鎖相放大器OE1022應(yīng)用在電容耦合電導(dǎo)檢測器的研究

圖 1.DISODCD的測量原理：(a) 實驗設(shè)置設(shè)計：

(1)蠕動泵;(2)函數(shù)發(fā)生器;(3) 輸入電極;(4)輸出電極;(5)塑料管材;(6) 鎖相放大器;(7) 信號采集器。

(b) 感應(yīng)部分模型圖。

2022 年，四川大學(xué)肖丹教授團隊在Sensors 發(fā)表了一篇題為《A Study on Double Inputs Direct Contact and Single Output Capacitively Coupled Conductivity Detector》文章，報道了一種改進的雙輸入直接接觸單輸出電容耦合電導(dǎo)檢測器(DISODCD)。該傳感器使用接觸電極的雙輸入、非接觸電極的電容耦合輸出和鎖相放大器測量來減少干擾噪聲信號并放大增益。

該文章改進的雙輸入直接接觸單輸出電容耦合電導(dǎo)檢測器(DISODCD)。該傳感器使用接觸電極的雙輸入和非接觸電極的電容耦合輸出以及鎖定放大器來減少干擾噪聲信號并放大增益。并聯(lián)電路抵消了電極極化引入的部分不利電容電抗，降低了耦合壁電容引起的阻抗對測量溶液電阻的影響。該傳感器降低了分析物的檢測限(LOD)，提高了裝置的靈敏度。氯化鉀溶液的LOD為1 nM，單樣品實際檢測的檢測范圍為0.01 μM至10 mM。低濃度氯化鉀溶液對背景超純水的響應(yīng)比在相同條件下優(yōu)于雙輸入電容耦合非接觸電導(dǎo)檢測器(DIC4D)和直接接觸電導(dǎo)檢測器(DCD)。在測試池被雜質(zhì)污染的情況下，雜質(zhì)的污染對DISODCD的響應(yīng)影響不大。在實際應(yīng)用中，具有良好的使用壽命。

樣品 & 測試

樣品溶液用購自(上海泰坦)的氯化鉀制備。超純水(18.2 MW·cm 水)來自 Millipore 水凈化裝置。測試池裝置由一根直徑為 0.6 cm、長度為 18 cm 的吸管作為通道，兩根直徑為 0.3 mm 的穿孔銀線作為輸入電極，銅箔作為輸出電極，硅橡膠封住毛孔。測試池固定在屏蔽箱內(nèi)。信號輸入由波形發(fā)生器(DG4102，普源精電)提供，正弦信號高達 20 VPP。直流輸出使用模塊 AD637(深圳市揚霖)和色譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)(N2000，杭州億捷)測量。示波器(DS1102E，普源精電)在此過程中檢測信號強度和波形變化。為了減少背景信號的干擾，擴大增益，模塊AD637替換為鎖相放大器(OE1022，賽恩科儀)。蠕動泵(齊力恒流泵)配備適當(dāng)?shù)牧魉賮眚?qū)動樣品進行注射。如圖1a所示，檢測器的傳感器裝置通過連接信號單元、檢測池、放大器和顯示器來操作，測量氯化鉀離子的濃度。 圖 1b 顯示了 DISODCD 的傳感部分的示意圖。 超純水用于制備各種濃度梯度的氯化鉀溶液。 配置時，預(yù)先將氬氣通入燒杯和容量瓶中，排出內(nèi)部空氣，避免CO2溶解到超純水中形成碳酸根離子，使溶液的電導(dǎo)率增加，從而偏離實際值。 樣品應(yīng)在相對密封的環(huán)境中進行測試，并快速進樣，以免 CO2 溶解在空氣中。

實驗中，采用較大峰值電壓20 V PP，初始參數(shù)條件0°同相，采用控制變量法，通過改變頻率、電壓、相位等參數(shù)選擇合適的測量條件。 結(jié)合信號比和低濃度分辨率，以獲得理想測試條件。具體優(yōu)化各參數(shù)的實驗結(jié)果如以下圖所示

圖2.優(yōu)化各參數(shù)的實驗結(jié)果。(a)頻率;(b) KCI濃度;(c)相角。

圖3. 0-10 mM KCl溶液在檢測池輸入端和輸出端的信號波形。(a)輸入端和輸出端;(b)輸出端。

圖4. DISODCD、DIC4D和DCD對0.01 μM-10 mM KCl溶液的響應(yīng)。(a) DISODCD、DIC4D、DCD的響應(yīng)曲線。(b) DISODCD、DIC4D和DCD的響應(yīng)之比。

圖5. DCD、DIC4D 和 DISODCD 傳感器對受油類雜質(zhì)干擾的 KCl 溶液的信號響應(yīng)圖;(a) 0.01 ~ 10 μM KCl溶液的響應(yīng)圖測試3次;(b) 0.1-10 mM KCl溶液響應(yīng)圖測試3次。

總結(jié)

在這項工作中，構(gòu)建了一種新型電導(dǎo)檢測傳感器 DISODCD。并聯(lián)電路在提高靈敏度和分辨率的基礎(chǔ)上，抵消了部分由電極極化引入的不利電容電抗，降低了耦合壁電容引起的阻抗對被測溶液電阻的影響。實際測試中檢測范圍為0.01 μM至10 mM，LOD為1 nM。傳感器測得的10 μM KCl溶液對超純水的響應(yīng)比為1.27，優(yōu)于DCD和DIC 4D. 實驗結(jié)果也表明雜質(zhì)污染對傳感器影響不大。該工作為提高傳感器的電導(dǎo)率測量性能提供了新思路，為有機和無機離子的電導(dǎo)率測量提供了可行的解決方案。

審核編輯 黃宇