基于EIS技術的低功耗豬肉細胞阻抗譜測試系統研究

摘" 要：現代肉類細胞阻抗譜檢測技術是肉類細胞活性檢測中一項新興技術。該文通過對豬肉細胞組織進行分析，設計并仿真豬肉細胞阻抗譜檢測電極，并用光刻技術進行電極的制作。向電極輸入不同頻率的激勵來測試細胞阻抗譜，通過阻抗譜和豬肉的貯藏時間分析關聯性，從而構建一個快速豬肉細胞新鮮度檢測系統。同時，為增加便攜式豬肉細胞檢測設備的實用性，基于EIS技術對便攜式設備的電池電化學阻抗譜中提取獲得有關電池內部反應的信息，分析所得到的阻抗與頻率之間的關系，揭示電池的各種性能參數，從而進行電池優化。

關鍵詞：細胞活性檢測；細胞阻抗譜；電極設計制備；電化學阻抗譜；電池優化

中圖分類號：O657" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）04-0054-05

Abstract： Modern meat cell impedance spectroscopy is a new technology in meat cell activity detection. In this paper， based on the analysis of pork cell tissue， the pork cell impedance spectrum detection electrode was designed and simulated， and the electrode was made by lithography technology. The cell impedance spectrum was tested by inputting different frequencies of excitation to the electrode， and a rapid pork cell freshness detection system was constructed by analyzing the correlation between impedance spectrum and pork storage time. At the same time， in order to increase the practicability of the portable pork cell detection equipment， the information about the internal reaction of the battery was extracted from the battery electrochemical impedance spectroscopy of the portable equipment based on EIS technology， the relationship between impedance and frequency was analyzed， and various performance parameters of the battery were revealed for battery optimization.

Keywords： cell activity detection; cell impedance spectroscopy; electrode design and preparation; electrochemical impedance spectroscopy; battery optimization

對于大型豬肉屠宰、加工及生產企業，豬肉出廠前會進行一次傳統化學試劑檢測，品質指標如揮發性鹽基氮（TVB-N）、K值、菌落總數（TVC）等雖然能夠準確地反映肉類的新鮮程度，但檢測過程操作繁瑣，周期長，具有破壞性，檢測精度依賴于操作人員的專業水平和實驗室軟硬件條件，無法滿足在線檢測的需要。為了解決上述兩個瓶頸問題，在學術領域首次提出形態特征參數和各向異性特征參數，為開發相應的手持式現場檢測設備提供理論支撐。同時，由于細胞阻抗譜檢測需要現場快速檢測才能更好地滿足市場需求，在需要移動便攜檢測的情況下，引入電化學阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，簡稱EIS）技術進行電池管理與低功耗運行。EIS技術廣泛應用于電池、燃料電池等領域，通過不同頻率下的測試，可以獲取電池內部豐富的信息，有助于理解電池的工作機理及性能變化。

1" 阻抗譜電極設計研究

細胞是構成生物的基本單元，生物組織的電學特性與其內部的細胞結構密切相關。根據電學特性的不同可以將細胞劃分為兩部分：外部的細胞膜和包裹其中的細胞內液。在細胞間分布的細胞外液具有與細胞內液相似的電學特性。細胞膜為雙磷脂結構，其間分布著參與離子轉運的蛋白質，具有介電特性。而細胞內外液均為具有良好導電能力的電解質。被細胞外液包裹著的單個細胞的電學特征類似于一個平板電容器，內外液相當于導電極板，細胞膜相當于夾在兩個極板間的電介質。如圖1所示，通過施加不同頻率的外部激勵，細胞的容抗發生變化，從而產生不一樣的響應信號。通過對不同頻率激勵響應的分析，可以獲得生物材料內部信息。

現代智能豬肉品質檢測的研究重點是豬肉品質阻抗譜電極的設計與制備，原理是通過研究豬肉細胞形狀和豬肉生物特性，用生物阻抗譜建模來仿真電極長度并優化出材質和形狀。在玻璃培養皿內進行電極制作并提供外部測試端口，最后提供完整的測試方案。具體內容如下。

1.1" 圖形建模

用Comcol軟件進行豬肉細胞生物阻抗譜建模，模擬豬肉細胞生物特性，并進行電極仿真，仿真結果如圖2所示。使用多物理場耦合仿真軟件Comsol搭建仿真平臺，設定肉類中心溫度為-25 ℃，環境溫度為26 ℃，模擬5 min內肉類所在溫度場的動態分布情況。電極設計的依據一部分是通過顯微鏡觀察形狀，更重要的是要進行生物阻抗譜仿真，模擬豬肉細胞在電極測試過程中的電場變化。

圖2" 豬肉細胞隨機分布在叉指電極間的仿真圖

1.2" 電場仿真

用CAD軟件設計出電極的形狀（間距、長度），同時優化電極材質。在實驗樣品的中心安置1個溫度傳感器，中間和表面分別安置4個溫度傳感器，溫度傳感器均使用絕熱材料包裹連接線。將樣品從-25 ℃轉移至室溫環境時刻起，每隔10 s進行一次溫度采樣，持續5 min。根據實驗數據應用熱力學第二定律反推肉類導熱系數，以此作為修正仿真模型的依據。仿真流程步驟如圖3所示。

1.3" 電極制作

用光刻技術在玻璃培養皿上制作電極。

根據目前行業主流技術，確定使用光刻技術進行電極制作。主要研究內容是鍍鉻襯底制作、鍍金工藝以及金電極的圖形制作，制作工藝步驟如圖4所示，圖5為制作完成的叉指電極。

1.4" 進行豬肉細胞阻抗譜測試

取豬肉細胞組織涂抹在電極上進行反復測試，觀測信號的穩定性，若存在問題需返工優化，直到數據測試誤差降低到理想范圍。將樣品從-25 ℃轉移至26 ℃環境下，從而在肉類內部形成動態溫度梯度。將檢測電極與溫度傳感器同時插入肉類中，電極間距為10 mm。使用阻抗分析儀進行掃頻實驗，激勵電壓設定為20 mV，在對數坐標軸1 Hz～1 MHz的頻率范圍內平均選取60個點作為測量頻率。電極垂直插入樣品，深度為10 mm。使用Matlab對獲得的阻抗譜與溫度數據進行分析。變更樣品的始末環境溫度，重復上述實驗，如相同區域等效后宏觀電特性誤差在5%以內，則補償算法有效，否則修正系統參數。

本研究中需要對少量肉類和全部的肉類樣品進行TVB-N檢測，對全部肉類樣品取樣時為了確保均一性，將全部肉類充分混合后，取10 g樣品。在樣品中加蒸餾水至100 mL。浸泡30 min后過濾，取5 mL濾液滴入凱氏定氮儀中。立刻加入5 ml的MgO溶液 （10 g/L）。用預先加入指示劑的硼酸水溶液所吸收揮發性氣體，0.01 mol/L的稀鹽酸溶液對吸收液進行滴定，根據國標中的公式計算TVB-N值。

特征參數提取實驗中阻抗譜的檢測方式與溫度補償實驗相同，實驗環境有動態溫度場變為26 ℃恒溫條件，在36 h內每隔一小時進行一次數據采集。使用Matlab進行數據分析，提取阻抗譜的形態特征參數、正交各向異性特征參數、模和相位角。通過對肉類組織電學特性的分析，發現了相位角曲線形態特征隨著貯藏時間變化而改變的規律，從而提出形態特征參數的概念。該參數可以消除生物個體差異對測量結果造成的影響。針對建立傳統回歸模型需要大量實驗樣本的問題，找到阻抗譜形態特征參數和腐敗階段的聯系，提出了非擬合肉類新鮮度預測模型。該模型從機理層面解釋了阻抗譜曲線的變化規律，通過阻抗譜的變化規律對細胞液內部機理的變化進行了原理層面的探究。通過實驗發現不同樣本的豬肉細胞組織在一定特征頻率下，阻抗譜的形態特征變化較為明顯，能夠較為準確地反映豬肉貯藏時間和阻抗譜之間的關系，所以能夠通過阻抗譜變化定位豬肉的品質。

2" 低功耗細胞阻抗譜測量設備的設計研究

早期的阻抗譜測量儀主要以國外發展為主，這些阻抗譜分析儀價格高、操作復雜，往往需要電腦配合，體積大，需要交流電源供電，不方便攜帶。結合細胞阻抗譜電極測試過程中發送不同頻率交流小信號激勵的特性，通過在細胞阻抗譜測試裝置中加入基于EIS技術的低功耗處理方法，實現便攜式現場快速檢測的生物檢測方法。

2.1" 信號分配路徑研究

由于細胞阻抗譜測試需要不同頻率的交流小信號輸入，信號頻率在1 kHz～1 MHz，這個信號頻率正適合EIS技術的應用范圍，所以在進行細胞阻抗譜檢測時同時給電池輸入一個正弦波的交流小信號，在電池輸出端會產生一個響應信號，記錄電池的交變電流響應，由一系列不同頻率信號的激勵產生響應信號阻抗譜，電池的阻抗譜包含了實部（電阻）和虛部（電抗）2個方面的信息，這兩者共同構成了復阻抗。從電池的電化學阻抗譜中可以提取，獲得有關電池內部反應的信息，分析所得到的阻抗與頻率之間的關系，可以揭示電池的各種性能參數，從而進行電池優化。同時，由于是同一路激勵信號，可對比電極在進行阻抗譜測試過程中的使用情況，關聯細胞阻抗譜測試數據與電池管理系統中的響應數據，得到最優電池使用方案，增加現場檢測效率。信號傳輸路徑如圖6所示。

2.2" 具體實施方案

圖7為基于EIS技術的低功耗細胞阻抗譜測試系統整體結構圖；包含實驗數據收集、數據預處理、等效電路模型選擇、參數擬合和結果分析，通過上述步驟，可以得到一個擬合度較好的電路模型及其參數。進一步分析這些參數，可以揭示出電池內部反應的信息，例如電荷傳輸速率、電解質擴散系數等。

2.3" EIS數據處理算法

數據處理是EIS技術的關鍵部分，其中最重要的是擬合算法。常見的數據擬合算法有KKT變換法、最小二乘法等。這些算法的目標是通過最小化實驗數據與模型預測之間的差異，從而確定模型參數。在擬合過程中，需要選擇合適的等效電路模型來描述電池內部的電化學過程。常見的等效電路模型有Randles模型、Warburg模型等。通過對實驗數據進行擬合，可以獲得電池內部各個組件的阻抗值及其變化規律。步驟如下。

2.3.1" 實驗數據收集

首先，由于細胞阻抗譜檢測時會發送不同頻率的交流電壓信號，其中分出一路信號對電池施加激勵，并記錄產生的交流電流響應。這些數據可以表示為復數形式，包括幅值和相位角。

2.3.2" 數據預處理

由于實驗誤差或其他原因，收集到的數據可能存在噪聲。因此，在進行數據分析之前，采用Savitzky-Golay濾波技術對數據進行平滑處理，通過擬合局部數據的多項式來獲得平滑后的數據。具體而言，權衡平滑程度與信號保留程度，構造一個Vandermonde矩陣A，然后計算其偽逆矩陣A^+，最后將A^+與單位矩陣相乘得到濾波器系數。確定窗口大小M和多項式階數n。

2.3.3" 模型選擇

為了解釋EIS數據，需要選擇合適的電路模型來表示電池的電化學過程。這些模型由電阻、電容和常數相位元件（CPE）等基本元件組成。為了找到最佳模型，比較不同模型對實驗數據的擬合優度。如圖8所示，本研究采用改進的Randles電路模型。Randles模型是一個基于常用的等效電路模型進行改進，用于描述電極界面和擴散過程。該模型包括一個串聯電阻（Rs）、5個并聯電阻（Rct）與電容（Cdl）以及4個Warburg阻抗（W）。Rs表示電解質的電阻，Rct表示電荷傳輸阻抗，Cdl表示雙電層電容，而W表示擴散相關的阻抗。

模型中的阻抗計算方法為

2.3.4" 參數擬合

在選擇了合適的模型后，需要利用非線性最小二乘法優化算法對模型參數進行擬合。這一過程通常包括調整模型參數，使得模型與實驗數據之間的殘差平方和最小。可以使用非線性最小二乘法對Randles模型參數進行擬合，以使得模型預測值與實驗數據之間的殘差平方和最小。該非線性擬合過程會迭代優化參數Rs，Rct和Cdl，以使得模型預測值與實驗數據之間的殘差平方和達到最小。從而給出Randles模型的最優參數估計。

2.3.5" 結果分析

通過上述步驟，可以得到一個擬合度較好的電路模型及其參數。進一步分析這些參數，可以揭示出電池內部反應的信息，例如電荷傳輸速率、電解質擴散系數等。

式中：n為電子轉移數，對于一價電極反應設置為1；F為法拉第常數96 485 C/mol ；A為電極表面積，設為1 cm2；T為絕對溫度；σ為Warburg阻抗的斜率。

由此可以看出，測試電極的電池系統對應的電荷傳輸速率反映了電極表面上電荷傳輸的快慢，擴散系數反映了電解質中離子的擴散速率。對比在做細胞阻抗譜測試的特征頻率下，在1～10 kHz區間能夠得到較為契合的電池使用效率。同時可利用EIS技術持續地監測電池的運行工作狀態，可以有效地評估和優化電池的工作狀態方案。

3" 結論

綜上，通過仿真、設計、制作豬肉細胞的金屬測試電極，能夠測試特定頻率下的細胞阻抗譜，以此對比不同貯藏時間的豬肉的阻抗譜從而得到豬肉的新鮮度。同時，通過對Randles電路參數的分析計算，可以得到一定的電化學信息，評估電極過程的電化學性質和反應速率，從而得到目前的電池狀態，進行相應的優化操作。將EIS技術融入到細胞阻抗譜檢測裝置中，由于細胞阻抗譜檢測設備的硬件架構和測試方法的原因，非常適合將EIS技術融入，因為細胞阻抗譜測試過程中發送的不同頻率的激勵信號與EIS所需要的激勵信號剛好一致，不需要加額外的信號發生源等裝置。該技術方法能夠完美地融入到細胞阻抗譜設備當中去，解決了該裝置設備功耗大、使用時間短的弊端。實現設備的便攜，現場快速檢測，待機時間長等優勢。與現有技術相比，其顯著優點是：①在幾乎不增加任何成本的情況下，能夠提高阻抗譜檢測設備的實用性；②通過設計一套電池狀態監測優化方法，能夠得到電池狀態的一些參數，對于電池狀態檢測行業仍有較大的可探索和實驗性，用于更多的便攜設備當中去。

參考文獻：

[1] 張釗，耿楊燁，朱真.用于酵母細胞電阻抗檢測的集成微電極陣列微流控芯片的有限元仿真研究[J].電子器件，2021，44（2）：255-261.

[2] 樊靜靜，程昊，陳育蓉，等.阿拉伯糖基有序介孔碳修飾電極檢測鹽酸奈福泮的研究[J].化學研究與應用，2021，33（4）：600-606.

[3] JIN D Ｈ， ＲＯＨ Ｙ Ｊ， ＪＯＴＡＥ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ｌｉ Ｍｅｔａｌ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ：Ｒｏｂｕｓｔ Ｃｙｃｌｉｎｇ ｏｆ Ｕｌｔｒathin Li Metal Enabled by Nitrate- Preplanted Li Powder Composite（Adv. Energy Mater.18/2021）[J].Advanced Energy Materials，2021，11（18）.

[4] SANVSI A L， ZAIN N K， MISNON I I， et al. Effect of Organic Linkers on Metal-Organic Frameworks Electrode Fabrication for Battery Supercapacitor Hybrid Application[J].Materials Science Forum，2021：6133.

[5] 黃彪，劉文靜，吳建鴻.基于Pd/MWCNTs/玻碳電極的電化學傳感器檢測水樣中的羥胺[J].食品安全質量檢測學報，2021，12（7）：2855-2861.

[6] GANESH P S， SHIMDGA G， KIM S Y， et al. Quantum chemical studies and electrochemical investigations of pyrogallol red modified carbon paste electrode fabrication for sensor application[J]. Microchemical Journal，2021：167.