本发明的一实施例中，所述测量单元在生成所述第一检测电流信号或第二检测电流信号后，所述控制单元对所述第一检测电流信号和所述第二检测电流信号分别做时间的积分，以计算出所述特定离子检测传感器所吸附的特定离子的电量值；取所计算的电量值的绝对值，并根据输出充电指令和放电指令的循环次数，计算特定离子电量的平均值；根据特定离子电量的平均值，计算出所述特定离子在待检测溶液中的浓度信息。

于本发明的一实施例中，所述控制单元还用于将特定离子在待检测溶液中的浓度信息转换成符合所述中央处理模块所要求的数据格式，并予以传输。

于本发明的一实施例中，所述控制单元电性连接于设于所述测量单元中特定离子选择电极上的第一集电单元、以及设于所述测量单元中所述对电极上的第二集电单元，以形成所述控制单元与测量单元间的连接。

于本发明的一实施例中，所述控制单元将所述测量单元生成的所述第一检测电流信号或第二检测电流信号转换为符合所述中央处理模块所要求的数据格式，并予以传输；待所述中央处理模块接收到所述第一检测电流信号或第二检测电流信号后，对所述第一检测电流信号和所述第二检测电流信号分别做时间的积分，以计算出所述特定离子检测传感器所吸附的特定离子的电量值；取所计算的电量值的绝对值，并根据输出充电指令和放电指令的循环次数，计算特定离子电量的平均值；根据特定离子电量的平均值，计算出所述特定离子在待检测溶液中的浓度信息。

于本发明的一实施例中，所述控制单元还用于对所检测出的浓度信息进行后续处理；或所述中央处理模块还用于对所述传感模块传输的所述第一检测电流信号或第二检测电流信号进行预处理。

于本发明的一实施例中，所述中央处理模块还用于以预设检测周期循环输出所述检测指令至所述测量模块。

如上所述，本发明的特定离子检测系统，具有以下有益效果：

本发明所述的特定离子检测系统利用电化学的方法结合固态电极直接测量液态物质中各特定离子的浓度，数据准确稳定，测量范围大，测量精度高。

附图说明

图1显示为本发明的特定离子的检测系统于一实施例中的原理结构示意图。

图2显示为本发明的传感模块的原理结构示意图。

图3显示为本发明的所采集第一检测电流信号与第二检测电流信号的示意图。

元件标号说明

1特定离子的检测系统

11中央处理模块

12传感模块

121控制单元

122测量单元

21第一集电器

22第二集电器

23测量器

231特定离子选择电极

232对电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种特定离子的检测系统，包括：

中央处理模块，用于发送针对所述特定离子的检测指令；

传感模块，用于接收所述检测指令，并根据所述检测指令，生成由待检测溶液中特定离子形成的检测电流信号；

其中，所述传感模块解析所述检测电流信号，以检测出待检测溶液中特定离子的浓度信息；或所述中央处理模块接收所述传感模块生成的检测电流信号，解析所述检测电流信号，以检测待检测溶液中特定离子的浓度信息。

以下将结合图示对本实施例所提供的特定离子的检测系统进行详细描述。请参阅图1，显示为特定离子的检测系统于一实施例中的原理结构示意图。如图1所示，所述特定离子的检测系统1包括中央处理模块11及传感模块12。所述传感模块12包括控制单元121和测量单元122。

所述中央处理模块11用于发送针对所述特定离子的检测指令。于本实施例中，所述中央处理模块用于以预设检测周期循环输出所述检测指令至所述测量模块12。

与所述中央处理模块11连接的所述传感模块12用于接收所述检测指令，并根据所述检测指令，生成由待检测溶液中特定离子形成的检测电流信号。在本实施例中，所述中央处理模块11与所述传感模块12可以有线连接或无线连接。

在本实施例中，若生成的检测电流信号数量量过大，不适合传输，且会增加所述中央处理模块的负重，则所述传感模块12可用于解析所述检测电流信号，以检测出待检测溶液中特定离子的浓度信息；或所述中央处理模块可用于接收所述传感模块生成的检测电流信号，解析所述检测电流信号，以检测待检测溶液中特定离子的浓度信息。

以下将具体分析所述传感模块12的具体结构。请参阅图2，显示为传感模块的原理结构示意图。如图2所示，所述传感模块12包括控制单元121和测量单元122。所述测量单元122包括第一集电器21、第二集电器22及测量器23。在本实施例中，第一集电器21和第二集电器22用于形成所述控制单元与测量器间的连接，所述第一集电器21设于所述测量单元122中特定离子选择电极上、以及所述第二集电器22设于所述测量单元中所述对电极上。于实际应用中，所述特定离子可以为阳离子，阴离子，呈负电性的化合物或呈正电性的化合物。阳离子如钙离子，钠离子，铵根离子，镁离子等，阴离子如氯离子、氟离子、硝酸根离子、亚硝酸根离子、硫酸根离子等。在本实施例中，所述检测指令的内容包括预设检测周期、并以预设检测周期间隔命令控制单元121向测量单元122发送充电指令或放电指令。

所述控制单元121用于在接收到源于所述中央处理模块11的检测指令，该指令为所述充电指令后，在所述测量单元122上持续施加一定时间长度的恒定电压(在本实施例中，该恒定电压的电压值在0.01v到1.2v之间，时间长度为1至100秒之间)，所述测量单元122生成通过所述测量单元吸附的特定离子形成的第一检测电流信号。

所述测量器23包括：特定离子选择电极231、以及对电极232；所述对电极232与所述特定离子选择电极231的极性相反。所述第一集电器21设置于特定离子选择电极231的外侧，所述第二集电器22设置于对电极232的外侧。

所述特定离子选择电极231与所述对电极232之间具有用于装载所述待检测溶液的液流通道233；所述特定离子选择电极231与待检测溶液接触的表面与贴敷有一特定离子选择性薄膜；所述特定离子选择性薄膜用于从所述待检测溶液中吸附所述特定离子并排斥与该特定离子极性相反的其他离子；吸附在所述特定离子选择电极上特定离子的数量作为所述待检测溶液中特定离子的数量。

在本实施例中，所述特定离子选择电极从上至下依次设置有导电基板，碳基材料层(碳基材料可以采用活性炭、碳纳米管或石墨烯等)及特定离子选择性薄膜。于本实施例中，所述碳基材料层以活性炭面为例。

在本实施例中，所述导电基板需要具备良好的电导率，方块电阻需低于10欧姆每平方厘米。例如，可以采用石墨片、石墨纸、导电玻璃、钛片等材料进行制备导电基板。

在选取好导电基板后，需在所述导电基板贴合活性炭面。在本实施例中，所述活性炭面141b为活性炭浆料形成的炭面，厚度控制在50-300微米之间。在本实施例中，所述活性炭浆料包括活性炭、导电炭黑、聚偏氟乙烯、和有机溶剂。

例如，活性炭浆料中各种成分活性炭：导电炭黑：聚偏氟乙烯(pvdf)以1:8:1的比例与有机溶剂进行混合。在本实施例中，所述有机溶剂采用n-甲基吡咯烷酮(nmp)，且n-甲基吡咯烷酮(nmp)与聚偏氟乙烯(pvdf)的比例在5:1到20:1之间。

所述特定离子选择电极与待检测溶液相接触的表面贴敷有用于从所述待检测溶液中吸附特定离子，并排斥与该特定离子极性相反的其他离子的特定离子选择性薄膜。所述特定离子包括特定离子和与特定离子极性相同的化合物。于实际应用中，所述特定离子可以为阳离子，阴离子，呈负电性的化合物或呈正电性的化合物。阳离子如钙离子，钠离子，铵根离子，镁离子等，阴离子如氯离子、氟离子、硝酸根离子、亚硝酸根离子、硫酸根离子等。所述对电极用于吸附与所述特定离子极性相反的离子。在本实施例中，以钙离子为例，钙离子选择电极吸附钙离子，排斥非钙离子的其他离子在钙离子选择电极的电极结构之外。

所述特定离子选择性薄膜为电解质选择吸附原料形成的贴层。在实施例中，所述电解质选择吸附原料包括特定离子载体、硼酸钠、硝基苯辛醚、聚氯乙烯、及四氢呋喃溶剂。

例如，1％重量比的钙离子载体eth129，0.2％的硼酸钠(ktfpb)，65.8％的硝基苯辛醚(npoe)，33％的聚氯乙烯(pvc)，将这些原料溶解于四氢呋喃溶剂(thf溶剂中)，混合液的干重是15％。

若特定离子为其他离子，那么将电解质选择吸附原料中的特定离子载体更换为与该电解质对应的电解质载体。

在本实施例中，所述特定离子选择电极从上至下还可以设置为导电基板，及与所述导电基板相贴合的特定离子选择性薄膜。

在本实施例中，所述导电基板需要具备良好的电导率，方块电阻需低于10欧姆每平方厘米。例如，可以采用石墨片、石墨纸、导电玻璃、钛片等材料进行制备导电基板。

在本实施例中，与所述导电基板紧密贴合的所述特定离子选择性薄膜为用于吸附特定离子的混合原料形成的贴层。所述混合原料包括活性炭浆料和离子选择吸附原料。

所述活性炭浆料包括活性炭、导电炭黑、聚偏氟乙烯、和有机溶剂。所述电解质选择吸附原料包括特定离子载体、硼酸钠、硝基苯辛醚、聚氯乙烯、及四氢呋喃溶剂。

在本实施例中，为了吸附更多特定离子，可在所述特定离子选择电极内部按照预定比例设置吸附孔，所述吸附孔包括微孔，中孔，及大孔；其中，所述微孔的的直径小于20nm；所述中孔的直径大于等于20nm，小于等于50nm；所述大孔的直径大于50nm。例如，传感器的阴极和阳极均有占电极体积约50％及以上的吸附孔。

所述控制单元121的工作过程：

首先，所述控制单元121接收到所述中央处理模块11所输出的充电指令。在本实施例中，所述充电指令发送至控制单元121后，控制单元121将0.2v的直流电压施加在所述第一集电器21和第二集电器22上，液流通道中的离子在直流电压的作用下向电极移动，其中，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，产生离子电流，吸附的离子被储存在特定离子选择电极的双电层中，相应的在第一集电器121和第二集电器122之间产生所述控制单元121对所述特定离子检测传感器的第一检测电流。所述第一检测电流的方向与控制器施加在所述测量器上的充电电流的电流方向相反，并迅速衰减。

接着，所述控制单元121待对所述特定离子检测传感器开始充电，待所述特定离子选择性薄膜吸附特定离子，所述特定离子选择电极与对极之间的离子发生转移，而在特定离子检测传感器内部产生第一离子电流信号，所述第一集电器121和第二集电器122之间产生电子转移，产生电子电流，即第一检测电流信号，采集所述控制器对所述特定离子检测传感器的第一检测电流信号。所述第一检测电流信号与所述第一离子电流信号的幅值相同，方向相反；

待充电完毕后，所述控制单元121再接收所述中央处理模块11所输出的放电指令。在本实施例中，所述放电指令发送至所述控制单元121后，控制单元将0v的电压施加在所述第一集电器11和第二集电器12上，液流通道中的离子在直流电压的作用下向电极移动，其中，阳离子从阴极上脱附，阴离子从阳极上脱附，产生离子电流，在第一集电器11和第二集电器12之间产生电子转移，即产生所述控制器对所述特定离子检测传感器的第二检测电流。所述第二检测电流的方向与控制器施加在所述测量器上的放电电流的电流方向相反，并迅速衰减。所述放电电流与所述特定离子检测传感器所产生的离子电流相等。

所述控制单元121待所述特定离子检测传感器开始放电，采集所述控制器对所述特定离子检测传感器的第二检测电流。所述第二检测电流与所述特定离子检测器在放电过程中产生的离子电流的幅值相等。

在本实施例中，所述控制单元121以预设检测周期循环，且间隔地输出所述充电指令和放电指令至所述测量单元122，循环生成和采集第一检测电流信号和第二检测电流信号。请参阅图3，显示为所采集第一检测电流信号与第二检测电流信号的示意图。如图3所示，所述第一检测电流信号为i1，所述第二检测电流信号为i2，横轴表示时间轴，纵轴为电流幅值，时间轴与第一检测电流的曲线所围成的阴影面积与时间轴与第二检测电流的曲线所围成的阴影面积相等，因为充放点的电荷量相同。

再采集完所述第一检测电流和所述第二检测电流，所述控制单元12分析所述特定离子检测传感器所吸附的特定离子的浓度信息。

所述控制单元121具体用于：

对所述第一检测电流i1和所述第二检测电流i2分别做时间的积分(如公式所示)，以计算出所述特定离子检测传感器所吸附的特定离子的电量值。

∫idt＝q公式(1)

取所计算的电量值的绝对值，并根据输出充电指令和放电指令的循环次数，计算特定离子电量的平均值。

例如，|q1|＝|q2|＝|q3|＝|q4|；

根据特定离子电量的平均值，计算出所述特定离子在待检测溶液中的浓度信息。所述特定离子在待检测溶液中的浓度信息用c表示。

例如，运用所述控制单元121的检测特定离子电量可以针对已知的一系列离子浓度测量其电量值，并制作出离子浓度相对于电量的标准曲线。对于离子浓度未知的溶液，则可将其测量得到的电量值带入该标准曲线，得到对应的离子浓度。

采用本实施例所述的特定离子检测系统与现有技术的检测精度比对请参阅表1

表1：本申请与现有技术的特定离子浓度检测精度比对表

从上述实验数据获知本实施例所述提供的特定离子的检测系统比现有技术的检测精度更高。

在计算出所述特定离子在待检测溶液中的浓度信息后，所述控制单元121还用于将特定离子在待检测溶液中的浓度信息转换成符合所述中央处理模块11所要求的数据格式(例如，包括对数据信息进行加密，打包，信号的物理意义上的转化)，并予以传输至所述中央处理模块11。例如，通spi传输方式传输符合所述中央处理模块11要求的数据格式的浓度信息。在本实施例中，在转换数据之前，所述控制单元121还用于对所检测出的浓度信息进行信号过滤、去噪等后续处理。

在本实施例中，若所述传感模块12产生的数据量不大时，所述传感模块12会将生成的生成的所述第一检测电流信号或第二检测电流信号转换为符合所述中央处理模块所要求的数据格式(例如，包括对数据信息进行加密，打包，信号的物理意义上的转化)，并予以传输至所述中央处理模块11。

待所述中央处理模块接收到所述第一检测电流信号或第二检测电流信号后，对所述第一检测电流信号和所述第二检测电流信号进行预先处理，例如，解密，信号过滤，去噪等预处理。待对所述第一检测电流信号和所述第二检测电流信号预先处理后，对预先处理后的第一检测电流信号和第二检测电流信号分别做时间的积分，以计算出所述特定离子检测传感器所吸附的特定离子的电量值；取所计算的电量值的绝对值，并根据输出充电指令和放电指令的循环次数，计算特定离子电量的平均值；根据特定离子电量的平均值，计算出所述特定离子在待检测溶液中的浓度信息。

在本实施例中，所述中央处理模块11的硬件组件包括：第一处理器、第一存储器、第一收发器、第一通信接口和第一系统总线；第一存储器和第一通信接口通过第一系统总线与第一处理器和第一收发器连接并完成相互间的通信，第一存储器用于存储计算机程序，第一通信接口用于和其他设备进行通信，第一处理器和第一收发器用于运行计算机程序，使中央处理模块11执行接收所述传感模块生成的检测电流信号，解析所述检测电流信号，以检测待检测溶液中特定离子的浓度信息的功能。

所述控制单元121的硬件组件包括：第二处理器、第二存储器、第二收发器、第二通信接口和第二系统总线；第二存储器和第二通信接口通过第二系统总线与第二处理器和第二收发器连接并完成相互间的通信，第二存储器用于存储计算机程序，第二通信接口用于和其他设备进行通信，第二处理器和第二收发器用于运行计算机程序，使控制单元121执行解析所述检测电流信号，以检测出待检测溶液中特定离子的浓度信息的功能。

上述提到的系统总线可以是外设部件互连标准(peripheralpomponentinterconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extendedindustrystandardarchitecture，简称eisa)总线等。该系统总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。通信接口用于实现数据库访问装置与其他设备(例如客户端、读写库和只读库)之间的通信。存储器可能包含随机存取存储器(randomaccessmemory，简称ram)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

综上所述，本发明所述的特定离子检测系统利用电化学的方法结合固态电极直接测量液态物质中各特定离子的浓度，数据准确稳定，测量范围大，测量精度高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。