CN102203598B - 阻抗测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

可以使用桥接电路来确定离子溶液的阻抗，其中离子溶液包括桥接电路的一个支路，并且由参考时间常数来表征的参考阻抗包括桥接电路的第二支路。该桥由切换的DC电压波形来驱动。在切换之后延迟对离子溶液的测量以使得参考阻抗可以达到其渐近值。可以改变参考阻抗以减小参考时间常数。

Description

阻抗测量系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年10月30日提交的序列号为12/261,600的美国申请的优先权的权益。

技术领域

本公开涉及用于离子液体的阻抗测量系统。

发明内容

可以使用桥接电路来确定离子溶液的阻抗，其中离子溶液包括桥接电路的一个支路，并且由参考时间常数来表征的参考阻抗包括桥接电路的第二支路。该桥接由切换的DC电压波形来驱动。在切换之后延迟对离子溶液的测量以使得参考阻抗可以达到其渐近值。可以改变参考阻抗以减小参考时间常数。

本发明的一个实施例针对一种方法，该方法包括：利用切换的DC电压来驱动桥接电路，该桥接电路具有第一支路和第二支路，第一支路包括包含离子溶液的腔室，第二支路包括具有非零虚部的参考阻抗；在切换之后等待测量时间段；在测量时间段之后测量腔室电压；以及至少基于所测量的腔室电压来计算腔室中离子溶液的阻抗。在一个方面中，切换的DC电压由在大约200Hz与2000Hz之间的切换频率来表征。在一个方面中，测量时间段比表征第二支路中的参考阻抗的时间常数大3倍至10倍左右。在一个方面中，测量时间段比表征第二支路中的参考阻抗的时间常数大5倍左右。在一个方面中，第二支路中的参考阻抗包括与电容器并联的电阻器。在一个方面中，第二支路中的参考阻抗包括与电感器串联的电阻器。在进一步的方面中，改变参考阻抗以减小测量时间段。

本发明的另一实施例针对一种阻抗测量设备，该设备包括：液体腔室，具有第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极与包含在该腔室内的离子溶液相接触；参考阻抗，由参考时间常数来表征；切换的DC电压源，由电压源周期来表征，该切换的DC电压源驱动桥接电路，该桥接电路具有第一支路和第二支路，第一支路包括该第一电极和第二电极，第二支路包括参考阻抗；以及控制器，接收与代表离子溶液的电压相对应的信号，并且基于所接收的信号来计算离子溶液的阻抗，其中控制器在由该控制器确定的测量时间段之后接收该信号。在一个方面中，参考阻抗是与电容器并联的电阻器。在一个方面中，参考阻抗是由该控制器控制的可变阻抗。在一个方面中，参考阻抗是与电感器串联的电阻器。在一个方面中，参考阻抗是由该控制器控制的可变阻抗。在一个方面中，电压源周期对应于在200Hz与2000Hz之间的切换频率。在一个方面中，测量时间段比参考时间常数大3倍至10倍。在一个方面中，测量时间段比参考时间常数大5倍左右。在进一步的方面中，控制器通过改变可变阻抗来减小测量时间段。

本发明的又一实施例针对一种阻抗测量设备，该设备包括：液体腔室，具有第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极与包含在该腔室内的离子溶液相接触；参考阻抗，由参考时间常数来表征；切换的DC电压源，由电压源周期来表征，切换的DC电压源驱动桥接电路，该桥接电路具有第一支路和第二支路，第一支路包括该第一电极和第二电极，第二支路包括参考阻抗；以及控制器，接收与代表离子溶液的电压相对应的信号，并且基于所接收的信号来计算离子溶液的阻抗，其中控制器在测量时间段之后接收该信号，测量时间段大于参考时间常数。在一个方面中，参考阻抗是由该控制器控制的可变阻抗。在一个方面中，该阻抗测量设备用于微流体设备中。

附图说明

图1是图示出本发明主题的一种实施例的流程图。

图2是图示出本发明主题的一种实施例的示图。

图3是图示出本发明主题的另一实施例的示图。

图4是图示出本发明主题的又一实施例的示图。

图5是图示出本发明主题的另一实施例的示图。

具体实施方式

过去25年的研究已经在HIV/AIDS的治疗方面取得了显著的诊疗进步。已经确知，特定白血细胞群(CD4+T淋巴细胞(CD4))的计数是重要的生物学指标。对于感染的所有阶段，建议每年对CD4计数进行二到四次的常规监控。低于200个细胞/μL的CD4计数证实对AIDS的临床诊断并且通常启动抗逆转录病毒治疗(ART)和其他针对机会性感染的治疗。在约350个细胞/μL与约500个细胞/μL之间的CD4计数可以被用作用于进行更频繁的CD4监控或启动ART的阈值。

CD4计数典型地通过如下方式来确定，即首先通过静脉穿刺来收集血液样本，分离血细胞成分，标记目标成分，以及对目标成分进行成像和计数。在具有现代医疗保健基础设施的发达国家，CD4群的收集、制备和计数是标准做法，并且已经开发了诊断设备来使CD4计数过程的一部分自动化。然而，绝大部分感染了HIV的病人都生活在资源有限的环境中，在其中很难有途径通过静脉穿刺来进行血液收集或者甚至将滴管用于诊断性化验中的任何步骤。

已经开发了如下微流体设备，其使得资源有限的环境也可以有途径进行至少一部分诊断性化验。微流体设备的特征可以在于使用大约10μL的非常少量的生物体液，其消除了对例如通过静脉穿刺来进行血液收集的要求。微流体设备的示例在Cheng等人在2006年6月的Lab Chip第1-10页上发表的“A microfluidic device for practicallabel-free CD4+T cell counting of HIV-infected subjects”中以及在M.Toner等人在2005年7月的Annu.Rev.Biomed.Eng.第77-103页上发表的文章中进行了描述，在此通过引用的方式包含其全部内容。这些微流体设备通常需要典型地可通过简单的手指扎刺来获得的很小的样本量，并且提供自动化的样本制备和分离以便用于诊断性化验。微流体设备典型地包括包含溶液和试剂以自动地制备样本的一次性使用抛弃型部分，以及包括控制器和致动器以执行样本处理的可重复使用部分。微流体设备典型地非常便携，并且能够由医护人员之外的本领域中的经过训练的工作人员来操作。对分离后的目标的计数可以使用光学显微镜或自动化细胞计数器来进行。

图1是图示出可以用于便携式微流体设备(又称芯片实验室)中的协议的流程图。出于图示的目的，在以下示例中描述了用于测量血液样本中的CD4计数的协议，但是应当理解，本发明主题的实施例可以应用于其他化验或测量系统，并且本领域技术人员可以基于此处的教导而很容易地想到各种修改，这些修改在所描述的主题的范围内。在110处收集样本。例如，可以使用简单的手指扎刺从受试者抽取大约10μL的血液，然后该便携式设备将样本灌输到微流体腔室。在步骤120处，在微流体腔室中捕获血液的目标成分，例如CD4细胞。微流体腔室典型地表征为具有在1μm至1000μm之间的至少一个腔室尺寸。优选地向一个或多个腔室壁涂覆抗体以捕获样本中的目标细胞，例如CD4细胞。在130处，使用清洗溶液，诸如无菌生理盐水或葡萄糖溶液，从腔室去除样本的其余成分。在某些实施例中，可以以稍高于样本流速的速率向腔室中灌输清洗溶液流。该稍高的流速被认为能够从腔室壁移走和去除非目标成分，从而增大绑定到涂覆腔室壁的抗体的目标细胞的比率。例如，2007年9月20日公布的已公布申请No.WO2007106598描述了用于确定适当的剪切流速的方法和装置，在此通过引用的方式包含其全部内容。在步骤140处，通过将中性溶液，诸如8.5％的蔗糖溶液灌输通过腔室，而从样本腔室去除导电离子。在步骤150处，通过向腔室中灌输2％的蔗糖溶液，使用例如渗透压来使所绑定的CD4细胞破裂。随着所绑定的细胞破裂，包括细胞的细胞质和细胞成分的离子被释放到腔室中，从而形成由该腔室包含的离子溶液。腔室的离子浓度被认为与破裂的细胞的数量成比例。在步骤160处，测量腔室中离子溶液的阻抗，并且在步骤170处，可以使用阻抗与CD4细胞计数之间的预定相关性来根据所测量的阻抗估计目标计数。

图2是图示出用于测量填充腔室的离子溶液的阻抗的实施例的示图。跨桥接电路的节点A和节点C施加电压电源210。电压电源的波形优选地是由幅度+V和-V来表征的方波，在此称为切换的DC电压。电阻器R1和电阻器R2优选地具有完备表征的和精确的电阻值，例如±5％，更优选地为±2％，并且更加优选地为±0.1％，并且可以选择为使得R1＝R2。具有虚分量的参考阻抗220连接在桥接电路的节点D和节点C之间。在图2所示的示例中，参考阻抗220是与电容器Cref并联的电阻器Rref，但是可以将电阻器、电容器和电感器的其他组合用作参考阻抗。微流体腔室250包括连接到桥接电路的节点B的第一电极和连接到桥接电路的节点C的第二电极。在图2所示的示例中，将腔室250中的离子溶液建模为与电容器Ccell并联的电阻器Rcell。

图2所示的示例类似于惠斯登(Wheatstone)桥接电路，区别在于参考电阻和被测电阻被替换为在其阻抗中具有非零虚分量的组件。可以基于本发明主题的教导来适配其他类型的桥接电路。桥接电路的示例包括但不限于Kelvin桥、Maxwell桥、Kelvin Varley滑动电阻以及Kelvin双桥。

在典型的桥接电路中，恒定的DC电压驱动该电路，并且一个桥支路中的未知电阻器的值能够基于桥的另一支路中的已知电阻器的值来确定。然而，当期望的是离子溶液的电阻时，DC电压不能用于驱动桥接电路，这是因为溶液中的离子种类将根据离子的电荷而分离并且改变离子溶液的特性。为了减小电荷分离的效应，切换的DC电压驱动桥接电路。然而，当使用切换的DC电压时，腔室中的离子溶液的反应特性在桥接电路中感应出瞬态响应。在第一近似中，瞬态响应可以由时间常数来表征，该时间常数可能依赖于离子溶液和腔室的几何结构。可以通过如下方式来避免该瞬态的效应，即延迟对细胞电压的测量，直至该瞬态已经充分衰落从而使得该瞬态不会显著影响所测量的细胞电压。然而，在某些实例中，表征瞬态衰落的时间常数可能大至足以使得不可忽略的量的离子分离和电极黏附发生，从而改变离子溶液。在某些实施例中，离子溶液的反应特性通过桥接电路的并联支路中的阻抗Z2来平衡。本发明人已经发现，平衡阻抗Z2并非必须精确地平衡离子溶液的阻抗以减小测量延迟时段，可以通过将Z2选择为使得表征Z2的时间常数接近表征离子溶液的时间常数来获得显著益处。尽管表征离子溶液的时间常数不是先验已知的，并且预计会依赖于细胞计数而改变，但可以根据已报告的研究来估计时间常数的范围，并且可以将表征Z2的时间常数选择为落入所估计的时间常数范围内。在某些实施例中，Z2可以改变，从而使得表征Z2和表征离子溶液的时间常数相匹配。在这种情形下，可以显著地减小测量延迟时段，从而减小离子溶液的改变。

图3是图示出阻抗测量设备的另一实施例的示图。电极370部署在包含离子液体的微流体腔室380中。电极370形成经平衡的桥接电路的一个支路，电阻器R3和电阻器R1以及阻抗Z2320构成桥接电路的其余三个支路。在图3所示的示例中，阻抗320实现为与电容器C2并联的电阻器R2。阻抗Z2可以由时间常数τ＝R2C2来表征。可以选择R2和C2的值使得τ大致等于表征离子液体的预期时间常数τ’。使用CD4计数的示例，预期的CD4计数的相关范围可以从表明需要开始ART的低于200个细胞/μL，经过表明需要增加监控的350-500个细胞/μL，直至表明健康的计数的800个或更多个细胞/μL。对应于破裂的细胞的离子溶液的阻抗与细胞计数之间的相关性可以使用通常无法在现场环境中获得的最先进技术水平的测试设备来确定，并且所得到的相关性可以存储在用于现场的微流体设备中。还可以确定与CD4计数相关范围相对应的预期时间常数范围，并且可以选择R2和C2的值使得τ位于时间常数的预期范围内。在其他实施例中，对应于临床上重要的细胞阈值(诸如200个细胞/μL或500个细胞/μL)的单一时间常数值可以用于选择R2和C2的值。

控制器310利用切换的DC方波来驱动电路，该切换的DC方波的幅度为+V和-V，占空比为50％。对称方波减小了构成离子液体的离子种类在电极370上的黏附。隔离电容器C1阻止了可能由于非对称方波驱动电压而发生的通过腔室380的DC电流，从而消除了对非常精确的驱动电压波形的需要。控制器310接收代表Vref和Vcell的信号，并且使用电子领域技术人员已知的方法基于Vref、Vcell、R3、R1和Z2来计算腔室380中的离子溶液的复阻抗。在某些实施例中，控制器可以计算离子溶液的复阻抗的一部分。

驱动桥接电路的电压波形可以由循环周期T来表征。将循环周期T选择为使得Vcell能够在驱动电压从+V切换到-V或者从-V切换到+V之后与渐近值接近至期望的精确度内，并在细胞电极保持于+V或-V时减小黏附效应。可以选择期望的精确度使得细胞阻抗的总体不确定性低于设计值。如上面的τ≈τ’，因此可以选择T使得T＞＞τ。随着循环周期增大，离子溶液中离子的黏附增加，并且可能取决于微流体腔室的几何结构和腔室电极的间距。在某些实施例中，可以选择循环周期以对应于在200Hz与2000Hz之间并且优选地为大约1000Hz的切换频率。在优选实施例中，在对电压进行切换之后，控制器310可以等待若干时间常数，例如3-10τ，以便测量Vcell并估计细胞阻抗。

图4是图示出阻抗测量设备的又一实施例的示图。在图4中，阻抗Z2420实现为与电阻器R2串联的电感器L2。

图5是图示出阻抗测量设备的另一实施例的示图，其中相同的参考标号指代类似的结构。在图5中，阻抗Z2520包括可由控制器310调节的可变电容器C2。控制器310调节C2使得τ与τ’相匹配。在某些实施例中，时间常数的匹配由控制器310通过如下方式来执行，即在预定的时刻重复地比较所测量的细胞电压并且调节C2，直到所测量的细胞电压不显著改变为止。例如，在电压切换之后，可以每0.05T测量一次细胞电压。如果时间常数大致相同，则在每次测量之间所测量的细胞电压将不会改变。如果例如τ与τ’相差甚远，则每次相继的细胞电压将变化越来越少的量。当控制器检测到相继的细胞电压的改变时，该控制器调节可变电容器以减小相继测量时间处的细胞电压的差异。当细胞阻抗通过Z2进行平衡时，τ可能小于控制器310的采样频率，并且在切换驱动电压之后可以进行对Vcell的精确测量。在其他实施例中，C2可以保持固定，而R2可以改变以减小τ。

上述系统和方法的实施例包括对于本领域技术人员而言显而易见的计算机组件和计算机实现的步骤。例如，本领域技术人员应当理解，控制器包括计算机实现的步骤，这些步骤可以在计算机可读介质上存储为计算机可执行指令，举例而言，这些计算机可读介质诸如软盘、硬盘、光盘、闪速ROM、非易失性ROM以及RAM。另外，本领域技术人员应当理解，计算机可执行指令可以例如在诸如微处理器、数字信号处理器、门阵列等各种各样的处理器上执行。为便于说明，并非上述系统和方法的每个步骤或元件都在此作为计算机系统的部分而描述，但是本领域技术人员将认识到，每个步骤或元件可以具有相应的计算机系统或软件组件。因此，这样的计算机系统和/或软件组件通过描述其相应的步骤或元件(即，其功能性)来实现，并且在本发明的范围内。

在已经如此描述了本发明的至少示例性的实施例的情况下，本领域技术人员可以容易地想到各种修改和改进，并且这些修改和改进预期在本发明的范围内。相应地，前述描述仅通过示例的方式进行，而并非旨在进行限制。本发明仅受限于所附权利要求及其等同形式所进行的限定。

Claims (19)

1.一种阻抗测量方法，包括：

利用切换的DC电压来驱动桥接电路，所述桥接电路具有第一支路和第二支路，所述第一支路包括包含离子溶液的腔室，所述第二支路包括具有非零虚部的参考阻抗；

在切换之后等待测量时间段；

在所述测量时间段之后测量腔室电压；以及

至少基于所测量的腔室电压来计算所述腔室中所述离子溶液的阻抗。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述切换的DC电压由在200Hz与2000HZ之间的切换频率来表征。

3.根据权利要求l所述的方法，其中所述测量时间段比表征所述第二支路中的所述参考阻抗的时间常数大3倍至10倍左右。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量时间段比表征所述第二支路中的所述参考阻抗的时间常数大5倍左右。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二支路中的所述参考阻抗包括与电容器并联的电阻器。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二支路中的所述参考阻抗包括与电感器串联的电阻器。

7.根据权利要求l所述的方法，进一步包括改变所述参考阻抗以减小所述测量时间段。

8.一种阻抗测量设备，包括：

液体腔室，具有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极与包含在所述腔室内的离子溶液相接触；

参考阻抗，由参考时间常数来表征；

切换的DC电压源，由电压源周期来表征，所述切换的DC电压源驱动桥接电路，所述桥接电路具有第一支路和第二支路，所述第一支路包括所述第一电极和所述第二电极，所述第二支路包括所述参考阻抗；以及

控制器，接收与代表所述离子溶液的电压相对应的信号，并且基于所接收的信号来计算所述离子溶液的阻抗，

其中所述控制器在由所述控制器确定的测量时间段之后接收所述信号。

9.根据权利要求8所述的阻抗测量设备，其中所述参考阻抗是与电容器并联的电阻器。

10.根据权利要求8所述的阻抗测量设备，其中所述参考阻抗是由所述控制器控制的可变阻抗。

11.根据权利要求8所述的阻抗测量设备，其中所述参考阻抗是与电感器串联的电阻器。

12.根据权利要求8所述的阻抗测量设备，其中所述电压源周期对应于在200Hz与2000Hz之间的切换频率。

13.根据权利要求10所述的阻抗测量设备，其中所述测量时间段比所述参考时间常数大3倍至10倍。

14.根据权利要求8所述的阻抗测量设备，其中所述测量时间段比所述参考时间常数大5倍左右。

15.根据权利要求10所述的阻抗测量设备，其中所述控制器通过改变所述可变阻抗来减小所述测量时间段。

16.一种微流体设备，包括根据权利要求8所述的阻抗测量设备。

17.一种阻抗测量设备，包括：

液体腔室，具有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极与包含在所述腔室内的离子溶液相接触；

参考阻抗，由参考时间常数来表征；

切换的DC电压源，由电压源周期来表征，所述切换的DC电压源驱动桥接电路，所述桥接电路具有第一支路和第二支路，所述第一支路包括所述第一电极和所述第二电极，所述第二支路包括所述参考阻抗；以及

控制器，接收与代表所述离子溶液的电压相对应的信号，并且基于所接收的信号来计算所述离子溶液的阻抗，

其中所述控制器在测量时间段之后接收所述信号，所述测量时间段大于所述参考时间常数。

18.根据权利要求17所述的阻抗测量设备，其中所述参考阻抗是由所述控制器控制的可变阻抗。

19.一种微流体设备，包括根据权利要求17所述的阻抗测量设备。