活細(xì)胞濃度和電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 凱，張會(huì)新，梁永剛

（1.中北大學(xué)電子測(cè)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.中國(guó)人民解放軍68216 部隊(duì)，北京 100076）

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

該文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為活體細(xì)胞液，利用電容法對(duì)細(xì)胞濃度及細(xì)胞液的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量與分析，設(shè)計(jì)出了一種基于電容法的活細(xì)胞濃度和電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)節(jié)約人力，成本較低，只對(duì)活細(xì)胞濃度有響應(yīng)，對(duì)使用場(chǎng)景要求不高，并可以實(shí)現(xiàn)小型化，便于規(guī)模化生產(chǎn)和維護(hù)。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(cè)量原理

當(dāng)前國(guó)內(nèi)普遍使用的活細(xì)胞傳感儀均來(lái)自英國(guó)ABER 儀器公司和法國(guó)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(xì)胞會(huì)在探頭的一對(duì)電極產(chǎn)生的交變電場(chǎng)作用下發(fā)生極化，這時(shí)的細(xì)胞可以視作一個(gè)個(gè)極小的電容，另一對(duì)電極用于測(cè)定細(xì)胞溶液中的電容信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)處理和軟件分析，最終得到待測(cè)的電容值。當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率發(fā)生改變時(shí)，細(xì)胞液的檢測(cè)電容值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。不同的電場(chǎng)頻率對(duì)應(yīng)著細(xì)胞不同的極化狀態(tài)，而使細(xì)胞剛好極化到一半處的電場(chǎng)頻率，稱之為特征頻率，用fc表示，在fc處測(cè)量細(xì)胞的濃度，測(cè)量的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，其活細(xì)胞濃度大，電容值就大；活細(xì)胞濃度小，電容值就小，電容值和細(xì)胞的大小沒(méi)有絲毫的關(guān)系。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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(cè)信號(hào)調(diào)理模塊、交變信號(hào)源模塊、采集電路和上位機(jī)軟件[5]。首先激勵(lì)源輸出掃頻信號(hào)，找出細(xì)胞液的特征頻率，即細(xì)胞極化到一半時(shí)對(duì)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(lì)源輸出頻率穩(wěn)定的信號(hào)來(lái)進(jìn)行細(xì)胞液濃度和電導(dǎo)率的測(cè)量，接收到的信號(hào)通過(guò)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，并傳送到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)接收到數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理記錄。測(cè)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(xì)胞濃度和電導(dǎo)率測(cè)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(jì)

3.1 激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用FPGA控制DDS的設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的設(shè)計(jì)。FPGA與DDS結(jié)合可使電路更簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)輸出固定可調(diào)頻率的電壓信號(hào)，并且可通過(guò)程序設(shè)定掃頻輸出模式，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且精度高，完全滿足該系統(tǒng)要求。圖3為激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)方案示意圖。

圖3 激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)方案圖

3.2 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)在采集前端設(shè)計(jì)了一種包含同步解調(diào)的信號(hào)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(hào)頻譜的分離[6]。通過(guò)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(hào)并進(jìn)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(jì)

分壓電阻兩端電壓通過(guò)差分放大電路進(jìn)行放大，差分放大電路如圖5 所示，設(shè)計(jì)差分放大倍數(shù)為0.5 倍，放大電路的輸出信號(hào)與同頻信號(hào)通過(guò)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(hào)，保留低頻信號(hào)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(jì)

信號(hào)在通過(guò)上述調(diào)理電路后，就可以對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[7]。調(diào)理電路的輸出信號(hào)是低頻信號(hào)，因此在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。

采集芯片采用STM32F378VC，有3個(gè)ADC Sigma-Delta 采集轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換位數(shù)為16 位，有100 個(gè)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(hào)輸入采用單端模式，范圍為VREFSD-～VREFSD+，因?yàn)閂REFSD-為GND，VREFSD+為3.3 V，即被采集信號(hào)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(jì)

4.1 信號(hào)源控制邏輯設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用頻率為40 MHz 的晶振，接到芯片的時(shí)鐘引腳，芯片內(nèi)部可以通過(guò)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，其幅值為零到滿量程；為低電平時(shí)，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(gè)通道的控制字都是12 位[10]。

4.2 采集板控制邏輯設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)目前采用STM32F378RC 芯片，由于工作頻率能夠達(dá)到72 MHz，且內(nèi)置浮點(diǎn)運(yùn)算單元，能夠在-40～+105 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作[11]，設(shè)置每個(gè)通道的采樣周期為239.5 s，根據(jù)手冊(cè)設(shè)計(jì)分頻系數(shù)為6，采樣時(shí)間即可確定為T=t+12.5=252 s，需要說(shuō)明的是，采樣周期越長(zhǎng)，其采樣的準(zhǔn)確性越好，因?yàn)槭窃谶@段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)值，避免了出現(xiàn)極值，影響后面的計(jì)算。通過(guò)上面的采樣時(shí)間和工作頻率，即可確定采樣頻率約為47 kHz，完全滿足信號(hào)調(diào)理電路輸出的信號(hào)頻率對(duì)其采集的要求。其次，由于芯片內(nèi)部自帶了3 個(gè)16 位的Sigma-Delta AD 轉(zhuǎn)換單元，前期即可滿足設(shè)計(jì)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(dá)到了0.05 mV，完全滿足精度要求。

4.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

由于實(shí)時(shí)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(jìn)行，這樣會(huì)在循環(huán)讀取數(shù)據(jù)和計(jì)算時(shí)將界面卡頓掉，因此將讀取窗口數(shù)據(jù)的程序moveToThread 移動(dòng)到工作線程中去進(jìn)行，工作線程將數(shù)據(jù)循環(huán)讀取并根據(jù)公式實(shí)時(shí)計(jì)算出結(jié)果后，通過(guò)信號(hào)槽機(jī)制將此數(shù)據(jù)發(fā)送到界面線程中[12]。將moveToThread 移動(dòng)到工作線程和平常使用的QThread 在run 方法中的寫程序過(guò)程相比，這個(gè)工作線程中每個(gè)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(hào)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(lái)，并經(jīng)計(jì)算實(shí)時(shí)顯示到前端界面上，同時(shí)界面線程在接收到用戶的點(diǎn)擊等操作時(shí)，會(huì)將該數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議格式封裝為一個(gè)包，通過(guò)串口的形式發(fā)送到下位機(jī)中[13]。整個(gè)工作線程的流程如圖7 所示。

圖7 工作線程流程

5 測(cè)試結(jié)果與分析

5.1 濃度測(cè)試結(jié)果

通過(guò)將激勵(lì)源輸出模式設(shè)置為掃頻模式，利用酵母菌溶液進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得酵母菌溶液的特征頻率約為625 kHz。將激勵(lì)源輸出模式設(shè)置為單頻模式，對(duì)不同濃度的酵母菌溶液進(jìn)行測(cè)量，將酵母菌溶液濃度值與得到的介電常數(shù)結(jié)果進(jìn)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(xì)胞濃度關(guān)系擬合圖

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

為驗(yàn)證擬合曲線的準(zhǔn)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(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到介電常數(shù)值見(jiàn)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(duì)應(yīng)的濃度值，將使用該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的濃度與已知濃度進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量誤差分別為-0.18%、0.34%、-0.15%，基本可以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的濃度測(cè)量。

表1 標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞液濃度與測(cè)量值比對(duì)表

5.2 電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果

電導(dǎo)率可以通過(guò)測(cè)量得到的檢測(cè)端電壓與分壓電阻兩端的電壓值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

環(huán)形電極間存在著非均勻的電場(chǎng)，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(cè)試前需要對(duì)環(huán)形電極進(jìn)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(jìn)行標(biāo)定[16]。系統(tǒng)中電極常數(shù)k的值為1.2。將測(cè)量所得到的電導(dǎo)率和標(biāo)準(zhǔn)液電導(dǎo)率的值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率的測(cè)量誤差均小于0.5%。具體測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

表2 電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)利用電容法，基于FPGA 控制芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞濃度和電導(dǎo)率的測(cè)量。將結(jié)果上傳到上位機(jī)進(jìn)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(cè)試結(jié)果表明，對(duì)細(xì)胞液的測(cè)量誤差小于0.4%，對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量誤差小于0.5%，且測(cè)量范圍可以達(dá)到40 mS/cm，滿足設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)有集成化、數(shù)字化等優(yōu)勢(shì)，并且價(jià)格低廉，測(cè)量范圍較廣，在生物監(jiān)測(cè)方面具有重要的意義。