CC BY
1
УДК 615.47: 681.785: 535.379: 612.015 ШВИДК1СНИЙ Л1ЧИЛЬНИК 1МПУЛЬС№ ДЛЯ АНАЛ1ТИЧНИХ СЕНСОРНИХ СИСТЕМ
СН1ЖКО Д.В.
Розробляеться високошвидшсний л1чильник 1мпульс1в з подвшним штерфейсом для штеграцп сенсора з детектором оптичного випром1нювання, що мае 1мпульс-ний вихвд. Ввдмшшстю конструкци е висока 1нтеграц1я перифершних модул1в у обраному ARM-мiкроконтро-лер1 STM32F407, застосованому для побудови лiчиль-ника. Завдяки його продуктивностi ефективно виршуеться задача системно! штеграцп сенсора на базi ультрамiкроелектродiв з фотоелектронним помно-жувачем для реалiзацil методу електрогенеровано! хе-мiлюмiнесценцil (ЕХЛ). Висока тимчасова роздшьна здатнiсть до 10 мкс тдтримуе методи вимiрювання, за-сноваш на швидк1й поляризаци електродiв. Ключовi слова: тдрахунок iмпульсiв, фотопомно-жувач, ультраслабке свiтло, електрогенерована хе-мiлюмiнесценцiя, ультрамiкроелектрод. Keywords: Pulse counting, photomultiplier tube, ultra-weak light, electrogenerated chemiluminescence, ultrami-croelectrode. Вступ
Електрогенерована хемшюмшесценщя (ЕХЛ) е привабливим анал^ичним методом [1-3]. Явище випромiнювання свггла в момент електролiзу роз-чину можна використовувати для дослiдження хiмiчного складу проби. Наноматерiали, бiологiчнi молекули, дослщження швидких кше-тичних електрохiмiчних процесiв вимагають вдосконалення в часовш та просторовiй роздшь-нiй здатносп вимiрювальних приладiв. Режим пiдрахунку фотошв при роботi фотоелектронних помножувачiв (ФЕП) мае можливосп для пе-ревiрки вимiрювань слабкого свiтла, близьких до максимальних можливостей, що е актуальним для багатьох анал^ичних завдань в рiзних галузях науки i технiки: б^нженери, енергетицi, фiзицi частинок, хiмiчному аналiзi. Можливiсть вияв-лення свiтлових потоюв у широкому динамiч-ному дiапазонi дозволяе отримати безпреце-дентну точшсть оптичних вимiрювань. Iнтеграцiя ще! техшки реестраци з вiдповiдними електро-хiмiчними приладами вiдкривае можливостi до створення нових сенсорних систем, що базуються на методi реестраци ультраслабкого свiтла в ре-жимi пiдрахунку фотонiв для електрохiмiчноl ре-акци. Випромiнювання св^ла е результатом взаемоди генерованих юшв, що е ключовим фактором для виявлення окремого акту реакци в роз-чинi [4-7]. Електрогенерована хемшюмшесценщя мае великий потенщал для застосування в задачах реестраци одномолекулярних та одночастинко-вих акпв [8-10].
На ринку доступнi лiчильники фотонiв, напри-клад, SR400 фiрми Stanford Research Systems та
C8855-01 - це лiчильник з штерфейсом USB вщ Hamamatsu photonics, Inc. Обидва цi пристро! ма-ють переваги та недолiки. SR400 тдтримуе синтез аналогового сигналу та роботу з кшькома вимiрювальними каналами для конкретних ре-жимiв роботи, коли в тандемi використовуеться декшька ФЕП. C8855-01 пiдтримуе USB-iнтер-фейс та живлення модуля ФЕП. Метою роботи е створення апарату з набором характеристик, необхщних для вимiрювання ЕХЛ: пiдтримка подвiйного штерфейсу з аналоговим та цифровим виходом, точна робота без втрати iм-пульсу або мертвого часу. Використання сучас-ного мiкроконтролера ARM ефективно виршуе завдання пiдрахунку фотонiв в компактних роз-мiрах. Функцiональнiсть апарату добре адапто-вана для штеграцп до систем при проведеннi ЕХЛ вимiрювань.
3ada4i до^дження: розробка структурно! схеми апарату, обговорення взаемоди його складових елементiв, програмне забезпечення ARM контролера заборонованого апарату, тестування характеристик приладу за допомогою контрольно-вимiрювального обладнання, проведення та обговорення результат дослiджень методом ЕХЛ з застосуванням мiкроелектродiв. Опис конструкци
Апарат «Pulsar» (рис. 1) призначено для ке-рування роботою ФЕП в режимi лiчби iмпульсiв для реестраци надслабкого випромiнення.
Рис. 1. Зовшшнш вигляд «Pulsar»
Цей пристрш повнiстю сумiсний з ФЕП модулями Hamamatsu Photonics, а також шшими датчиками рiзних виробникiв з iмпульсним виходом. Для побудови апарату обрано високоштегрований мiкроконтролер ARM 7 STM32F407. Цей контролер характеризуемся високою продуктивнiстю, завдяки конвееру зчитування команд з флеш-пам'ятi, що дозволяе працювати МК без затримок до частоти 168 МГц.
Рис. 2. Схема апарату «Pulsar»
Адаптивний прискорювач пам'ят в режимi реального часу peani3ye зчитування шструкцш у кешi черги попередньо! B^ipm, що збiльшye швидкiсть виконання програми з флеш-пaм'ятi. Це мiнiмiзye затримку виконання команд з флеш-пам'ят та за-безпечуе продyктивнiсть МК. Наявшсть висо-кошвидкiсного лiчильникa, контролера DMA, мо-дyлiв USB та ЦАП забезпечуе високу придaтнiсть до створення пристрою з мшмумом зовнiшнiх електронних компонентiв.
Основною фyнкцieю пристрою е збiр iмпyльсного сигналу. Вiн тдраховуе кожен iмпyльс з мшмаль-ною тривaлiстю 6 нс. Це означае, що апарат нако-пичуе кшьюсть iмпyльсiв за встановлений час, який називаеться перiодом затвора. Дaнi про тдрахунок трансформуються в адекватну форму. У запропонованому апарат реaлiзовaно двi можли-востi. Результат пiдрaхyнкy передаеться як цифро-вий потiк даних, i синхронно генеруеться аналого-вий сигнал, що виробляеться прямим цифровим синтезом (ПЦС).
Для реaлiзaцil запропоновано! функцюнальност зaдiянi внyтрiшнi блоки мiкроконтролерiв, яю по-кaзaнi на блок-схемi (рис. 2). Вщмшною рисою тaймерiв ARM е робота як лiчильникa з каналом за-хоплення зовнiшнього сигналу. Таймер TIM1 вико-ристовувався для захоплення iмпyльсного сигналу,
порт таймера був налаштований як вхiдний, а резистор термшатора 50 Ом був доданий на сигнальну лшю вiд модуля ФЕП. Таймер TIM1 керуеться системною тактовою частотою 168 МГц, що дозволяе тдтримувати збiр сигналу до 84 МГц. Це вщповщае тривaлостi iмпyльсy 6 нс з паузою 6 нс. Цього достатньо для роботи з бшьшютю модyлiв ФЕП.
TIM1 - це 16-розрядний таймер з флагом пере-повнення. Останнш використовуеться для aнaлiзy даних, якi зчитуються з лiчильникa TIM1 без зупинки таймера. Якщо виявлено переповнення, то це означае необхщшсть перерахунку даних, що зчиташ з буфера TIM1.
Для мiнiмiзaцil коливання перiодiв часу контролер DMA управляе потоком даних в реaлiзовaномy апарать Таймер TIM6 синхронiзyе перюд для зчитування даних з таймера TIM1. Контролер DMA виконуе передачу даних з репстра таймера TIM1 в буфер SRAM (оперативно! пам'ят^. Пюля передaчi даних контролер DMA активуе переривання для виклику функцп обробки даних. Кiлькa шин в си-стемi та запит DMA високого прюритету запобта-ють затримщ часу на передачу даних. Основний час роботи зменшуеться завдяки DMA операщям, що видiляе бiльше вшьного процесорного часу для обробки даних. У функци обробника переривання
передaчi дaних DMA прогрaмa включae елемент керyвaння переповненням лiчильникa. Пiсля зчи-тyвaння тaймерa TIM1 передaчa дaних дiлиться нa двa потоки. Один - це потш дaних пiдрaхyнкy, пе-редaний як цифровa iнформaцiя нa ПК, iнший - пе-ретворення дaних в aнaлоговий сигал. Амплiтyдa нaпрyги aнaлогового сигнaлy e пропорцiйною мит-тeвiй швидкостi потоку фотошв. Передaчa цифрових дaних та ПК здiйснюeться через USB з подвшною бyферизaцieю. Зaвершення DMA передaчi мiж регiстром тaймерa TIM1 тa SRAM aктивye переривaння, його функщя-оброб-ник передae дaнi тaймерa з SRAM до бyферa FIFO, розмщеного в SRAM. Цей буфер можга контро-лювaти прогрaмно. Вбyдовaний USB-модуль у вибрaномy МК мae влaсний контролер DMA тa 1,25 róaür бyферa FIFO для передaчi дaних, тому вони нaкопичyються в SRAM i передaються в буфер USB-модуля. Трaнзaкцiï дaних та USB контро-люються головним ПК, який вивiльняe буфер USB. Прогрaмне зaбезпечення зaповнюe лише прогрaм-ний буфер FIFO. Трaнзaкцiя дaних мiж модулем USB тa SRAM контролюeться контролером USB DMA.
Перетворення дaних в aнaлоговий сигнaл включae його попередню обробку. Кожен етaп обробки дa-них e необов'язковим i зaлежить вiд нaборy пaрa-метрiв експерименту. Ha почaткy, вiдповiдно до потреб, використовyeться корекцiя лiнiйностi сенсорно!' лiчильноï хaрaктеристики. Це ^ту^ьно для iнтенсивних потокiв фотонiв, коли один iмпyльс може зaдовольнити реeстрaцiйнi пaри фотонiв з великою ймовiрнiстю. Це явище e зaгaльним i кори-гyeться вiдповiдно до можливостей пiдрaхyнкy електронiки ФЕП тa пaрaметрiв вихiдного iм-пульсу ФЕП модуля.
Шступним кроком e цифровa фiльтрaцiя. У ре-aлiзовaномy фiльтрi низьких чaстот aнaлоговий сигнaл yзгоджyeться iз системою збору, тдключе-ною до «Pulsar». Для цього використовyeться до-дaтковий кaнaл для збору дaних у потенцiостaтi, пристрою для електрохiмiчних вимiрювaнь. Пiсля цифрового фiльтрa дaнi для ПЦС потрaпляють до вбyдовaного ЦАП. Вiн мae лише 12-бггну роздiльнy здaтнiсть, aле прaвильний вибiрa коефiцieнтa перетворення дозволяe ефективно ви-користовyвaти можливостi ЦАП. Чaстотa дискре-тизaцiï aнaлогового сигнaлy сгановить 10 кГц, для мaксимaльноï швидкосп пiдрaхyнкy 84 МГц
стaновить 8400 вщлшв зa певний перiод, a АЦП може зaпропонyвaти роздiльнy здaтнiсть 4096 рiвнiв. Вiдповiдно, оскiльки штенсивний сигнaл трaпляeться не чaсто, тому перетворення OTraany можливе без втрaти.
Роботa ЦАП не тaк сильно синхронiзyeться, як перiод зчитyвaння дaних, оскiльки ЦПС e фyнкцieю обробки дaних. Чaстотa дискретизaцiï сигнaлy ЦПС стaновить 10 кГц, a коливaння чaсy при виклику цieï функци незнaчне. Можливостей вбyдовaного ЦАП обрaного МК достaтньо для зa-безпечення вiдповiдноï точностi ЦПС в розробле-ному aпaрaтi.
Вихiд ЦАП бyферизyeться оперaцiйним тдсилю-вaчем, який мaсштaбye сигнaл до динaмiчного дiaпaзонy 10 В; тaким чином, роздiльнa здaтнiсть сигнaлy пiдключеноï системи збору дaних викори-стовyeться повнiстю.
Апaрaт мae вихiдний aпaрaтний фiльтр для приду-шення ефекту дискретизaцiï нa виходг Вихiдний фiльтр низьких чaстот виключae ефект чaстоти вибiрки дaних до ЦАП iз фiксовaною швидкiстю передaчi дaних у 10 кГц. Оскшьки чaстотa дискре-тизaцiï для ЦПС e постшною, то вихiдний фшьтр оптимiзовaний для роботи з чaстотою вiдсiчення 1 кГц. Фiльтр Бaттервортa шостого порядку мae при-душення в -120 дБ нa чaстотi 10 кГц. Цього досгат-ньо для бaгaтьох вимiрювaнь синтезовaного сиг-нaлy, нaвiть системaми з 16-бггною роздiльною здaтнiстю. Хaрaктеристикa передaчi змшного струму вихiдного фiльтрa (рис. 3) вимiрянa зa до-помогою генерaторa довiльноï форми DG3121A фiрми Rigol, Co тa цифрового осцилогрaфa Rigol DS1204В.
STOP 1.000ms № f о 80. 0mU
■Г ' ■ ■ ! ' ■ ■1 ! ■ ,.,,,. ■ ■ ■ . ■ ■ ..... i.... i.... ;.... Л
'llllllii У i
.......НИИ«
>:íf 1.00U
Рис. 3. Осцилограма з фiльтрa НЧ апарату "Пульсар", як ввдгук на вхвдний синyсоïдaльний сигнал i3 розгорт-кою частоти ввд 1 до 10 кГц (експоненщальний характер розгортки частоти)
Потенцюстати мають рiзнi технiчнi характеристики, таю як смуга пропускання, частота дискре-тизаци та наявнiсть вхщного фiльтра зглад-жування. Це вимагае вщ вихiдного сигналу ЦАП погодження з параметрами системи збору. Цшюшсть сигналу в системi забезпечуеться узгод-женням мiж спектром сигналу та можливостями передачi вимiрювального каналу. Високочастотш компоненти слiд придушити. Це завдання виршуеться низькочастотними фiльтрами зглад-жування. У «Pulsar» фшьтрування здiйснюеться у двох мюцях. Апаратний фiльтр ошташзований до смуги пропускання 1 кГц, додаткове обмеження в спек^ сигналу забезпечуе програмний фiльтр. Вiн пристосований до системи збору даних i може змшювати глибину фшьтраци до 4000 вибiрок, що становить до 0,4 с.
Лiчба iмпульсiв вiльна вiд втрати iмпульсу або "мертвого" часу за рахунок неперервно! роботи таймера TIM1, технологи подвшно! буферизаци, прямого доступу до пам'яп, використання вектори-зованого багаторiвневого контролера переривань. Процес шдрахунку, проведений за допомогою точного апаратного контролю перюду опитувань таймера, дозволяе виконувати точнi вимiрювання. Електромагнiтнi перешкоди е великою проблемою при чутливих електричних вимiрах. Щоб уникнути проникнення шуму до вимiрювальноl системи, «Pulsar» та ПК взаемоддать через iзольований ш-терфейс USB. 1нтегральна штерфейсна мiкросхема ADuM4160 забезпечуе високу електромагштну iзо-ляцiю пiдключеного обладнання. Реалiзацiя протоколу вiртуального COM-порту (VCP) спрощуе iнтеграцiю пристрою до вимiрювальних систем. Отже, програмне забезпе-чення потенцюстата може контролювати роботу «Pulsar» через VCP, наприклад, програмне забезпе-чення Nova для управлiння потенцiостатами Autolab фiрми Metrohm. Параметри роботи «Pulsar» та вщображення результатiв вимiрювань задаються в програмному забезпеченнi управлiння потенцюстатом, що усувае потреби в додатковому програмному забезпеченш.
Лiчильник "Pulsar" повшстю сумiсний з USB 2.0 i шдключаеться в режимi "Повношвидкiсний" через електрично iзольований iнтерфейс до ПК. На-явнiсть гальвашчно! розв'язки мiж лiчильником та комп'ютером може покращити електромагнiтну сумiснiсть iнтегрованого обладнання, захищаючи
вiд електромагнiтних перешкод на головному комп'ютерь
"Pulsar" пiдтримуe опци програмних та апаратних Tpm-epiB. Програмне управлшня активуе збiр даних за допомогою команди через USB. 1нша мож-ливiсть - апаратний тригер. Зовшшнш сигнал ви-користовуеться як тригерний сигнал для активаци лiчильника, який залишаеться в станi очiкування шсля встановлення параметра. Функцiя обробника цього сигналу переривання мае пригшчену опе-рацiю шщатзацп стека, тому затримка активаци надзвичайно мала. Перiод 6 такпв - це максимальна часова затримка для переривання процесу в ARM та 3 команди активаци переривання (3 такти) на початку функци обробника переривань, тобто затримка складае 53,6 нс. Початкове вщключення будь-яких переривань гарантуе синхрошзацда активаци двох таймерiв у наступних двох послщов-них командах. Пiсля запуску таймерiв мшро-контролер поновлюе обробку переривань:
_disable_irq();
TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CEN; TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
_enable_irq();
Крiм того, в «Pulsar» реалiзована функцiя самопе-ревiрки. Таймер TIM2 налаштовуеться на ство-рення послiдовностi iмпульсiв з певною швид-кiстю. Конфiгурацiя таймера TIM1 дозволяе змшювати джерело сигналу захоплення з одного виводу на шший, який тдключений до вихiдного сигналу з таймера TIM2. Ефективнють пiдрахунку перевiряеться шляхом задоволення кiлькостi шдра-хованих iмпульсiв таймером TIM1 до кшькосп сформованих iмпульсiв TIM2. Обидва таймери за-лежать вiд системного тактового сигналу, тому для перевiрки продуктивносп краще використовувати зовнiшнiй генератор iмпульсiв, наприклад, генератор довшьно! форми DG3121A фiрми Rigol, Co. Останнш був використаний при вивченнi продуктивносп розробленого пристрою для шдрахунку iмпульсiв та перевiрки функци генераци аналогового сигналу. Залучення точного вольтметра Rigol DM 3068, цифрового осцилографа Rigol DS1204B та вимiрювання в реальнш аналiтичнiй системi за-безпечили тестування статичних параметрiв, а та-кож динамiчних характеристик розробленого апа-рату. Було доведено вiдсутнiсть втрати iмпульсу
при pi3H^ частотах iмпульсiв, включаючи змшш частоти. Форма аналогового сигналу вщбивае кшь-юсть iмпульсiв у кожному перiодi опитування. Додатковою особливiстю апарату "Pulsar" е подача живлення для шдключеного модуля ФЕП. Напри-клад, модулi H-7828, H-10682 фiрми Hamamatsu мають напругу живлення 5 В. Джерело живлення базуеться на лшшному регулятора Для управлiння джерелом живлення 5В для ФЕП в апарат е кнопка живлення Î3 вбудованим св^лодюдним i^^raTO-ром. Вiн забезпечуе ручний контроль живлення ФЕП. Живлення активуеться лише разом i3 про-грамною командою, оскiльки кнопка послщовно пiдключаеться до джерела напруги, керованого МК.
В апарат е 4 св^лодюди, що вказують на стан апарату. Iнiцiалiзацiя контролера заюнчуеться свiтлом на помаранчевому свiтлодiодi «On». Пщключення до USB позначаеться блимаючим синiм св^лодю-дом "USB". Червоний свгглодюд «Source» вказуе на отриману команду на ввiмкнення живлення ФЕП, а на команду на вимкнення ПМТ - вимк-нення св^лодюда. Зелений св^лодюдний i^^ra-тор "Run" починае свггитися пiсля отримання пов-ного набору параметрiв для пристрою, i його швидке блимання активуеться разом iз збором да-них. Пюля вимiрювання iндикатор "Run" вими-каеться.
Деякi модулi ФЕП можуть генерувати сигнал перегрузки на додатковш сигнальнiй лiнiï. Це вщбу-ваеться при занадто iнтенсивному осв^ленш ФЕП, коли технiчнi можливостi режиму тдрахунку для певного ФЕП зникають. Монiторинг сигналу пере-криття запобтае помилкам зчитування даних в апа-ратi. Встановлення цього сигналу визначаеться портом зовшшнього переривання i змушуе при-стрiй передавати iнформацiю про стан перекриття в потоцi даних.
Тестування апарату у ЕХЛ дослщженнях
Апарат «Пульсар» був випробуваний у складi сен-сорноï системи для дослщження електрогенерова-них хемiлюмiнесцентних аналiзiв. Модуль ФЕП H10682-210 (Hamamatsu Photonics, Япошя) вста-новлений у розроблену свiтлозахисну камеру, електрохiмiчний сенсор був тдключений до по-тенцiостату Methrohm Autolab 128N. "Pulsar" пере-творював данi пiдрахунку iмпульсiв в аналоговий сигнал iз частотою дискретизацiï 104 вибiрок/с. Цифрову фiльтрацiю проводили в середньому за
100 вибiрками. Сканування потенцiалу поляризацiï робочого електрода становило вщ 0 до 1,4 В та назад до 0 (щодо електрода порiвняння Ag/AgCl) зi швидюстю розгортки 100 мВ/с. Цифровий збiр даних проводили з перюдом вибiрок 10 мкс. ЕХЛ дослщжували у свiтлозахiснiй камерi. Вимiрювання проводили в цитндричнш комiрцi об'емом 6 мл з боросилшатного скла та з тетрафто-ретиленовою кришкою, яка фшсувала електродну систему. Електродом порiвняння був мiнiатюрний електрод реакцiï срiбло/хлорид срiбла. Протиелек-тродом був фольгований платиновий електрод (площа поверхнi 150 мм2). Робочим електродом був скловуглецевий дисковий електрод, дiаметр диска становив 3 мм. Його цилiндричний тетрафто-ретиленовий iзоляцiйний корпус мав зовшшнш дiаметр 6,5 мм. Розчином для експерименту ECL було 10 мкмоль/л трис(2,2'-бтридил) дихлорору-тенiю (II) гексапдрату (придбаного у Merck) у 2 мл фосфатного буферного розчину (концентращя 0,1 М, рН = 7,0) та 1 мМ сореагент трипропшамшу (придбаного у Merck).
Результати збору даних представленi на рис. 4. Аналоговий сигнал, записаний потенщостатом, вщповщае вiдгуку ЕХЛ, отриманому в подiбних умовах [11], i демонструе е^валентну поведiнку. Належне масштабування сигналiв може компенсу-вати рiзницю в чутливостi використаних ФЕП у цих експериментах. Невелика варiацiя сигналу на шку е результатом стохастичного характеру хiмiч-но1' реакцiï. Цифровий збiр iмпульсного сигналу дае вищу часову роздiльну здатнiсть. Щоб поба-чити еквiвалентнiсть аналоговому сигналу, необ-хiдна обробка даних, еквiвалентна аналоговому каналу, для цифрових даних тдрахунку. Вона вклю-чае в себе усереднення сигналу та перетворення потоку iмпульсiв/с у величину напруги, вольти. 1мпульсна характеристика (ара зона) виглядае як пстограма на рис. 4, що е результатом стохастич-но1' змши сигналу для його швидко1' вибiрки. Сканування потенщалом заповнюе область. Усереднення iмпульсного сигналу показуе iдентичнiсть аналогового сигналу, зареестрованого потенщоста-том.
Потенц1ал, В (в1дносно Ag/AgCI електрода)
Рис. 4. ЕХЛ ввдгук для композицп Ru(bpy)32+ + ТПА: чорна крива - аналогове подання сигналу з роздшьною здатшстю 1 мс (стршки показують напрямок сигналу при скануванш потенщалом поляризаци); ара крива -це подання цифрового сигналу з роздшьною здатшстю 10 мкс
Тестування в ЕХЛ дослщженнях на ультрамжроелектродах
Змша площi електрода пропорцiйно вщбиваеться на випромiнювання свiтла. Використання уль-трамiкроелектрода - це cnoci6 полшшити електро-XÍMÍ4HÍ можливостi вимiрювання. Спещальш обме-ження електродно! системи змшюють швидкiсть масо-переносу речовини. Лiнiйна дифузiя на пло-щинний електрод перетворюеться на бiльш ефек-тивну натвсферичну дифузiю на мiнiатюрний електрод. Швидший масовий транспорт до уль-трамiкроелектродiв допомагае досягти стащонар-ного режиму за коротший час. Швидка поляризащя електрода може додатково мiнiмiзувати залучений об'ем зразка до реакцiй електролiзу. Просторове та часове обмеження електрохiмiчних процесiв уль-трамiкроелектродами використовуеться в електро-хiмiчному зондуваннi [12]. ФЕП як високочутли-вий пристрiй та його швидка реакщя в режим! шдрахунку фотонiв перспективний для використання у сучасних анал^ичних завданнях, спрямо-ваних на виявлення окремих молекул, окремих ча-стинок та бюлопчних структур електрохiмiчними методами [4, 8-10].
Експеримент з ультрамшроелектродом проводився в електрохiмiчнiй комiрцi, що описано у попе-редньому пунктi, але робочий електрод замiнили на скловуглецевий ультрамшроелектрод з дiамет-ром робочого диска 25 мкм. 1золяцшним корпусом була скляна трубка iз зовшшшм дiаметром 1,5 мм, витягнута до конуса з боку робочого електрода.
Тестовим розчином був 0,1 мМ 9,10-дифеншантра-цен (ДФА) у cywrni ацетоштрилу та бензолу (об'мнiй пропорцй 4:1) з 0,5 М тетрабутиламмонш перхлоратом, як фоновий електролiт. Хiмiчнi речовини, включаючи розчинники, були придбаш у Merck i використаш як ранiше. ДФА е вщомим ЕХЛ-люмiнофором [13] i залишаеться щкавим для апробацй нових iдей та методiв [14]. Дезоксиге-нацiя приготовленого розчину проводилася барбо-тажем аргоном протягом 10 хвилин. «Pulsar» зби-рав iмпyльcи з модуля ФЕП та передавав дат на тдключений ПК. Поляризащю електродiв елек-трохiмiчноi комiрки проводили з iмпyльcом окис-лення 1,5 В та iмпyльcом вiдновлення -1,5 В до електрода порiвняння Ag/AgCl. Програма поляризацй була сформована генератором довiльноi форми DG3121A, тдключеним до розробленого надшвидкого потенцiоcтата [12]. Отриманий ЕХЛ вщгук протягом тривалого перiодy спостереження (рис. 5,a) вiдбивае кiнетикy розвитку ЕХЛ реакцп в об'емi та стохастичний характер випромшювання при короткочасовому оглядi (рис. 5, б, в). Протягом перших 50 мс спо-стер^аеться невелика кiлькicть iмпyльciв для декшькох циклiв (рис. 5, в). Трохи шзшше майже кожен анодний iмпyльc виробляе ЕХЛ iмпyльc (рис. 5, в).
Пщвищення iнтенcивноcтi ЕХЛ випромiнення по-в'язане з накопиченням катiонних радикалiв по-близу робочого електрода пiд час електролiзy. Спа-лах ЕХЛ спостерпаеться в анодний перiод циклу на початку. У той момент концентращя катюшв найбiльша в обcязi бшя електрода, вони готовi до рекомбшацй з новоутвореними анiонами. Катод-ний перюд у циклi поляризацй електродiв не мае ЕХЛ випромiнювання, вш вимагае анiонiв, що ма-ють короткий час життя, тому анюни зникають до моменту появи нових катюшв. Катюни не можуть знайти пару для рекомбшацй, тож вони накопичу-ються бiля електрода. Дифузшш процеси збшьшу-ють об'ем залученого розчину в ЕХЛ реакцiю тд час продовження електролiзy. Час життя юшв об-межуе цю область i визначае поведшку насичення при пiдйомi ЕХЛ сигналу.
Рис. 5. Ввдгук ЕХЛ ультрашкроелектрода при циклчнш поляризацп iмпульсу 5 мс: а - загальна ЕХЛ кшетика в мiлiсекунднiй часовiй областi (пунктирна лшя згладжена i*100 разiв збшьшений вiдгук iмпуль-
сiв ЕХЛ); б - першi 50 мс ЕХЛ експерименту; в -перiод мiж 300 мс i 350 мс. Суцшьна лiнiя - к1льк1сть ЕХЛ^мпульав, пунктирна - потенцiал поляризацп ро-бочого електрода
Висновки
Розроблена контрольно-вимiрювальна апаратура придатна для реалiзацil нових аналiтичних методiв у сенсорних системах, що продемонстровано на прикладi ЕХЛ вимiрювань на ультрамшроелектро-дах. Можливiсть представити емiсiю фотошв у двох формах сприяе легкш штеграци ФЕП до сен-сорних систем. Вихiд аналогового сигналу ко-рисний як традицiйний спосiб штеграци фотодетектора з потенцiостатом. З шшого боку, паралель-ний збiр даних у цифровiй формi е способом точ-нiшого аналiзу ЕХЛ. Бшьш висока часова роздiльна здатшсть та безпрецедентна чутливiсть допомагають досягти можливостей виявлення окремих часток та окремих молекул. Апарат "Pulsar" може поеднуватися з бшьшютю модулiв лiчби фотонiв фiрми Hamamatsu Photonics, що роз-ширюе можливостi вибору вщповщного детектора для аналiтичних завдань. Продемонстрована гнуч-кiсть розробленого апарату в штеграци з анал^ич-ною системою демонструе кориснiсть застосу-вання режиму лiчби фотонiв у ЕХЛ вимiрах. Лiтература:
1. Miao W. Electrogenerated chemiluminescence and its bi-orelated applications // Chem. Rev. 2008. 108. P. 25062553.
2. Liu Z., Qi W., Xu G. Recent advances in electrochemilu-minescence // Chem. Soc. Rev. 2015. Vol. 44, No. 10. P. 3117 -3142.
3. Muzyka K., Saqib M., Liu Z., Zhang W., Xu G., Progress and challenges in electrochemiluminescent aptasensors // Biosensors and Bioelectronics. 2017. 92. P. 241-258.
4. Collinson M.M., Wightman R.M. Observation of Individual Chemical Reactions in Solution // Science. 1995. 268. P. 1883-1885.
5. Collinson M.M., Wightman R.M. High-Frequency Generation of Electrochemiluminescence at Microelectrodes // Anal. Chem. 1993. 65. P. 2576-2582.
6. Collinson M. M., Pastore P., Maness K.M., Wightman R.M. Electrochemiluminescence Interferometry at Microe-lectrodes // J. Am. Chem. Soc. 1994. 116. P. 4095-4096.
7. Collinson M.M., Wightman R.M. Evaluation of Ion-Annihilation Reaction Kinetics Using High-Frequency Generation of Electrochemiluminescence // J. Phys. Chem. 1994. 98. P. 11942-11947.
8. BardA.J., Fan F.-R.F. Electrochemical Detection of Single Molecules // Acc. Chem. Res. 1996. 29. P. 572-578.
9. Fan F.-R.F., Bard A.J. Observing Single Nanoparticle Collisions by Electrogenerated Chemiluminescence Amplification // Nano Letters. 2008. 8. P. 1746-1749.
в
10. Peng Y.-Y., Qian R.-C., HafezM. E, Long Y.-T. Stochastic Collision Nanoelectrochemistry: A Review of Recent Developments // ChemElectroChem. 2017. 4. 1-10.
11. Snizhko D., Bani-Khaled G., Muzyka K., Xu G. Apparatus "Spark" for luminescent and electrochemiluminescent measurements // Przegl^d Elektrotechniczny. 2018. Vol. 94, No 6. P. 38-42.
12. Snizhko D., Kukoba A. Ultrafast Potentiostat as Compromise between Current Sensitivity vs. Response Time // Prze-gl^d Elektrotechniczny. 2019. 95. P. 102-107.
13. Santhanam K.S.V., Bard A.J. Chemiluminescence of Electrogenerated 9.10- Diphenylanthracene Anion Radical // J. Am. Chem. Soc. 1965. 87. P. 139-140.
14. Omer K.M., Bard A.J. Electrogenerated Chemiluminescence of Aromatic Hydrocarbon Nanoparticles in an Aqueous Solution // J. Phys. Chem. C. 2009. Vol. 113, No. 27. P. 11575-11578.
Надшшла до редколегп 12.06.2020 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Семенець В.В.
Сшжко Дмитро Вжторович, канд. техн. наук, старший науковий сшвробпник, доцент кафедри бюмедично! ш-женерп Харшвського нацюнального ушверситету радю-електрошки. Науковi штереси: мжроконтролери, оп-тичш та xiMi4rn сенсори, хiмiчна аналiтика, приладобу-дування. Адреса: Украина, 61166, Харшв, пр. Науки, 14. E-mail: dmytro. [email protected].
Snizhko Dmytro Viktorovich, PhD, Senior Researcher, Associate Prof., Department of Biomedical Engineering, Kharkiv National University of Radio Electronics. Area of interest: Microcontrollers, optical and chemical sensors, chemical analytics, device manufacturing. Address: Nauky ave., 14, Kharkiv, Ukraine, 61066, E-mail: dmytro .snizhko@nure .ua;
