活細胞濃度和電導(dǎo)率測量系統(tǒng)設(shè)計

楊 凱，張會新，梁永剛

（1.中北大學(xué)電子測量技術(shù)重點實驗室，山西太原 030051；2.中國人民解放軍68216 部隊，北京 100076）

細胞是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其中細胞濃度和電導(dǎo)率能夠有效地反映細胞的增長過程[1]。細胞濃度指細胞的數(shù)量信息，電導(dǎo)率是表征細胞溶液中帶電粒子的總量，這兩個參數(shù)在細胞研究領(lǐng)域有著很重要的作用。電容法在測量細胞濃度和電導(dǎo)率方面具有分辨率高、動態(tài)響應(yīng)快、功率損耗小等優(yōu)勢。在測量系統(tǒng)研制方面，英國ABER 儀器公司和法國FOGALE 生物科技公司已經(jīng)制造出商業(yè)化的活細胞在線分析儀[2]，測量活細胞濃度和電導(dǎo)率都是應(yīng)用電容法，但設(shè)備價格昂貴，而且維護不便。國內(nèi)用于監(jiān)測生物細胞生長的測量系統(tǒng)十分匱乏，基于電容法測量細胞濃度和電導(dǎo)率的儀器大部分只能依靠國外進口，為我國生物行業(yè)的發(fā)展帶來了層層阻礙[3]。

該文的實驗對象為活體細胞液，利用電容法對細胞濃度及細胞液的電導(dǎo)率進行測量與分析，設(shè)計出了一種基于電容法的活細胞濃度和電導(dǎo)率測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)節(jié)約人力，成本較低，只對活細胞濃度有響應(yīng)，對使用場景要求不高，并可以實現(xiàn)小型化，便于規(guī)模化生產(chǎn)和維護。可以用于醫(yī)療衛(wèi)生、藥物研發(fā)、生物發(fā)酵等重要領(lǐng)域[4]。

1 電容法測量原理

當(dāng)前國內(nèi)普遍使用的活細胞傳感儀均來自英國ABER 儀器公司和法國FOGALE Nanotech 公司。儀器采用的原理基本一致，探頭有四針式和四環(huán)式兩種，在一定的頻率范圍內(nèi)，細胞會在探頭的一對電極產(chǎn)生的交變電場作用下發(fā)生極化，這時的細胞可以視作一個個極小的電容，另一對電極用于測定細胞溶液中的電容信號，經(jīng)過一系列的信號處理和軟件分析，最終得到待測的電容值。當(dāng)交變電場的頻率發(fā)生改變時，細胞液的檢測電容值也會發(fā)生相應(yīng)的改變。不同的電場頻率對應(yīng)著細胞不同的極化狀態(tài)，而使細胞剛好極化到一半處的電場頻率，稱之為特征頻率，用fc表示，在fc處測量細胞的濃度，測量的時候會發(fā)現(xiàn)，其活細胞濃度大，電容值就大；活細胞濃度小，電容值就小，電容值和細胞的大小沒有絲毫的關(guān)系。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：分壓電阻的幅值解調(diào)模塊、檢測信號調(diào)理模塊、交變信號源模塊、采集電路和上位機軟件[5]。首先激勵源輸出掃頻信號，找出細胞液的特征頻率，即細胞極化到一半時對應(yīng)的頻率，得出電路中電流值與頻率的變化曲線，之后再由激勵源輸出頻率穩(wěn)定的信號來進行細胞液濃度和電導(dǎo)率的測量，接收到的信號通過解調(diào)放大后，傳輸給采樣電路；分壓電阻電壓解調(diào)電路的作用簡單來說就是為了解調(diào)分壓電阻的電壓；采集電路模塊的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并傳送到上位機，上位機對接收到數(shù)字信號進行處理記錄。測量系統(tǒng)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)整體布局如圖2所示。

圖1 活細胞濃度和電導(dǎo)率測量系統(tǒng)示意圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 激勵信號源設(shè)計

該系統(tǒng)采用FPGA控制DDS的設(shè)計方案來實現(xiàn)信號源的設(shè)計。FPGA與DDS結(jié)合可使電路更簡單，實現(xiàn)輸出固定可調(diào)頻率的電壓信號，并且可通過程序設(shè)定掃頻輸出模式，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且精度高，完全滿足該系統(tǒng)要求。圖3為激勵信號源設(shè)計方案示意圖。

圖3 激勵信號源設(shè)計方案圖

3.2 信號調(diào)理模塊設(shè)計

該設(shè)計在采集前端設(shè)計了一種包含同步解調(diào)的信號調(diào)理電路。該電路包括差分接收電路、同步解調(diào)電路及低通濾波電路。同步解調(diào)電路中包含解調(diào)器，能夠?qū)崿F(xiàn)信號頻譜的分離[6]。通過后續(xù)的低通濾波器，濾除高頻諧波分量，從而保留原始信號并進行幅值解調(diào),起到抑制噪聲的作用。調(diào)理電路模塊示意圖如圖4 所示。

圖4 調(diào)理電路模塊示意圖

3.3 分壓電阻電壓解調(diào)電路設(shè)計

分壓電阻兩端電壓通過差分放大電路進行放大，差分放大電路如圖5 所示，設(shè)計差分放大倍數(shù)為0.5 倍，放大電路的輸出信號與同頻信號通過乘法器相乘，最后與低通濾波電路相接，低通濾波器可以去掉高頻信號，保留低頻信號的幅值信息。

圖5 分壓電阻調(diào)理差分接收部分電路

3.4 采集傳輸電路設(shè)計

信號在通過上述調(diào)理電路后，就可以對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換[7]。調(diào)理電路的輸出信號是低頻信號，因此在進行數(shù)模轉(zhuǎn)換時不需要很高的采樣率。文中采用基于ARM 的STM32F 主控芯片，利用內(nèi)部集成的AD模塊來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。

采集芯片采用STM32F378VC，有3個ADC Sigma-Delta 采集轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換位數(shù)為16 位，有100 個引腳，芯片周圍引腳連接如圖6 所示。VDD=VDDA=3.3 V，VSS=GND，采樣率fADC=1.5 MHz，VEFSD-接地，采集信號輸入采用單端模式，范圍為VREFSD-～VREFSD+，因為VREFSD-為GND，VREFSD+為3.3 V，即被采集信號的輸入范圍為0～3.3 V[8]。

圖6 STM32F378VC最小系統(tǒng)圖

4 系統(tǒng)邏輯設(shè)計

4.1 信號源控制邏輯設(shè)計

該系統(tǒng)采用頻率為40 MHz 的晶振，接到芯片的時鐘引腳，芯片內(nèi)部可以通過時鐘倍頻控制器設(shè)置倍頻系數(shù)，系統(tǒng)設(shè)置倍頻為5 倍，地址為1E，即將00101 寫入倍頻控制器，此時AD8954 的工作頻率為200 MHz[9]。

OSK 模式下將地址為20 的寄存器的第5 位變?yōu)楦唠娖剑@樣就能實現(xiàn)幅值控制倍數(shù)的功能。當(dāng)OSK 引腳的電平為高電平時，其幅值為零到滿量程；為低電平時，幅值的變化狀態(tài)相反。I 通道和Q 通道的幅度乘法倍數(shù)控制寄存器地址范圍分別為21～22、23～24，每個通道的控制字都是12 位[10]。

4.2 采集板控制邏輯設(shè)計

該設(shè)計目前采用STM32F378RC 芯片，由于工作頻率能夠達到72 MHz，且內(nèi)置浮點運算單元，能夠在-40～+105 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作[11]，設(shè)置每個通道的采樣周期為239.5 s，根據(jù)手冊設(shè)計分頻系數(shù)為6，采樣時間即可確定為T=t+12.5=252 s，需要說明的是，采樣周期越長，其采樣的準確性越好，因為是在這段時間內(nèi)的一個值，避免了出現(xiàn)極值，影響后面的計算。通過上面的采樣時間和工作頻率，即可確定采樣頻率約為47 kHz，完全滿足信號調(diào)理電路輸出的信號頻率對其采集的要求。其次，由于芯片內(nèi)部自帶了3 個16 位的Sigma-Delta AD 轉(zhuǎn)換單元，前期即可滿足設(shè)計而不用外加采集芯片，另外，采樣位數(shù)為16 位，其采樣精度已經(jīng)達到了0.05 mV，完全滿足精度要求。

4.3 上位機數(shù)據(jù)處理流程

由于實時性的要求，軟件不能將串口讀取數(shù)據(jù)的工作在界面線程中進行，這樣會在循環(huán)讀取數(shù)據(jù)和計算時將界面卡頓掉，因此將讀取窗口數(shù)據(jù)的程序moveToThread 移動到工作線程中去進行，工作線程將數(shù)據(jù)循環(huán)讀取并根據(jù)公式實時計算出結(jié)果后，通過信號槽機制將此數(shù)據(jù)發(fā)送到界面線程中[12]。將moveToThread 移動到工作線程和平常使用的QThread 在run 方法中的寫程序過程相比，這個工作線程中每個槽函數(shù)都可以在線程中執(zhí)行槽函數(shù)，方便發(fā)送信號到界面線程的槽函數(shù)中，此外工作線程還可以將此數(shù)據(jù)保存到本地文件中，方便軟件查看歷史數(shù)據(jù)曲線。工作線程在接收到自定義協(xié)議的數(shù)據(jù)后按照前面所述將數(shù)據(jù)解析出來，并經(jīng)計算實時顯示到前端界面上，同時界面線程在接收到用戶的點擊等操作時，會將該數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議格式封裝為一個包，通過串口的形式發(fā)送到下位機中[13]。整個工作線程的流程如圖7 所示。

圖7 工作線程流程

5 測試結(jié)果與分析

5.1 濃度測試結(jié)果

通過將激勵源輸出模式設(shè)置為掃頻模式，利用酵母菌溶液進行測試，測得酵母菌溶液的特征頻率約為625 kHz。將激勵源輸出模式設(shè)置為單頻模式，對不同濃度的酵母菌溶液進行測量，將酵母菌溶液濃度值與得到的介電常數(shù)結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，得到的擬合曲線如圖8 所示。擬合公式為y=0.072 8x-0.124。

圖8 介電常數(shù)和活細胞濃度關(guān)系擬合圖

曲線的擬合優(yōu)度R2達到了0.979 9，這代表介電常數(shù)和活細胞濃度有著良好的線性關(guān)系[14]。

為驗證擬合曲線的準確性，選取了3 種不同濃度的酵母菌溶液，濃度分別為4.47×1010/mL、2.14×1010/mL、0.53×109/mL，分別使用該測量系統(tǒng)進行測試，得到介電常數(shù)值見表1，根據(jù)濃度與介電常數(shù)擬合曲線與擬合圖，得到與之對應(yīng)的濃度值，將使用該測量系統(tǒng)測得的濃度與已知濃度進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，測量誤差分別為-0.18%、0.34%、-0.15%，基本可以實現(xiàn)較準確的濃度測量。

表1 標(biāo)準細胞液濃度與測量值比對表

5.2 電導(dǎo)率測試結(jié)果

電導(dǎo)率可以通過測量得到的檢測端電壓與分壓電阻兩端的電壓值來進行計算，計算公式為：

環(huán)形電極間存在著非均勻的電場，這是由于環(huán)形電極的形狀不是規(guī)則的平板電極造成的，因此在測試前需要對環(huán)形電極進行標(biāo)定操作[15]。由于氯化鉀溶液的電導(dǎo)率在不同濃度溫度下都很穩(wěn)定，因此選擇氯化鉀溶液進行標(biāo)定[16]。系統(tǒng)中電極常數(shù)k的值為1.2。將測量所得到的電導(dǎo)率和標(biāo)準液電導(dǎo)率的值進行對比，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率的測量誤差均小于0.5%。具體測量結(jié)果如表2 所示。

表2 電導(dǎo)率測量結(jié)果

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用電容法，基于FPGA 控制芯片，實現(xiàn)了對細胞濃度和電導(dǎo)率的測量。將結(jié)果上傳到上位機進行剔除粗大誤差處理，排除了其他外界因素的影響，保證了精度。測試結(jié)果表明，對細胞液的測量誤差小于0.4%，對電導(dǎo)率的測量誤差小于0.5%，且測量范圍可以達到40 mS/cm，滿足設(shè)計要求。該系統(tǒng)有集成化、數(shù)字化等優(yōu)勢，并且價格低廉，測量范圍較廣，在生物監(jiān)測方面具有重要的意義。