電化學-論文分享-NanoStat: An open source, fully wireless potentiostat

發現了一篇近期有關便攜式電化學工作站相關方面的論文（2022），并且全部工作內容都是開源的，硬件電路圖、PCB板、嵌入式代碼以及網頁代碼、設備外殼所有資料全部無償提供。根據作者提供的資料，在嘉立創打板測試了，測試結果只能說是入門級產品，性能還有待進一步提升。不過作者所做的工作還是十分具有參考意義的，能省去不少開發時間，對于初學者，也是一個不錯的參考示例。其次作者對前人的工作總結也十分到位，也可以作為綜述類文章進行閱讀了解。
目前看淘寶咸魚等網絡平臺也有直接做好的板子售賣，不過價格很貴。個人建議自己花時間好好讀一讀原文獻，然后自己下單打板測試，對于后續的開發會有很大的幫助。這里記錄一下學習過程。
外文參考網站：NanoStat: An open source, fully wireless potentiostat
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摘要

作者推出了一款開源的無線型恒電位儀（名為“NanoStat”），適用于電化學、傳感器、生物醫學診斷以及納米技術等領域。該設備基于僅有兩塊集成電路芯片構建而成：一塊是內置 WiFi 和文件/網絡服務器硬件/軟件的數字微控制器**(ESP32-PICO-D4)，另一塊是模擬前端(LMP91000)**。這個多功能平臺完全能夠勝任現代電化學檢測的所有項目，包括循環伏安法、方波伏安法、恒電位滴定法和常規脈沖伏安法。用戶界面通過 HTTP 連接的網絡瀏覽器實現。所有的代碼（固件、HTML5、JavaScript）均由 NanoStat 自身托管，無需任何額外軟件。其總體尺寸為 4×40×20 毫米，電池供電可運行 6 小時，并且在睡眠模式下可延長至數周或數月。作者預計該設備的應用范圍非常廣泛，從診所中的生物醫學傳感，到無人值守“傳感器節點”的遠程監測，甚至可能用于在大型公共場所檢測像 COVID 這樣的空氣傳播病原體，而無需任何其他設備，只需一個網絡瀏覽器即可在全球任何地方進行遠程監測。最后，作者提議使用這套軟件套件。作為一款完全開源、通用型、基于網絡的電化學軟件套件的基礎（核心），它是從硬件層面抽象出來的，將其稱為“OpenEChem”。

1. 簡介

電化學技術將電學領域與化學領域相銜接，借助一套成熟、廣泛且強大的工具包，對分析物的組成進行定量分析，用于傳感和生物醫學診斷等方面的應用。這些技術包括 DNA、RNA、蛋白質、適配體、肽、脂質、代謝物、小分子、微量金屬，甚至包括諸如新冠病毒（COVID19 virion）這樣的病毒粒子。其中最簡單的技術僅需電阻測量，而最復雜的技術則利用信號處理以及電壓和電流波形（如循環伏安法、方波伏安法、 chronoamperometry 和正常脈沖伏安法中使用的階梯、脈沖等）的精確、協調的定時，結合超低噪聲和超高增益的模擬電路，以提取有關感興趣分析物的所有可能信息。
雖然典型的工具是臺式獨立儀器，價格從數千美元到數萬美元不等，但文獻中的最新趨勢使用的是越來越小且越來越少組件的定制電路板。在極端情況下，所有的信號處理和數據存儲都在云端處理，而恒電位儀只負責最底層的工作，數字化信號以未經處理的數字化電壓形式廣播出來，以便在有線或無線連接的 PC 或智能手機上基于定制軟件進行基于網絡的處理。這種情況通常被宣傳為“可穿戴”電子產品，盡管電池仍是個問題，而且還需要一個具備信號處理能力、內存和存儲容量的外部處理器，通常被含混地稱為“云端”。控制機器要么是智能手機，要么是個人電腦。它被宣傳為“云端”，是因為個人電腦/智能手機是直接連接到互聯網的，但電化學傳感器并非如此。雖然這項技術肯定有其用途和優勢，但這有點誤導人，因為如今所有的智能手機和個人電腦都是聯網的，所以稱電化學傳感器與個人電腦或智能手機“云端連接”幾乎是重復啰嗦。
此外，這種方法需要定制的、通常是專為異構架構的操作系統所設計的專用軟件（例如 Windows、Linux、Android、iOS 等）。這種趨勢是將傳感芯片上的架構設置到盡可能低的級別，比如 8 位的 Atmega 或者最好是最小的 32 位 ARM（STM32）微控制器，同時配備最少的板載智能、最多只有幾條信號的存儲空間、沒有互聯網連接（只有藍牙，這是一種點對點連接且需要定制軟件）以及幾乎沒有提供文件服務或數據圖形表示的能力。
許多或大多數此類解決方案都是專有技術、價格昂貴且為閉源式的。唯一采用開源技術的解決方案（稍后在本文中詳細論述）要求用戶自行采購零部件，并手動進行焊接或放置后再進行回流焊接，這需要耗費大量精力且需要具備特殊技能。手動挑選和放置容易出錯，因為隨著元件尺寸的縮小，這種操作的難度會增加，從而限制了微型化潛力。本文提出的替代方法是采用自動化挑選和放置機器，與人類雙手相比，這些機器能夠處理極其微小的表面貼裝（SMD）元件，并采用自動化回流焊接技術，這種方式更經濟實惠，可以從供應商處以低成本訂購并制造，無需任何人工組裝。這些電路板在交付給用戶時就已準備好“即插即用”。最后，CAD 文件基于昂貴的、商業的、專有的軟件，需要安裝在臺式電腦上進行設計更改。
在這項工作中（圖 1），作者展示了針對恒電位儀（“NanoStat”）的完整開源硬件和軟件設計，其具備以下特點：1）能夠通過自身微控制器托管的網頁展示所有結果；2）可通過互聯網從世界任何地方通過網絡瀏覽器進行連接；3）除了電壓調節器、電池管理以及 USB IC 之外，僅包含 2 個關鍵集成電路（IC）以及少量分立元件：（a）一個帶有內置 WiFi、內存和信號處理功能的單個微控制器，具備完整的文件系統；（b）一個單芯片模擬前端。整個系統安裝在一個 20×40 毫米的板上，電池供電模式下可在活動模式下運行 6 小時，甚至在睡眠模式下運行時間更長。因此，這是世界上體積最小的（支持網絡服務器功能的）恒電位儀。成本極低，在少量組裝且無需焊接的情況下，完全組裝的成本低于 25 美元。CAD 設計也通過一個免費的基于網絡的 CAD 程序提供，可在世界任何地方通過僅需網絡瀏覽器即可訪問。

作者預計這一應用的規模將會非常龐大，涵蓋從臨床中的生物醫學傳感，到無人值守“傳感器節點”的遠程監測，甚至可能包括在大型公共空間中無需任何其他設備就能感知諸如新冠病毒之類的空氣傳播病原體的傳感應用。此外，任何預算適中的實驗室，包括車庫自制實驗室、K-12 教育機構以及需要以最少的時間和資金投入進行復雜電化學分析的現代大學實驗室，都能從這項工作中受益。最后，我們提議將這套軟件套件作為未來開源通用電化學套件的核心。類似于 Linux 是現代個人電腦的開源操作系統（脫離硬件抽象），我們提議一個電化學的開源項目（同樣脫離硬件抽象），并基于我們在本文中首次呈現的基于網絡的基礎工作，我們將其稱為“OpenEChem”。

2. 系統設計

在本節中，作者將介紹整體設計。硬件和軟件源代碼均可在 S.I. 網站以及 GitHub 倉庫（網址為 https://github.com/PeterJBurke/Nanostat）上獲取。

2.1 硬件設計

2.1.1 硬件總體結構

硬件架構（圖 2）基于兩個核心集成電路（IC）：ESP32（Espressif Systems 公司）IC 集成了 WiFi、520 KiB 的靜態隨機存取存儲器（SRAM）、8 位數模轉換器（DAC）、12 位模數轉換器（ADC）以及雙核 32 位處理器，其工作頻率為 240 MHz。我們使用的是 SOC 版本（ESP32-PICO-D4），它集成了晶體振蕩器和 4 MByte 的集成 SPI 閃存存儲器。請注意，這是本項工作的關鍵技術，因為它在處理能力和連接性方面比之前的基于微控制器的恒電位儀有了數量級的提升。（請參閱本文稍后“先前技術”部分的討論）

模擬前端（AFE）采用的是 Analog Devices 公司的 LMP91000，它集成了一個模擬電位計裝置，能夠通過單一正電源供電實現雙極性（兩種電位）電池操作。LMP91000 與 ESP32 之間的數字（I2C）總線控制著恒電位裝置的內部增益設置及其他配置。板載電路還包括一個用于 USB 接口的芯片（如果采用全無線操作則無需此芯片），以及一個用于電池管理的芯片，通過 USB 連接器為電池充電，類似于手機充電器的功能。板載一個 LED 提供電源狀態指示，另外還有一個 LED 每次采集數據點時閃爍一次。下圖展示了電路板的渲染圖。不同的組件數量為 29 個；總共有 42 個組件。

2.1.2 PCB布局

該 CAD 文件是通過名為 EasyEDA（https://easyeda.com/editor）的基于網絡的 CAD 程序設計而成的。EasyEDA 不僅提供了可在全球任何地方使用的網絡功能，還擁有一個集成的零部件庫，可供制造商進行組裝，同時還能實時獲取庫存狀態信息，這在現代芯片短缺的時代顯得愈發重要。CAD文件、Gerber文件、物料清單以及點膠和放置指令都存放在在線存儲庫（https://github.com/PeterJBurke/Nanostat）中。這些對于任何用戶來說都足以讓他們從自己偏好的供應商那里獲得電路板的制造服務。在這個項目中，選擇了供應商 JLCPCB（https://jlcpcb.com），原因是他們的交貨時間快（從下單到交貨不到兩周），擁有實時的供應鏈信息以了解零件的庫存情況，而且成本低（一個完全組裝且所有零件都已焊接到位的電路板費用低于 25 美元，包括國際快遞服務）。然而，這個項目適用于任何供應商，也就是說它是供應商無關的。(就是國內的嘉立創，作者提供的資料可以直接在嘉立創中打開下單PCB，無需修改任何文件)
PC板 PC板采用FR4材質，銅箔走線厚度為0.5盎司，共4層（其中中間兩層為接地層和電源層），旨在增強接地效果、減少 Vcc 波動并提高屏蔽性能。
外殼 盡管對于硬件正常運行并非必要，但 3D 打印外殼的設計（包括有電池和無電池兩種情況）已在補充信息文件中給出。
電池 任意尺寸（在 x、y 和 z 方向上）的鋰聚合物（LiPo）電池均可用于任何應用。對于此系統，我們建議將 x-y 方向的尺寸與電路板尺寸相匹配，z 方向可以是 1 至數毫米。例如，型號 402,040 為 4×40×20 毫米，僅需幾美元，容量為 280 毫安時，足以支持超過 6 小時的運行（圖 3）。還可以通過使用更大容量的電池（例如 Voltasystems V25 6400 毫安時 USB 持續供電電池），通過 USB 供電，價格僅需數十美元，其容量為 6400 毫安時，即超過 50 小時的持續運行。

2.2 軟件設計

該軟件包含用于運行微處理器的 C++ 代碼以及用于網絡服務器/用戶界面（UI）的 HTML5/JavaScript 代碼。使用 Microsoft Visual Studio Code 作為集成開發環境（IDE），并借助 PlatformIO 插件，該插件與 github 倉庫（https://github.com/PeterJBurke/Nanostat）同步，以便于開發和基于網絡進行部署。C++ 代碼約有 4000 行。HTML5/JavaScript 代碼約有 1000 行。

2.2.1 固件設計

與軟件開發中常見的慣例一樣，在此項目中作者大量依賴已集成的現有庫。所使用的庫如下：
linneslab/LMP91000 version 1.0.0;
me-no-dev/AsyncTCP version 1.1.1;
ottowinter/ESPAsyncWebServer-esphome version 1.2.7;
bblanchon/ArduinoJson version 6.17.3;
links2004/WebSockets version 2.3.6;
bbx10/DNSServer version 1.1.0.
LMP91000 的軟件庫已經發展得相當成熟，最初由 Github 用戶 icatcu（2014 年）和 jorgenro1（2015 年）開發，最近在 Hoilett 等人的研究中得到了進一步完善。此外，還有幾個用于網絡托管和文件傳輸的庫。由于 ESP32 在底層運行的是 FreeRTOS 操作系統，并且由于其雙核 CPU 架構，因此可以同時實現 WiFi 連接、恒電位儀的控制以及電化學操作。這在任何其他無線連接的電化學系統中都是前所未有的（見下文的“現有技術”部分）。
這種架構的主要問題在于分辨率所對應的位數有限，以及模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）的非線性特性。對于有限的位數而言，模擬前端（AFE）會將模擬“驅動”信號放大或縮小 2% 至 24%，因此在最小單位層面，實際的位分辨率要小得多。對于 3.3V 電源和 8 位而言，分辨率是 12mV。但當縮小到 2% 時，在最小單位層面實際上就是 0.1mV。
模數轉換器（ADC）的非線性和偏移情況遠非理想狀態（見補充信息）。為此目的，開發了一個校準程序。用戶將 RE/CE 短接好，將 WE 掉電，然后運行一次校準程序。固件會計算出效應斜率和偏移量，并將其存儲在板載閃存中，在每次后續運行中都會調用這些數據。（有關校準技術的描述，請參見 SI）注意收到測試板燒錄軟件后，需要進行一次校準操作，不然測試數據的波動會很大

2.2.2 網頁設計

HTML5、JavaScript 和 CSS（層疊樣式表）與 Bootstrap 框架以及 Plottly 繪圖包一起使用，用于在桌面和移動瀏覽器上構建直觀、實時且適合移動端的用戶界面。數據以二進制形式通過客戶端與服務器之間打開的 WebSocket 連接傳輸至瀏覽器進行顯示。

2.2.3 電化學的終端用戶界面

在當前版本中支持以下幾種掃描類型：循環伏安法、方波伏安法、恒電流計法、常規脈沖伏安法、電流 - 電壓曲線、帶有定量噪聲分析（均方根值、標準偏差）的“示波器”模式，以及校準模式。用戶可以為不同類型的掃描輸入各種參數，還可以輸入簡單的 IV 曲線和噪聲測試（“示波器”模式）。軟件在瀏覽器上顯示“掃描”，掃描完成后以圖形格式顯示數據（圖 4），用戶可以改變比例、縮放等。每次掃頻結束后，都會自動將 ASCII 文本數據文件下載到網頁瀏覽器的磁盤上。

2.2.4 系統管理

如果沒有 WiFi 連接，該設備會創建一個名為“NanoStatAP”的自定義 WiFi 接入點。用戶可以連接到該接入點，并輸入最多3個WiFi SSID的密碼。用戶還可以通過上傳二進制固件進行空中“OTA”固件升級，并且可以在板載目錄結構中列出和刪除文件。

3. 性能

3.1 化學實驗

為了將 NanoStat 的性能與行業標準進行比較，作者使用了 Ag/AgCl（3M KCl）參比電極（BASi MF-2056）、鉑絲輔助電極（BASi MW-1033）以及直徑為 3.0 毫米的金工作電極（BASi MF-2114）在一個標準的 100 毫升標準玻璃電化學電池（BASi MF-1051）中進行了電化學實驗。所使用的氧化還原活性物質是在室溫下 100 mM KCl 介質中的 5 mM 鐵氰化鉀。在同一次實驗中，作者使用高端 Gamry 電位計（Reference 600）對該電池進行了測量以進行比較。

3.2 結果：電化學分析

圖5展示了由Gamry和NanoStat進行的循環伏安法、方波伏安法、恒電位微分電流法以及常規脈沖伏安法測量的結果。結果極為吻合，表明此項工作與當今市場上可用的最先進的分析化學儀器完全一致。

3.3 結果：噪聲

鑒于該系統的結構簡單，數字、射頻以及模擬電路在板上（以及在芯片本身）分布緊密，而且沒有任何板載模擬或數字濾波器，其噪聲性能令人驚嘆。當使用電池供電時，系統噪聲取決于ADC的位分辨率。
對于圖5中的試驗數據，Gamry采用了廣泛的內置模擬和數字濾波，而簡單的NanoStat則每個數據點僅測量一次ADC讀數且不進行濾波。每次數據測量耗時160微秒。在固件中，如果采樣率足夠慢，就可以對更多讀數進行平均。
為了定量測試噪聲，我們采用了“直流偏置”掃描模式。在“直流偏置”掃描模式下，固件將直流偏置電壓設置為用戶可選值，然后以每點不同數量的讀數（1、5、10、50、100、500、1000次）讀取 ADC，并在用戶指定的點間延遲下進行讀取。在圖 6 中，我們繪制了有電池和無電池情況下的數據點，對于一個100kΩ偏置在100 mV的測試電阻。每個數據點間隔10 毫秒取一個。使用PC USB電源時，明顯存在60Hz噪聲（紅色軌跡）。使用電池電源時，這種60Hz噪聲消失了。對于不進行平均（每個點一次ADC讀數開始），電流中的誤差約為1位，這相當于2nA，因為ADC是12位（滿量程電壓=3.3V），且TIA電阻設置為其 LMP91000所提供的最靈敏值：350kΩ。偶爾會看到ADC讀數中出現幾位的尖峰，這是 ESP32的一個已知缺陷，其起源不明。較新的數據（每個點1000次 ADC 讀數，每次讀取160毫秒）顯示噪聲遠低于單位水平。因此，在沒有信號平均的情況下，噪聲受ADC的位分辨率限制，在電池使用時沒有60Hz噪聲。如果使用來自PC的USB電源，60赫茲的噪聲就會變得非常嚴重，需要通過數字濾波來消除這種噪聲，才能達到ADC的位分辨率。這表明，對于低噪聲操作而言，使用電池供電的無線恒電位儀（無需與PC進行任何 USB連接）是一個明智的選擇。

由于 ESP32 的ADC存在限制，因此需要確保 ?0.75 V < VTIA < 1 V，其中 VTIA = RTIA * WE 電流。對于微安級的WE電流，我們通常會使用35kΩ作為TIA電阻，這樣會產生大約50 nA的噪聲，如圖5所示。通過“示波器”面板，用戶可以在給定的偏置電壓和讀取點數的情況下實時在網頁瀏覽器上繪制讀數。我們確認，在使用35kΩ的TIA放大器和10kΩ的測試電阻的情況下，50nA是沒有平均化的均方根電流噪聲。
對于需要WE電流分辨率超過12位的應用，還需要采用其他帶有獨立ADC IC的方法（見下文“現有技術”部分）。對于需要電流靈敏度優于2nA的應用，使用NanoStat時用戶可以選擇一個外部TIA電阻，并將其連接到標有C1/C2的PC板上，以獲得更高的電流靈敏度。此選項在固件中得到支持；用戶只需在“設置”頁面TIA增益的下拉菜單中選擇“外部電阻”即可。

4. 論述

4.1 現有技術

Whitesides已經為分析型電化學系統是否應被視為開源系統制定了標準。他所提出的開源標準清晰且合理：“一個真正開源的恒電位儀的描述應當包含所有復制該系統所需的細節…”包括電路設計、元件清單、電路板布局文件以及軟件（微控制器固件和用于個人電腦/平板電腦/智能手機的控制軟件）。許多學術論文只是部分滿足這一標準，這意味著對于該領域的新手實驗室甚至經驗豐富的實驗室來說，由于缺乏已發表的詳細信息，都無法重現先前的學術成果。在化學的過去時代，如果一位審稿人要接受一篇論文，編輯會要求該審稿人在他自己的實驗室中重現結果。雖然這在如今可能不再經濟可行，但肯定應該公布實驗過程的詳細信息。
據我們所知，一款通用型、開源的DIY恒電位儀的概念大約是在10年前由加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）的Kevin Plaxco團隊率先提出的（CheapStat）。在那里，描述了一款開源（硬件和軟件）手持式恒電位儀。用戶會得到用于制造印刷電路板（PCB）的gerber文件、組件清單，用戶會手工將這些組件焊接到PCB上（批量生產時成本約為80美元）。還提供了用于USB控制的固件和PC軟件。模擬前端（AFE）是一個定制的運算放大器，微控制器是一個Atmel XMEGA，這是一種具有12位ADC/DAC、8KB內存和高達128KB閃存的8 位微控制器。電壓分辨率約為微伏，電流分辨率約為納安。
Whitesides領導的哈佛大學團隊在2014年繼續研究，推出了一個通過音頻線連接的手機恒電位儀裝置，其成本（僅零部件）約為25美元（大量生產，數量超過1000件）。在那里，他們使用了一個Atmega328（Atmel）8位微控制器（因其在Arduino中的普及而廣為人知），通過音頻插孔與手機進行有線接口連接，還配備了外部16位ADC/DAC和一個模擬4 擋低通濾波器（LPF）。電流分辨率是1nA。提供了零部件清單，但未提供軟件和PC板的 Gerber文件/CAD文件，因此它不是開源的。
2017 年，一個高性能的開源項目（通過USB連接到個人電腦）以“DStat” 的名稱發布。該項目使用了ATXMEGA256A3U（一款 8 位微控制器，具有8KB內存和高達128kB的閃存），還配備了定制的AFE（模擬前端）、16 位 DAC（數模轉換器）IC和24位ADC（模數轉換器）IC。該AFE設計非常出色：能夠測量皮安級別的電流。用戶可以獲得固件、PC軟件、用于PCB制造的Gerber文件以及需要訂購的組件清單。用戶在訂購零件后，會手工焊接一些組件，而另一些則采用流焊技術進行焊接。
Dobbelaere設計了一個電壓更高的版本（最高可達8V），使用了PIC16F1459（一款8位微控制器）、22位的ADC/DAC專用集成電路、定制的AFE（模擬前端），旨在用于電池研究。該項目的所有細節（包括原理圖、PCB設計、最后的組件清單、微控制器固件以及主機計算機軟件）都向用戶開放。
2018 年，Whitesides 的團隊發布了第一款無線（藍牙）開源恒電位儀，只是將 Atmega328 替換成了“RFDuino”，并且仍然使用了定制的AFE（模擬前端），其中包含獨立的16位ADC和DAC單元。RFDuino集成了BLE和Core0 Arm 32位處理器。RFDuino 于2013年首次上市，現已過時且幾乎難以采購，該公司于2016年被收購。還提供了需要購買的組件清單以及PCB制造文件（除了固件軟件和智能手機軟件之外），因此用戶可以訂購電路板、零部件，并手動焊接最終系統。
2018 年，Lopin設計了一款基于SOC（片上系統）的恒電位儀。它并非無線設備。它采用了內部集成運算放大器，其噪聲和失調電壓高于分立元件器件，但能在微安級別實現完全功能。它使用了片上12位ADC/DAC（模數轉換器/數模轉換器）。
2019 年，Jenkins等人開發了開源項目“ABE-Stat”。該項目不僅提供了WiFi和藍牙無線連接功能，還擴展了分析化學掃描方法，將電化學阻抗譜（EIS）納入其中，這是一種用于測量電容性而非法拉第電流的有價值的工具。定制的AFE被設計出來，使用了24位ADC和 16位DAC IC，以及一個用于EIS的網絡分析IC。盡管系統中包含了一款相對強大的WiFi配置微控制器（ESP8266），并且使用外部藍牙IC與定制的Android應用程序進行通信。正如之前的開源項目一樣，還提供了需要購買的組件清單以及PCB制造文件（除了固件軟件和智能手機軟件），因此用戶可以訂購電路板、零件，并手動焊接最終系統。
2020 年，Glasscott 等人發表了SweepStat。該系統采用了帶有16位集成ADC和12位集成DAC的Arduino Teensy，以及一款定制的AFE。與PC的接口是通過USB連接的，并且使用Labview軟件環境來進行控制。作為已有的開源項目，還提供了需要購買的組件清單以及PCB制造文件（除了固件軟件和智能手機軟件之外），因此用戶可以訂購電路板、零部件，并手動焊接最終系統。
2014 年，Bhansali利用一塊評估板（LMP91000EVM）上的AFE LMP91000芯片以及一塊單獨的板子上的 BeagleBone 微控制器來展示了一款低成本的小型化恒電位儀。后來，Hoilett制作了一款尺寸為 22×20 毫米、集成有 AFE（LMP91000）的恒電位儀，由基于 ARM 的微控制器（SAMD21，256KB閃存、10位DAC、12位 ADC）驅動。它是開源的，但不是無線的。他們的軟件和硬件托管在github上，并提供了詳細的組裝和操作說明。零件和Gerber文件都提供了。他們的建議是讓PCBWay制造并焊接這些組件，用戶從DigiKey購買這些零件并寄給 PCBWay。PCBWay允許從DigiKey郵寄零件，他們會為你采購并將其安裝到位。他們還提供2側表面貼裝技術（SMT）和連接器。
Mercer設計了一款配備ESP32開發板的恒電位儀，使用了外部16位ADC和定制的運算放大器前端電路設計。整個系統是在面包板環境中展示的，并未集成到單個PCB上，展示了使用集成了Wi-Fi的微控制器進行恒電位儀工作的概念。還使用了一臺電子控制（帶有伺服）泵。
部分參考文獻中提到，使用了一塊 Ardruino 板來控制一塊自制的采用分立元件和運算放大器的 AFE 子板。
部分參考文獻中展示了一種基于樹莓派（Raspberry Pi）的開源多通道恒電位儀，每個通道都配有額外的電路板。
未開源的相關輔助性研究工作見于其他參考文獻。這部分內容請查閱原論文
除了需要高技能（比如焊接微小元件）且效率極低之外（即便對于數量較少的電路板也是如此），手工焊接還有一個顯著的局限性，那就是它無法制造出尺寸超乎尋常大的電路板。而“點膠式回流焊接機”則能在零件放置精度方面達到亞毫米級別，其所能處理的零件尺寸遠遠超過了即便是訓練有素的人手所能達到的極限。即便與以最低工資雇傭一名技術人員手工焊接零件相比，如今這種機器也更加經濟實惠。當然，其可靠性也要高得多。
上述許多項目都需要手工焊接，定制的 AFE 設計包含多個 AFE 運算放大器芯片和電阻器、獨立的ADC和DAC芯片，通常還需要獨立的無線芯片（如果有的話）。此外，迄今為止幾乎所有的微控制器使用的內存和處理能力都無法提供板載分析、板載文件系統或網站托管功能。最后，它們大多是手工焊接的，并且至少需要三個機構來完成：1）零部件供應商 2）PCB制造商 3）焊接（很多時候是手工完成，這是上述提到的一個嚴重缺點）。我們使用一個集成供應商，他們內部完成1-3項工作，并提供（免費的）基于網絡的CAD，帶有集成的供應鏈實時庫存信息，成本低且交貨時間不到兩周。最后，我們的工作具有電池供電和USB電源來為電池充電，而上述許多開源項目沒有這些功能。最后，上述項目中沒有一個在恒電位系統上托管網站，而是要求用戶在PC或智能手機上安裝定制軟件。

4.2 可擴展性和未來發展方向

4.2.1 安全性

此版本的軟件使用的是 HTTP 協議，而非 HTTPS 協議。對于位于防火墻之后的局域網而言，這已經足夠了。然而，對于通過公共互聯網傳輸的數據流量而言，最好切換到使用 HTTPS 協議的加密流量，并啟用安全的用戶登錄系統。

4.2.2 進一步微型化

我們估計電路板的尺寸以及組件的數量能夠大致減少約兩倍。首先，USB 到 UART 的接口對于開發此項目的代碼（固件、HTML5/JavaScript）非常有用。然而，既然我們已經展示了空中（OTA）WiFi固件更新功能，USB PC接口就顯得多余了，一個簡單的UART接口（通過外置的FTDI轉USB轉換器）能夠節省電路板空間和組件。此外，發現用于將微控制器置于固件閃存模式的啟動開關在本項工作中使用的集成開發環境（IDE）中是不必要的。這兩項改變可以在電路板的未來修訂版中輕松實現，而無需對軟件或功能進行任何更改。

4.2.3 電源管理

ESP32 支持睡眠模式和以太網喚醒模式。這些措施可以被實施起來，在 NanoStat 不在進行測量的情況下節省電源供應。

4.2.4 板載分析

由于采用了雙核 32 位處理器以及充足的板載內存，未來用戶能夠將幾乎任何他們設計的信號處理和分析功能集成到微控制器本身中。因此與之前的開源電位計（見下文“現有技術”部分）相比，這個項目在信號處理和板載分析方面具有很高的擴展性。

4.2.5 設備性能（分辨率、屏蔽效果）

在此作者探討了如何通過改進設備性能（分辨率、屏蔽效果）來優化未來的設計。ADC和DAC的位分辨率由微控制器設定，因此在此方面進行改進可以考慮使用具有更多位數的獨立ADC。屏蔽效果可以通過將塑料3D打印外殼替換為金屬外殼（法拉第籠）來提升，不過外殼設計需要確保WiFi天線能夠接觸到籠子外部的電場。

4.3 開發一套面向開源的電化學軟件套裝

上述現有技術中列舉的每一個項目都有定制軟件，但它們基本上都在執行相同的核心功能（控制/采集，即對電壓與時間的關系進行掃描，對電流與時間的關系進行測量）。用戶界面也類似。因此，這些論文在很大程度上是“在重復造輪子”。基于此，我們提出了一個硬件抽象化、統一化的軟件套件，我們稱之為“OpenEChem”。通過一套通用、統一的軟件，先進電化學和傳感硬件的開發者能夠專注于該領域更具挑戰性的方面，例如電極功能化、微型化以及特定應用的演示。
有趣的是，在無人機領域，開源技術的應用也在不斷增多。例如，作者率先開發了一種基于云服務器的開源基于網絡的4G連接無人機技術，該技術利用云服務器來處理路由和加密工作，這一技術現已由法國無人機公司Anafi在 2021年7月推出的首款4G連接商用無人機中采用。無人機領域最近也開始采用ESP32微控制器以及上述制造能力的優勢，為無人機打造一種開源、長距離、廉價且輕量級的無線電控制鏈路（https://github.com/openLRSng），其接收器的覆蓋范圍可達數百英里，成本低于十美元，重量不到 1 克，還配備了內置天線。

5. 結論

作者展示了一款開源的、完全無線化的恒電位儀（名為“NanoStat”），適用于電化學、傳感、生物醫學診斷以及納米技術等領域。它基于僅需兩塊集成電路芯片就可實現的功能。事實證明，該設備具備與現代臺式恒電位儀相同的性能。雖然此特定項目可供任何實驗室或用戶在極小預算下使用，從而實現眾多應用和使用場景，但它為一個更具雄心、基于網絡的、開源軟件套件奠定了基礎，該套件將成為通用型硬件抽象電化學軟件套件的核心部分，作者將其命名為“OpenEChem”。