CN111239197A - 一种细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置和方法，该装置包括细胞阻抗测量模块、LabVIEW上位机和低纹波±5V电源模块；通过该装置可以在一台仪器上实现细胞电阻抗自动扫频谱、自动持续监测细胞电阻抗并记录的功能，避免了现有仪器不能整合，需要在两种仪器上分别进行细胞电阻抗全频谱扫描，细胞电阻抗持续监测记录的弊端，有利于提高细胞阻抗传感器的性能，可获取更准确的细胞电阻抗数据并进一步分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种细胞电阻抗扫描分析技术领域，具体地涉及一种细胞电阻抗全频谱扫描与快速阻抗扫描一体化的细胞活性检测装置和方法。
背景技术
目前，细胞阻抗检测技术是一种用于细胞活性评估的方法，而且传统的细胞阻抗检测技术通常只具备缓慢的电阻抗全频谱扫描模式，这类阻抗检测细胞工作模式，丢失了大量的检测细胞活性数据，无法检测细胞快速生理变化的信息，此外，细胞阻抗检测技术也有单一频率快速检测的工作模式，然而这种工作模式也丢失了细胞在其他频率下的活性相关数据，因此，单一的细胞阻抗检测模式无法完整的记录细胞活性的数据，成了其全面深入分析细胞活性的限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术无法同时实现细胞阻抗全频谱的快速扫描与细胞阻抗快速扫描一体化的问题，开发了基于LabVIEW的上位机软件与基于跨阻抗放大器芯片实现的细胞阻抗全频谱放大硬件电路的阻抗测量装置，实现了自动快速扫描细胞阻抗全频谱，由上位机自动计算出细胞阻抗灵敏度最大的频率点，并以此频率对细胞进行持续快速的阻抗检测记录，有利于提高细胞阻抗传感器的性能，有利于获取更准确的细胞电阻抗数据并进一步评价分析。
本发明所采用的技术方案是：
一种细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置，包括细胞阻抗测量模块、LabVIEW上位机和低纹波±5V电源模块；
所述细胞阻抗测量模块包括多功能采集卡、扫频信号衰减驱动电路、细胞电阻抗传感器和跨阻抗信号放大模块；所述多功能采集卡包括用于产生扫频信号的扫频信号产生模块、和收集信号的信号采集模块，扫频信号产生模块的输出端与扫频信号衰减驱动电路的输入端相连，扫频信号衰减驱动电路的输出端与细胞电阻抗传感器的输入端相连；细胞电阻抗传感器的输出端与跨阻抗信号放大模块的输入端相连，跨阻抗信号放大模块的输出端与信号采集模块的输入端相连，形成电流回路；多功能采集卡与LabVIEW上位机通过USB数据线连接。
所述扫频信号衰减驱动电路由无源电阻衰减网络和连接在无源电阻衰减网络之后的由运算放大器构成的电压跟随器组成。
所述跨阻抗信号放大模块由跨阻抗放大器电路和电压放大电路组成，所述跨阻抗放大器电路由一电阻、跨阻抗放大器和一用于消除电路中的高频噪声的电容组成，电阻连接跨阻抗放大器的负反馈端和输出端，电容与电阻并联，跨阻抗放大器的输出端连接电压放大电路的输入端。其中跨阻抗放大器的带宽为500KHz，电阻阻值在1KΩ～500KΩ之间，电容容值在0.1pF～100pF之间。
所述LabVIEW上位机用于控制扫频信号产生模块的信号产生，显示和存储细胞电阻抗传感器得到的数据。
所述低纹波±5V电源模块用于为细胞阻抗测量模块提供稳定的电源；
进一步地，所述细胞电阻抗传感器由叉指电极组成。
进一步地，所述LabVIEW上位机包括全频谱自动扫描模块和电阻抗持续监测模块；全频谱自动扫描模块用于控制扫频信号产生模块产生全频谱信号对细胞进行全频谱扫描，显示、存储细胞电阻抗传感器得到的数据并计算细胞阻抗的特征频率。电阻抗持续监测模块用于控制扫频信号产生模块产生特定频率，并记录和持续显示细胞阻抗值随测试时间的变化曲线。
进一步地，所述低纹波±5V电源模块包括依次连接的EMI滤波电路、变压器、桥式整流电路、扼流线圈一、正负5V线性稳压芯片和LC滤波电路，所述EMI滤波电路输入端与220V市电连接，变压器的初级线圈和EMI滤波电路输出端连接，变压器的次级线圈和桥式整流电路的输入端连接，所述桥式整流电路的正负端分别与扼流线圈一的两个输入端连接，扼流线圈一的输出端与正负5V线性稳压芯片的输入端连接，线性稳压芯片的输出端与LC滤波电路连接；所述LC滤波电路的电感由扼流线圈二首尾相连组成。
本发明还提供了一种上述细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置的细胞阻抗测量方法，包括如下步骤：
S01:在细胞电阻抗传感器内放入有活体细胞的PBS溶液，将细胞电阻抗传感器(6)插到细胞阻抗测量模块上。
S02:启动LabVIEW上位机控制扫频信号产生模块产生全频谱信号，持续对细胞进行全频谱扫描，实时记录全频谱信号的细胞阻抗值，绘制并显示阻抗曲线图。
S03:根据全频谱信号和对应测得的电压值计算出细胞阻抗值，找到细胞阻抗灵敏度最大的频率点f为特征频率。
S04:LabVIEW上位机重新控制扫频信号产生模块产生特征频率f对细胞进行持续快速的阻抗测试，实时记录、绘制并显示阻抗曲线图。
进一步地，所述步骤S02还包括设置好自动扫描的信号幅值、扫频范围、扫描速度，以及持续监测的时间间隔、单次采样时间、测量次数。
进一步地，所述步骤S02中，全频谱信号的频率范围为1Hz～500kHz，幅值大小为0.1～5V，加载到细胞电阻抗传感器上的信号幅值不大于10mV。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以在一台仪器上实现细胞电阻抗自动扫频谱、自动持续监测细胞电阻抗并记录的功能，避免了现有仪器不能整合，需要在两种仪器上分别进行细胞电阻抗全频谱扫描，细胞电阻抗持续监测记录的弊端，有利于提高细胞阻抗传感器的性能，有利于获取更准确的细胞电阻抗数据并进一步分析。本发明装置使阻抗检测系统同时具备全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的检测功能，从而有利于获取完整的细胞活性信息。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：
图1是本发明多路细胞全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的装置记录装置结构示意图；
图2是本发明多路细胞全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的装置记录装置的原理框图；
图3是本发明多路细胞全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的装置记录装置的阻抗结果图；
图4是本发明多路细胞全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的装置记录装置的持续监测记录细胞电阻抗结果图，其中，时间间隔为10min，单次采样时间10s，单点时程为2ms，测量次数为99次；
图5是本发明多路细胞全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的装置记录装置的工作流程图。
图6是本发明多路细胞全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的装置记录装置的扫频信号衰减驱动电路图。
图7是本发明多路细胞全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的装置记录装置8路跨阻抗信号放大模块中某一路的电路图。
图中，LabVIEW上位机1、USB接口2、多功能采集卡3、扫频信号衰减驱动电路4、金属屏蔽盒5、细胞电阻抗传感器6、跨阻抗信号放大模块7、低纹波±5V电源模块8、接口9、USB数据线10。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清晰明了，下面通过结合一个具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、2所示，一种细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置，包括细胞阻抗测量模块、LabVIEW上位机1和低纹波±5V电源模块8；
所述细胞阻抗测量模块包括多功能采集卡3、扫频信号衰减驱动电路4、细胞电阻抗传感器6和跨阻抗信号放大模块7；所述多功能采集卡3包括用于产生扫频信号的扫频信号产生模块、和收集信号的信号采集模块，扫频信号产生模块的输出端与扫频信号衰减驱动电路4的输入端相连，扫频信号衰减驱动电路4的输出端与细胞电阻抗传感器6的输入端相连；细胞电阻抗传感器6的输出端与跨阻抗信号放大模块7的输入端相连，跨阻抗信号放大模块7的输出端与信号采集模块的输入端相连，形成电流回路；多功能采集卡3与LabVIEW上位机通过USB数据线连接。
如图6所示，所述扫频信号衰减驱动电路4由无源电阻衰减网络和连接在无源电阻衰减网络之后的由运算放大器构成的电压跟随器组成。其中，无源电阻衰减网络可采用1：100的衰减比例，电压跟随器的型号可采用OPA209，OPA2227，但不限于此。
如图7所示，所述跨阻抗信号放大模块7由跨阻抗放大器电路和电压放大电路组成，所述跨阻抗放大器电路由一电阻、跨阻抗放大器和一用于消除电路中的高频噪声的电容组成，电阻连接跨阻抗放大器的负反馈端和输出端，电容与电阻并联，跨阻抗放大器的输出端连接电压放大电路的输入端。其中跨阻抗放大器的带宽为500KHz，电阻阻值在1KΩ～500KΩ之间，电容容值在0.1pF～100pF之间。在大电阻上并联一个小电容，组成消除噪声的负反馈网络，可以进一步消除跨阻抗放大器的噪声。其中，跨阻抗放大器的型号可采用LTC6269或者LTC6268，电压放大电路的型号可采用LMH6622，但不限于此。
所述LabVIEW上位机用于控制扫频信号产生模块的信号产生，显示和存储细胞电阻抗传感器6得到的数据。
所述低纹波±5V电源模块8用于为细胞阻抗测量模块提供稳定的电源；低纹波±5V电源模块8包括依次连接的EMI滤波电路、变压器、桥式整流电路、扼流线圈一、正负5V线性稳压芯片和LC滤波电路，所述EMI滤波电路输入端与220V市电连接，变压器的初级线圈和EMI滤波电路输出端连接，变压器的次级线圈和桥式整流电路的输入端连接，所述桥式整流电路的正负端分别与扼流线圈一的两个输入端连接，扼流线圈一的输出端与正负5V线性稳压芯片的输入端连接，线性稳压芯片的输出端与LC滤波电路连接；所述LC滤波电路的电感由扼流线圈二首尾相连组成。
作为优选方案，所述装置还包括一金属屏蔽盒5，用于置放细胞阻抗测量模块，降低外界对微弱小电流信号的干扰。所述细胞电阻抗传感器6由叉指电极组成。另外，LabVIEW上位机1包括全频谱自动扫描模块和电阻抗持续监测模块，如图3和4所示；全频谱自动扫描模块用于控制扫频信号产生模块产生全频谱信号对细胞进行全频谱扫描，显示、存储细胞电阻抗传感器6得到的数据并计算细胞阻抗的特征频率。电阻抗持续监测模块用于控制扫频信号产生模块产生特定频率，并记录和持续显示细胞阻抗值随测试时间的变化曲线。
另外，多功能采集卡3的信号采集模块以及跨阻抗信号放大模块7优选为八路，叉指电极为8对，能实现8路电阻抗数据的快速采集。
整个装置的电信号传输过程为：
扫频激励信号由LabVIEW上位机1通过USB数据线10控制多功能采集卡3按照设定参数产生。激励信号经过扫频信号衰减驱动模块4后，送入到由八对叉指电极组成的细胞电阻抗传感器6中。细胞电阻抗传感器输出的微弱电流送入八路跨阻抗信号放大模块7，八路跨阻抗信号放大模块7将电流信号先放大为电压信号，再经过一级电压放大器后由多功能采集卡3内部的八路信号采集模块转换为数字信号，通过USB线缆10送入LabVIEW上位机1中进行处理。
上述细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置的细胞阻抗测量方法，其工作流程如图5所示，具体包括如下步骤：
S01:在细胞电阻抗传感器6内放入有活体细胞的PBS溶液，将细胞电阻抗传感器6插到细胞阻抗测量模块上。
S02:启动LabVIEW上位机1控制扫频信号产生模块产生全频谱信号，持续对细胞进行全频谱扫描，实时记录全频谱信号的细胞阻抗值，绘制并显示阻抗曲线图，结果如图3所示。
S03:根据全频谱信号和对应测得的电压值计算出细胞阻抗值，找到细胞阻抗灵敏度最大的频率点f为特征频率。
S04:LabVIEW上位机1重新控制扫频信号产生模块产生特征频率f对细胞进行持续快速的阻抗测试，实时记录、计算、显示并绘制阻抗曲线图，实现长期监测记录的目的，其结果如图4所示，图4为8通道实验结果。
本发明装置使用LabVIEW上位机1通过多功能采集卡3得到频谱数据后，自动计算在细胞电阻抗全频谱扫频范围内的阻抗值，找到阻抗最高值所对应频率点f，作为下一步持续监测细胞电阻抗的扫描频率，并自动开始检测记录。使阻抗检测系统同时具备全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的检测功能，从而有利于获取完整的细胞活性信息。使用本发明装置和方法，30秒时间即可获得8路细胞传感器的阻抗全频谱数据，相比于传统测试装置，本发明能同时具备全频谱阻抗测量与快速阻抗测量一体化的检测功能，能快速、准确地获取完整的细胞活性信息以用作后续分析。
Claims (7)
1.一种细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置，其特征在于，包括细胞阻抗测量模块、LabVIEW上位机(1)和低纹波±5V电源模块(8)；
所述细胞阻抗测量模块包括多功能采集卡(3)、扫频信号衰减驱动电路(4)、细胞电阻抗传感器(6)和跨阻抗信号放大模块(7)；所述多功能采集卡(3)包括用于产生扫频信号的扫频信号产生模块、和收集信号的信号采集模块，扫频信号产生模块的输出端与扫频信号衰减驱动电路(4)的输入端相连，扫频信号衰减驱动电路(4)的输出端与细胞电阻抗传感器(6)的输入端相连；细胞电阻抗传感器(6)的输出端与跨阻抗信号放大模块(7)的输入端相连，跨阻抗信号放大模块(7)的输出端与信号采集模块的输入端相连，形成电流回路；多功能采集卡(3)与LabVIEW上位机(1)通过USB数据线连接。
所述扫频信号衰减驱动电路(4)由无源电阻衰减网络和连接在无源电阻衰减网络之后的由运算放大器构成的电压跟随器组成。
所述跨阻抗信号放大模块(7)由跨阻抗放大器电路和电压放大电路组成，所述跨阻抗放大器电路由一电阻、跨阻抗放大器和一用于消除电路中的高频噪声的电容组成，电阻连接跨阻抗放大器的负反馈端和输出端，电容与电阻并联，跨阻抗放大器的输出端连接电压放大电路的输入端。其中跨阻抗放大器的带宽为500KHz，电阻阻值在1KΩ～500KΩ之间，电容容值在0.1pF～100pF之间。
所述LabVIEW上位机用于控制扫频信号产生模块的信号产生，显示和存储细胞电阻抗传感器(6)得到的数据。
所述低纹波±5V电源模块(8)用于为细胞阻抗测量模块提供稳定的电源。
2.根据权利要求1所述细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置，其特征在于，所述细胞电阻抗传感器(6)由叉指电极组成。
3.根据权利要求1所述细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置，其特征在于，所述LabVIEW上位机(1)包括全频谱自动扫描模块和电阻抗持续监测模块；全频谱自动扫描模块用于控制扫频信号产生模块产生全频谱信号对细胞进行全频谱扫描，显示、存储细胞电阻抗传感器(6)得到的数据并计算细胞阻抗的特征频率。电阻抗持续监测模块用于控制扫频信号产生模块产生特定频率，并记录和持续显示细胞阻抗值随测试时间的变化曲线。
4.根据权利要求1所述细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置，其特征在于，所述低纹波±5V电源模块(8)包括依次连接的EMI滤波电路、变压器、桥式整流电路、扼流线圈一、正负5V线性稳压芯片和LC滤波电路，所述EMI滤波电路输入端与220V市电连接，变压器的初级线圈和EMI滤波电路输出端连接，变压器的次级线圈和桥式整流电路的输入端连接，所述桥式整流电路的正负端分别与扼流线圈一的两个输入端连接，扼流线圈一的输出端与正负5V线性稳压芯片的输入端连接，线性稳压芯片的输出端与LC滤波电路连接；所述LC滤波电路的电感由扼流线圈二首尾相连组成。
5.一种权利要求1所述细胞全频谱阻抗与快速阻抗测量一体化的装置的细胞阻抗测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01:在细胞电阻抗传感器(6)内放入有活体细胞的PBS溶液，将细胞电阻抗传感器(6)插到细胞阻抗测量模块上。
S02:启动LabVIEW上位机(1)控制扫频信号产生模块产生全频谱信号，持续对细胞进行全频谱扫描，实时记录全频谱信号的细胞阻抗值，绘制并显示阻抗曲线图。
S03:根据全频谱信号和对应测得的电压值计算出细胞阻抗值，找到细胞阻抗灵敏度最大的频率点f为特征频率。
S04:LabVIEW上位机(1)重新控制扫频信号产生模块产生特征频率f对细胞进行持续快速的阻抗测试，实时记录、绘制并显示阻抗曲线图。
6.根据权利要求5所述的细胞阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤S02还包括设置好自动扫描的信号幅值、扫频范围、扫描速度，以及持续监测的时间间隔、单次采样时间、测量次数。
7.根据权利要求5所述的细胞阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤S02中，全频谱信号的频率范围为1Hz～500kHz，幅值大小为0.1～5V，加载到细胞电阻抗传感器(6)上的信号幅值不大于10mV。
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