KR100530689B1 - Highly time resolved impedance spectroscopy - Google Patents

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KR100530689B1 KR10-2002-7004657A KR20027004657A KR100530689B1 KR 100530689 B1 KR100530689 B1 KR 100530689B1 KR 20027004657 A KR20027004657 A KR 20027004657A KR 100530689 B1 KR100530689 B1 KR 100530689B1
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Abstract

A highly time resolved impedance spectroscopy that enhances the measurement of the dynamics of non-stationary systems with enhanced time resolution. The highly time resolved impedance spectroscopy includes an optimized, frequency rich a.c., or transient, voltage signal is used as the perturbation signal, non-stationary time to frequency transformation algorithms are used when processing the measured time signals of the voltage and current to determine impedance spectra which are localized in time; and the system-charachterizing quantities are determined from the impedance spectra using equivalent circuit fitting in a time-resolution-optimized form.

Description

고시간 분해된 임피던스 분광학{Highly time resolved impedance spectroscopy} Highly time resolved impedance spectroscopy

관련 출원Related Applications

본 출원은 본원에 참조로서 그대로 합체되는 계류중인 1999년 10월 12일에 출원된 제목 "HIGHLY TIME RESOLVED IMPEDANCE SPECTROSCOPY"의 독일특허출원 제19949107.0호 및 200년 4월 15일에 출원된 제목 "HIGHLY TIME RESOLVED IMPEDANCE SPECTROSCOPY"의 독일특허출원 제10018745.5호를 우선권으로 주장한다.This application is subject to the German patent application Ser. No. 19949107.0, filed on October 12, 1999, filed on October 12, 1999, which is incorporated herein by reference, and the title "HIGHLY TIME, filed on April 15, 200. RESOLVED IMPEDANCE SPECTROSCOPY "German Patent Application No. 10018745.5 is claimed as priority.

배경background

1. 발명의 분야1. Field of Invention

본 발명은 통상적으로 전기 임피던스 측정에 관한 것으로, 특히 전기화학 임피던스 분광학(electrochemical impedance spectroscopy)에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to electrical impedance measurements, and more particularly to electrochemical impedance spectroscopy.

2. 관련 기술의 설명2. Description of related technology

임피던스 분광학은 연구된 시스템들의 전기 및 전기화학적 특성들 및 시간에 따른 변화들을 특징지우는데 사용되는 절차이다. 통상적으로, 작동 전극(working electrode)과 보조 전극(counter electrode) 간에 교류 전압 신호가 인가된다. 적용가능한 경우, 동시에 인가된 직류 바이어스 전압이 기준 전극(reference electrode)으로 모니터링된다. 시스템의 전류 응답뿐만 아니라, 상기 인가된 교류 전압 신호 모두가 측정된다. 시스템의 복소 전기 저항(임피던스 Z(ω)로 지칭)은 주파수 함수로서 등식(1)에 따라 주파수 범위에서 전압 및 전류 신호들의 지수들로부터 계산될 수 있다. 다수의 주파수들에 대한 임피던스 값들은 임피던스 스펙트럼을 규정한다.Impedance spectroscopy is a procedure used to characterize the electrical and electrochemical properties and the changes over time of the studied systems. Typically, an alternating voltage signal is applied between the working electrode and the counter electrode. Where applicable, the DC bias voltage applied at the same time is monitored with a reference electrode. In addition to the current response of the system, all of the applied alternating voltage signals are measured. The complex electrical resistance of the system (referred to as impedance Z (ω)) can be calculated from the exponents of the voltage and current signals in the frequency range according to equation (1) as a function of frequency. Impedance values for multiple frequencies define the impedance spectrum.

시스템의 여러 전기 특성들 또는 전기화학적 과정들은 임피던스 스펙트럼의 특성들로부터 얻어질 수 있다. 특히 직류가 흐를 수 없는 시스템들에 대해서는 연구에 교류 또는 과도 전압 신호들이 사용되어야 한다. 임피던스 분광학의 고급 정보 내용으로 인해, 이것은 종종 임피던스 스펙트럼를 측정하는데 바람직한 기술로서 쓰인다. 예를 들어 전기화학에서, 임피던스 분광학은 이를테면 부식 과정들, 산화 환원 반응들, 액체 및 고체 전해질들, 얇은 폴리머 막들, 막들, 배터리들을 연구하는 표준 분석 기술이다. 여러 논문들은 전기화학 임피던스 분광학의 기술과 응용의 개론 및 개요를 제공하고 있다. 본원에 참조로서 그대로 합체되는 J.R. MacDonald : "Impedance Spectroscopy"(John Wiley & Sons, 뉴욕: 1987년) 및 C.Gabrielli : Technical Report No. 제004/83.1983호 ; C.Gabriell : Technical Report No. part. 제12860013.1990호를 참조.Various electrical characteristics or electrochemical processes of the system can be obtained from the characteristics of the impedance spectrum. Especially for systems where direct current cannot flow, alternating or transient voltage signals should be used in the study. Because of the advanced information content of impedance spectroscopy, this is often used as a desirable technique for measuring impedance spectra. In electrochemistry, for example, impedance spectroscopy is a standard analytical technique for studying corrosion processes, redox reactions, liquid and solid electrolytes, thin polymer films, films, batteries, and the like. Several papers provide an overview and overview of the techniques and applications of electrochemical impedance spectroscopy. JR MacDonald: “Impedance Spectroscopy” (John Wiley & Sons, New York: 1987) and C. Gabrielli: Technical Report No. , incorporated herein by reference . 004 / 83.1983; C.Gabriell: Technical Report No. part. See No. 12860013.1990.

또한 임피던스 분광학은 반도체 재료들을 특징지우는데 사용된다. A. Bard 의 Electrochemical Methods.(Wiley & Sons, 뉴욕: 1980년)를 참조; 생명공학(biotechonology)에서는, B.A. Cornell, Braach-Maksvytis, L.G. King 등의 "A Biosensor that Uses Ion-channel Switches." Nature. 387, 페이지 580 내지 583(1997년). S. Gritsch, P. Nollert, F. Jahnig 등의 "Impedance Spectroscopy of Porin and Gramicidin Pores Reconstituted into Supported Lipid Bilayers on Indiu-Tin-Oxide Electrodes." Langmuir. 14(11), 3118 내지 3125(1998년)를 참조. 위의 참고된 공보들 모두는 본원에 참조로서 그대로 합체된다.Impedance spectroscopy is also used to characterize semiconductor materials. A. Bard's Electrochemical Methods. (Wiley & Sons, New York: 1980); In biotechonology, BA Cornell, Braach-Maksvytis, LG King et al., "A Biosensor that Uses Ion-channel Switches." Nature. 387, pages 580-583 (1997). S. Gritsch, P. Nollert, F. Jahnig et al., "Impedance Spectroscopy of Porin and Gramicidin Pores Reconstituted into Supported Lipid Bilayers on Indiu-Tin-Oxide Electrodes." Langmuir . 14 (11), 3118-3125 (1998). All of the above referenced publications are incorporated herein by reference in their entirety.

임피던스 분광학의 사용은 특히 생명공학 분야에서 크게 증가하고 있다. 대부분의 경우, 전극들은 생체기능 분자들 및 집합들의 화학적 또는 물리적 결합에 의해 변경된다(예를 들어, 지질막/단백질막). 또한 임피던스 분광학은 흡착 과정들을 검출하는데 사용된다.The use of impedance spectroscopy is increasing significantly, especially in the field of biotechnology. In most cases, the electrodes are altered by chemical or physical bonding of biofunctional molecules and sets (eg, lipid membrane / protein membrane). Impedance spectroscopy is also used to detect adsorption processes.

임피던스 분광학의 두가지 형태의 방법, 즉, 임피던스 스펙트럼을 측정하는 주파수 범위에서의 방법Ⅰ과 시간 범위에서의 방법Ⅱ가 있다. There are two types of impedance spectroscopy methods: method I in the frequency range and method II in the time range for measuring the impedance spectrum.

방법Ⅰ(주파수 범위 진행): 제 1 형태로, 일정 주파수 및 진폭에서 정현파 신호(sinusoidal signal)가 이산 기간 내에 인가되어, 이 이산 주파수의 복소 임피던스(complex impedance)가 결정된다. 스펙트럼을 얻기 위하여, 서로 다른 주파수들에서 정현파 신호들이 인가된다. 결정된 스펙트럼이 서로 따르는 시간 길이로 규정되는 시간 분해(time resolution)는 이 형태의 임피던스 분광학에서는 낮다. 스펙트럼을 구성하는 데이터 기록들을 획득하기 위한 시간은 스펙트럼에 포함되는 다수의 가장 낮은 주파수의 기간이다. 또한 정확한 지속 기간은 스펙트럼내의 주파수들의 수에 의존한다. 다음의 주파수 변화에서, 균형을 이루기 위해 천이 기간(transition period)이 시스템에서 고려된다. 종래의 스펙트럼 시퀀스의 시간 분해는 관측된 주파수 대역에 의존하여 수 초 내지 수 분이다.Method I (Frequency Range Progression): In a first form, a sinusoidal signal at a constant frequency and amplitude is applied within a discrete period so that the complex impedance of this discrete frequency is determined. To obtain the spectrum, sinusoidal signals are applied at different frequencies. The time resolution, defined by the length of time that the determined spectra follow each other, is low in this form of impedance spectroscopy. The time for acquiring the data records making up the spectrum is the period of the plurality of lowest frequencies included in the spectrum. The exact duration also depends on the number of frequencies in the spectrum. At the next frequency change, a transition period is considered in the system to balance. The time decomposition of a conventional spectral sequence is several seconds to several minutes depending on the observed frequency band.

방법Ⅱ(시간 범위 진행): 제 2 형태로, 구형파(square wave) 펄스들, 구조화된 또는 화이트 노이즈와 같은 주파수 리치 교류 전압 신호가 인가된다. 푸리에 변환을 사용함으로써, 전압 및 전류 신호의 시간 경과의 신호 데이터 기록으로부터 임피던스 스펙트럼이 결정될 수 있다. 따라서, 임피던스 스펙트럼은 대역폭 및 주파수 분해에 대하여 공지된 푸리에 변환의 제한들에 의해 제한된다. 측정 시간은 보통 적어도 관심의 스펙트럼에서 최저 주파수의 한 기간만큼 길다. 통상적으로, 스펙트럼에서의 최저 주파수의 여러 기간들 중 측정 기간은 신호 대 노이즈 비를 충분히 향상시키도록 요구된다. 최대 시간 분해는, 푸리에 변환에 대한 데이터 기록들 또는 세트들이 획득되는 반복율에 의존한다. 스펙트럼의 모든 주파수들의 임피던스가 이 방법으로 동시에 측정되기 때문에, 시간 분해는 통상 제 1 방법의 시간 분해보다 훨씬 양호하다. Method II (Time Range Progression): In a second form, a frequency rich alternating voltage signal, such as square wave pulses, structured or white noise, is applied. By using Fourier transform, the impedance spectrum can be determined from the signal data recording of the voltage and current signals over time. Thus, the impedance spectrum is limited by known Fourier transform limitations for bandwidth and frequency resolution. The measurement time is usually at least as long as one period of the lowest frequency in the spectrum of interest. Typically, the measurement period of the various periods of the lowest frequency in the spectrum is required to sufficiently improve the signal to noise ratio. The maximum time decomposition depends on the repetition rate at which data records or sets for the Fourier transform are obtained. Since the impedance of all frequencies in the spectrum is measured simultaneously in this way, time resolution is usually much better than the time resolution of the first method.

방법Ⅰ은 보통 정상(定常; stationary) 시스템들 또는 느린 동역학(slow dynamics)을 나타내는 시스템들을 특징지우는데 사용된다. 상업용 장치들(주파수 응답 분석기들(FRA; frequency response analyzers))은 이 측정들을 사용한다. 오늘날, 방법Ⅱ는 부식 연구들에서 요구되는 바와 같이, 임피던스 스펙트럼이 이를테면 약 10-4 Hz 에 이르는 매우 낮은 주파수들을 포함하는 측정들에 주로 사용된다.Method I is commonly used to characterize stationary systems or systems exhibiting slow dynamics. Commercial devices (frequency response analyzers (FRA)) use these measurements. Today, Method II is primarily used for measurements where the impedance spectrum includes very low frequencies, such as about 10 −4 Hz, as required in corrosion studies.

시스템들을 의미하는 것으로, 그 특성들이 시간에 걸쳐 일정하지 않은, 비정상(非定常; non-stationary) 시스템들의 전기 특성들은 다수의 경우들에서 임피던스 분광학의 방법Ⅰ 또는 방법Ⅱ 절차들에 의한 충분한 시간 분해를 사용하여 측정될 수 없다. (스펙트럼내의 모든 주파수들의 여러 기간들 동안 합산하는) 방법Ⅰ 및 (스펙트럼에 포함되는 최저 주파수의 여러 기간들에 걸친) 방법Ⅱ의 시간 평균 결과는, 평균 시간보다 더 빠른 시간에 걸친 시스템에서의 변화들이 임피던스 스펙트럼의 시퀀스에 의해 분해되는 것을 허용하지 않는다. 평균 시간은 충분한 시간 분해로 비정상 시스템들을 측정하도록 임피던스 분광계들에서 크게 감소되어야 한다. 이어서, 단일 임피던스 스펙트럼은 시간에 배치된 시스템의 전기 상태들을 나타낼 것이다. 또한, 개개의 스펙트럼은 최대 시간 분해를 갖는 시스템을 특징지우는 양의 시간 경과를 결정하기 위해 높은 반복율로 결정되어야 한다. By systems, the electrical properties of non-stationary systems, whose characteristics are not constant over time, are in many cases sufficient time resolution by method I or method II of impedance spectroscopy. Cannot be measured using. The time-averaged results of Method I (summing over several periods of all frequencies in the spectrum) and Method II (over several periods of the lowest frequency included in the spectrum) show the change in the system over a time period faster than the average time. Do not allow them to be resolved by a sequence of impedance spectra. The average time should be greatly reduced in impedance spectrometers to measure abnormal systems with sufficient time resolution. The single impedance spectrum will then represent the electrical states of the system placed in time. In addition, the individual spectra should be determined at high repetition rates to determine the amount of time lapse characterizing the system with maximum time resolution.

종래의 임피던스 분광학으로 측정될 수 없었던 비정상 시스템의 일예로는 이온 채널들을 스위칭하는, 집적된 지질 이층막들이 있다. 이를테면 지질 이층막들 에서 이온 채널들을 열고 닫는 것과 같은 다수의 생물학적 과정들의 동역학은 수 밀리초의 시간 스케일에서 발생한다. 이 시스템들은 생명공학과 인간의 생리학 분야에 매우 관련된다.One example of an abnormal system that could not be measured by conventional impedance spectroscopy is integrated lipid bilayers that switch ion channels. The kinetics of many biological processes, such as opening and closing ion channels in lipid bilayers, occur on a time scale of several milliseconds. These systems are very involved in the fields of biotechnology and human physiology.

종래의 임피던스 분광학으로 측정될 수 없었던 비정상 시스템들의 또 다른 예로는 매우 동적인 인터페이스 과정들과 함께 액체 및 고체 전해질들을 갖는 금속 및 반도체 인터페이스들이 있다. 전기화학 분야에서 반도체들을 특징지울 때, 종래의 임피던스 분광학은 전압 점프 후 빠른 전기화학 시스템들의 에칭 과정의 그 장소에서의 관측 또는 이완과 같은 다수의 동적 과정들에 사용될 수 없는데, 그 이유는 필요한 시간 분해가 요구되는 대역폭들로 불가능하기 때문이다.Another example of abnormal systems that could not be measured by conventional impedance spectroscopy is metal and semiconductor interfaces with liquid and solid electrolytes with highly dynamic interface processes. When characterizing semiconductors in the electrochemical field, conventional impedance spectroscopy cannot be used for many dynamic processes, such as in situ observation or relaxation of the etching process of fast electrochemical systems after a voltage jump, because the time required This is because decomposition is not possible with the required bandwidths.

위의 논의로부터, 높은 동력학의 비정상 시스템들을 측정할 수 있는 임피던스 분광학 방법 및 장치에 대한 필요성이 명백해질 것이다. 본 발명은 이 필요성을 이행한다.From the above discussion, the need for an impedance spectroscopy method and apparatus that can measure high dynamic abnormal systems will become apparent. The present invention fulfills this need.

도 1은 구조화된 노이즈 전압 신호 U(t)의 일예의 플럿(plot) 대 시간을 도시하는 도면.1 shows an example plot versus time of a structured noise voltage signal U (t).

도 2는 구조화된 노이즈 전압 및 전류 신호들 U(f) 및 I(f)의 전력 스펙트럼 밀도 플럿을 도시하는 도면.2 shows a power spectral density plot of structured noise voltage and current signals U (f) and I (f).

도 3은 비정상 시스템을 위한 주파수 f 및 시간 τ의 함수로서 임피던스 스펙트럼의 시퀀스의 예들을 나타내는 플럿.3 is a plot showing examples of a sequence of impedance spectra as a function of frequency f and time τ for an abnormal system.

도 4는 등가 회로의 개략도.4 is a schematic diagram of an equivalent circuit.

도 5는 고시간 분해된 임피던스 분광학 시스템의 일 실시예를 나타내는 블록 다이어그램.5 is a block diagram illustrating one embodiment of a high time resolved impedance spectroscopy system.

도 6은 "시뮬레이션들(simulations)" 열에 기재된 시뮬레이션들 및 "빠른 모델(fast model)" 열 및 "기가옴 모델(Gigaohm model)" 열에 기재된 측정들의 구조화된 노이즈 신호 및 데이터 처리를 위한 파라미터들의 예들을 보여주는 표.FIG. 6 shows examples of parameters for structured noise signal and data processing of the simulations described in the “simulations” column and the measurements described in the “fast model” column and the “Gigaohm model” column. Table showing them.

도 7은 도 4(시뮬레이션)의 비정상 시스템의 저항 R2에 대한 시간 경과의 예를 나타내는 그래프.FIG. 7 is a graph showing an example of time lapse for resistance R 2 of the abnormal system of FIG. 4 (simulation). FIG.

도 8은 R2의 값에서의 천이를 나타내는 도 7의 확장부의 그래프.8 is a graph of the extension of FIG. 7 showing a transition in the value of R 2 ;

도 9는 고시간 분해된 임피던스 분광학으로 측정된 도 4의 등가 회로 소자들의 값들에 대한 시간 경과의 예를 나타내는 그래프.FIG. 9 is a graph showing an example of time lapse for the values of the equivalent circuit elements of FIG. 4 measured by high time resolved impedance spectroscopy. FIG.

도 10(a)은 도 9의 시간 경과들에서의 두 점들에 대한 기본이 되는 임피던스 스펙트럼의 실수부의 예를 나타내는 그래프.10 (a) is a graph showing an example of the real part of the impedance spectrum which is the basis for two points in the time lapses of FIG.

도 10(b)은 도 9의 시간 경과에서의 두 점들에 대한 기본이 되는 임피던스 스펙트럼의 허수부의 예를 나타내는 그래프.10 (b) is a graph showing an example of an imaginary part of an impedance spectrum which is the basis for two points in the time course of FIG.

도 11은 고시간 분해된 임피던스 분광학으로 측정된 도 4의 등가 회로 소자들의 값들에 대한 시간 경과의 예를 나타내는 그래프.FIG. 11 is a graph showing an example of time lapse for the values of the equivalent circuit elements of FIG. 4 measured with high time resolved impedance spectroscopy. FIG.

도 12(a)는 도 11의 시간 경과에서의 한 점에 대한 기본이 되는 임피던스 스펙트럼의 실수부의 예를 나타내는 그래프.FIG. 12A is a graph showing an example of a real part of an impedance spectrum which is the basis for a point in the time course of FIG.

도 12(b)는 도 11의 시간 경과들에서의 한 점에 대한 기본이 되는 임피던스 스펙트럼의 허수부의 예를 나타내는 그래프.FIG. 12 (b) is a graph showing an example of an imaginary part of an impedance spectrum which is the basis for a point in the time lapses of FIG.

도 13은 고시간 분해된 임피던스 분광학의 일 예시예를 나타내는 블록 다이어그램.13 is a block diagram illustrating an example of high time resolved impedance spectroscopy.

본 발명은 빠른 시퀀스에서 임피던스 및 임피던스 스펙트럼을 측정하는 방법 및 장치를 제공한다. 빠른 시퀀스에서, 임피던스 및 임피던스 스펙트럼의 측정은 연구중인 시스템의 전기 특성들에 대한 반복되거나 연속적인 특징을 제공한다. 고시간 분해된 임피던스 분광학은 향상된 시간 분해로 인해 비정상 시스템들의 동력학의 측정을 향상시킨다.The present invention provides a method and apparatus for measuring impedance and impedance spectrum in a fast sequence. In fast sequences, the measurement of impedance and impedance spectra provides repeated or continuous characteristics of the electrical characteristics of the system under study. High time resolved impedance spectroscopy improves the measurement of the dynamics of abnormal systems due to improved time resolution.

고시간 분해된 임퍼던스 분광학의 세 가지 양상들이 있는데 즉, (1) 최적화된 주파수 리치 교류 또는 과도, 전압 신호가 교란 신호로서 사용되고; (2) 비정상 시간 대 주파수 변환 알고리즘들이, 전압 U(t) 및 전류 I(t)의 측정된 시간 신호들을 처리하여 임피던스 스펙트럼의 시퀀스를 결정할 때 사용되고, 여기서 각 스펙트럼은 시간에 배치되며; (3) 시스템을 특징지우는 양은 시간 분해 최적화된 형태에 적합한 등가 회로를 사용하는 임피던스 스펙트럼로부터 결정된다.There are three aspects of high time resolved impedance spectroscopy: (1) an optimized frequency rich alternating current or transient, voltage signal is used as a disturbing signal; (2) Unsteady time to frequency conversion algorithms are used when processing the measured time signals of voltage U (t) and current I (t) to determine the sequence of the impedance spectrum, where each spectrum is placed in time; (3) The amount of characterizing the system is determined from the impedance spectrum using an equivalent circuit suitable for a time resolved optimized form.

본 발명은 빠른 시퀀스에서 임피던스 및 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위한 방법 및 장치로 연구중인 시스템의 전기 특성들의 반복되거나 연속적인 특징을 제공한다. 고시간 분해된 임피던스 분광학은 향상된 시간 분해로 비정상 시스템들의 동력학을 측정할 수 있다.The present invention provides repeated or continuous features of the electrical properties of the system under study with methods and apparatus for measuring impedance and impedance spectra in fast sequences. High time resolved impedance spectroscopy can measure the dynamics of abnormal systems with improved time resolution.

고시간 분해된 임퍼던스 분광학의 3가지 양상들이 있는데 즉, (1) 최적화된 주파수 리치 교류 또는 과도, 전압 신호가 교란 신호로서 사용되고; (2) 비정상 시간 대 주파수 변환 알고리즘들이 전압 U(t) 및 전류 I(t)의 측정된 시간 신호들을 처리하여 임피던스 스펙트럼의 시퀀스를 결정할 때 사용되고, 여기서 각 스펙트럼은 시간에 배치되며; (3) 시스템을 특징지우는 양은 시간 분해 최적화된 형태에 적합한 등가 회로를 사용하는 임피던스 스펙트럼로부터 결정된다.<최적화된 주파수 리치 교란 신호>There are three aspects of high time resolved impedance spectroscopy: (1) an optimized frequency rich alternating current or transient, voltage signal is used as a disturbing signal; (2) abnormal time to frequency conversion algorithms are used when processing the measured time signals of voltage U (t) and current I (t) to determine the sequence of the impedance spectrum, where each spectrum is placed in time; (3) The amount of characterizing the system is determined from the impedance spectrum using an equivalent circuit suitable for a time resolved optimized form.

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최적화된 주파수 리치 교란 신호는 다수의 서로 다른 포맷들을 가질 수 있다. 주파수 리치 교란 신호는 한 신호에 중첩되는 어떤 소망하는 양의 기여 주파수들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 주파수 리치 교란 신호는 특정수의 정현파 진동들, 또는 전압 점프들, 펄스들 및 노이즈 신호들의 중첩일 수 있다. 전압 교란 및 전류 응답 신호의 신호 대 노이즈 비가 높을수록, 어떤 측정 정밀도를 달성하기 위해 요구되는 데이터베이스의 시간 확장은 낮아진다.The optimized frequency rich disturbance signal may have a number of different formats. The frequency rich disturbance signal may include any desired amount of contributing frequencies that overlap one signal. For example, the frequency rich disturbance signal may be a certain number of sinusoidal vibrations, or superposition of voltage jumps, pulses and noise signals. The higher the signal-to-noise ratio of the voltage disturbance and current response signals, the lower the time extension of the database required to achieve some measurement accuracy.

구조화된 노이즈는 고시간 분해된 임피던스 분광학의 교란 신호로서 사용될 수 있다. 구조화된 노이즈는 한정된 수의 정현파 진동들의 중접으로서 규정된다. 도 1은 구조화된 노이즈 전압 신호 U(t)(18)의 일예의 플럿 대 시간을 도시하는 도면이다. 도 2는 구조화된 노이즈 전압 및 전류 신호들 U(f)(20) 및 I(f)(22)의 전력 스펙트럼 밀도 플럿을 도시하는 도면이다. 도 1 및 2에 도시된 구조화된 노이즈는 이하의 등식(2)에 의해 수학적으로 표현될 수 있다.Structured noise can be used as a disturbing signal of high time resolved impedance spectroscopy. Structured noise is defined as the superposition of a finite number of sinusoidal vibrations. 1 is a diagram illustrating an example plot versus time of structured noise voltage signal U (t) 18. 2 is a diagram illustrating a power spectral density plot of structured noise voltage and current signals U (f) 20 and I (f) 22. The structured noise shown in Figs. 1 and 2 can be mathematically represented by the following equation (2).

등식(2)에서, U0,i은 i번째 정현파 진동의 진폭이며, 각도 주파수 ωi 및 φi는 위상이다. 교란 신호 U(t)가 시스템 및 측정의 중심에서 동조되거나 최적화될 때 선호하는 신호 대 노이즈 비가 얻어질 수 있다. 교란 신호들의 최적화는 어떤 연구의 과제가 되고 있다. G.S. Popkirov 및 R.N. schindler에 의한 Rev.Sci.Instrum. 63(11), 5366 내지 5372(1992년)의 제목 "A New Impedance Spectrometer for the Investigation of Electrochemical Systems"; G.S. Popkirov 및 R.N. schindler에 의한 Rev. Sci. Instrum. 64(11), 3111 내지 3115(1993년)의 제목 "Optimization of the Perturbation Signal for Electrochemical mpedance Spectroscopy in the Time Domain"을 참조. 위의 참조된 공보들 모두는 본원에 참조로서 그대로 합체된다.In equation (2), U 0, i is the amplitude of the i-th sinusoidal vibration, and the angular frequencies ω i and φ i are phase. A preferred signal to noise ratio can be obtained when the disturbing signal U (t) is tuned or optimized at the center of the system and measurement. The optimization of disturbance signals has been the subject of some research. Rev. Sci. Instrum by GS Popkirov and RN schindler. 63 (11), 5366-5372 (1992), entitled “A New Impedance Spectrometer for the Investigation of Electrochemical Systems”; Rev. by GS Popkirov and RN schindler . Sci. Instrum. 64 (11), 3111 to 3115 (1993), entitled " Optimization of the Perturbation Signal for Electrochemical mpedance Spectroscopy in the Time Domain. &Quot; All of the above referenced publications are incorporated herein by reference in their entirety.

여러 최적화 단계들은, 임피던스가 측정되는 주파수 대역, 수와 주파수, 개개의 기여 주파수들의 진폭과 위상을 포함하는 고시간 분해된 임피던스 분광학의 양상이다. 교란 신호의 최적화는 임피던스 스펙트럼이 측정되는 주파수 대역의 선택을 포함한다. 따라서, 교란 신호의 주파수 대역은 측정에 의해 커버될 최대 스펙트럼 범위를 포함하도록 선택되어야만 한다. 그러나, 임피던스 스펙트럼을 평가할 때에는 교란 신호에서 n개의 주파수들 중 오직 선택된 주파수들만을 사용할 수 있다. 이러한 양상은 이하에 더 논의된다.Several optimization steps are aspects of high time resolved impedance spectroscopy, including the frequency band, number and frequency at which impedance is measured, and the amplitude and phase of the individual contributing frequencies. Optimization of the disturbance signal involves the selection of the frequency band in which the impedance spectrum is measured. Thus, the frequency band of the disturbing signal must be chosen to cover the maximum spectral range to be covered by the measurement. However, when evaluating the impedance spectrum, only selected frequencies of the n frequencies in the disturbing signal can be used. This aspect is discussed further below.

또한, 교란 신호의 최적화는 n개의 각 기여 주파수들의 소망하는 수(n) 및 주파수 위치(ωi)를 선택하는 것을 포함한다. 개개의 주파수들의 어떤 소망하는 수 및 주파수 위치들이 사용될 수 있다. 이것은 사용자를 위해 연구중인 시스템에 대한 고시간 분해 임피던스 분광계의 적응성을 최대화한다.Further, optimization of the disturbance signal involves selecting the desired number n and frequency position ω i of the n respective contribution frequencies. Any desired number and frequency positions of the individual frequencies can be used. This maximizes the adaptability of the high time resolved impedance spectrometer for the system under study for the user.

일 실시예에서, 구조화된 노이즈 신호에 의해 샘플(sample)에 인가된 전력은 노이즈 신호에서 주파수들의 수에 의존한다. 다수의 시스템들이 작은 진폭이나 낮은 전력 교란만으로 선형 동작을 나타내기 때문에, 가능한 한 낮은 주파수들의 수를 유지하는 것이 바람직하다. 다른 한편, 특징적인 시스템 응답의 재생은 임피던스 스펙트럼에서 최소수의 주파수들을 요구한다. 임피던스 분광학에서, 이 임피던스가 통상 여러 주파수 크기의 순서들 상에서 결정되기 때문에, 특정 시스템 요건들이 이 소망하는 수에서 벗어나는 것을 요구하지 않는다면, 주파수 디케이드(decade) 당 소망하는 수의 개개의 주파수들이 결정된다. 일 실시예에서, 주파수 디케이드 당 5개의 개개의 주파수들이 알맞은 수이다.In one embodiment, the power applied to the sample by the structured noise signal depends on the number of frequencies in the noise signal. Since many systems exhibit linear operation with only small amplitudes or low power disturbances, it is desirable to keep the number of frequencies as low as possible. On the other hand, reproduction of the characteristic system response requires a minimum number of frequencies in the impedance spectrum. In impedance spectroscopy, since this impedance is usually determined on the order of several frequency magnitudes, the desired number of individual frequencies per frequency decade is determined unless certain system requirements require deviating from this desired number. do. In one embodiment, five individual frequencies per frequency decade are a reasonable number.

일 실시예에서, 개개의 주파수들의 주파수 위치 분포는 전체 주파수 대역 상의 대수의 균일한 분포(logarithmic uniform distribution)에서 선택된다. 다른 실시예에서, 상기 선택된 개개의 주파수들의 주파수 위치 분포는 고조파들의 형성을 회피하는 방식으로 대수의 균일한 분포에서 변화한다. 고조파들을 방지하는 것은 비선형 시스템 응답들 또는 더 높은 고조파들의 여기(excitation)에 의해 측정된 임피던스 스펙트럼의 변조를 방지하는데 도움이 된다.In one embodiment, the frequency position distribution of the individual frequencies is selected from a logarithmic uniform distribution over the entire frequency band. In another embodiment, the frequency position distribution of the selected individual frequencies varies in a logarithmic uniform distribution in such a way as to avoid the formation of harmonics. Avoiding harmonics helps to prevent modulation of the impedance spectrum measured by nonlinear system responses or excitation of higher harmonics.

최적화될 수 있는 교란 신호의 또 다른 양상은 개개의 주파수들의 진폭 U0,i에 있다. 어떤 소망하는 개개의 주파수들의 진폭이 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 측정 증폭기(measuring amplifier)의 선형 범위를 최상으로 활용하고, 시스템에서 각 주파수에 대한 최적의 신호 대 노이즈 비를 얻기 위하여, 개개의 주파수들의 진폭들은 측정 상태에 적응된다. 일 실시예에서, 교란 신호의 개개의 주파수들의 진폭들은, 교란 신호의 개개의 주파수들의 전력이 일정한 것(강한 비선형 시스템들에서 사용하기 좋음)과 같은 것이다. 다른 실시예에서, 여기된 개개의 주파수들의 전류 응답의 전력이 일정하다(측정 증폭기의 비선형성의 영향 감소, 도 2 참조). 또 다른 실시예에서, 교란 신호 및 전류 응답의 개개의 주파수들의 전력은 최소 차이(최적의 신호 대 노이즈 비)를 드러낸다.Another aspect of the disturbing signal that can be optimized is in the amplitude U 0, i of the individual frequencies. The desired amplitude of any individual frequencies can be selected. In one embodiment, the amplitudes of the individual frequencies are adapted to the measurement state in order to best utilize the linear range of the measuring amplifier and to obtain an optimal signal to noise ratio for each frequency in the system. In one embodiment, the amplitudes of the individual frequencies of the disturbance signal are such that the power of the individual frequencies of the disturbance signal is constant (good for use in strong nonlinear systems). In another embodiment, the power of the current response of the excited individual frequencies is constant (reducing the effect of nonlinearity of the measurement amplifier, see FIG. 2). In another embodiment, the power of the individual frequencies of the disturbance signal and the current response reveals a minimal difference (optimum signal to noise ratio).

최적화될 수 있는 교란의 또 다른 양상은 개개의 주파수들의 위상 φi에 있다. 어떤 소망하는 개개의 주파수들의 위상각이 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 선형 시스템 응답은 교란 신호의 최저 가능한 전체 진폭에 의해 보장될 수 있다. 구조화된 노이즈의 개개의 주파수들의 위상들은, 개개의 주파수들의 진폭들이 동일해지는 동한 전체 신호 진폭이 최소화되도록 선택된다. 그래서, 개개의 주파수들의 전력은 감소된 전체 진폭에도 불구하고 계속 유지되거나, 전체 진폭이 고정되어지는 것에 따라 개개의 주파수들의 전력이 최대화되어 신호 대 노이즈 비를 향상시킨다.Another aspect of disturbance that can be optimized is in the phase φ i of the individual frequencies. The phase angle of any desired individual frequencies can be selected. In one embodiment, the linear system response can be guaranteed by the lowest possible overall amplitude of the disturbance signal. The phases of the individual frequencies of the structured noise are selected such that the overall signal amplitude is minimized while the amplitudes of the individual frequencies are equal. Thus, the power of the individual frequencies is maintained in spite of the reduced overall amplitude, or as the overall amplitude is fixed, the power of the individual frequencies is maximized to improve the signal to noise ratio.

<비정상 시간 대 주파수 변환 알고리즘><Abnormal Time-to-Frequency Conversion Algorithm>

고시간 분해된 임피던스 분광학의 양상은, 높은 반복율로 평균 시간이 감소된, 시간에 배치된 임피던스 스펙트럼의 결정에 있다. 비정상 시간 대 주파수 변환 알고리즘들은 고시간 분해된 임피던스 분광학에서 사용된다. 평균 시간은 개개의 임피던스 스펙트럼을 결정하는데 요구되는 데이터베이스의 연장(prolongation)에 대응한다. 시간에 배치되는 스펙트럼의 시퀀스들 X(ω)은 측정 신호 X(t)(U(t) 또는 I(t) 중 어느 하나)의 작은 시간 기간을 스패닝하고 이 절차를 반복하는 윈도우 함수들을 적용하고, 단시간 또는 짧은 간격들에 의해 시프트되는 윈도우 함수들을 적용함으로써 시간 신호들 X(t)로부터 결정된다. 샘플에 인가된 교류 전압 신호 U(t) 및 이 샘플의 전류 응답 I(t)를 포함하는 이 시간 신호들은 사용된 데이터 저장 매체의 저장 용량에 의해서만 제한되는 주어진 기간에 걸쳐 연속적으로 또는 부분 연속적으로 기록된다. 부분 연속적으로 기록된 데이터 세트는 연속적인 데이터 세트들 간에 임의의 또는 선택된 중단 간격들을 가진 어떤 길이의 한정된 데이터 세트들의 반복된 기록으로서 규정될 수 있다. An aspect of high time resolved impedance spectroscopy lies in the determination of the time-placed impedance spectrum, with the average time reduced at high repetition rates. Unsteady time-to-frequency conversion algorithms are used in high time resolved impedance spectroscopy. The average time corresponds to the prolongation of the database required to determine the individual impedance spectra. The sequences X (ω) of the spectrum placed in time span the small time period of the measurement signal X (t) (either U (t) or I (t)) and apply window functions that repeat this procedure and , From the time signals X (t) by applying window functions shifted by short time or short intervals. These time signals, including the alternating voltage signal U (t) applied to the sample and the current response I (t) of the sample, are continuously or partially continuous over a given period of time limited only by the storage capacity of the data storage medium used. Is recorded. A partially contiguously written data set may be defined as repeated recording of finite data sets of any length with any or selected interrupt intervals between successive data sets.

비정상, 즉, 시간 대 주파수 변환 절차들의 예로는 슬라이딩 단시간 푸리에 변환(sliding short time Fourier transform), 웨이브렛 변환(wavelet transformation) 및 위그너 또는 위그너-빌 분포(Wigner or Wigner-Ville distribution)가 있다. 이 방버들 중 두 방법 즉, (1) 슬라이딩 단시간 푸리에 변환; 및 (2) 웨이브렛 변에 대해서는 이하에 설명할 것이다. Examples of anomalies, that is, time-to-frequency transformation procedures, are the sliding short time Fourier transform, the wavelet transformation, and the Wigner or Wigner-Ville distribution. . Two of these methods, namely (1) sliding short-time Fourier transform; And (2) wavelet sides will be described below.

슬라이딩 단시간 푸리에 변환에서, 시간 대 주파수 변환은 연속적인 단시간 푸리에 변환에 대한 등식에 대응하여 실행된다.In the sliding short-time Fourier transform, the time-to-frequency transform is performed corresponding to the equation for the continuous short-time Fourier transform.

등식(3)에서, x(t)는 측정된 시간 신호에 대응하고, g(t)는 변형 단계의 결과로서 얻어지는 스펙트럼 X(τ,ω)를 최적화하도록 조정되는 특징을 갖는 윈도우 함수이다. 본원에 참조로서 그대로 합체되는 L. Cohen의 Time-frequency Analysis(Prentice Hall PTR, Englewood Cliffs, 뉴욕, 1995년)를 참조. 여러 가능한 윈도우 함수들이 기술되었다. 본원에 참조로서 그대로 합체되는 F.J. Harris에 의한 Proceedings of the IEEE 66(1), 51 내지 83(1978년)의 제목 "On the Use of Windows for Harmonic Analysis with the Discrete Fourier Transform."을 참조.In equation (3), x (t) corresponds to the measured time signal, and g (t) is a window function with a characteristic that is adjusted to optimize the spectrum X (τ, ω) obtained as a result of the modifying step. See Time-frequency Analysis by L. Cohen (Prentice Hall PTR, Englewood Cliffs, New York, 1995), incorporated herein by reference in its entirety. Several possible window functions have been described. See Proceedings of the IEEE 66 (1), 51-83 (1978), “On the Use of Windows for Harmonic Analysis with the Discrete Fourier Transform.” By FJ Harris, incorporated herein by reference.

결과로서 생긴 임피던스 스펙트럼 Z(τ,ω)는 전압 신호 U(τ,ω) 및 전류 신호 I(τ,ω)의 스펙트럼 지수로부터 등식(1)에 따라 얻어진다. 이 임피던스 스펙트럼은 시간 τ에 할당되는데, 즉 측정의 시간 τ에서 연구되는 샘플을 특징지운다. 그래서, 스펙트럼 정보는 시간 대 주파수 변환에 대한 시간 τ주변의 전체 데이터 기록의 섹션만을 고려하고 가중화함으로써 시간 τ에 배치된다. 임피던스 스펙트럼은 각도 주파수 ω=2*π*f에 의존하여 복소 임피던스를 산출하는데, 여기서, f는 주파수이다. 임피던스 스펙트럼의 시퀀스는 기재된 절차에 따라 임피던스 스펙트럼을 반복적으로 계산함으로써 얻어지며, 여기서 시간 τ은 각 후속하는 스펙트럼에 대한 간격 Δτ만큼 시프트한다.The resulting impedance spectrum Z (τ, ω) is obtained according to equation (1) from the spectral indices of the voltage signal U (τ, ω) and the current signal I (τ, ω). This impedance spectrum is assigned to time τ, i.e., characterizing the sample studied at time τ of the measurement. Thus, the spectral information is placed at time tau by considering and weighting only the sections of the entire data record around time tau for time-to-frequency conversion. The impedance spectrum calculates the complex impedance depending on the angular frequency ω = 2 * π * f, where f is the frequency. The sequence of impedance spectra is obtained by iteratively calculating the impedance spectra according to the described procedure, wherein the time τ shifts by the interval Δτ for each subsequent spectrum.

도 3은 비정상 시스템에 대한 주파수 f 및 시간 τ의 함수로서 실수(32) 및 허수(34) 임피던스 스펙트럼의 시퀀스의 예들을 나타내는 플럿이다. 위에 기재된 방식으로, 상기 측정된 데이터 기록들은, τ가 측정 시작으로부터 데이터 기록의 간격 Δτ만큼 가능한 많이 시프트될 때 완전히 분석된다. 간격 Δτ이 윈도우 함수 g(t)의 연장보다 더 작은 경우에는 슬라이딩 단시간 푸리에 변환이라고 말하는데, 그 이유는 데이터 기록들에 적용되는 윈도우 함수들 g(t-z)이 시퀀스 내에서 오버랩되기 때문이다. 원도우 함수가 각 변환 간에서 시프트하는 간격 Δτ은 시간 분해 절차를 규정한다.3 is a plot showing examples of a sequence of real 32 and imaginary 34 impedance spectra as a function of frequency f and time τ for an abnormal system. In the manner described above, the measured data records are fully analyzed when τ shifts as much as possible from the start of measurement by the interval Δτ of the data record. If the interval Δτ is smaller than the extension of the window function g (t), it is said to be a sliding short time Fourier transform, since the window functions g (t-z) applied to the data records overlap in the sequence. The interval Δτ at which the window function shifts between each transformation defines the time decomposition procedure.

고시간 분해를 얻기 위해서는 Δτ가 대응되게 작아야 한다. 마찬가지로, g(t)가 0이 아닌 시간은 시간 대 주파수 변환에서 평균 시간을 감소시키기 위해 가능한 작아야 한다. 윈도우 함수 g(t)는 다음 등식에 의해 제공되는 단시간 푸리에 변환의 최대 피크 대 피크 분해 Δtpp를 규정한다.In order to obtain high time decomposition, Δτ must be correspondingly small. Similarly, the time when g (t) is not zero should be as small as possible to reduce the average time in the time-to-frequency conversion. The window function g (t) defines the maximum peak-to-peak decomposition Δt pp of the short time Fourier transform provided by the following equation.

U(t) 및 I(t)의 상기 측정된 데이터 기록들이 이산 형태로 존재할 때, 예를 들어 컴퓨터 지원되거나 디지털화된 데이터 획득의 경우에, 등식(5)의 단시간 푸리에 변환의 이산 알고리즘은 연속적인 단시간 푸리에 변한 대신에 사용된다.When the measured data records of U (t) and I (t) are in discrete form, for example in the case of computer-assisted or digitized data acquisition, the discrete algorithm of short-time Fourier transform of equation (5) is continuous Used instead of short time Fourier changes.

Ta는 데이터 획득의 샘플링 간격이고, n은 관측된 데이터 포인들의 수에 대한 주행 변수(running variable)이고, N은 데이터 포인트들의 총수이다. 모든 다른 양은 연속적인 단시간 푸리에 변환의 한정에 대응한다. 통상적으로, 시프트 간격 Δτ은 Ta의 전체수의 배수이다. 각 임피던스 스펙트럼의 Δf의 주파수 분해 및 상위 주파수 제한 fmax는 등식(6)에서 표현되는 샘플링 법칙을 따른다. 본원에 참조로서 그대로 합체되는 E. Schrufer에 의한 Signalverarbeitung.(Hanser, Munich: 1990년)을 참조.T a is the sampling interval of data acquisition, n is a running variable for the number of observed data points, and N is the total number of data points. All other quantities correspond to the limitations of successive short time Fourier transforms. Typically, the shift interval Δτ is a multiple of the total number of T a . The frequency decomposition of the Δf of each impedance spectrum and the upper frequency limit f max follow the sampling law expressed in equation (6). Signalverarbeitung by E. Schrufer, which is hereby incorporated by reference. (Hanser, Munich: 1990).

여기서, Nw는 윈도우 함수 g(nTa)가 0이 아닌 데이터 포인트들의 수이다.Where N w is the number of data points where the window function g (nT a ) is non-zero.

웨이브렛 변환에서, 시간 대 주파수 변환은 연속적인 웨이브렛 변환의 공식에 대응하여 실행된다.In the wavelet transform, the time-to-frequency transform is performed corresponding to the formula of the continuous wavelet transform.

O. Rioul 및 M. Vetterli: 본원에 참조로서 그대로 합체되는 J.G. Ackenhusen(The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York: 1995) 페이지 85 내지 109에 의해 편집된 Signal Processing Technology and Applications의 제목 "Wavelet and Signal Processing" 참조.O. Rioul and M. Vetterli: Title of Signal Processing Technology and Applications , edited by JG Ackenhusen (The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York: 1995), pages 85-109, incorporated herein by reference. Wavelet and Signal Processing ".

각도 주파수 ω의 변수 대신에, 스케일 s가 보통 웨이브렛 변환에 사용된다. 이것은 펄스가 사용된 웨이브렛 함수들 hs(t)의 응답이라는 사실로 인해, 예와 같이 s를 갖는 스케일들이 공식의 기초 또는 기본형 웨이브렛을 갖는 경우일 때다.Instead of the variable of the angular frequency ω, the scale s is usually used for the wavelet transform. This is due to the fact that the pulse is the response of the wavelet functions h s (t) used, as in the case where the scales with s have the base or base wavelet of the formula.

윈도우 함수 h(t)에 대한 하나의 가능한 형태로는 단시간 푸리에 변환에 사용되는 바과 같이 변조된 윈도우 함수 g(t)가 있다. One possible form of the window function h (t) is the modulated window function g (t) as used for short-term Fourier transforms.

등식(9)에서, ω0은 기초 또는 기본형 웨이브렛의 변조 주파수에 대응한다. 시간 대 주파수 변환에 대한 기초 함수를 스케일링함으로써, 시간 분해는 전체 스펙트럼에 대해 설정되지 않고 분석된 주파수 또는 스케일로 변화한다. 이것은 시간 평균이 데이터베이스를 감소시킴으로써 고 주파수들에서 시간 대 주파수 변환에 의해 감소된다는 장점이 있다. 이는 시간 배치화를 증가시킴으로써 이 범위에서 실질적으로 높은 시간 분해를 허가한다. 또한, 저 주파수들에서 고려되는 데이터베이스는 이 주파수들의 기여가 스펙트럼 정보로 합체될 수 있도록 확장된다. 전반적으로, 임피던스 스펙트럼의 결정된 시퀀스의 정보 내용은 상당히 증가될 수 있다. 시간 분해는 전체 주파수 대역폭 또는 오직 관심의 선택된 주파수들 중 어느 하나에 대한 웨이브렛 변환에 의해 얻어진 임피던스 스펙트럼의 시퀀스를 위해 적당한 시프트 간격 Δτ을 선택함으로써 최상으로 조정될 수 있다.In equation (9), ω 0 corresponds to the modulation frequency of the elementary or elementary wavelet. By scaling the basis function for the time-to-frequency conversion, the time decomposition is not set for the entire spectrum but changes to the analyzed frequency or scale. This has the advantage that the time average is reduced by time to frequency conversion at high frequencies by reducing the database. This allows for a substantially higher time resolution in this range by increasing time placement. In addition, the database considered at low frequencies is extended so that the contribution of these frequencies can be incorporated into spectral information. Overall, the information content of the determined sequence of impedance spectra can be significantly increased. The temporal decomposition can be best adjusted by selecting the appropriate shift interval Δτ for the sequence of impedance spectra obtained by the wavelet transform over the entire frequency bandwidth or only selected frequencies of interest.

이산 데이터 기록들의 경우에, 대응하는 알고리즘은 이산 웨이브렛 변환 또는 웨이브렛 연속 확장에 사용된다.In the case of discrete data records, the corresponding algorithm is used for discrete wavelet transform or wavelet continuous extension.

고시간 분해된 임피던스 분광학은 감소된 임피던스 스펙트럼의 사용을 포함하는 종래의 임피던스 분광학에 많은 장점들을 제공한다. 단시간 푸리에 변환에 의해 얻어진 임피던스 스펙트럼은, 예를 들어 본래 구조화된 노이즈에 기여하는 n개의 주파수들 까지 감소될 수 있는 Nw/2+1개의 주파수들을 포함한다. 이산 알고리즘들이 이산 등거리 주파수들(discrete equidistant frequencies)에 대한 임피던스 값들을 제공하기 때문에, 여기된 주파수들에 가장 가까운 주파수들이 선택된다. 이 단계는 임피던스 스펙트럼으로부터 측정의 배경이 되는 노이즈의 대부분을 제거한다. 최상의 신호 대 노이즈 비를 갖는 주파수들은 임피던스 스펙트럼에 기여할 뿐, 더 작은 시간 기간을 스패닝하는 윈도우 함수들의 사용을 허용함으로써 스펙트럼 정보를 위한 더 낮은 평균 시간이 된다.High time resolved impedance spectroscopy offers many advantages over conventional impedance spectroscopy, including the use of reduced impedance spectra. The impedance spectrum obtained by the short time Fourier transform comprises N w / 2 + 1 frequencies, which can be reduced, for example, to n frequencies that contribute to the original structured noise. Since discrete algorithms provide impedance values for discrete equidistant frequencies, the frequencies closest to the excited frequencies are selected. This step removes most of the noise that is the background of the measurement from the impedance spectrum. Frequencies with the best signal-to-noise ratio contribute only to the impedance spectrum, resulting in a lower average time for spectral information by allowing the use of window functions to span smaller time periods.

<시간 분해 최적화된 형태에 적합한 등가 회로><Equivalent Circuit Suitable for Time-Resolved Optimized Forms>

감소된 임피던스 스펙트럼을 결정한 후, 스펙트럼은 시스템을 특징지우는 양 및 그 시간 경과를 결정하도록 적당한 등가 회로 모델들을 적응시킴으로써 분석될 수 있다. 등가 회로들을 구성하는 요소들은 시스템에서 발생하는 주요한 과장들을 위한 물리적 모델들로부터 유출되어, 흔히 저항들, 용량들 및 인덕터들과 같은 이상적인 전기 구성 요소들의 작용에 대응한다. 임피던스 스펙트럼에서, 이산 과정들은 주파수들의 서로 다른 범위들에서 시스템의 임피던스 응답을 조절한다. 고시간 분해된 임피던스 분광학에서, 측정되고 감소된 임피던스 스펙트럼은 완전히 또는 스펙트럼의 어떤 범위들에서 평가된다. 원칙적으로, 감소된 임피던스 스펙트럼에 기여하는 각 주파수가 평가에 사용되는지의 여부를 결정할 수 있다.After determining the reduced impedance spectrum, the spectrum can be analyzed by adapting appropriate equivalent circuit models to determine the amount of time that characterizes the system and its time course. The elements that constitute equivalent circuits flow out of physical models for major exaggerations occurring in the system, often corresponding to the action of ideal electrical components such as resistors, capacitances and inductors. In the impedance spectrum, discrete processes adjust the system's impedance response at different ranges of frequencies. In high time resolved impedance spectroscopy, the measured and reduced impedance spectrum is evaluated completely or in certain ranges of the spectrum. In principle, one can determine whether each frequency that contributes to the reduced impedance spectrum is used for the evaluation.

고시간 분해된 임피던스 분광학의 장점은 서로 다른 분석 파라미터들, 예를 들면 시간 분해들 Δτ을 갖는 동일한 데이터 기록들의 다중 분석들이 있을 수 있다는 것이다. 데이터 기록들의 다중 분석들에 있어서, 제 1 임피던스 스펙트럼은 긴 평균 시간 및 낮은 시간 분해를 유도하는 더 긴 윈도우 함수로 결정되고, 그에따라 감소된 임피던스 스펙트럼이 완전히 평가될 수 있다. 그래서, 정상의 파라미터들, 예를 들면 일정한 과정들이 고 정밀도로 결정된다.The advantage of high time resolved impedance spectroscopy is that there can be multiple analyzes of the same data records with different analysis parameters, for example time resolutions Δτ. In multiple analyzes of data records, the first impedance spectrum is determined as a longer window function that leads to a long average time and a low time decomposition so that the reduced impedance spectrum can be fully evaluated. Thus, normal parameters, for example constant processes, are determined with high precision.

짧은 평균 시간 및 고시간 분해를 유도하는 더 짧은 윈도우 함수를 갖는 임피던스 스펙트럼은 동일한 데이터 기록들의 다른 분석들에서 결정된다. 스펙트럼이 평가될 때, 감소된 스펙트럼의 영역들이 동적인 비정상 과정들을 특징지우는데 사용될 뿐, 등가 회로의 정적 또는 정상 과정들에 대한 파라미터들이 미리 결정된 값들로 설정된다.Impedance spectra with shorter mean window times and shorter window functions leading to high time resolution are determined in other analyzes of the same data records. When the spectrum is evaluated, the areas of the reduced spectrum are only used to characterize dynamic abnormal processes, but the parameters for static or normal processes of the equivalent circuit are set to predetermined values.

복소 임피던스 값들은 서로 다른 형태들로 표현될 수 있다. 예를 들어, 임피던스는 아래와 같이 복소 좌표들 또는 극성 좌표들에 의해 표현될 수 있다.Complex impedance values may be represented in different forms. For example, the impedance can be represented by complex coordinates or polar coordinates as follows.

마찬가지로, 좌표 형태들에서 복소 주파수-의존 이산 상수와 같은 역 임피던스(어드미텐스로 지칭) 또는 관련된 양이 사용될 수 있다. 임피던스 스펙트럼의 어떤 주파수 범위들에서 개개의 과정들에 있어 중요한 것은 사용된 좌표 형태로 변한다는 것이다. 분석을 위해, 고시간 분해된 임피던스 분광학은 최고 주파수 범위에서 비정상 과정들을 상당히 분석하는 좌표 형태 및 전기 변수들을 사용할 수 있다. 연구되는 과정들이 분석될 수 있는 더 높은 주파수들은 윈도우 함수들에 의해 스패닝되는 더 작은 시간 기간 및 슬라이딩 단시간 푸리에 변환에서 사용하기 위한 더 작은 시프트 간격 Δτ의 선택을 허용한다.Likewise, an inverse impedance (referred to as admittance) or related quantity, such as a complex frequency-dependent discrete constant, can be used in coordinate forms. What is important for the individual processes in certain frequency ranges of the impedance spectrum is that it changes in the form of the coordinates used. For analysis, time resolved impedance spectroscopy can use coordinate shapes and electrical variables that significantly analyze abnormal processes in the highest frequency range. The higher frequencies at which the processes studied can be analyzed allow for the selection of a smaller time interval spanned by the window functions and a smaller shift interval Δτ for use in the sliding short time Fourier transform.

예를 들면, 등가 회로의 파라미터들을 측정된 임피던스 스펙트럼에 적응시키기 위한 방법은 복소 비선형 최저 자승 일치법들(complex non linear least wquare fitting methods)을 포함한다. 등가 회로를 임피던스 데이터에 적응시키기 위한 최소화 알고리즘(예를 들면, Eevenberg-Marquardt, 다중치수들에서의 Powell의 최소화 방법)의 문제점은, 알고리즘이 종종 이 일치에서 전체 최소 대신에 국부 최소들을 찾는다는 것이다. 본원에 참조로서 그대로 합체되는 W.H. Press, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling 등에 의한 Numerical Recipes in C(Cambridge University Press, 뉴욕, 1992년)을 참조.For example, a method for adapting the parameters of an equivalent circuit to the measured impedance spectrum includes complex non linear least wquare fitting methods. The problem with minimization algorithms (eg, Eevenberg-Marquardt, a method of minimizing Powell in multidimensions) for adapting an equivalent circuit to impedance data is that the algorithm often finds local minima instead of the full minima in this match. . See Numerical Recipes in C (Cambridge University Press, New York, 1992) by WH Press, SA Teukolsky, WT Vetterling et al., Which is incorporated herein by reference in its entirety.

일치에서 전체 최소를 결정할 확률을 증가시키기 위하여, 서로 다른 좌표 형태들 및 변수들이 조합될 수 있다. 고시간 분해된 임피던스 분광학에서, 임피던스 스펙트럼의 시퀀스들은 자동적인 일치 루틴 또는 과정에 의해 평가될 수 있다. 결과적으로, 시스템을 특징지우는 양의 시간 경과들이 결정된다. In order to increase the probability of determining the overall minimum in coincidence, different coordinate types and variables can be combined. In high time resolved impedance spectroscopy, sequences of impedance spectra can be evaluated by automatic matching routines or procedures. As a result, the amount of time lapses characterizing the system is determined.

위에 기재된 절차는 전기 임피던스에 제한되지 않고, 유동학적 측정법들, 자기 및 광학 핀셋들, 석영 공명 균형들 및 음향 임피던스 측정들뿐만 아니라 시스템의 주파수 리치 교란이 시스템 응답에 관련되는 다른 절차들 등의 기계적 임피던스 스펙트럼을 결정하는데 사용될 수 있다.The procedure described above is not limited to electrical impedance, and may include mechanical measurements such as rheological measurements, magnetic and optical tweezers, quartz resonance balances and acoustic impedance measurements, as well as other procedures in which the frequency rich disturbance of the system is related to the system response. It can be used to determine the impedance spectrum.

<예시적인 실시예>Example Examples

일 실시예는 고시간 분해된 임피던스 분광학의 여러 양상들을 이해하는데 도움을 주기 위해 상세하게 설명될 것이다. 비록 일 실시예가 상세히 설명더라도, 고시간 분해된 임피던스 분광학은 정신 또는 본래의 특성에서 벗어나지 않고 다른 특정 형태들로 구현될 수 있다. 상기 실시예는 지지되는 지질막들, 생물막들에서 개개의 이온 채널들의 임피던스의 측정 또는 결정을 용이하게 하는 시나리오를 설명한다. 다른 실시예에서, 이론 채널들을 갖는 또는 이를 갖지 않는 자연적 또는 인공적인, 자유롭게 부유하거나 기판에 지지된 지질막들이 측정될 수 있다. 기판들은, 그 기판상에 병렬 및 순차 다중 측정들을 용이하게 하는 다중 전극 배열들로 있는 평면의 박막 마이크로전극들을 유지한다. 기판들은 예를 들면, 금속 또는 반도체 전극들을 갖는 실리콘 기판들로부터 제조될 수 있다. 기판들은, 액체가 온도 제어를 갖거나 이를 갖지 않는 수동 또는 자동 액체 처리 및 제어 시스템에 의해 교환될 수 있는 하나의 또는 다수의 측정 챔버들 중 어느 하나의 전기화학 셀에 장착될 수 있다. 이러한 시나리오는 도 4에 도시된 회로에 의해 간단화된 전기의 2 단자망의 측정에 대응한다.One embodiment will be described in detail to help understand various aspects of high time resolved impedance spectroscopy. Although one embodiment is described in detail, high time resolved impedance spectroscopy can be implemented in other specific forms without departing from mental or inherent characteristics. This embodiment describes a scenario that facilitates the measurement or determination of the impedance of individual ion channels in supported lipid films, biofilms. In another embodiment, natural or artificial freely suspended or supported lipid substrates with or without theoretical channels can be measured. The substrates hold planar thin film microelectrodes on multi-electrode arrays that facilitate parallel and sequential multiple measurements on the substrate. Substrates can be manufactured, for example, from silicon substrates having metal or semiconductor electrodes. The substrates may be mounted to an electrochemical cell of either one or multiple measurement chambers, where the liquid may be exchanged by a manual or automatic liquid processing and control system with or without temperature control. This scenario corresponds to the measurement of the two-terminal network of electricity simplified by the circuit shown in FIG.

도 4는 종래의 등가 회로의 개략도이다. 도 4의 종래의 등가 회로는 병렬 조합의 저항 R2a(44), R2b(46) 및 C(48)와 직렬로 저항 R1(42)를 갖는다. 스위치는 R2(44)와 직렬이다. 여기 전압 U(t)(50)는 등가 회로를 가로질러 측정되고, 이 회로를 통해 흐르는 응답 전류 I(t)(52)가 측정된다. 종래의 구성 요소들의 값들은 R1∼10 0㏀, R2a, 2b∼1 GΩ 및 C∼6 pF으로부터의 범위에서 추정될 수 있다. 스위치에 대한 스위칭 레이트들이 예를 들면 50 Hz라고 추정될 수 있다.4 is a schematic diagram of a conventional equivalent circuit. The conventional equivalent circuit of FIG. 4 has a resistor R 1 42 in series with the resistors R 2a 44, R 2b 46 and C 48 in a parallel combination. The switch is in series with R 2 44. The excitation voltage U (t) 50 is measured across the equivalent circuit and the response current I (t) 52 flowing through this circuit is measured. Values of the conventional components may be estimated in the range of from R 1 ~10 0㏀, R 2a, 2b ~1 GΩ and C~6 pF. The switching rates for the switch can be estimated to be 50 Hz for example.

도 5는 일 실시예를 나타내는 개략도이다. 교류 전압 교란 신호의 구조화된 노이즈는 컴퓨터에 의해 계산되어 다중 함수 발생기(54)(Analogic 2030A)의 메모리에 전달된다. 이 장치는 교란 신호를 발생시켜 이를 패치 클램프 증폭기(56)(HEKA EPC8)에 공급한다.5 is a schematic diagram illustrating an embodiment. The structured noise of the alternating voltage disturbance signal is calculated by the computer to generate a multiple function generator 54 (Analogic 2030A). The device generates a disturbing signal which is then patch clamp amplifier 56 (HEKA). EPC8).

디지털 데이터 기록들이 교란 신호에 사용될 때, 이산 접압 단계들 간의 천이들은 작고 원활해야 하는데, 그 이유는 교란 신호의 배경 노이즈의 레벨을 감소시키기 때문이다. 교란 신호의 2개의 연속적인 값들 간에 작은 단계들을 갖기 위하여, 데이터 기록이 상기 함수 발생기에 의해 출력되는 샘플링 레이트는 임피던스 스펙트럼에서 관심의 최대 주파수보다 약 10배만큼 커야만 한다.When digital data records are used in a disturbing signal, the transitions between discrete contact steps should be small and smooth because it reduces the level of background noise of the disturbing signal. In order to have small steps between two consecutive values of the disturbing signal, the sampling rate at which the data record is output by the function generator must be about 10 times greater than the maximum frequency of interest in the impedance spectrum.

이산 단계들을 원활하게 하기 위해, 교란 신호는 임피던스 스펙트럼에서 관심의 최대 주파수보다 약 10배만큼 큰 필터의 코너 주파수(corner frequency)를 갖는 저역 통과 필터로 필터링될 수 있다. 패치 클램프 증폭기(56)가 테스트하에 교류 전압 교란 신호를 외부 전치 증폭기(58)를 통해 샘플(60)에 전송한다. 이 전치 증폭 유닛은 샘플 및 샘플의 전류 응답에 인가된 실제 교류 전압을 동시에 측정한다. 전류 신호는 필터링되고 증폭되어 전류 대 전압 변환을 격는다. 시간 신호들 U(t) 및 I(t) 모두는 패치 클램프 증폭기(56)의 대응하는 출력들에서 전압 신호들로서 모니터링될 수 있다. 두 신호들은 측정 컴퓨터(애플 매켄토시 Ⅱfx)내의 A/D 변환 보드(국제 기구 Lab-NB)의 2개의 채널들에 의해 획득되어 컴퓨터 데이터 저장 매체상에 데이터 기록들로 세이브된다. To facilitate the discrete steps, the disturbance signal can be filtered with a low pass filter having a corner frequency of the filter about 10 times greater than the maximum frequency of interest in the impedance spectrum. Patch clamp amplifier 56 sends an alternating voltage disturbance signal to sample 60 via external preamplifier 58 under test. This preamplification unit simultaneously measures the sample and the actual alternating voltage applied to the sample's current response. The current signal is filtered and amplified to bypass current-to-voltage conversion. Both the time signals U (t) and I (t) can be monitored as voltage signals at the corresponding outputs of the patch clamp amplifier 56. Both signals are acquired by two channels of an A / D conversion board (International Organization Lab-NB) in a measurement computer (Apple Macintosh IIfx) and saved into data records on a computer data storage medium.

셋업을 동작시키기에 필요한 소프트웨어는 2개의 프로그램들을 포함한다. 제 1 프로그램은 A/D 변환 보드를 갖는 측정 컴퓨터상에서 데이터 획득을 실행한다. 이는 데이터 획득(NIDAQ Tools)의 확장 패키지를 갖는 데이터 분석 소프트웨어 Igor Pro(웨이브매트리스)를 포함한다. 제 2 프로그램은 U(t) 및 I(t)의 측정된 데이터 기록들의 신호 처리 및 데이터 분석을 실행한다. 이는 매켄토시 및 PC 운용의 윈도우를 위해 주문 기록된 C++ 프로그램이다. 슬라이딩 단시간 푸리에 변환의 구현 알고리즘은 변경된 Cooley-Tukey FFT 알고리즘에 근거한다.The software needed to run the setup includes two programs. The first program executes data acquisition on a measurement computer with an A / D conversion board. It is data analysis software Igor Pro with an extension package of data acquisition (NIDAQ Tools). (Wave mattress). The second program performs signal processing and data analysis of the measured data records of U (t) and I (t). It is a custom C ++ program written for Windows on Macintosh and PC operating systems. The implementation algorithm of the sliding short-time Fourier transform is based on the modified Cooley-Tukey FFT algorithm.

등가 회로들을 임피던스 스펙트럼에 적합시키기 위하여, 변경된 최소화 알고리즘은 다중치수들에서 Powell의 방법으로부터 유출된다. 상기 지정된 응용을 위해, 임피던스 스펙트럼(복소 좌표들)의 실수부 및 마이너스 허수부의 대수들은 최소화 절차에 의해 적합해진 데이터에 사용된다. W.H. Press, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling 등에 의한 Numerical Recipes in C(Cambridge University Press, New York, 1992)를 참조.In order to fit the equivalent circuits to the impedance spectrum, the modified minimization algorithm exits Powell's method in multiple dimensions. For the above specified application, the logarithms of the real part and negative imaginary part of the impedance spectrum (complex coordinates) are used for the data fitted by the minimization procedure. See Numerical Recipes in C (Cambridge University Press, New York, 1992) by WH Press, SA Teukolsky, WT Vetterling et al.

기재된 실시예의 성능 특성은 시뮬레이션들 및 테스트 측정들에서 양자화된다. 시뮬레이션들에 있어서, 이상적인 시스템의 대응하는 전류 응답 신호들은 구조화된 노이즈 교란 신호들에 대해 컴퓨터에 의해 계산되고, 발생된 신호들 U(t) 및 I(t)은 고시간 분해된 임피던스 분광학의 신호 처리 및 데이터 분석 절차를 사용하여 평가된다. 도 6은 "Simulations" 열에서의 구조화된 노이즈 신호(66) 및 데이터 처리(68)를 위한 파라미터들의 예들을 보여주는 표이다. 시뮬레이션들은, 특징적인 양들 R1=100 ㏀을 갖는 막/이온 채널 시스템이 6개의 개개의 주파수들만을 갖는 0.3 내지 20 kHz의 좁은 주파수 대역에서조차 최소화 절차의 복소 좌표들의 대수들을 사용하여 정확히 측정될 수 있음을 증명하며, R2는 0.8 내지 20 GΩ의 범위에서의 고유 값들과 C=6 pF 간에 스위칭한다. 일반적으로, 막/이온 채널 시스템들의 임피던스 스펙트럼의 분석에 있어서, 100 Gz 내지 100 kHz의 주파수 대역이 사용될 수 있다.The performance characteristics of the described embodiment are quantized in simulations and test measurements. In simulations, the corresponding current response signals of an ideal system are computed by the computer for structured noise disturbance signals, and the generated signals U (t) and I (t) are signals of high time resolved impedance spectroscopy. Evaluated using processing and data analysis procedures. 6 is a table showing examples of parameters for structured noise signal 66 and data processing 68 in the "Simulations" column. Simulations can be accurately measured using the logarithms of the complex coordinates of the minimization procedure even in a narrow frequency band of 0.3 to 20 kHz where the membrane / ion channel system with characteristic quantities R 1 = 100 Hz is only 6 individual frequencies. R 2 switches between intrinsic values in the range of 0.8 to 20 GΩ and C = 6 pF. In general, in the analysis of the impedance spectrum of membrane / ion channel systems, a frequency band of 100 Gz to 100 kHz may be used.

막/이온 채널 시스템의 등가 회로는 도 4에 의해 제공되며, 여기서 R2a 및 R2b의 조합은 R2로 간주된다.An equivalent circuit of the membrane / ion channel system is provided by FIG. 4, where the combination of R 2a and R 2b is considered R 2 .

도 7에서, 스위칭가능 병렬 저항 R2의 시간 경과(72)은 시뮬레이션(74)(연속적인 선)을 위해 추정된 것과 고시간 분해된 임피던스 분광학(76)(원주)에 의해 결정되는 것을 도시한다. 도 8은 도 7에서 확대된 R2에서 한단계의 점프(82)를 도시한다. 도시된 서로 다른 곡선들은 단시간 푸리에 변환에서의 서로 다른 윈도우 함수들 g(t)을 사용함으로써 생긴다. 이하의 특성들의 윈도우 함수들 즉, Hanning 1.0(cos.)(84), α=2.0인 Kaiser-Bessel (KB2)(86) 및 α=3.5인 Kaiser-Bessel(KB3)(88)이 사용된다. 시간 경과 분석은, 어떤 신호 열화의 부재시 단시간 푸리에 변환에 의해 결정되는 시스템을 특징지우는 양의 시간 경과가 윈도우 함수를 사용한 이 양의 실제(이상적인) 시간 경과의 회선에 대응하는 것을 나타낸다. 얻어진 시간 분해는 Δτ=0.67 ms였고, 상승 시간 τr은 윈도우 함수에 의존하여 2.0 과 3.1 ms사이였다.In FIG. 7, the time course 72 of the switchable parallel resistor R 2 is shown as estimated by the simulation 74 (continuous line) and determined by the high time resolved impedance spectroscopy 76 (circumference). . FIG. 8 shows one step jump 82 in R 2 enlarged in FIG. 7. The different curves shown are produced by using different window functions g (t) in the short time Fourier transform. Window functions of the following characteristics are used: Hanning 1.0 (cos.) 84, Kaiser-Bessel (KB2) 86 with α = 2.0 and Kaiser-Bessel (KB3) 88 with α = 3.5. Time lapse analysis indicates that the amount of time lapse characterizing the system determined by the short time Fourier transform in the absence of any signal degradation corresponds to this amount of actual (ideal) time lapse using the window function. The time decomposition obtained was Δτ = 0.67 ms and the rise time τ r was between 2.0 and 3.1 ms depending on the window function.

테스트 측정들을 위해, 도 4의 회로는 전자 구성 요소들을 사용하여 조립된다. 이러한 회로는 지지된 지질막들에서 개개의 이온 채널들의 행위를 모방하는 모델 샘플(model sample)을 형성한다. 이 모델 샘플들은 고시간 분해된 임피던스 분광학에 의해 측정된다.For test measurements, the circuit of FIG. 4 is assembled using electronic components. This circuit forms a model sample that mimics the behavior of individual ion channels in supported lipid membranes. These model samples are measured by high time resolved impedance spectroscopy.

제 1 테스트 측정에서, 모델은 R2a,2b=680 KΩ 및 C=1 nF(R1을 위한 추가 요소 없음)의 값들로 사용되었고, 스위치는 50 Hz의 주파수에서 스위칭되었다. 도 6은 "fast model" 열에서의 구조화된 노이즈 신호 및 데이터 평가의 파라미터들을 도시한다. 도 9에서, R1(92), R2(94) 및 C(96)의 시간 경과들은 고시간 분해된 임피던스 분광학뿐만 아니라, R2(98)의 이상적이거나 절대적인 시간 경과로 결정된다.In the first test measurement, the model was used with values of R 2a, 2b = 680 KΩ and C = 1 nF (no additional element for R 1 ) and the switch was switched at a frequency of 50 Hz. 6 shows the parameters of the structured noise signal and data evaluation in the “fast model” column. In FIG. 9, the time lapses of R 1 92, R 2 94 and C 96 are determined by ideal or absolute time lapse of R 2 98 as well as high time resolved impedance spectroscopy.

20% 까지의 절대값들에서의 편차들은 불충분하게 보상된 셋업의 필터 효과들로부터 생긴다. R2의 단계와 같은 변화들이 상당히 재생된다. 얻어진 시간 분해는 1.1 ms였고, 상승 시간은 8 ms였다. 도 10(a) 및 (b)에서, 도 9의 시간 경과들에서의 두 포인트들에 대한 기본이 되는 임피던스 스펙트럼(112) 및 (104)의 각 실수 및 마이너스 허수부가 도시된다. 구조화된 노이즈 신호의 기여 주파수들 각각은 평가를 위해 사용되지 않았고, 오직 0.4 내지 4 kHz의 제한된 범위에서 사용된다.Deviations in absolute values up to 20% result from insufficiently compensated filter effects of the setup. Changes such as the steps in R 2 are reproduced considerably. The time decomposition obtained was 1.1 ms and the rise time was 8 ms. 10 (a) and (b), the real and negative imaginary parts of the impedance spectra 112 and 104 which are the basis for the two points in the time lapses of FIG. 9 are shown. Each of the contributing frequencies of the structured noise signal was not used for evaluation, but only in a limited range of 0.4 to 4 kHz.

제 2 테스트 측정에서, 모델은 R2a,2b=1 GΩ 및 G=3 pF(R1을 위한 추가 요소 없음)의 값들로 사용되었고, 스위치는 불규칙한 간격들에서 수동으로 스위칭된다. 도 6은 "Gigaohm Model" 열에서의 구조화된 노이즈 신호 및 데이터 평가의 파라미터들을 도시한다. 도 11에서, 고시간 분해된 임피던스 분광학에 의해 결정되는 R1(112), R2(114) 및 C(116)의 시간 경과들이 도시된다. 다시, 20 %까지의 절대값들에서의 편차들은 불충분하게 보상된 셋업의 필터 효과들로부터 생긴다. R2의 단계와 같은 변화들이 또한 이 높은 임피던스들에서 분석된다. 얻어진 시간 분해는 4.4 ms였다. 도 12(a) 및 (b)에서, 도 11의 시간 경과들에서의 한 포인트(122)의 기본이 되는 임피던스 스펙트럼의 실수 및 마이너스 허수부들이 도시된다. 임피던스 스펙트럼에서 단 5개의 기여 주파수들만이 임피던스 스펙트럼로부터 3개의 독립적인, 부분적으로 동적인 변수들을 결정하는데 충분하였다. 이는 오직 한 주파수에서 측정 저항에 비해 매우 제한된 주파수 대역에서 조차 고시간 분해된 임피던스 분광학을 사용하여 측정들의 정보 내용이 상당히 높다고 증명한다.In the second test measurement, the model was used with values of R 2a, 2b = 1 GΩ and G = 3 pF (no additional element for R 1 ), and the switch was manually switched at irregular intervals. 6 shows the parameters of the structured noise signal and data evaluation in the "Gigaohm Model" column. In FIG. 11, time lapses of R 1 112, R 2 114, and C 116 as shown by high time resolved impedance spectroscopy are shown. Again, deviations in absolute values up to 20% result from filter effects of insufficiently compensated setup. Changes such as the step of R 2 are also analyzed at these high impedances. The time decomposition obtained was 4.4 ms. 12 (a) and (b), the real and negative imaginary parts of the impedance spectrum underlying the point 122 in the time lapses of FIG. 11 are shown. Only five contributing frequencies in the impedance spectrum were sufficient to determine three independent, partially dynamic variables from the impedance spectrum. This proves that the information content of the measurements is quite high using high-resolution resolved impedance spectroscopy even at very limited frequency bands compared to the measurement resistance at only one frequency.

도 13은 고시간 분해된 임피던스 분광학의 일 실시예를 나타내는 블록 다이어그램이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 고시간 분해된 임피던스 분광학을 위한 기본 셋업은 몇개의 구성 요소들만을 요구한다. 주 프로세서(132) 유닛은 2개의 채널상에서 신호 발생 및 데이터 획득을 제어한다. 구조화된 노이즈 신호를 위한 데이터는 저장된 알고리즘에 따른 프로세서 유닛에 의해 발생된다. 메모리 소자(134)에 저장될 때, 전압 신호는 D/A 변환기(136) 후의 출력에 인가된다. 측정된 전압 신호 U(t)는 변환기(138)에서 A/D 변환을 겪고, 입력 채널에서는 메모리에 전송된다. 제 2 입력 채널에서, 전류 신호 I(t)는 신호 컨디션너(signal conditioner; 142)에 의해 수신되어 A/D 변환기(144)에서 전류 대 전압 변환을 겪는다. 변환기(144)의 출력은 메모리에 전송된다. 전압 및 전류 신호의 측정된 데이터는 메모리 소자(146)에 저장된 루틴으로 처리 및 분석되고, 그 결과들은 데이터 저장 매체(140) 상에 세이브된다. 다른 실시예에서, 2개의 메모리 소자들(134 및 136)은 동일한 메모리 소자이다. 13 is a block diagram illustrating one embodiment of high time resolved impedance spectroscopy. As shown in FIG. 13, the basic setup for high time resolved impedance spectroscopy requires only a few components. The main processor 132 unit controls signal generation and data acquisition on two channels. Data for the structured noise signal is generated by the processor unit according to the stored algorithm. When stored in the memory element 134, a voltage signal is applied to the output after the D / A converter 136. The measured voltage signal U (t) undergoes A / D conversion at the converter 138 and is transmitted to the memory at the input channel. In the second input channel, the current signal I (t) is received by a signal conditioner 142 to undergo a current-to-voltage conversion in the A / D converter 144. The output of transducer 144 is sent to memory. The measured data of the voltage and current signals are processed and analyzed by routines stored in the memory element 146 and the results are saved on the data storage medium 140. In another embodiment, the two memory elements 134 and 136 are the same memory element.

위에 기재된 바와 같이, 고시간 분해된 임피던스 분광학의 사용은 종래의 임피던스 분광학 이상의 많은 장점들을 가진다. 어떤 장점들로는, 임피던스 분광학의 시간 분해에서의 실질적인 향상, 임피던스 스펙트럼에서 각 개개의 주파수 분수에 이르는 시간 분해, 바른 응답 시간들을 갖는 연속적인 측정, 실시간 측정들, 교란 신호와 데이터 처리 및 분석을 연구되는 시스템에 적응시킴으로써 측정 절차를 최적화, 평가 중심에 적응되는 측정된 데이터 기록들의 반복된 분석, 매우 유연한 기술, 자연적 또는 인공적인 자유럽거나 지지된 막들에서 열고 닫는 개개의 이온 채널들과 같은 임피던스 분광학으로 미리 측정될 수 없는 동적 과정들의 연구, 및 크게 선호하는 신호 대 노이즈 비가 있다.As described above, the use of high time resolved impedance spectroscopy has many advantages over conventional impedance spectroscopy. Some advantages include studying substantial improvements in the time resolution of impedance spectroscopy, time resolution up to each individual frequency fraction in the impedance spectrum, continuous measurements with correct response times, real time measurements, disturbance signals and data processing and analysis. Adaptation to the system optimizes the measurement procedure, iterative analysis of measured data records adapted to the evaluation center, highly flexible technology, and impedance spectroscopy such as individual ion channels that open and close on natural or artificial magnetic fields or supported membranes There is a study of dynamic processes that cannot be measured in advance, and a greatly preferred signal to noise ratio.

이상의 설명은 본 발명의 어떤 실시예들을 상술하고 있다. 그러나, 어떻게 상술될지라도, 본 발명은 정신 또는 기본적인 특성들로부터 벗어나지 않고 다른 특정한 형태들로 구현될 수 있음이 명백해질 것이다. 기재된 실시예들은 예시적인 것일 뿐 이에 제한되지 않는 모든 양상들로 간주되어, 본 발명의 범주는 앞서 설명한 것보다 오히려 첨부된 청구범위에 의해 나타난다. 청구범위의 대응하는 의미 및 범위내에 있는 모든 변경들은 그 범위내에 포함될 것이다.The foregoing description details certain embodiments of the invention. However, no matter how detailed above, it will be apparent that the invention can be embodied in other specific forms without departing from spirit or basic characteristics. The described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than the foregoing. All changes which come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

Claims (35)

고시간 분해된 임피던스 분광학 방법에 있어서:In high time resolved impedance spectroscopy method: 교류 전압 교란 신호(교류 voltage perturbation signal)를 발생시켜 이를 시스템에 인가하는 단계;Generating and applying an alternating voltage perturbation signal to the system; 상기 교류 전압 교란 신호 및 상기 교란 신호에 응답하여 생성된 전류 신호를 기록하는 단계; 및Recording the alternating voltage disturbance signal and a current signal generated in response to the disturbance signal; And 비정상 (非定常) 시간 대 주파수 변환을 사용하여 상기 기록된 신호들을 처리하는 단계를 포함하는, 임피던스 분광학 방법.Processing the recorded signals using an unsteady time-to-frequency conversion. 제 1 항에 있어서, 상기 비정상 시간 대 주파수 변환은 단시간 푸리에 변환인, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1, wherein the abnormal time to frequency transform is a short time Fourier transform. 제 1 항에 있어서, 상기 비정상 시간 대 주파수 변환은 웨이브렛 변환인, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the abnormal time to frequency transform is a wavelet transform. 제 1 항에 있어서, 상기 비정상 시간 대 주파수 변환은 위그너 분포(Wigner distribution)인, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1, wherein the abnormal time to frequency conversion is a Wigner distribution. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 전압 교란 신호의 기록은 연속적인, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the recording of the alternating voltage disturbance signal is continuous. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 전압 교란 신호의 기록은 부분적으로 연속 기록되는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the recording of the alternating voltage disturbance signal is partly continuous. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 전압 교란 신호는 구조화된 노이즈인, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the AC voltage disturbance signal is structured noise. 제 1 항에 있어서, 상기 발생 단계는 패치 클램프 증폭기들과 같은 고성능 신호 증폭기들을 사용하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the generating step uses high performance signal amplifiers such as patch clamp amplifiers. 제 1 항에 있어서, 상기 기록 단계는 측정 신호들의 아날로그-디지털 변환을 사용하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the recording step uses analog-to-digital conversion of measurement signals. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 단계는 임피던스 스펙트럼의 실시간 분석을 위한 데이터 처리 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the processing step uses data processing hardware and software for real-time analysis of the impedance spectrum. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 단계는 이온 채널들을 갖거나 이를 갖지 않는 자연적 또는 인공적인 자유롭게 부유하거나 기판 지지된 지질막들의 도전율을 검출하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the processing step detects the conductivity of a naturally or artificial free floating or substrate supported lipid membrane with or without ion channels. 제 1 항에 있어서, 약 100Hz 내지 100kHz의 주파수 범위의 사용과, 상기 임피던스의 실수 및 허수부의 대수 분석을 더 포함하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 further comprising the use of a frequency range of about 100 Hz to 100 kHz and an algebraic analysis of the real and imaginary parts of the impedance. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 단계는 생물막들에 대하여 도전율 변화 효과를 갖는 용액들에서 혼합물들을 검출하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the treating step detects mixtures in solutions having a conductivity change effect on biofilms. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템은 온도 제어 및 액체 처리를 포함하는 측정 챔버내에 위치되는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1, wherein the system is located in a measurement chamber that includes temperature control and liquid processing. 제 1 항에 있어서, 등가 회로의 파라미터들을 상기 측정된 임피던스 스펙트럼에 적합시키기 위해 복소 비선형 최소 자승법의 사용을 더 포함하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 further comprising the use of a complex nonlinear least squares method to fit the parameters of an equivalent circuit to the measured impedance spectrum. 제 14 항에 있어서, 상기 측정 챔버는 자동 액체 처리 시스템들을 포함하는, 임피던스 분광학 방법.15. The method of claim 14, wherein the measurement chamber comprises automatic liquid processing systems. 제 1 항에 있어서, 상기 인가 또는 기록 단계는 다수전극 배열들의 사용을 포함하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1 wherein the applying or writing step comprises the use of multi-electrode arrays. 제 17 항에 있어서, 상기 시스템은 병렬 데이터 획득 및 분석을 갖는 다중 측정 챔버 시스템들 내에 위치되는, 임피던스 분광학 방법.18. The method of claim 17, wherein the system is located in multiple measurement chamber systems with parallel data acquisition and analysis. 제 17 항에 있어서, 상기 시스템은 순차 데이터 획득 및 분석을 갖는 다중 측정 챔버 시스템들 내에 위치되는, 임피던스 분광학 방법.18. The method of claim 17, wherein the system is located in multiple measurement chamber systems with sequential data acquisition and analysis. 제 1 항에 있어서, 자동화된 생산 및 공정 흐름의 통합을 더 포함하는, 임피던스 분광학 방법.The method of claim 1, further comprising the integration of automated production and process flows. 고시간 분해된 임피던스 스펙트럼을 측정하는 장치에 있어서:In a device for measuring high-resolution resolved impedance spectra: 교란 신호의 발생을 위한 알고리즘과 측정된 데이터를 처리 및 평가하기 위한 명령들을 저장하도록 구성된 메모리 소자;A memory element configured to store algorithms for generating a disturbing signal and instructions for processing and evaluating measured data; 교란 신호를 나타내는 신호를 수신하여 상기 교란 신호를 나타내는 디지털 값을 출력하고, 상기 교란 신호에 대한 시스템 응답을 나타내는 신호를 수신하여 상기 시스템 응답을 나타내는 디지털 값을 출력하도록 구성된 적어도 하나의 아날로그 대 디지털 변환기; 및At least one analog-to-digital converter configured to receive a signal representing a disturbance signal and output a digital value representing the disturbance signal and to receive a signal representing a system response to the disturbance signal and output a digital value representing the system response ; And 상기 적어도 하나의 아날로그 대 디지털 변환기들에 의해 출력된 상기 디지털 값들을 수신하고, 상기 메모리 소자로부터 상기 알고리즘 및 측정된 데이터를 처리 및 평가하기 위한 명령들을 수신하여 교란 신호 및 임피던스 스펙트럼을 출력하도록 구성된 프로세서를 포함하며, A processor configured to receive the digital values output by the at least one analog to digital converters, and to receive instructions for processing and evaluating the algorithm and measured data from the memory element to output a disturbance signal and an impedance spectrum Including; 상기 측정된 데이터를 처리 및 평가하기 위한 명령들은 비정상 시간 대 주파수 변환인, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.And the instructions for processing and evaluating the measured data are an abnormal time to frequency conversion. 제 21 항에 있어서, 상기 비정상 시간 대 주파수 변환은 단시간 푸리에 변환인, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the abnormal time to frequency transform is a short time Fourier transform. 제 21 항에 있어서, 상기 비정상 시간 대 주파수 변환은 웨이브렛 변환인, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the abnormal time to frequency transform is a wavelet transform. 제 21 항에 있어서, 상기 비정상 시간 대 주파수 변환은 위그너 분포인, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the abnormal time to frequency transformation is a Wigner distribution. 제 21 항에 있어서, 상기 교란 신호는 연속적으로 기록되는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the disturbance signals are recorded continuously. 제 21 항에 있어서, 상기 교란 신호는 부분적으로 연속 기록되는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the disturbance signal is partly recorded continuously. 제 21 항에 있어서, 상기 교란 신호는 구조화된 노이즈인, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the disturbance signal is structured noise. 제 21 항에 있어서, 등가 회로의 파라미터들을 상기 임피던스 스펙트럼에 적합시키기 위해 복소 비선형 최소 자승법의 사용을 더 포함하는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, further comprising the use of a complex nonlinear least squares method to fit parameters of an equivalent circuit to the impedance spectrum. 제 21 항에 있어서, 상기 장치는 다전극 배열들을 포함하는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the apparatus comprises multi-electrode arrays. 제 21 항에 있어서, 상기 장치는 자동 액체 처리 시스템들을 갖는 측정 챔버를 포함하는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.The apparatus of claim 21, wherein the apparatus comprises a measuring chamber having automatic liquid processing systems. 제 21 항에 있어서, 상기 장치는 병렬 데이터 획득 및 분석을 갖는 다중 측정 챔버 시스템들을 포함하는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the apparatus comprises multiple measurement chamber systems with parallel data acquisition and analysis. 제 21 항에 있어서, 상기 장치는 순차 데이터 획득 및 분석을 갖는 다중 측정 챔버 시스템들을 포함하는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the apparatus comprises multiple measurement chamber systems with sequential data acquisition and analysis. 제 21 항에 있어서, 이온 채널들을 갖거나 이를 갖지 않은 자연적 또는 인공적인 자유롭게 부유하거나 기판 지지된 지질막들의 도전율을 검출하는 측정 셀 또는 챔버를 더 포함하는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, further comprising a measuring cell or chamber for detecting the conductivity of a naturally or artificially free floating or substrate supported lipid membrane with or without ion channels. 제 21 항에 있어서, 생물막들에 대하여 도전율 변화 효과를 갖는 용액들에서 혼합물들을 검출하는 측정 셀 또는 챔버를 더 포함하는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.22. The apparatus of claim 21, further comprising a measuring cell or chamber for detecting mixtures in solutions having a conductivity change effect on the biofilms. 제 21 항에 있어서, 상기 장치는 온도 제어 및 액체 처리를 갖는 측정 셀 또는 챔버를 포함하는, 임피던스 스펙트럼 측정 장치.The apparatus of claim 21, wherein the apparatus comprises a measuring cell or chamber having temperature control and liquid treatment.
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