小型化土壤微生物燃料電池電信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)與運(yùn)行①

鄧 歡，王 日，許 靜，沙亞?wèn)|，李稻云，鐘文輝

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小型化土壤微生物燃料電池電信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)與運(yùn)行①

鄧 歡1，王 日2，許 靜1，沙亞?wèn)|1，李稻云1，鐘文輝3,4*

(1 南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023；2 南京師范大學(xué)強(qiáng)化學(xué)院，南京 210023； 3 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；4 江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023)

為了提高對(duì)小型化的土壤微生物燃料電池(microbial fuel cells, MFCs)產(chǎn)電信號(hào)的檢測(cè)能力，構(gòu)建了采用加Cu2+處理土壤進(jìn)行產(chǎn)電的小型化單室MFCs，并設(shè)計(jì)和制作了基于集成運(yùn)算的信號(hào)放大器，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)100倍。將信號(hào)放大器與MFCs連接后，采用數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)記錄土壤產(chǎn)電的原始電壓以及放大后的電壓。結(jié)果顯示，土壤產(chǎn)電電壓在4 mV附近波動(dòng)，而放大后的電壓升至400 mV左右。統(tǒng)計(jì)顯示原始電壓與放大后的電壓相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(<0.001)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，并非每個(gè)電壓數(shù)值都嚴(yán)格放大100倍，而是倍率存在5% 的誤差，原因主要在于集成運(yùn)算放大芯片存在失調(diào)誤差和溫度漂移誤差。本研究為實(shí)現(xiàn)小型化MFCs產(chǎn)電信號(hào)的檢測(cè)提供了依據(jù)。

集成運(yùn)算放大器；電壓；仿真電路；MFCs

土壤微生物群落中有一類具有胞外電子傳遞功能的細(xì)菌，稱為產(chǎn)電細(xì)菌[1]，因此土壤中的產(chǎn)電微生物能夠在微生物燃料電池(microbial fuel cells, MFCs)中進(jìn)行產(chǎn)電。采用土壤進(jìn)行產(chǎn)電的MFCs稱為土壤MFCs。土壤產(chǎn)電電壓和電流與土壤微生物活性密切相關(guān)，并且隨著污染物濃度增加而降低，因而土壤產(chǎn)電電壓和電流能夠作為電信號(hào)，用于指示土壤微生物活性以及土壤污染毒性[2-4]。傳統(tǒng)的檢測(cè)指標(biāo)如土壤酶活性，土壤呼吸強(qiáng)度等檢測(cè)方法需要使用一系列的化學(xué)藥品，處理不當(dāng)容易造成污染[5-7]。而采用單室MFCs構(gòu)型進(jìn)行土壤產(chǎn)電，不使用化學(xué)試劑，不產(chǎn)生污染，也不消耗能源，相反能產(chǎn)生少量電能，是一種潛在的綠色、新型檢測(cè)方法[8]。

土壤產(chǎn)電信號(hào)一般較弱，原因在于采用土壤進(jìn)行產(chǎn)電時(shí)，MFCs的內(nèi)阻較大，而且土壤有機(jī)質(zhì)含量有限，缺乏充足的葡萄糖、乙酸等產(chǎn)電細(xì)菌容易利用的碳源。所以，要獲得可供分析的產(chǎn)電信號(hào)，通常需要較多的土壤用量以及較大的MFCs反應(yīng)器[3]。但是大土量和大反應(yīng)器的使用限制了基于土壤產(chǎn)電的檢測(cè)方法的應(yīng)用。因此，MFCs反應(yīng)器的小型化是該檢測(cè)方法取得實(shí)用性的重要途徑。然而，MFCs小型化之后，用于產(chǎn)電的土壤用量也隨之大幅減少，土壤產(chǎn)電信號(hào)也變得微弱，甚至無(wú)法進(jìn)行有效的檢測(cè)。而解決這一問(wèn)題，需要借助信號(hào)放大電路將微弱電信號(hào)放大。集成運(yùn)算放大器具有增益高、輸入電阻大、輸出電阻低、共模抑制比高，以及失調(diào)與飄移誤差小的優(yōu)點(diǎn)，因而普遍用于信號(hào)放大[9-10]。

在本研究中，作者設(shè)計(jì)并制作了可將電壓信號(hào)放大100倍的集成運(yùn)算放大器并將其與小型化土壤MFCs連接，同時(shí)記錄土壤產(chǎn)電的原始電壓與放大后的電壓。目的是探索采用集成運(yùn)算放大器為小型化土壤MFCs進(jìn)行電信號(hào)放大的可行性。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤于 2016 年 3 月采自南京師范大學(xué)仙林校區(qū)后山的闊葉林，采樣深度0 ~ 20 cm。樣地氣候條件為亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量1 100 mm，年平均氣溫15oC。土樣采集后經(jīng)研磨過(guò)2 mm篩用于MFCs運(yùn)行；少量過(guò)篩土壤風(fēng)干后用于理化性質(zhì)測(cè)定。土壤總碳和總氮采用元素分析儀測(cè)定，土壤pH采用pH計(jì)(FE20，Mettler Toledo)測(cè)定。土壤基本理化性質(zhì)如下：土壤pH 7.41；總碳17.58 g/kg；總氮0.69 g/kg。

1.2 信號(hào)放大電路的原理和設(shè)計(jì)

本研究采用的信號(hào)放大器為集成運(yùn)算放大器，是由多級(jí)直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路，主要由輸入、中間、輸出3部分組成。輸入部分是差動(dòng)放大電路，有同相和反相兩個(gè)輸入端，本研究將MFC連接在同相輸入端。同相輸入端的電壓變化和輸出端的電壓變化方向一致，反相輸入端則相反；中間電壓放大部分的主要作用是提高電壓增益，它可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成，放大信號(hào)經(jīng)輸出部分傳到信號(hào)檢測(cè)器，本研究采用的信號(hào)檢測(cè)器為數(shù)據(jù)采集卡。

1.2.1 集成運(yùn)算放大器的原理 基本放大電路模型有4種：電壓放大、電流放大、互阻放大和互導(dǎo)放大，在本試驗(yàn)中選擇電壓放大模型以及同相放大電路?；痉糯箅娐啡鐖D1[11]：

圖1中，輸入信號(hào)v加到運(yùn)算放大器的同相輸入端“+”和地之間，輸出電壓v通過(guò)1和2的分壓作用，得，作用于反向輸入端“－”。在同相放大電路中，輸出通過(guò)負(fù)反饋的作用，使v自動(dòng)地跟蹤v，得到v≈v，這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。由于同相和反相兩輸入端之間出現(xiàn)虛短現(xiàn)象，而運(yùn)算放大器的輸入電阻的阻值又很高，因此經(jīng)兩輸入端之間出現(xiàn)虛斷現(xiàn)象，此時(shí)i= i≈ 0。根據(jù)虛短和虛斷的概念，可以得到同相放大電路的電壓增益為：

由上式可以看出，調(diào)節(jié)1和2的大小可以改變電壓的增益大小。

本研究采用同相放大電路，同相放大電路有如下特點(diǎn)：①輸入電阻較高，輸出電阻較低；②由于v=v=v，電路不存在虛地，且運(yùn)算放大器存在共模輸入信號(hào)，因此要求運(yùn)算放大器具有較高的共模抑制比。共模抑制比是放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)之比，共模抑制比越大，電路的性能越優(yōu)良。

1.2.2 實(shí)際電路設(shè)計(jì) 在本試驗(yàn)中，考慮到電壓信號(hào)微小，為減小噪聲干擾和失調(diào)電壓的影響，選擇高精度、低溫漂的集成運(yùn)算放大器OP-07(Analog Devices, Inc, USA)。OP-07是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性(雙電源供電)運(yùn)算放大器集成電路。由于OP-07具有非常低的輸入失調(diào)電壓(<25 μV)，所以O(shè)P-07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP-07同時(shí)具有輸入偏置電流低(2 nA)和開(kāi)環(huán)增益高(300 V/mV)的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP-07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。試驗(yàn)中擬將土壤產(chǎn)電電壓放大100倍，和分別選擇1 K和100 K的電阻，設(shè)計(jì)了放大電路圖(圖2)，并利用仿真軟件Multisim進(jìn)行了功能仿真[12]，之后根據(jù)仿真電路制作出電路實(shí)物(圖3)，并且將其應(yīng)用在實(shí)際電路測(cè)量中。

1.3 MFCs構(gòu)建和運(yùn)行

取3只50 ml塑料離心管，每只離心管底部放置一塊圓形碳?xì)?直徑2.0 cm)作為陽(yáng)極。稱取60 g(干土重)過(guò)篩后的土樣并分成均等的3份，每份20 g。向其中兩份土樣分別加入1 ml Cu2+濃度為500 mg/L和1 000 mg/L的CuCl2溶液，使土壤Cu2+濃度分別達(dá)到25 mg/kg和50 mg/kg；最后一份土樣僅加入1 ml蒸餾水作為不加Cu2+對(duì)照。將3份土樣分別裝進(jìn)上述3只離心管中，向離心管加入蒸餾水至土壤處于淹水狀態(tài)，淹水水層深度1 cm，再將一塊圓形碳?xì)?直徑2.0 cm)作為陰極沒(méi)入水中輕輕放置于淹水土壤表面。用鈦絲作為導(dǎo)線鏈接陽(yáng)極和陰極，并串聯(lián)1 000 Ω外電阻，完成3個(gè)單室MFCs的構(gòu)建，分別編號(hào)為MFC-Ct(不加Cu2+對(duì)照)，MFC-25(25 mg/kgCu2+處理)和MFC-50(50 mg/kgCu2+處理)。

在每個(gè)MFCs上連接一塊集成電路運(yùn)算放大器，采用數(shù)據(jù)采集卡(7660B，北京中泰研創(chuàng))每隔10 min記錄一次MFCs產(chǎn)生的原始電壓數(shù)值，以及經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路產(chǎn)生的放大后的電壓數(shù)值(圖4)，連續(xù)記錄22 h，共記錄132個(gè)電壓數(shù)據(jù)。MFCs運(yùn)行過(guò)程中采用空調(diào)保持環(huán)境溫度25°C。

1.4 分析與統(tǒng)計(jì)

土壤產(chǎn)電的原始電壓和經(jīng)過(guò)放大的電壓之間的相關(guān)性分析采用SPSS18.0軟件的Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與討論

圖5顯示，未添加Cu2+的對(duì)照處理的土壤產(chǎn)電電壓維持在3.5 ~ 4.8 mV之間，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路輸出的電壓在341.9 ~ 483.7 mV之間波動(dòng)；添加25 mg/kg Cu2+處理的土壤產(chǎn)電電壓維持在3.2 ~ 4.8 mV之間，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路輸出的電壓在323.1 ~ 485.3 mV之間；添加50 mg/kgCu2+處理的土壤產(chǎn)電電壓維持在3.1 ~ 4.7 mV之間，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路輸出的電壓在316.1 ~ 472.8 mV之間。信號(hào)放大電路基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤產(chǎn)電電壓信號(hào)的100倍放大。Pearson相關(guān)性分析表明，3個(gè)MFCs裝置的產(chǎn)電電壓與放大后的電壓之間相關(guān)性都達(dá)到極顯著水平(表1)。另外，對(duì)每個(gè)MFC處理運(yùn)行22 h所獲得的132個(gè)電壓數(shù)據(jù)做平均值后發(fā)現(xiàn)，不同Cu2+濃度處理的原始電壓平均值為MFC-Ct (4.30 mV) > MFC-25 (3.92 mV) > MFC-50 (3.80 mV)，而放大后的電壓平均值為MFC-Ct (427 mV) > MFC-25 (393 mV) > MFC-50 (385 mV)。從處理間的比值來(lái)看，不同處理間原始電壓的差異與放大后電壓的差異非常接近。

表1 土壤產(chǎn)電原始電壓和放大后電壓的相關(guān)性分析

我們同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，并非每個(gè)電壓數(shù)據(jù)都被嚴(yán)格放大100倍，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)的放大倍數(shù)在95 ~ 105倍之間，這些主要是由于運(yùn)算放大器電路存在一定的噪聲干擾以及芯片、元器件自身的固有誤差造成的。集成運(yùn)算放大芯片的主要誤差來(lái)源包括失調(diào)誤差和溫度漂移誤差[13]。試驗(yàn)中選擇低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性集成運(yùn)算放大器OP-07屬于精密運(yùn)算放大器，25oC條件下，其失調(diào)誤差和溫度漂移誤差分別為99.5 μV和20.2 μV，總誤差達(dá)到約0.12 mV。本試驗(yàn)中，土壤產(chǎn)電電壓大約在3 mV左右，因此失調(diào)誤差和溫度漂移誤差會(huì)引起±4% 左右的誤差。同時(shí)由于在理論計(jì)算時(shí)，假設(shè)了運(yùn)算放大器是理想放大器，存在虛短的情況，而在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益有限，無(wú)法做到虛短，開(kāi)環(huán)增益帶來(lái)的誤差也就無(wú)法忽略。本研究結(jié)果同時(shí)也表明，過(guò)低的產(chǎn)電信號(hào)采用集成運(yùn)算放大器放大將會(huì)引起較高的誤差，此時(shí)需要考慮降低誤差。

有若干辦法可減小運(yùn)算放大電路在實(shí)際測(cè)量中的誤差，包括：①選擇具有更高精度的運(yùn)算放大器，如AD8628、AD622等集成運(yùn)算放大器，或者采用分立元件構(gòu)成低噪聲放大器。②可在放大電路中增加一個(gè)OP-07的調(diào)零電路，在運(yùn)算放大器的調(diào)零端接入一個(gè)滑動(dòng)變阻器，變阻器的中心頭通過(guò)一個(gè)電阻接入正電源，利用此調(diào)零電路可減小部分失調(diào)誤差。③選擇儀用放大電路，增大電路的共模抑制比。利用3個(gè)OP-07芯片可設(shè)計(jì)出具有更高精度的儀用放大電路[14]。

[1] 姜允斌, 鄧歡, 黃新琦, 等. 一株土壤產(chǎn)電菌的分離及其產(chǎn)電性能[J]. 微生物學(xué)報(bào), 2016, 56(5):846–855

[2] 姜允斌, 薛洪婧, 鐘文輝, 等. 土壤微生物產(chǎn)電信號(hào)評(píng)價(jià)芘污染毒性研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2014, 51(6): 1332–1341

[3] Deng H, Wu Y C, Zhang F, et al. Factors affecting the performance of single-chamber soil microbial fuel cells for power generation[J]. Pedosphere, 2014, 24(3): 330–338

[4] Deng H, Jiang Y B, Zhou Y W, et al. Using electrical signals of microbial fuel cells to detect copper stress on soil microorganisms[J]. European Journal of Soil Science, 2015, 66: 369–377

[5] 孫瑞波, 盛下放, 李婭, 等. 南京棲霞重金屬污染區(qū)植物富集重金屬效應(yīng)及其根際微生物特性分析[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2011, 48(5): 1013–1020

[6] 邊雪廉, 岳中輝, 焦浩, 等. 土壤酶對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量指示作用的研究進(jìn)展[J]. 土壤, 2015, 47(4): 634–640

[7] 趙吉. 土壤健康的生物學(xué)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[J]. 土壤, 2006, 38 (2): 136–142

[8] 鄧歡, 薛洪婧, 姜允斌, 等. 土壤微生物產(chǎn)電技術(shù)及其潛在應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué), 2015, 36: 3926–3934

[9] 孫成正, 尹文慶, 趙建平, 等. 植物電信號(hào)前置放大電路的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2007, 30(7): 168–171

[10] Vela-Pena E, Quinones-Uriostegui I, Martinez-Pinon F, et al. Design of a microelectronic circuit to amplify and modulate the signal of a micro-electro-mechanical systems arterial pressure sensor[C]. San Diego, CA: Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2010

[11] 康華光, 陳大欽, 張林. 電子技術(shù)基礎(chǔ). 模擬部分[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社, 2006: 28–29

[12] 畢克玲. NI Multisim 11仿真技術(shù)在模擬和數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù), 2014, 10(20): 4748–4750

[13] 劉文珂. 影響集成運(yùn)放輸入誤差信號(hào)的主要參數(shù)分析[J]. 微電子與基礎(chǔ)產(chǎn)品, 2001, 27(3): 54–56

[14] 唐萬(wàn)愷, 王志功, 徐建, 等. 心電信號(hào)采集放大器設(shè)計(jì)[J]. 新型工業(yè)化, 2011, 1(10): 112–118

Design and Operation of Amplification Circuit for Electrical Signals Generated by Small-scale Soil Microbial Fuel Cells

DENG Huan1, WANG Ri2, XU Jing1, SHA Yadong1,LI Daoyun1, ZHONG Wenhui3,4*

(1 School of Environment, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2 Honors College, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 3 School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 4Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China)

A small-scale microbial fuel cells (MFCs) using Cu2+spiked soil was constructed and connected with an integrated operational amplifiers designed and produced with a designed amplification of 100 times to improve the ability to detect the electrical signal generated, then a data collector was used to recorded both the original and amplified voltage data generated by soil. The results showed that the original voltage data fluctuated around 4 mV and the amplified voltage data around 400 mV. The statistical analysis revealed that the correlation reached an extremely significant level between the original and amplified voltage data (<0.001). It is noticeable that not all of the original data were amplified by 100 times strictly, instead there was a 5% error, which was attributed to the offset error and temperature drift error of the integrated operational chips. This study provided a reference in detecting electrical signals generated by small scale MFCs.

Integrated operational amplifier; Voltage; Simulation circuit; MFCs

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.023

S153

A

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301260，41671250)、江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(164320H116)和江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(16KJB210007)資助。

(zhongwenhui@njnu.edu.cn)

鄧歡 (1982—)，男，江蘇南京人，博士，副教授，主要從事環(huán)境微生物技術(shù)研究。E-mail: hdeng@njnu.edu.cn