锁相放大器OE1022应用在电容耦合电导检测器的研究

图 1.DISODCD的测量原理：(a) 实验设置设计：

(1)蠕动泵;(2)函数发生器;(3) 输入电极;(4)输出电极;(5)塑料管材;(6) 锁相放大器;(7) 信号采集器。

(b) 感应部分模型图。

2022 年，四川大学肖丹教授团队在Sensors 发表了一篇题为《A Study on Double Inputs Direct Contact and Single Output Capacitively Coupled Conductivity Detector》文章，报道了一种改进的双输入直接接触单输出电容耦合电导检测器(DISODCD)。该传感器使用接触电极的双输入、非接触电极的电容耦合输出和锁相放大器测量来减少干扰噪声信号并放大增益。

该文章改进的双输入直接接触单输出电容耦合电导检测器(DISODCD)。该传感器使用接触电极的双输入和非接触电极的电容耦合输出以及锁定放大器来减少干扰噪声信号并放大增益。并联电路抵消了电极极化引入的部分不利电容电抗，降低了耦合壁电容引起的阻抗对测量溶液电阻的影响。该传感器降低了分析物的检测限(LOD)，提高了装置的灵敏度。氯化钾溶液的LOD为1 nM，单样品实际检测的检测范围为0.01 µM至10 mM。低浓度氯化钾溶液对背景超纯水的响应比在相同条件下优于双输入电容耦合非接触电导检测器(DIC4D)和直接接触电导检测器(DCD)。在测试池被杂质污染的情况下，杂质的污染对DISODCD的响应影响不大。在实际应用中，具有良好的使用寿命。

样品 & 测试

样品溶液用购自(上海泰坦)的氯化钾制备。超纯水(18.2 MW·cm 水)来自 Millipore 水净化装置。测试池装置由一根直径为 0.6 cm、长度为 18 cm 的吸管作为通道，两根直径为 0.3 mm 的穿孔银线作为输入电极，铜箔作为输出电极，硅橡胶封住毛孔。测试池固定在屏蔽箱内。信号输入由波形发生器(DG4102，普源精电)提供，正弦信号高达 20 VPP。直流输出使用模块 AD637(深圳市扬霖)和色谱数据系统(N2000，杭州亿捷)测量。示波器(DS1102E，普源精电)在此过程中检测信号强度和波形变化。为了减少背景信号的干扰，扩大增益，模块AD637替换为锁相放大器(OE1022，赛恩科仪)。蠕动泵(齐力恒流泵)配备适当的流速来驱动样品进行注射。如图1a所示，检测器的传感器装置通过连接信号单元、检测池、放大器和显示器来操作，测量氯化钾离子的浓度。 图 1b 显示了 DISODCD 的传感部分的示意图。 超纯水用于制备各种浓度梯度的氯化钾溶液。 配置时，预先将氩气通入烧杯和容量瓶中，排出内部空气，避免CO2溶解到超纯水中形成碳酸根离子，使溶液的电导率增加，从而偏离实际值。 样品应在相对密封的环境中进行测试，并快速进样，以免 CO2 溶解在空气中。

实验中，采用较大峰值电压20 V PP，初始参数条件0°同相，采用控制变量法，通过改变频率、电压、相位等参数选择合适的测量条件。 结合信号比和低浓度分辨率，以获得理想测试条件。具体优化各参数的实验结果如以下图所示

图2.优化各参数的实验结果。(a)频率;(b) KCI浓度;(c)相角。

图3. 0-10 mM KCl溶液在检测池输入端和输出端的信号波形。(a)输入端和输出端;(b)输出端。

图4. DISODCD、DIC4D和DCD对0.01 μM-10 mM KCl溶液的响应。(a) DISODCD、DIC4D、DCD的响应曲线。(b) DISODCD、DIC4D和DCD的响应之比。

图5. DCD、DIC4D 和 DISODCD 传感器对受油类杂质干扰的 KCl 溶液的信号响应图;(a) 0.01 ~ 10 μM KCl溶液的响应图测试3次;(b) 0.1-10 mM KCl溶液响应图测试3次。

总结

在这项工作中，构建了一种新型电导检测传感器 DISODCD。并联电路在提高灵敏度和分辨率的基础上，抵消了部分由电极极化引入的不利电容电抗，降低了耦合壁电容引起的阻抗对被测溶液电阻的影响。实际测试中检测范围为0.01 μM至10 mM，LOD为1 nM。传感器测得的10 μM KCl溶液对超纯水的响应比为1.27，优于DCD和DIC 4D. 实验结果也表明杂质污染对传感器影响不大。该工作为提高传感器的电导率测量性能提供了新思路，为有机和无机离子的电导率测量提供了可行的解决方案。

审核编辑 黄宇