《Analytical Chemistry》：Sensor ToolKit (STK): Compact Multiplexing Potentiostat for Point-of-Care Applications
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本文介绍了一种用于即时检验(PoC)的紧凑、低成本、多路复用恒电位仪平台——传感器工具包(Sensor ToolKit, STK)的设计与验证。该平台基于商用模拟前端(AD5941)，集成了最多8通道的顺序输入多路复用功能，支持开路电位(OCP)和自电流测量模式，并具备Wi-Fi物联网(IoT)连接能力，可实现传感器数据的无线远程获取与实时可视化。实验表明，其在检测钾离子(K+)、过氧化氢(H2O2)、葡萄糖和乳酸时表现出与台式仪器相当的出色分析性能，为分布式传感应用提供了一种高度通用且易于部署的解决方案。
引言
随着医疗模式向个性化和去中心化转变，在非实验室环境下对化学和生化参数进行实时、远程监测的需求日益增长。这需要部署能够提供高质量数据的、复杂但易于获取的传感平台。电化学技术因其响应快、选择性高、灵敏度好和易于微型化等优点，已成为开发便携式分析系统的“金标准”，在工业过程监控、环境监测、医疗诊断和新兴物联网(IoT)应用中展现出卓越的多功能性。过去十年间，柔性电化学传感器架构取得了显著创新，已被成功集成到智能隐形眼镜、腕带式生物传感器、表皮贴片、护齿套、嵌入式服装传感器、智能食品包装甚至可吞咽电子药丸等多种形态中。
然而，传统的实验室级电化学工作站和精密静电计虽然精度高，但普遍缺乏便携性、成本效益和用户友好性，阻碍了电化学传感技术的广泛采用。为此，过去十年间，在强大、低成本微控制器和开源软件库的推动下，嵌入式恒电位仪的开发取得了进展，旨在满足小型化、简化和降低成本的需求。
当前微型化恒电位仪的设计策略主要有两种：一是使用分立电子元件的自下而上构建，设计灵活、成本效益高，但需要深厚的模拟电路设计、信号处理和传感器兼容性专业知识，复杂性限制了其可重复性和可扩展性；另一种是采用模拟前端(Analog Front-End, AFE)集成策略，将模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)和信号调理电路等商用组件集成到单芯片解决方案中。AFE方法在保持与分立实现相当分析性能的同时，显著降低了硬件层面的设计复杂性和成本。一些研究小组已证明了基于AFE的恒电位仪（如德州仪器的LMP91000和亚德诺半导体的AD594x/ADuCM355系列）的可行性，催生了许多低成本、开源平台。此外，商业PoC解决方案也已出现，如Zensor、MicruX、Metrohm DropSens、PalmSens以及Zimmer & Peacock等公司的产品。
实际应用需求极大影响了恒电位仪的设计。与可穿戴设备相比，即时检验应用可能允许更大的外形尺寸和更灵活的操作参数，但通常也需要传感器多路复用能力，以实现多分析物同步监测或冗余测量以提高可靠性。虽然已有研究实现了多路复用，但多数限于2-4通道，更复杂的系统（如8通道甚至128通道平台）通常设计用于由技术人员操作的固定式PoC应用，而非紧凑型可穿戴设备。
本文工作的目标是解决便携式电化学仪器中存在的诸多空白，设计一个紧凑、多功能、高性价比且支持物联网的多路复用平台，专门用于实验室外的电化学传感应用。所开发的传感器工具包(Sensor ToolKit, STK)平台利用了亚德诺半导体AD5941恒电位仪AFE的先进性能，该芯片因其行业领先的性能规格和全面的功能套件而被选中。该设备具有多项创新特性：首先，其先进的开关矩阵架构支持板上多路复用，最多可配置8个工作电极共享一个参比电极，优化了空间受限的应用；其次，支持开路电位(OCP)和伏安法双模式操作，适用于多种传感应用；第三，灵活的连接选项，集成了用于实验室的USB串行记录和用于远程监控应用的Wi-Fi连接至云服务器框架；最后，其即插即用的物联网架构为分布式物联网部署和医疗应用奠定了基础。
系统设计
硬件设计
传感器工具包(STK)采用AD5941恒电位仪模拟前端进行设计。这款高精度、低功耗集成电路集成了片上模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，能够读取信号并提供大多数基于电化学的便携式应用所需的偏置电压。其超低功耗DAC模块包含一个6位输出（用于设置参比电极和工作电极之间的共模电压VZERO0）和一个12位输出（用于设置参比电极和对电极之间的偏置电压VBIAS0）。本研究采用零偏置双线传感器方法，通过开关配置在内部短接参比电极(RE)和对电极(CE)，并在工作电极(WE，也作为传感电极SE)和参比电极(RE)之间设置零VBIAS0。芯片还包含两个跨阻放大器(TIA)电路：一个低功耗TIA(LPTIA)和一个高速TIA。
不同电化学技术的实现和运行依赖于AD5941的序列器模块和LPTIA，能够测量低于3 mA的直流信号。16位ADC可以进行开路电位测量，单通道采样率在正常模式下为800 kHz，在高功率模式下可达1.6 MHz。它还包含一个后处理模块，提供多种板上信号滤波和处理选项，如过采样、平均，以及计算统计数据和离散傅里叶变换数据的能力。该AFE还包括一个陷波滤波器，用于抑制来自市电的50 Hz和60 Hz耦合噪声。启用后处理模块或板上陷波滤波器会降低最大采样率。出于研究目的，选择同时支持50 Hz和60 Hz陷波滤波的最大过采样率，这会将单输入通道在正常模式下的采样率降低至300 Hz。通过正确配置序列器和内部开关，最多可配置8个差分输入通道顺序读取，共享同一个公共点，每个通道的采样率约为30 Hz。
电化学系统中的电子转移可能发生在数百kHz的频率下。然而，由于扩散机制限制了其固有动力学，大多数来自电化学传感器的信号被证明在几十Hz以下就已建立，这证明使用AD5941进行顺序输入多路复用是可行的，避免了并行多路复用设计的复杂性。AD5941还包含一个高速12位DAC，结合高速TIA模块，能够测量高达200 kHz的宽带宽信号，适用于伏安法和电化学阻抗应用（本工作未开发此部分）。安培检测应用通过LPTIA测量单个双线传感器来实现。AD5941的功能框图和原理图可在其设备数据手册中找到。
下表总结了STK系统的相关技术规格，并与其他设备进行了比较。详细对比（包括输入/输出特性）在补充材料的表S1中提供。该设备可通过3.7 V常规电池或板载USB-C端口供电。图1显示了电路板顶部的照片，突出了主要组件。引脚接头用于通过简单的夹线连接进行传感器连接，以及通过外部电路扩展设备的板载功能。
STK板的尺寸仅为25 × 53 mm，它将AD5941恒电位仪AFE的全部功能与Seeed Studio的XIAO外形规格插座集成在一起。这种独特设计为微控制器单元的选择提供了自由度，可利用广泛的无线超连接能力，如Wi-Fi、蓝牙低功耗(BLE)、近场通信(NFC)、Zigbee、Matter和LoRaWAN协议。此外，该单元的开放硬件特性使其能够轻松访问开源软件框架，同时兼容Arduino。出于研究目的，实现了基于ESP32-S3、ESP32-C3和nRF52840微控制器并具有Wi-Fi连接功能的XIAO开发套件。电路设计布局和原理图见补充材料图S1-S3。
固件和服务器端框架
传感器工具包的固件旨在移植亚德诺半导体提供的AD5940/AD5941库，并实现我们应用所需的电化学技术。为所有兼容Arduino的设备编写了通用固件。然而，专门针对乐鑫(Espressif)的微控制器单元，通过使用乐鑫官方的物联网开发框架(ESP-IDF)及其开源库，实现了更深层次的复杂性。通过正确的实现和接口，刷入STK设备微控制器的代码可以通过串行外设接口(SPI)协议控制AD5941，并运行所需的电化学应用。
自托管服务器端依赖于遵循Docker容器标准的开源应用程序的部署和互操作。如图2所示，固件能够通过Wi-Fi使用消息队列遥测传输(MQTT)协议将传感器读数发送到数据服务器，并生成逗号分隔值(CSV)格式的数据输出。传感器数据随后存储在InfluxDB时间序列数据库中，并使用Grafana网络应用程序自动绘图。可通过USB连接计算机使用任何合适的串行通信工具获取，或从服务器端通过任何连接到Grafana应用程序的计算机或智能手机远程访问。
本工作中使用的所有代码，包括微控制器的库移植、不同电化学应用的实现以及核心服务器端设置，均可在GitHub上找到。
结果与讨论
性能验证
钾离子(K+)的电位检测
首先通过测量高阻抗离子选择性电极(ISE, 2-3 MΩ)的开路电位(OCP)来验证传感器工具包。选择成熟的选择性钾离子电极来说明临床实验室常规进行的离子检测。图3A显示了添加不同分析物浓度时，钾离子选择性传感器的时间轨迹。为展示STK的性能，使用数字静电计同时记录电位响应并进行实时比较。传感器的分析性能与先前报告非常一致，在0.1至10 mM的钾离子浓度范围内实现了接近能斯特理论的灵敏度(50.5 ± 0.8 mV/dec)，最大偏移失配为2 mV，信噪比相似（图3B）。
同一批次制造的两块不同STK板也证明了设备间良好的重现性，实现了50.2 mV/dec的一致灵敏度，两者之间的最大信号偏移为0.5 mV，基线噪声水平远低于1 mV（图S5）。
结果表明，尽管存在可归因于连接器、输入切换以及STK与DMM阻抗失配的微小信号伪影（图3B），STK仍能有效处理来自离子选择性电极的高输入阻抗信号。
过氧化氢(H2O2)的电位和自电流检测
为了进一步测试STK板的输入能力，连接了较低阻抗的传感器（50-100 kΩ）。为此，我们选择了最近报道的半开放式电化学电池(SOEC)，它使用顶部大孔工作电极、聚电解质桥和底部金属导体作为内部参比电极。该传感器允许仅让顶部电极直接接触样品即可监测外部溶液的电化学性质。该电池具有多种优势，例如可在电位和自电流模式下工作，所需样品量有限，并且易于实现多路复用（即多个工作电极与单个参比电极桥接）。首先，使用STK和静电计记录开路电位。如图4A-B所示，在任何情况下都实现了-130 mV/dec的灵敏度，对数线性范围从10 μM到330 μM，这与我们之前的工作非常吻合。记录到的信号显示出亚毫伏级的偏移差异和可比拟的信噪比（图S6）。这些结果证实了STK能够在广泛的传感器阻抗范围内进行稳定测量，凸显了其作为电化学传感应用平台的潜力。
通过短接工作电极和参比电极，SOEC也可用于自供电电流模式。在STK板中，此电流是使用AD5941的跨阻放大器节点测量的。因此，监测了不同浓度过氧化氢下SOEC的零偏置电流，并与静电计进行了对比验证。图4C-D显示了对应于较低μM范围的时间轨迹（经矩形加权中心移动平均平滑）的裁剪部分，两者在[1, 10] μM范围内对过氧化氢均表现出5.1 ± 0.5 nA/μM的一致灵敏度。完整的校准曲线见图S7。再次证明，两种设备提供了相同的传感器响应和可比的分析性能，也展示了该便携式电路板在电流模式应用中的潜力。值得注意的是，尽管STK平台的安培检测性能有所折衷，但仍获得了可比拟的信噪比（图S8）。
为了验证上述噪声水平受限于传感器特性而非仪器本身，使用精密电阻器获得了与传感器无关的噪声指标（图S10-S11和表S2-S3）。这些数据显示，噪声基底远低于系统分辨率限制——对于典型输入信号，基于电子检测限(3σ)，低3倍以上——证明与电化学过程主导的传感器相关变异性相比，电子噪声可以忽略不计。
输入多路复用和物联网超连接：多通道H2O2及酶促检测
为了进一步利用STK板的板载能力并展示其在物联网超连接应用中的潜力，通过Wi-Fi和安装在树莓派5(Raspberry Pi 5)上的本地云服务器，将多路复用的传感器读数发送并远程获取。物联网标准MQTT协议用于STK与服务器端之间的实时数据流。通过使用AD5941序列器实现了输入多路复用。使用包含8个工作电极和1个共享参比电极的定制SOEC用于检测过氧化氢、葡萄糖和乳酸。对于后者，每个分析物有3个电极用固定的葡萄糖氧化酶(GOx)和乳酸氧化酶(LOx)进行功能化。留下两个未加酶的电极作为对照。
在检测过氧化氢（图5A）以及葡萄糖和乳酸（图5B）时，监测了8个工作电极相对于公共参比电极的开路电位。记录到了一致的响应，且所有电极之间（包括酶促和非酶促两种情况）均无串扰。在过氧化氢检测案例中，在3.3至330 μM浓度范围内获得了-127 ± 16 mV/dec的平均灵敏度，所有电极的时间轨迹形状相似，证明了它们之间以及沿多路复用输入的良好重现性。此外，酶促传感器表现出良好的选择性，只有三个葡萄糖特异性和三个乳酸特异性电极分别对0.1至10 mM范围内的葡萄糖或乳酸添加有响应（图5B）。图5C显示了使用Grafana在服务器端进行数据可视化的快照，并可在线访问。
2O2) (A) 以及葡萄糖和乳酸 (B) 的基线校正后OCP时间轨迹。(C) 来自 (A) 的OCP原始数据在服务器端Grafana应用程序中可视化的快照。WE：工作电极；LOx：乳酸氧化酶；GOx：葡萄糖氧化酶；NC：对照；CH：输入通道。">
这些结果再次证明，为传感器工具包开发的物联网框架成功实现了从传感器信息生成到全面的实时可视化和分析工具的自动化数据流。这提供了一个可供最终用户访问的平台，同时遵循了最小化知识和技术障碍的开源标准。
传感器工具卡智能平台的未来版本将减小尺寸，优化功耗，并实现最受需求的电化学技术，如电化学阻抗谱(EIS)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、方波伏安法(SWV)和计时安培法。还将研究将顺序多路复用外推至安培评估的潜力，最多可达6个工作电极共享一个公共参比电极。最终，在无线通信方面，将部署蓝牙低功耗(BLE)、近场通信(NFC)和ZigBee。
结论
本文开发并实现了一个用于电位和自电流传感器电化学应用的传感器工具包(STK)原型。其关联的固件和物联网框架允许部署超越经典恒电位仪标准的、易于获取的基础设施，所有这些都集成在一个小型、便携、低成本的设备中，并由开放标准赋予了无限的可能性。
该设计集成了AD5941模拟前端，提供了与大多数台式仪器相当的性能。凭借出色的信噪比，所提出的设备被证明非常适合需要高精度的分析应用。此外，其多路复用能力是开发即时检验(PoC)和可穿戴设备的有吸引力的特性。
