Contenido

• Introducción
  • Potenciostato
  • Voltametría cíclica
  • Cronoamperometría
• Proyecto MASB-POT-S
  • Objetivos
  • Aplicación viSens-S
  • Pinout
  • Componentes del proyecto
  • Protocolo de comunicación MASB-COMM-S
  • Timers
  • Diagramas de flujo
  • Desarrollo del proyecto
  • Fase de testing
• Resultados
• Conclusiones
• Referencias

Introducción

En este informe, los estudiantes de Ingeniería Biomédica de la Universidad de de Barcelona Rubén Cuervo y Pere Pena presentaremos el proyecto final de la asignatura Microcontroladores para Aplicaciones y Sistemas Biomédicos realizado durante la primavera de 2022.

Este trabajo, titulado Programando un potenciostato, consiste en la programación de una placa STM32 Nucleo-F401RE en el entorno de programación STM32CubeIDE para la creación de un potenciostato capaz de realizar dos tipos de mediciones electroquímicas cruciales en el ámbito de los sensores biomédicos: la voltametría cíclica y cronoamperometría. Más concretamente, presentamos todos los detalles técnicos de su programación además de su validación usando una muestra de ferrocianuro potásico (K4[Fe(CN)6]) en un tampón de cloruro de potasio (KCl) a diferentes concentraciones. Para su creación, se ha realizado un control de versiones entre los miembros del grupo mediante GitHub, proveyendo también el resultado final en formato repositorio virtual abierto para su completa replicación.

Potenciostato

Un potenciostato es el hardware electrónico clave para controlar una celda de tres electrodos (de referencia (RE), de trabajo (WE) y auxiliar (CE)) y poder ejecutar la mayoría de los experimentos electroanalíticos, como por ejemplo la Voltametría Cíclica o la Cronoamperometría [1]. Para conseguirlo, cada uno de los electrodos tiene las siguientes funcionalidades:

• Electrodo de trabajo: Lugar donde la reacción electroquímica está ocurriendo.
• Electrodo de referencia: Monitoriza el potencial de la solución.
• Electrodo auxiliar: Suministra la corriente necesaria para equilibrar la flujo eléctrico creado en el electrodo de trabajo.

De esta manera, el dispositivo controla el voltaje entre los electrodos de trabajo y de referencia ajustando la corriente que circula a en el electrodo auxiliar para extraer información relevante de la muestra química que introduzcamos.

Para este proyecto, el potenciostato se creó mediante un circuito impreso (PCB) que funciona acoplado a la placa STM32 Nucleo-F401RE para realizar las medidas electroquímicas.

Voltametría cíclica

La Voltametría Cíclica (CV) es una de las mediciones electroquímicas más populares y más usadas sobre todo para investigar procesos de oxidación y reducción. Durante este test, se aplica un potencial variante con el tiempo entre WE y RE mientras se mide la corriente en WE [2]. Más concretamente, el barrido tiene lugar entre dos extremos de voltaje conocidos (vértices), primeramente variando el valor de potencial hasta llegar al primer extremo y luego, repitiendo el proceso a la inversa hasta llegar al otro extremo. Este barrido de vértice a vértice se puede realiza el numero de ciclos que se determine para obtener la información deseada.

El resultado se representa en un voltamograma cíclico, donde en el eje x se muestra el potencial aplicado (E), ya que es la variable que imponemos al sistema, mientras que en el eje y se representa la intensidad resultante (i). En la Fig. 2 se puede ver un ejemplo de un Voltagrama Cíclico.

Cronoamperometría

La Cronoamperometría (CA) es otra de las mediciones electroquímicas más usadas sobre todo para conocer la composición y el comportamiento difusivo del analito de interés colocado en la celda. Durante este test, se aplica un potencial escalón en el WE mientras se mide la corriente en la celda durante un cierto periodo de tiempo [3]. Para obtener un buen resultado, este señal escalón deberia cambiar el estado de la celda de una situación estable a una situación donde tienen lugar procesos faradaicos (transferencias de cargas en su interficie).

El resultado se representa en un gráfico, donde en el eje x muestra el tiempo transcurrido (t), y en el eje y se representa la intensidad resultante (i). En la Fig. 3 se puede ver un ejemplo de este test con el escalón de voltaje aplicado a su lado.

Proyecto MASB-POT-S

Objetivos

Los objetivos del proyecto MASB-POT-S son:

• Programar un potenciostato portable usando el entorno de programación STM32CubeIDE.
• Controlar todos los componentes del módulo front-end del potenciostato.
• Comunicarse con la aplicación viSens-S instalada con el host u ordenador mediante el protocolo MASB-COMM-S.
• Testar nuestro sistema realizando una voltametría cíclica.
• Testar nuestro sistema realizando una cronoamperometría.

Aplicación viSens-S

Para poder seleccionar que prueba electroquímica se desea realizar además de mostrar los resultados obtenidos durante ellas, se usó la aplicación viSens-S, un programada creado integramente con LabVIEW que permite:

• Seleccionar el puerto donde nuestra placa STM32 Nucleo-F401RE está conectada.
• Seleccionar la técnica a realizar (voltametría cíclica o cronoamperometría)
• Dentro de la voltametría cíclica, poder determinar:
  • eBegin: potencial de celda en el que se inicia y finaliza la voltametría cíclica.
  • eVertex1: potencial al que se dirige la celda electroquímica des de el potencial de inicio.
  • eVertex2: potencial al que se dirige la celda electroquímica des de el vértice de potencial 1 (segundo extremo). Su continuación depende de si se ha llegado al numero de ciclos establecidos o no.
  • cycles: número de ciclos de la voltametría cíclica.
  • scanRate: variación de la tensión de la celda electroquímica en el tiempo (V/s).
  • eStep: incremento/decremento de la tensión entre dos puntos consecutivos (V).
• Dentro de la cronoamperometría, poder determinar:
  • eDC: potencial constante (escalón) de la celda electroquímica durante la cronoamperometría (V).
  • samplingPeriodMs: tiempo en milisegundos entre muestra y muestra.
  • measurementTime: duración la cronoamperometría en segundos.

Todo esto es conseguido con la interfaz gráfica mostrada en la Fig. 4.

Pinout

Para interaccionar correctamente con el front-end (PCB) del potenciostato, los pines usados fueron los siguientes:

Componentes del proyecto

Los módulos de la PCB que necesitabamos programar con el microcontrolador para que las medidas fueran tomadas correctamente son:

Power Management Unit (PMU)

La PMU es la responsable de alimentar todo el front-end. Por defecto, empieza deshabilitada para que el circuito no consuma corriente hasta que la EVB sea conectada a nuestro ordenador. Cuando esto suceda, se llevará su pin a nivel alto y se esperarán 500 ms para asegurar que todos los componentes del dispositivo se encuentran correctamente alimentados. Para comprobar si está encendido o apagado, se podrá visualizar mediante un indicador lumínico (LED) que brillará de color rojo cuando esté habilitado.

Durante este proyecto, su gestión ha sido realizada en la función initialize_PMU() del documento PMU.c que es llamada en el setup.

Relé

El relé se encarga de abrir y cerrar el circuito entre el front-end y el sensor electroquímico donde se realizarán las medidas. De este modo, cuando el relé está abierto, no hay conexión eléctrica entre el sensor y el front-end y cuando está cerrado si. Su apertura/clausura irá acompañada también de un LED que se iluminará de color verde además de el sonido cacterístico de cambio de estado de un relé.

Durante este proyecto, su gestión ha sido realizada usando la función de las HAL HAL_GPIO_WritePin() antes (SET) y después (RESET) de realizar las medidas.

Potenciostato

En el proyecto MASB-POT-S, para replicar el potenciostato se usó un DAC (Digital Analog Converter) con comunicación I2C para fijar la tensión VCELL. Este, podía producir una tensión de salida de 0 a 4 V, que se convierten de -4 a 4 V colocando una etapa adicional.

Para leer los valores de voltaje y corriente en la celda, se usó el ADC (Analog Digital Converter) del microcontrolador. Para el voltaje, se lee la tensión presente en el electrodo de referencia (RE) y para la corriente, se usa un TIA (Transimpedance Amplifier) con una resistencia de 50 kΩ. Está lectura nos proporcionaría los valores VADC e IADC, que deberán ser convertidos mediante las fórmulas que se encuentran en el archivo formulas.c (más concretamente en las funciones calculateVrefVoltage y calculateIcellCurrent) para obtener los valores de voltaje y corriente en la celda (VCELL e ICELL respectivamente).

Protocolo de comunicación MASB-COMM-S

Para realizar la comunicación entre el master (viSens-S) y el slave (dispositivo) seguimos un protocolo donde la codificación y decodificación de mensajes se realizán sguiendo el algoritmo COBS (Consistent Overhead Byte Stuffing), teniendo como term char el valor 0x00 y donde los bytes de los valores enviados se envían en notación little endian. Además, los bytes de comando usados son los siguientes:

Los paquetes de bytes enviados estan formados por el comando (tabla anterior) seguido de una serie de bytes auxiliares (parámetros). Cuando el slave se comunica con el master, los paramétros son los necesarios para realizar los gráficos de las medidas:

• point: número identificativo del punto.
• timeMs: milisegundos transcurridos desde el inicio de la medición.
• voltage: VCELL en voltios.
• current: ICELL en amperios.

Mientras que cuando el master se comunica con el slave, los paramétros son los mencionados en el apartado Aplicación viSens-S.

Timers

Para conseguir que las medidas fueran realizadas con precisión siguiendo los valores enviados por el host se hizo uso de el timer 3 preconfigurado mediante STM32MX. Más concretamente, en el archivo timers.cse crearon 2 funciones para poder operar con el:

• initialize_timer: Configuramos el timer 3 del microcontrolador con el sampling period incidcado por el host mediante la función __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD, donde este valor es multiplicado por 10 para convertirlo en segundos teniendo en cuenta la frequencia por defecto (10 KHz). Para mayor comprensión, acudir al código. Posteriormente, lo inicializamos con la función __HAL_TIM_SET_COUNTER y HAL_TIM_Base_Start_IT.
• HAL_TIM_PeriodElapsedCallback: Una vez pasado el periodo de muestreo determinado, se realizaría automaticamente la acción de medir VCELL e ICELL del ADC (realizando así las medidas con precisión).

Diagramas de flujo

Una vez comentados todos los puntos principales para programar el potenciostato, pasaremos a mostrar lso diagramas de flujo que ejemplifican como funcionan las secciones principales de nuestro código.

Microcontrolador

El primer diagrama de flujo muestra la operativa general del microcontrolador para leer y ejecutar instrucciones.

Voltametria cíclica

Posteriormente, mostramos el diagrama de flujo detallado del código que permite realizar la voltametría cíclica.

Dos puntos importantes a destacar son que hemos añadido un delay adicional de 10 ms al cerrar el relé para evitar leer un valor nulo justo al inicio de la prueba y la implementación de la gestión del caso en que eVertex1 < eBegin < eVertex2 (empezando el test en dirección inversa). Además, el sampling period mencionado en el diagrama de flujo se puede encontrar usando: $ts=\frac{eStep}{scanRate}$.

Cronoamperometría

Finalmente, este es el diagrama de flujo detallado del código que permite realizar la cronoamperometría.

En esta sección también hemos añadido un delay adicional de 10 ms al cerrar el relé para evitar leer el valor de 0 A justo al inicio de la prueba.

Desarrollo del proyecto

Para conseguir todas las funcionalidades descritas, nuestro equipo trabajó usando un control de versiones en GitHub. Para hacerlo posible, a partir de la rama master (la inicial que finalmente usariamos para presentar nuestro proyecto) creamos la rama develop para desarrollar enteramente nuestro código. Más concretamente, dividimos esa rama en pequeñas bifurcaciones para añadir cada funcionalidad (feature) asi como arreglar los errores presentes en el código (hotfix).

• feature/adc: configuración del ADC para leer los valores de corriente y voltaje (Analog to digital converter).
• feature/timer: configuración general del timer del proyecto que recibirá el periodo de muestreo y realizará la ISR cuando se complete un periodo.
• feature/PMU: configuración general de la Power Management Unit para alimentar a la PCB.
• feature/cyclic_voltammetry: configuración completa de la voltametría cíclica usando los features creados anteriormente (ADC, timer y PMU).
• feature/chronoamperometry: configuración completa de la cronoamperometrá usando los features creados anteriormente (ADC, timer y PMU).
• hotfix/cyclic_voltammetry, hotfix/timer y hotfix/chronoampreometry: ramas creadas para corregir los comportamientos no deseados de las funcionalidades timer, voltametría cíclica y cronoampreometría.
• feature/flow: configuración del código principal de control del potenciostato siguiendo el diagrama de flujo de la sección Microcontrolador.

Progresivamente, todas las ramas se fueron juntando a la de desarrollo (develop), comprobando que cuando se unian los trabajos de ambos miembros del grupo no aperecian errores. Finalmente, una vez teniamos el código funcional, se hizo un Pull Request a la rama principal (master) para entregárselo al cliente. La evolución de todas estas ramas junto con la fecha de su realización puede verse de forma esquemática en la Fig. 5.

Fase de testing

Para asegurarnos que nuestro potenciómetro funcionaba correctamente, creamos un circuito sencillo en el que no se necesitaba la colocación de ninguna muestra química en la celda. El esquemático del circuito se puede encontrar en la Fig. 6 y su montaje y conexión con la placa STM32 Nucleo-F401RE en la Fig. 6.

Voltametría cíclica

Con el circuito creado, para la voltametría cíclica esperabamos encontrarnos con un barrido entre evertex1 y evertex2 dibujando una recta con una pendiente positiva. Más concretamete, esta recta representaria como la intensidad crece o decae linealmente dependiendo si nos movemos a potenciales crecientes o decrecientes respectivamente. Esta relación es debida a la ley de Ohm:

Y la pendiente encontrada es la inversa de la resistencia.

Durante el trabajo se fue testando esta funcionalidad siguiendo los pasos mostrados en el diagrama de flujo, mejorando todos los desvíos del comportameniento idóneo encontrados. En la Fig. 8 se puede observar el resultado para un voltaje inicial de 0.25 V, vértices de +0.5 V y -0.5 V, 2 ciclos, una velocidad de escaneo de 0.1 V/s y un incremento/decremento de la tensión entre dos puntos consecutivos de 0.01 V.

Cronoamperometría

En la cronoamperometría, también debido a la Ley de Ohm, esperábamos encontrar una intensidad constante resultado del voltaje escalón aplicado. Este resultado fue más facilmente encontrado debido a la menor dificultad de la prueba, y en la Fig. 9 se puede encontrar el gráfico resultante tras realizar la prueba con un voltaje escalón de +0.6 V, un período de muestreo de 10 ms y un tiempo de prueba de 10 segundos.

En este caso, el resultado sale una intensidad constante a 312 mA, pero debido al rango reducido de la escala lateral de la aplicación viSens-S, nos encontramos cierta fluctuación alrededor de ese valor. Aun así, el test se dio por válido debido la pequeña magnitud (0.2 μA) de esa variación.

Resultados

Para concluir la validación de nuestro hardware, este fue testado usando una muestra de ferrocianuro potásico (K4[Fe(CN)6]) en un tampón de cloruro de potasio (KCl) a diferentes concentraciones. Esto se realizó mediante la acoplación de una tira de testing con un electrodo (Fig. 11) al hardware y la posterior colocación de las muestras con tampones de KCl a 1 mM y 5mM usando una pipeta (en tiras independientes). El test fue realizado integramente en el laboratorio de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Barcelona.

Voltametría cíclica

Con respecto a la voltametría cíclica, las mediciones fueron tomadas para los dos casos iniciando el voltaje en 0.7 voltios y fiando los vértices a 0.8 y -0.1 V. Además, se determinó la realización de 4 ciclos, con una variación de la tensión de la celda electroquímica en el tiempo de 0.1 V/s y un incremento/decremento de la tensión entre dos puntos consecutivos de 0.01 V.

Los resultados obtenidos pueden ser vistos en las Figuras 12 y 13, comprobando que siguen correctamente la forma descrita en la introducción y que hay cierta variación entre las muestras de 1 mM y 5mM de concetración, pudiendo clasificarlas.

Cronoamperometría

Para realizar la cronoamperometría, se aplicó una señal escalón de 0.1 V y se midió su efecto en la corriente durante 10 segundos con un periodo de 100 ms. Los resultados obtenidos pueden ser vistos en las Figuras 14 y 15, comprobando que siguen correctamente la forma descrita en la introducción y que hay cierta variación entre las muestras de 1 mM y 5mM de concetración, pudiendo clasificarlas.

Conclusiones

Durante este proyecto, hemos sido capaces de programar de manera satisfactoria un potenciostato para realizar dos de las medidas electroquímicas más comunes en el ámbito biomédico (la cronoamperometría y la voltametría cíclica). Para conseguirlo, todos los conceptos adquiridos en la asignatura como el flujo de trabajo en Git, las interrupciones, los timers, los ADCs y la comunicación serie (ya sea I²C o UART) han sido cruciales para obtener un resultado final sólido, fiable y bien estructurado.

Además, con Mabstat, damos por finalizado el curso de Microcontroladores para Aplicaciones y Sistemas Biomédicos, una asignatura optativa de el grado de Ingeniería Biomédica dónde hemos conocido las bases de la programación de microcontroladores tanto en Arduino (C++) como a nivel de registro (C) para poder realizar en un futuro nuestros primeros prototipos de dispositivos electrónicos que podrian ayudar a salvar vidas. Adicionalmente, este curso nos ha proporcionado elementos esenciales, mas allá de los microcontroladores, para el trabajo en equipo como Git y la gestión ágil de proyectos. Creemos que estas dos herramientas seran de gran ayuda para nuestro futuro laboral.

Referencias

[1] Cynthia Zoski. (2007). Handbook of electrochemistry (1st ed.). Amsterdam: Elsevier.

[2] Noémie Elgrishi, Kelley J. Rountree, Brian D. McCarthy, Eric S. Rountree, Thomas T. Eisenhart, and Jillian L. (2018). A Practical Beginner’s Guide to Cyclic Voltammetry. Dempsey Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206.

[3] Science Direct Topics. Chronoamperometry. [Internet] [Consultado el 10/06/2022]
Available at: https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/chronoamperometry