本文是一篇生物医学工程论文，本文中先搭建了整个检测系统，检测系统包括硬件检测电路、软件程序和纸基微流控芯片三部分。硬件检测电路利用差分脉冲信号作为激励信号，以重金属离子得失电子产生的电流信号为检测对象，能够实现对重金属离子的定性定量检测。软件程序部分使用Matlab软件编写上位机界面，采用Keil 5编写下位机程序。
1绪论
1.1研究背景与意义
重金属离子是指密度与原子序数相对较高的金属离子，一般重金属的密度大于4.5克每立方厘米，主要包括铅、汞、镉、铜、锌、钨、钼、金、银等金属离子[1]。尽管人类的生命活动需要锰、锌等少量重金属的微量元素，但对于大部分重金属离子，比如汞、铅、镉等并不是生命活动所必需的，并且值得注意的是所有的重金属只要超过一定的浓度都会对人体造成不同程度的损伤。例如铅离子能够诱发癌症，损坏神经系统，使得智力迟钝，免疫力下降，即使少量接触也会影响身体发育和生长，造成身高过低以及体重过轻[2]；汞离子也会损伤神经系统，诱导心血管以及呼吸系统疾病。长期接触汞离子会导致注意力无法集中，容易激动易怒，同时会引起消化系统等疾病[3]；镉离子会使人发生急慢性中毒，诱发肾癌以及使得骨萎缩变形，并且会对生殖系统产生不良影响等[4,5]；铜离子含量超过一定数值也会对人体造成不可逆的不良影响[6]，比如会出现肝坏死[7]以及出现黄疸等情况。同时重金属离子由于其高毒性、高污染性、无法降解和可通过食物链积累被认为是致癌剂之一[8~11]。由于人们在日常生活中常常接触到重金属离子，并且重金属离子造成的损伤具有不可逆性，故重金属离子的快速准确并且灵敏检测变得尤其重要。
由于工业的快速发展与早期人们对重金属离子污染的不重视，导致随着社会生产的不断发展，环境中有毒污染物逐渐积累，其中重金属离子污染也日益积累。调查显示，几乎全国范围内的工业企业地区都有不同程度的水体重金属污染；全国75%的湖泊出现了不同程度的富营养化以及湖底基质的污染；78%的城市水系污染严重，不能直接饮用；全国七大水系都有不同程度的污染，水资源污染情况十分严峻[12]。根据我国职业卫生现状分析，目前我国受职业危害的人数、职业病的发病人数和因职业病而死亡的人数都居世界前列。据有关部门统计，我国现有1600万家企业存在着有毒有害的作业场所，受重金属离子不同程度危害的职工总数有近亿人，我国与重金属离子相关的职业病发病形势十分严峻，因此迫切需要有效的重金属离子检测方法[13]。
1.2重金属离子的检测方法
由于人们安全意识的不断提升，水体中重金属离子的检测引起了越来越多研究学者的关注。现阶段重金属离子的检测方法大致分为光谱法、质谱法、色谱法、生物化学分析以及电化学等检测方法。
1.2.1光谱法
光谱法（spectral analysis）是物质的一类分析方法，主要包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、紫外可见吸收光谱法。其中又以原子吸收光谱法和紫外可见吸收光谱法更为常见。原子吸收光谱法是利用离子在辐射下由基态跃迁至激发态所吸收的光的强度来对离子含量以及成分进行分析。紫外可见吸收光谱法主要是结合显色反应，利用化学反应使原子发生显色反应，再对显色后的颜色进行分析以此来判断离子的种类和含量。虽然光谱法检测结果准确，灵敏度高，但是对于环境中光照条件要求高，并且使用成本偏高[29]。
1.2.2质谱法
质谱法（Mass Spectrometry，MS）是目前检测重金属离子最为先进的检测方法之一。它主要是通过施加稳定的磁场或交变的电场使得带电离子按照其质量大小不同进行分开，根据其质荷比得到带电荷的原子以及正负离子等的质谱图[30]。通过质谱图的分析可实现对待测物的成分以及含量进行分析。质谱法检测的结果是非常准确的，但是其使用的检测设备相对较昂贵，并且需要专门的技术人员进行操作，故适用性不是很高。
2检测系统理论基础
2.1电化学检测原理
电化学检测主要是一种利用电化学原理和技术的检测分析方法，可以通过电化学信号来检测待测液中的组分和性质等。电化学检测中主要是依据电信号与化学信号的相互转换，这个过程中往往会伴随电极上电荷的移动，这些电荷移动一般是通过空穴或者电子的运动来实现的，而这会引起电学参数，如电导、电流、电压以及电势等的改变，通过对其中某些项参数进行分析可以较快且准确地获得分析溶液的成分及其性质。在电化学检测中，多数是通过三电极体系来对溶液进行分析，但少数情况下，由于溶液中电阻较小，为了使得设备更加简单，同时进一步降低成本，也可使用两电极体系。
2.1.1三电极体系
三电极体系主要包括工作电极（Work Electrode，WE），辅助电极又称为对电极（Counter Electrode,CE）以及参比电极（Reference Electrode，RE）和电解池，其示意图如下图2.1所示。
在三电极体系中，化学反应一般是在工作电极上面发生的，辅助电极则是与工作电极构成回路，利于电子移动，产生电学信号，利于检测。由于随着电化学反应的发生，电流流过辅助电极时，会导致辅助电极发生极化，产生压降，且随着反应的进一步进行，此压降会导致工作电极上面的电压逐步偏离系统设定的预设值，导致测量结果不准确，误差增大。
2.2定性定量分析
根据差分脉冲阳极溶出伏安法，可以测出电流－电压曲线。离子的定性分析可以通过曲线中溶出峰所对应的扫描电压值进行离子种类判断，定量分析是通过溶出峰的电流峰值计算获得的，根据能斯特方程溶出峰的峰值与溶液浓度对数呈对应关系，通过测量某种离子标准溶液溶出峰的峰值可以计算出该离子浓度的标准曲线[69]。由离子浓度计算的标准曲线法示意图，如图2.3所示。首先对已知浓度为C1、C2、C3、C4、C5等的某种标准离子样品进行测量，得到相对应的电流－电压曲线，取出溶出锋对应的峰值电流i1、i2、i3、i4、i5等，然后通过浓度C与峰值电流i的一一对应关系，得到浓度－峰值电流的线性曲线图。最后根据未知浓度溶出峰的峰值大小与标准曲线的对应关系，则可推测出该溶液的离子浓度，实现对溶液中离子的定量分析，从而实现对离子溶液的定性定量判断。
3硬件（安培）检测电路.................................25
3.1 MCU及其外围电路..............................25
3.2电源模块..................................26
3.3基准电压电路..............................27
4检测系统软件设计.........................37
4.1下位机设计.........................................37
4.1.1 DAC模块.............................................37
4.1.2 ADC模块................................39
5纸基微流控芯片设计与系统搭建....................45
5.1芯片基底材料选择....................................45
5.2电极材料选择........................................45
5.3芯片结构设计...................................45
6重金属离子检验测试
6.1待检测液配置
pH值对电化学检测中的电极反应有较大影响，pH值较高的环境，会导致电极表面发生水解反应，降低检测的电流信号值，pH值太低也会导致电极上发生析氢反应，故在普通酸性条件下有利于重金属离子检测，且考虑到镉离子在盐酸缓冲液中没有明显的波峰，故本文选用pH=4.5的乙酸-乙酸钠作为缓冲溶液，选择合适体积的缓冲液和重金属离子标准溶液进行充分混合摇匀后，作为待检测液[72]，其所用试剂相关规格信息如表6.1所示。
7总结与展望
7.1总结
随着工业生产的快速发展，重金属离子的污染情况相对严重，全国各地的水资源都出现不同程度的污染情况。同时重金属离子具有不可降解性，能够伴随食物链进行累积，对人体造成不可逆损伤。现有的检测方法包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法以及酶抑制法等方法，虽然这些检测方法发展相对成熟并且检测性能能够达到不错的效果，但是同时也具有一些弊端，比如所进行检测的仪器都是大型的昂贵设备，并且需要培训高技术的专业人员进行检测，这些缺点导致这些检测方法检测成本较高，适用性相对较低，尤其是在一些相对不发达的地区或者需要实时进行检测的场所。基于上述问题，研究者们逐渐将电化学技术应用于重金属离子检测，虽然电化学检测的离子种类有限，但是对于常见重金属离子的检测效果相对不错。电化学检测的原理相对简单，所需检测附加耗材少，非常适合用于制作小型便携式检测仪器。同时电化学检测方法还具有检测限低，适用于痕量离子检测，检测速度快，检测结果准确的优点。故本文综合分析现有检测技术，选用了电化学检测技术作为本文中重金属离子检测系统中的检测方法。电化学检测方法分为循环伏安法和溶出伏安法，其中溶出伏安法又分为方波溶出伏安法和差分脉冲溶出伏安法。考虑到环境中重金属离子的含量很少，故本文中选用了差分脉冲阳极溶出伏安法进行检测，该方法能够预先使重金属离子进行富集，增强信号强度，然后采集脉冲前后的信号差值作为检测信号，能够更好的消除系统自身的误差，进一步提升了检测结果的准确性。
参考文献（略）
