活细胞浓度和电导率测量系统设计

杨 凯，张会新，梁永刚

（1.中北大学电子测量技术重点实验室，山西太原 030051；2.中国人民解放军68216 部队，北京 100076）

细胞是生态系统的重要组成部分，其中细胞浓度和电导率能够有效地反映细胞的增长过程[1]。细胞浓度指细胞的数量信息，电导率是表征细胞溶液中带电粒子的总量，这两个参数在细胞研究领域有着很重要的作用。电容法在测量细胞浓度和电导率方面具有分辨率高、动态响应快、功率损耗小等优势。在测量系统研制方面，英国ABER 仪器公司和法国FOGALE 生物科技公司已经制造出商业化的活细胞在线分析仪[2]，测量活细胞浓度和电导率都是应用电容法，但设备价格昂贵，而且维护不便。国内用于监测生物细胞生长的测量系统十分匮乏，基于电容法测量细胞浓度和电导率的仪器大部分只能依靠国外进口，为我国生物行业的发展带来了层层阻碍[3]。

该文的实验对象为活体细胞液，利用电容法对细胞浓度及细胞液的电导率进行测量与分析，设计出了一种基于电容法的活细胞浓度和电导率测量系统，该系统节约人力，成本较低，只对活细胞浓度有响应，对使用场景要求不高，并可以实现小型化，便于规模化生产和维护。可以用于医疗卫生、药物研发、生物发酵等重要领域[4]。

1 电容法测量原理

当前国内普遍使用的活细胞传感仪均来自英国ABER 仪器公司和法国FOGALE Nanotech 公司。仪器采用的原理基本一致，探头有四针式和四环式两种，在一定的频率范围内，细胞会在探头的一对电极产生的交变电场作用下发生极化，这时的细胞可以视作一个个极小的电容，另一对电极用于测定细胞溶液中的电容信号，经过一系列的信号处理和软件分析，最终得到待测的电容值。当交变电场的频率发生改变时，细胞液的检测电容值也会发生相应的改变。不同的电场频率对应着细胞不同的极化状态，而使细胞刚好极化到一半处的电场频率，称之为特征频率，用fc表示，在fc处测量细胞的浓度，测量的时候会发现，其活细胞浓度大，电容值就大；活细胞浓度小，电容值就小，电容值和细胞的大小没有丝毫的关系。

2 系统整体设计

该系统主要由以下几部分构成：分压电阻的幅值解调模块、检测信号调理模块、交变信号源模块、采集电路和上位机软件[5]。首先激励源输出扫频信号，找出细胞液的特征频率，即细胞极化到一半时对应的频率，得出电路中电流值与频率的变化曲线，之后再由激励源输出频率稳定的信号来进行细胞液浓度和电导率的测量，接收到的信号通过解调放大后，传输给采样电路；分压电阻电压解调电路的作用简单来说就是为了解调分压电阻的电压；采集电路模块的作用是将模拟信号转为数字信号，并传送到上位机，上位机对接收到数字信号进行处理记录。测量系统示意图如图1所示，系统整体布局如图2所示。

图1 活细胞浓度和电导率测量系统示意图

图2 系统结构图

3 系统硬件设计

3.1 激励信号源设计

该系统采用FPGA控制DDS的设计方案来实现信号源的设计。FPGA与DDS结合可使电路更简单，实现输出固定可调频率的电压信号，并且可通过程序设定扫频输出模式，不仅结构简单，而且精度高，完全满足该系统要求。图3为激励信号源设计方案示意图。

图3 激励信号源设计方案图

3.2 信号调理模块设计

该设计在采集前端设计了一种包含同步解调的信号调理电路。该电路包括差分接收电路、同步解调电路及低通滤波电路。同步解调电路中包含解调器，能够实现信号频谱的分离[6]。通过后续的低通滤波器，滤除高频谐波分量，从而保留原始信号并进行幅值解调,起到抑制噪声的作用。调理电路模块示意图如图4 所示。

图4 调理电路模块示意图

3.3 分压电阻电压解调电路设计

分压电阻两端电压通过差分放大电路进行放大，差分放大电路如图5 所示，设计差分放大倍数为0.5 倍，放大电路的输出信号与同频信号通过乘法器相乘，最后与低通滤波电路相接，低通滤波器可以去掉高频信号，保留低频信号的幅值信息。

图5 分压电阻调理差分接收部分电路

3.4 采集传输电路设计

信号在通过上述调理电路后，就可以对其进行模数转换[7]。调理电路的输出信号是低频信号，因此在进行数模转换时不需要很高的采样率。文中采用基于ARM 的STM32F 主控芯片，利用内部集成的AD模块来实现模数转换功能。

采集芯片采用STM32F378VC，有3个ADC Sigma-Delta 采集转换模块，转换位数为16 位，有100 个引脚，芯片周围引脚连接如图6 所示。VDD=VDDA=3.3 V，VSS=GND，采样率fADC=1.5 MHz，VEFSD-接地，采集信号输入采用单端模式，范围为VREFSD-～VREFSD+，因为VREFSD-为GND，VREFSD+为3.3 V，即被采集信号的输入范围为0～3.3 V[8]。

图6 STM32F378VC最小系统图

4 系统逻辑设计

4.1 信号源控制逻辑设计

该系统采用频率为40 MHz 的晶振，接到芯片的时钟引脚，芯片内部可以通过时钟倍频控制器设置倍频系数，系统设置倍频为5 倍，地址为1E，即将00101 写入倍频控制器，此时AD8954 的工作频率为200 MHz[9]。

OSK 模式下将地址为20 的寄存器的第5 位变为高电平，这样就能实现幅值控制倍数的功能。当OSK 引脚的电平为高电平时，其幅值为零到满量程；为低电平时，幅值的变化状态相反。I 通道和Q 通道的幅度乘法倍数控制寄存器地址范围分别为21～22、23～24，每个通道的控制字都是12 位[10]。

4.2 采集板控制逻辑设计

该设计目前采用STM32F378RC 芯片，由于工作频率能够达到72 MHz，且内置浮点运算单元，能够在-40～+105 ℃范围内稳定工作[11]，设置每个通道的采样周期为239.5 s，根据手册设计分频系数为6，采样时间即可确定为T=t+12.5=252 s，需要说明的是，采样周期越长，其采样的准确性越好，因为是在这段时间内的一个值，避免了出现极值，影响后面的计算。通过上面的采样时间和工作频率，即可确定采样频率约为47 kHz，完全满足信号调理电路输出的信号频率对其采集的要求。其次，由于芯片内部自带了3 个16 位的Sigma-Delta AD 转换单元，前期即可满足设计而不用外加采集芯片，另外，采样位数为16 位，其采样精度已经达到了0.05 mV，完全满足精度要求。

4.3 上位机数据处理流程

由于实时性的要求，软件不能将串口读取数据的工作在界面线程中进行，这样会在循环读取数据和计算时将界面卡顿掉，因此将读取窗口数据的程序moveToThread 移动到工作线程中去进行，工作线程将数据循环读取并根据公式实时计算出结果后，通过信号槽机制将此数据发送到界面线程中[12]。将moveToThread 移动到工作线程和平常使用的QThread 在run 方法中的写程序过程相比，这个工作线程中每个槽函数都可以在线程中执行槽函数，方便发送信号到界面线程的槽函数中，此外工作线程还可以将此数据保存到本地文件中，方便软件查看历史数据曲线。工作线程在接收到自定义协议的数据后按照前面所述将数据解析出来，并经计算实时显示到前端界面上，同时界面线程在接收到用户的点击等操作时，会将该数据按照自定义协议格式封装为一个包，通过串口的形式发送到下位机中[13]。整个工作线程的流程如图7 所示。

图7 工作线程流程

5 测试结果与分析

5.1 浓度测试结果

通过将激励源输出模式设置为扫频模式，利用酵母菌溶液进行测试，测得酵母菌溶液的特征频率约为625 kHz。将激励源输出模式设置为单频模式，对不同浓度的酵母菌溶液进行测量，将酵母菌溶液浓度值与得到的介电常数结果进行数据拟合，得到的拟合曲线如图8 所示。拟合公式为y=0.072 8x-0.124。

图8 介电常数和活细胞浓度关系拟合图

曲线的拟合优度R2达到了0.979 9，这代表介电常数和活细胞浓度有着良好的线性关系[14]。

为验证拟合曲线的准确性，选取了3 种不同浓度的酵母菌溶液，浓度分别为4.47×1010/mL、2.14×1010/mL、0.53×109/mL，分别使用该测量系统进行测试，得到介电常数值见表1，根据浓度与介电常数拟合曲线与拟合图，得到与之对应的浓度值，将使用该测量系统测得的浓度与已知浓度进行对比，可以发现，测量误差分别为-0.18%、0.34%、-0.15%，基本可以实现较准确的浓度测量。

表1 标准细胞液浓度与测量值比对表

5.2 电导率测试结果

电导率可以通过测量得到的检测端电压与分压电阻两端的电压值来进行计算，计算公式为：

环形电极间存在着非均匀的电场，这是由于环形电极的形状不是规则的平板电极造成的，因此在测试前需要对环形电极进行标定操作[15]。由于氯化钾溶液的电导率在不同浓度温度下都很稳定，因此选择氯化钾溶液进行标定[16]。系统中电极常数k的值为1.2。将测量所得到的电导率和标准液电导率的值进行对比，发现电导率的测量误差均小于0.5%。具体测量结果如表2 所示。

表2 电导率测量结果

6 结束语

该系统利用电容法，基于FPGA 控制芯片，实现了对细胞浓度和电导率的测量。将结果上传到上位机进行剔除粗大误差处理，排除了其他外界因素的影响，保证了精度。测试结果表明，对细胞液的测量误差小于0.4%，对电导率的测量误差小于0.5%，且测量范围可以达到40 mS/cm，满足设计要求。该系统有集成化、数字化等优势，并且价格低廉，测量范围较广，在生物监测方面具有重要的意义。