基于EIS技術(shù)的低功耗豬肉細(xì)胞阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)研究

摘" 要：現(xiàn)代肉類細(xì)胞阻抗譜檢測(cè)技術(shù)是肉類細(xì)胞活性檢測(cè)中一項(xiàng)新興技術(shù)。該文通過(guò)對(duì)豬肉細(xì)胞組織進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并仿真豬肉細(xì)胞阻抗譜檢測(cè)電極，并用光刻技術(shù)進(jìn)行電極的制作。向電極輸入不同頻率的激勵(lì)來(lái)測(cè)試細(xì)胞阻抗譜，通過(guò)阻抗譜和豬肉的貯藏時(shí)間分析關(guān)聯(lián)性，從而構(gòu)建一個(gè)快速豬肉細(xì)胞新鮮度檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，為增加便攜式豬肉細(xì)胞檢測(cè)設(shè)備的實(shí)用性，基于EIS技術(shù)對(duì)便攜式設(shè)備的電池電化學(xué)阻抗譜中提取獲得有關(guān)電池內(nèi)部反應(yīng)的信息，分析所得到的阻抗與頻率之間的關(guān)系，揭示電池的各種性能參數(shù)，從而進(jìn)行電池優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞活性檢測(cè)；細(xì)胞阻抗譜；電極設(shè)計(jì)制備；電化學(xué)阻抗譜；電池優(yōu)化

中圖分類號(hào)：O657" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(duì)于大型豬肉屠宰、加工及生產(chǎn)企業(yè)，豬肉出廠前會(huì)進(jìn)行一次傳統(tǒng)化學(xué)試劑檢測(cè)，品質(zhì)指標(biāo)如揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）、K值、菌落總數(shù)（TVC）等雖然能夠準(zhǔn)確地反映肉類的新鮮程度，但檢測(cè)過(guò)程操作繁瑣，周期長(zhǎng)，具有破壞性，檢測(cè)精度依賴于操作人員的專業(yè)水平和實(shí)驗(yàn)室軟硬件條件，無(wú)法滿足在線檢測(cè)的需要。為了解決上述兩個(gè)瓶頸問(wèn)題，在學(xué)術(shù)領(lǐng)域首次提出形態(tài)特征參數(shù)和各向異性特征參數(shù)，為開(kāi)發(fā)相應(yīng)的手持式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備提供理論支撐。同時(shí)，由于細(xì)胞阻抗譜檢測(cè)需要現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)才能更好地滿足市場(chǎng)需求，在需要移動(dòng)便攜檢測(cè)的情況下，引入電化學(xué)阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，簡(jiǎn)稱EIS）技術(shù)進(jìn)行電池管理與低功耗運(yùn)行。EIS技術(shù)廣泛應(yīng)用于電池、燃料電池等領(lǐng)域，通過(guò)不同頻率下的測(cè)試，可以獲取電池內(nèi)部豐富的信息，有助于理解電池的工作機(jī)理及性能變化。

1" 阻抗譜電極設(shè)計(jì)研究

細(xì)胞是構(gòu)成生物的基本單元，生物組織的電學(xué)特性與其內(nèi)部的細(xì)胞結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)電學(xué)特性的不同可以將細(xì)胞劃分為兩部分：外部的細(xì)胞膜和包裹其中的細(xì)胞內(nèi)液。在細(xì)胞間分布的細(xì)胞外液具有與細(xì)胞內(nèi)液相似的電學(xué)特性。細(xì)胞膜為雙磷脂結(jié)構(gòu)，其間分布著參與離子轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)，具有介電特性。而細(xì)胞內(nèi)外液均為具有良好導(dǎo)電能力的電解質(zhì)。被細(xì)胞外液包裹著的單個(gè)細(xì)胞的電學(xué)特征類似于一個(gè)平板電容器，內(nèi)外液相當(dāng)于導(dǎo)電極板，細(xì)胞膜相當(dāng)于夾在兩個(gè)極板間的電介質(zhì)。如圖1所示，通過(guò)施加不同頻率的外部激勵(lì)，細(xì)胞的容抗發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不一樣的響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)對(duì)不同頻率激勵(lì)響應(yīng)的分析，可以獲得生物材料內(nèi)部信息。

現(xiàn)代智能豬肉品質(zhì)檢測(cè)的研究重點(diǎn)是豬肉品質(zhì)阻抗譜電極的設(shè)計(jì)與制備，原理是通過(guò)研究豬肉細(xì)胞形狀和豬肉生物特性，用生物阻抗譜建模來(lái)仿真電極長(zhǎng)度并優(yōu)化出材質(zhì)和形狀。在玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)進(jìn)行電極制作并提供外部測(cè)試端口，最后提供完整的測(cè)試方案。具體內(nèi)容如下。

1.1" 圖形建模

用Comcol軟件進(jìn)行豬肉細(xì)胞生物阻抗譜建模，模擬豬肉細(xì)胞生物特性，并進(jìn)行電極仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。使用多物理場(chǎng)耦合仿真軟件Comsol搭建仿真平臺(tái)，設(shè)定肉類中心溫度為-25 ℃，環(huán)境溫度為26 ℃，模擬5 min內(nèi)肉類所在溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布情況。電極設(shè)計(jì)的依據(jù)一部分是通過(guò)顯微鏡觀察形狀，更重要的是要進(jìn)行生物阻抗譜仿真，模擬豬肉細(xì)胞在電極測(cè)試過(guò)程中的電場(chǎng)變化。

圖2" 豬肉細(xì)胞隨機(jī)分布在叉指電極間的仿真圖

1.2" 電場(chǎng)仿真

用CAD軟件設(shè)計(jì)出電極的形狀（間距、長(zhǎng)度），同時(shí)優(yōu)化電極材質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)樣品的中心安置1個(gè)溫度傳感器，中間和表面分別安置4個(gè)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(zhuǎn)移至室溫環(huán)境時(shí)刻起，每隔10 s進(jìn)行一次溫度采樣，持續(xù)5 min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用熱力學(xué)第二定律反推肉類導(dǎo)熱系數(shù)，以此作為修正仿真模型的依據(jù)。仿真流程步驟如圖3所示。

1.3" 電極制作

用光刻技術(shù)在玻璃培養(yǎng)皿上制作電極。

根據(jù)目前行業(yè)主流技術(shù)，確定使用光刻技術(shù)進(jìn)行電極制作。主要研究?jī)?nèi)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(jìn)行豬肉細(xì)胞阻抗譜測(cè)試

取豬肉細(xì)胞組織涂抹在電極上進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，觀測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性，若存在問(wèn)題需返工優(yōu)化，直到數(shù)據(jù)測(cè)試誤差降低到理想范圍。將樣品從-25 ℃轉(zhuǎn)移至26 ℃環(huán)境下，從而在肉類內(nèi)部形成動(dòng)態(tài)溫度梯度。將檢測(cè)電極與溫度傳感器同時(shí)插入肉類中，電極間距為10 mm。使用阻抗分析儀進(jìn)行掃頻實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)電壓設(shè)定為20 mV，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸1 Hz～1 MHz的頻率范圍內(nèi)平均選取60個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量頻率。電極垂直插入樣品，深度為10 mm。使用Matlab對(duì)獲得的阻抗譜與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。變更樣品的始末環(huán)境溫度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，如相同區(qū)域等效后宏觀電特性誤差在5%以內(nèi)，則補(bǔ)償算法有效，否則修正系統(tǒng)參數(shù)。

本研究中需要對(duì)少量肉類和全部的肉類樣品進(jìn)行TVB-N檢測(cè)，對(duì)全部肉類樣品取樣時(shí)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(guò)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(yù)先加入指示劑的硼酸水溶液所吸收揮發(fā)性氣體，0.01 mol/L的稀鹽酸溶液對(duì)吸收液進(jìn)行滴定，根據(jù)國(guó)標(biāo)中的公式計(jì)算TVB-N值。

特征參數(shù)提取實(shí)驗(yàn)中阻抗譜的檢測(cè)方式與溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)相同，實(shí)驗(yàn)環(huán)境有動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)變?yōu)?6 ℃恒溫條件，在36 h內(nèi)每隔一小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。使用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提取阻抗譜的形態(tài)特征參數(shù)、正交各向異性特征參數(shù)、模和相位角。通過(guò)對(duì)肉類組織電學(xué)特性的分析，發(fā)現(xiàn)了相位角曲線形態(tài)特征隨著貯藏時(shí)間變化而改變的規(guī)律，從而提出形態(tài)特征參數(shù)的概念。該參數(shù)可以消除生物個(gè)體差異對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。針對(duì)建立傳統(tǒng)回歸模型需要大量實(shí)驗(yàn)樣本的問(wèn)題，找到阻抗譜形態(tài)特征參數(shù)和腐敗階段的聯(lián)系，提出了非擬合肉類新鮮度預(yù)測(cè)模型。該模型從機(jī)理層面解釋了阻抗譜曲線的變化規(guī)律，通過(guò)阻抗譜的變化規(guī)律對(duì)細(xì)胞液內(nèi)部機(jī)理的變化進(jìn)行了原理層面的探究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同樣本的豬肉細(xì)胞組織在一定特征頻率下，阻抗譜的形態(tài)特征變化較為明顯，能夠較為準(zhǔn)確地反映豬肉貯藏時(shí)間和阻抗譜之間的關(guān)系，所以能夠通過(guò)阻抗譜變化定位豬肉的品質(zhì)。

2" 低功耗細(xì)胞阻抗譜測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)研究

早期的阻抗譜測(cè)量?jī)x主要以國(guó)外發(fā)展為主，這些阻抗譜分析儀價(jià)格高、操作復(fù)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(jié)合細(xì)胞阻抗譜電極測(cè)試過(guò)程中發(fā)送不同頻率交流小信號(hào)激勵(lì)的特性，通過(guò)在細(xì)胞阻抗譜測(cè)試裝置中加入基于EIS技術(shù)的低功耗處理方法，實(shí)現(xiàn)便攜式現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的生物檢測(cè)方法。

2.1" 信號(hào)分配路徑研究

由于細(xì)胞阻抗譜測(cè)試需要不同頻率的交流小信號(hào)輸入，信號(hào)頻率在1 kHz～1 MHz，這個(gè)信號(hào)頻率正適合EIS技術(shù)的應(yīng)用范圍，所以在進(jìn)行細(xì)胞阻抗譜檢測(cè)時(shí)同時(shí)給電池輸入一個(gè)正弦波的交流小信號(hào)，在電池輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，記錄電池的交變電流響應(yīng)，由一系列不同頻率信號(hào)的激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)阻抗譜，電池的阻抗譜包含了實(shí)部（電阻）和虛部（電抗）2個(gè)方面的信息，這兩者共同構(gòu)成了復(fù)阻抗。從電池的電化學(xué)阻抗譜中可以提取，獲得有關(guān)電池內(nèi)部反應(yīng)的信息，分析所得到的阻抗與頻率之間的關(guān)系，可以揭示電池的各種性能參數(shù)，從而進(jìn)行電池優(yōu)化。同時(shí)，由于是同一路激勵(lì)信號(hào)，可對(duì)比電極在進(jìn)行阻抗譜測(cè)試過(guò)程中的使用情況，關(guān)聯(lián)細(xì)胞阻抗譜測(cè)試數(shù)據(jù)與電池管理系統(tǒng)中的響應(yīng)數(shù)據(jù)，得到最優(yōu)電池使用方案，增加現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率。信號(hào)傳輸路徑如圖6所示。

2.2" 具體實(shí)施方案

圖7為基于EIS技術(shù)的低功耗細(xì)胞阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖；包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、等效電路模型選擇、參數(shù)擬合和結(jié)果分析，通過(guò)上述步驟，可以得到一個(gè)擬合度較好的電路模型及其參數(shù)。進(jìn)一步分析這些參數(shù)，可以揭示出電池內(nèi)部反應(yīng)的信息，例如電荷傳輸速率、電解質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)等。

2.3" EIS數(shù)據(jù)處理算法

數(shù)據(jù)處理是EIS技術(shù)的關(guān)鍵部分，其中最重要的是擬合算法。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)擬合算法有KKT變換法、最小二乘法等。這些算法的目標(biāo)是通過(guò)最小化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)之間的差異，從而確定模型參數(shù)。在擬合過(guò)程中，需要選擇合適的等效電路模型來(lái)描述電池內(nèi)部的電化學(xué)過(guò)程。常見(jiàn)的等效電路模型有Randles模型、Warburg模型等。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以獲得電池內(nèi)部各個(gè)組件的阻抗值及其變化規(guī)律。步驟如下。

2.3.1" 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

首先，由于細(xì)胞阻抗譜檢測(cè)時(shí)會(huì)發(fā)送不同頻率的交流電壓信號(hào)，其中分出一路信號(hào)對(duì)電池施加激勵(lì)，并記錄產(chǎn)生的交流電流響應(yīng)。這些數(shù)據(jù)可以表示為復(fù)數(shù)形式，包括幅值和相位角。

2.3.2" 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于實(shí)驗(yàn)誤差或其他原因，收集到的數(shù)據(jù)可能存在噪聲。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，采用Savitzky-Golay濾波技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，通過(guò)擬合局部數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式來(lái)獲得平滑后的數(shù)據(jù)。具體而言，權(quán)衡平滑程度與信號(hào)保留程度，構(gòu)造一個(gè)Vandermonde矩陣A，然后計(jì)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(shù)。確定窗口大小M和多項(xiàng)式階數(shù)n。

2.3.3" 模型選擇

為了解釋EIS數(shù)據(jù)，需要選擇合適的電路模型來(lái)表示電池的電化學(xué)過(guò)程。這些模型由電阻、電容和常數(shù)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度。如圖8所示，本研究采用改進(jìn)的Randles電路模型。Randles模型是一個(gè)基于常用的等效電路模型進(jìn)行改進(jìn)，用于描述電極界面和擴(kuò)散過(guò)程。該模型包括一個(gè)串聯(lián)電阻（Rs）、5個(gè)并聯(lián)電阻（Rct）與電容（Cdl）以及4個(gè)Warburg阻抗（W）。Rs表示電解質(zhì)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(kuò)散相關(guān)的阻抗。

模型中的阻抗計(jì)算方法為

2.3.4" 參數(shù)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(yōu)化算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行擬合。這一過(guò)程通常包括調(diào)整模型參數(shù)，使得模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的殘差平方和最小。可以使用非線性最小二乘法對(duì)Randles模型參數(shù)進(jìn)行擬合，以使得模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的殘差平方和最小。該非線性擬合過(guò)程會(huì)迭代優(yōu)化參數(shù)Rs，Rct和Cdl，以使得模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的殘差平方和達(dá)到最小。從而給出Randles模型的最優(yōu)參數(shù)估計(jì)。

2.3.5" 結(jié)果分析

通過(guò)上述步驟，可以得到一個(gè)擬合度較好的電路模型及其參數(shù)。進(jìn)一步分析這些參數(shù)，可以揭示出電池內(nèi)部反應(yīng)的信息，例如電荷傳輸速率、電解質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)等。

式中：n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，對(duì)于一價(jià)電極反應(yīng)設(shè)置為1；F為法拉第常數(shù)96 485 C/mol ；A為電極表面積，設(shè)為1 cm2；T為絕對(duì)溫度；σ為Warburg阻抗的斜率。

由此可以看出，測(cè)試電極的電池系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的電荷傳輸速率反映了電極表面上電荷傳輸?shù)目炻?，擴(kuò)散系數(shù)反映了電解質(zhì)中離子的擴(kuò)散速率。對(duì)比在做細(xì)胞阻抗譜測(cè)試的特征頻率下，在1～10 kHz區(qū)間能夠得到較為契合的電池使用效率。同時(shí)可利用EIS技術(shù)持續(xù)地監(jiān)測(cè)電池的運(yùn)行工作狀態(tài)，可以有效地評(píng)估和優(yōu)化電池的工作狀態(tài)方案。

3" 結(jié)論

綜上，通過(guò)仿真、設(shè)計(jì)、制作豬肉細(xì)胞的金屬測(cè)試電極，能夠測(cè)試特定頻率下的細(xì)胞阻抗譜，以此對(duì)比不同貯藏時(shí)間的豬肉的阻抗譜從而得到豬肉的新鮮度。同時(shí)，通過(guò)對(duì)Randles電路參數(shù)的分析計(jì)算，可以得到一定的電化學(xué)信息，評(píng)估電極過(guò)程的電化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)速率，從而得到目前的電池狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化操作。將EIS技術(shù)融入到細(xì)胞阻抗譜檢測(cè)裝置中，由于細(xì)胞阻抗譜檢測(cè)設(shè)備的硬件架構(gòu)和測(cè)試方法的原因，非常適合將EIS技術(shù)融入，因?yàn)榧?xì)胞阻抗譜測(cè)試過(guò)程中發(fā)送的不同頻率的激勵(lì)信號(hào)與EIS所需要的激勵(lì)信號(hào)剛好一致，不需要加額外的信號(hào)發(fā)生源等裝置。該技術(shù)方法能夠完美地融入到細(xì)胞阻抗譜設(shè)備當(dāng)中去，解決了該裝置設(shè)備功耗大、使用時(shí)間短的弊端。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的便攜，現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)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(cè)設(shè)備的實(shí)用性；②通過(guò)設(shè)計(jì)一套電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)優(yōu)化方法，能夠得到電池狀態(tài)的一些參數(shù)，對(duì)于電池狀態(tài)檢測(cè)行業(yè)仍有較大的可探索和實(shí)驗(yàn)性，用于更多的便攜設(shè)備當(dāng)中去。

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