基于EIS技术的低功耗猪肉细胞阻抗谱测试系统研究.pdf
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1、2024 年 4 期实验 研究智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture基于 EIS 技术的低功耗猪肉细胞阻抗谱测试系统研究仲瑶,李育荣,陆红飞,孙健(江苏农林职业技术学院,江苏 句容 212400)对于大型猪肉屠宰、加工及生产企业,猪肉出厂前会进行一次传统化学试剂检测,品质指标如挥发性盐基氮(TVB-N)、K 值、菌落总数(TVC)等虽然能够准确地反映肉类的新鲜程度,但检测过程操作繁琐,周期长,具有破坏性,检测精度依赖于操作人员的专业水平和实验室软硬件条件,无法满足在线检测的需要。为了解决上述两个瓶颈问题,在学术领域首次提出形态特征参数和各向异性特征参数,为开发相应
2、的手持式现场检测设备提供理论支撑。同时,由于细胞阻抗谱检测需要现场快速检测才能更好地满足市场需求,在需要移动便携检测的情况下,引入电化学阻抗谱(Electro原chemical Impedance Spectroscopy,简称 EIS)技术进行电池管理与低功耗运行。EIS 技术广泛应用于电池、燃料电池等领域,通过不同频率下的测试,可以获取电池内部丰富的信息,有助于理解电池的工作机理及性能变化。1阻抗谱电极设计研究细胞是构成生物的基本单元,生物组织的电学特性与其内部的细胞结构密切相关。根据电学特性的不同可以将细胞划分为两部分:外部的细胞膜和包裹其中的细胞内液。在细胞间分布的细胞外液具有与细胞内
3、液相似的电学特性。细胞膜为双磷脂结构,其间分布着参与离子转运的蛋白质,具有介电特性。而细胞内外液均为具有良好导电能力的电解质。被细胞外液包裹着的单个细胞的电学特征类似于一个平板电容器,内外液相当于导电极板,细胞膜相当于夹在两个极板间的电介质。如图 1 所示,通过施加不同频率的外部激励,细胞的容抗发生变化,从而产生不一样的响应信第一作者简介:仲瑶(1988-),男,硕士,讲师。研究方向为现代农业检测技术。摘要:现代肉类细胞阻抗谱检测技术是肉类细胞活性检测中一项新兴技术。该文通过对猪肉细胞组织进行分析,设计并仿真猪肉细胞阻抗谱检测电极,并用光刻技术进行电极的制作。向电极输入不同频率的激励来测试细胞
4、阻抗谱,通过阻抗谱和猪肉的贮藏时间分析关联性,从而构建一个快速猪肉细胞新鲜度检测系统。同时,为增加便携式猪肉细胞检测设备的实用性,基于 EIS 技术对便携式设备的电池电化学阻抗谱中提取获得有关电池内部反应的信息,分析所得到的阻抗与频率之间的关系,揭示电池的各种性能参数,从而进行电池优化。关键词:细胞活性检测;细胞阻抗谱;电极设计制备;电化学阻抗谱;电池优化中图分类号院O657文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤04-0054-05Abstract:Modern meat cell impedance spectroscopy is a new technology in me
5、at cell activity detection.In this paper,basedon the analysis of pork cell tissue,the pork cell impedance spectrum detection electrode was designed and simulated,and theelectrode was made by lithography technology.The cell impedance spectrum was tested by inputting different frequencies ofexcitation
6、 to the electrode,and a rapid pork cell freshness detection system was constructed by analyzing the correlation betweenimpedance spectrum and pork storage time.At the same time,in order to increase the practicability of the portable pork celldetection equipment,the information about the internal rea
7、ction of the battery was extracted from the battery electrochemicalimpedance spectroscopy of the portable equipment based on EIS technology,the relationship between impedance and frequency wasanalyzed,and various performance parameters of the battery were revealed for battery optimization.Keywords:c
8、ell activity detection;cell impedance spectroscopy;electrode design and preparation;electrochemical impedancespectroscopy;battery optimizationDOI:10.20028/j.zhnydk.2024.04.01354-2024 年 4 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture实验 研究号。通过对不同频率激励响应的分析,可以获得生物材料内部信息。现代智能猪肉品质检测的研究重点是猪肉品质阻抗谱电极的设计与制备,原理是通过研究猪肉细胞
9、形状和猪肉生物特性,用生物阻抗谱建模来仿真电极长度并优化出材质和形状。在玻璃培养皿内进行电极制作并提供外部测试端口,最后提供完整的测试方案。具体内容如下。图 1阻抗谱检测基本原理1.1图形建模用 Comcol 软件进行猪肉细胞生物阻抗谱建模,模拟猪肉细胞生物特性,并进行电极仿真,仿真结果如图2 所示。使用多物理场耦合仿真软件 Comsol 搭建仿真平台,设定肉类中心温度为-25 益,环境温度为 26 益,模拟 5 min 内肉类所在温度场的动态分布情况。电极设计的依据一部分是通过显微镜观察形状,更重要的是要进行生物阻抗谱仿真,模拟猪肉细胞在电极测试过程中的电场变化。图 2猪肉细胞随机分布在叉指
10、电极间的仿真图1.2电场仿真用 CAD 软件设计出电极的形状(间距、长度),同时优化电极材质。在实验样品的中心安置 1 个温度传感器,中间和表面分别安置 4 个温度传感器,温度传感器均使用绝热材料包裹连接线。将样品从-25 益转移至室温环境时刻起,每隔 10 s 进行一次温度采样,持续5 min。根据实验数据应用热力学第二定律反推肉类导热系数,以此作为修正仿真模型的依据。仿真流程步骤如图 3 所示。1.3电极制作用光刻技术在玻璃培养皿上制作电极。根据目前行业主流技术,确定使用光刻技术进行电极制作。主要研究内容是镀铬衬底制作、镀金工艺以及金电极的图形制作,制作工艺步骤如图 4 所示,图 5为制作
11、完成的叉指电极。图 3阻抗谱电极仿真步骤图 4电子制作工艺步骤1.4进行猪肉细胞阻抗谱测试取猪肉细胞组织涂抹在电极上进行反复测试,观测信号的稳定性,若存在问题需返工优化,直到数据测试误差降低到理想范围。将样品从-25 益转移至 26 益环境下,从而在肉类内部形成动态温度梯度。将检测电极与温度传感器同时插入肉类中,电极间距为 10 mm。使用阻抗分析仪进行扫频实验,激励电压设定为 20mV,在对数坐标轴 1 Hz1 MHz 的频率范围内平均选取60 个点作为测量频率。电极垂直插入样品,深度为10 mm。使用 Matlab 对获得的阻抗谱与温度数据进行分析。变更样品的始末环境温度,重复上述实验,如
12、相同区域等效后宏观电特性误差在 5%以内,则补偿算法有效,否则修正系统参数。本研究中需要对少量肉类和全部的肉类样品进行TVB-N 检测,对全部肉类样品取样时为了确保均一性,将全部肉类充分混合后,取 10 g 样品。在样品中加蒸馏细胞外液细胞内液电极电极细胞膜高频电流低频电流连接外引线建立模拟环境构建几何图形指定材料属性定义物理边界条件结果后处理运行仿真创建网格清洗玻璃基基底镀铬处理再镀 Au 层光刻制作化学腐蚀多余部分55-2024 年 4 期实验 研究智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture水至 100 mL。浸泡 30 min 后过滤,取 5 mL 滤液滴入凯氏
13、定氮仪中。立刻加入 5 ml 的 MgO 溶液(10 g/L)。用预先加入指示剂的硼酸水溶液所吸收挥发性气体,0.01 mol/L 的稀盐酸溶液对吸收液进行滴定,根据国标中的公式计算 TVB-N 值。图 5制作完成的叉指电极实物特征参数提取实验中阻抗谱的检测方式与温度补偿实验相同,实验环境有动态温度场变为 26 益恒温条件,在 36 h 内每隔一小时进行一次数据采集。使用Matlab 进行数据分析,提取阻抗谱的形态特征参数、正交各向异性特征参数、模和相位角。通过对肉类组织电学特性的分析,发现了相位角曲线形态特征随着贮藏时间变化而改变的规律,从而提出形态特征参数的概念。该参数可以消除生物个体差异
14、对测量结果造成的影响。针对建立传统回归模型需要大量实验样本的问题,找到阻抗谱形态特征参数和腐败阶段的联系,提出了非拟合肉类新鲜度预测模型。该模型从机理层面解释了阻抗谱曲线的变化规律,通过阻抗谱的变化规律对细胞液内部机理的变化进行了原理层面的探究。通过实验发现不同样本的猪肉细胞组织在一定特征频率下,阻抗谱的形态特征变化较为明显,能够较为准确地反映猪肉贮藏时间和阻抗谱之间的关系,所以能够通过阻抗谱变化定位猪肉的品质。2低功耗细胞阻抗谱测量设备的设计研究早期的阻抗谱测量仪主要以国外发展为主,这些阻抗谱分析仪价格高、操作复杂,往往需要电脑配合,体积大,需要交流电源供电,不方便携带。结合细胞阻抗谱电极测
15、试过程中发送不同频率交流小信号激励的特性,通过在细胞阻抗谱测试装置中加入基于 EIS 技术的低功耗处理方法,实现便携式现场快速检测的生物检测方法。2.1信号分配路径研究由于细胞阻抗谱测试需要不同频率的交流小信号输入,信号频率在 1 kHz1 MHz,这个信号频率正适合EIS 技术的应用范围,所以在进行细胞阻抗谱检测时同时给电池输入一个正弦波的交流小信号,在电池输出端会产生一个响应信号,记录电池的交变电流响应,由一系列不同频率信号的激励产生响应信号阻抗谱,电池的阻抗谱包含了实部(电阻)和虚部(电抗)2 个方面的信息,这两者共同构成了复阻抗。从电池的电化学阻抗谱中可以提取,获得有关电池内部反应的信
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