基于EIS技术的低功耗猪肉细胞阻抗谱测试系统研究

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：O657" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）04-0054-05

Abstract： Modern meat cell impedance spectroscopy is a new technology in meat cell activity detection. In this paper， based on the analysis of pork cell tissue， the pork cell impedance spectrum detection electrode was designed and simulated， and the electrode was made by lithography technology. The cell impedance spectrum was tested by inputting different frequencies of excitation to the electrode， and a rapid pork cell freshness detection system was constructed by analyzing the correlation between impedance spectrum and pork storage time. At the same time， in order to increase the practicability of the portable pork cell detection equipment， the information about the internal reaction of the battery was extracted from the battery electrochemical impedance spectroscopy of the portable equipment based on EIS technology， the relationship between impedance and frequency was analyzed， and various performance parameters of the battery were revealed for battery optimization.

Keywords： cell activity detection; cell impedance spectroscopy; electrode design and preparation; electrochemical impedance spectroscopy; battery optimization

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（Electrochemical 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。

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 ℃，环境温度为26 ℃，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 ℃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为制作完成的叉指电极。

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 ℃转移至26 ℃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20 mV，在对数坐标轴1 Hz～1 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。在样品中加蒸馏水至100 mL。浸泡30 min后过滤，取5 mL滤液滴入凯氏定氮仪中。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。

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 ℃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 kHz～1 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息，分析所得到的阻抗与频率之间的关系，可以揭示电池的各种性能参数，从而进行电池优化。同时，由于是同一路激励信号，可对比电极在进行阻抗谱测试过程中的使用情况，关联细胞阻抗谱测试数据与电池管理系统中的响应数据，得到最优电池使用方案，增加现场检测效率。信号传输路径如图6所示。

2.2" 具体实施方案

图7为基于EIS技术的低功耗细胞阻抗谱测试系统整体结构图；包含实验数据收集、数据预处理、等效电路模型选择、参数拟合和结果分析，通过上述步骤，可以得到一个拟合度较好的电路模型及其参数。进一步分析这些参数，可以揭示出电池内部反应的信息，例如电荷传输速率、电解质扩散系数等。

2.3" EIS数据处理算法

数据处理是EIS技术的关键部分，其中最重要的是拟合算法。常见的数据拟合算法有KKT变换法、最小二乘法等。这些算法的目标是通过最小化实验数据与模型预测之间的差异，从而确定模型参数。在拟合过程中，需要选择合适的等效电路模型来描述电池内部的电化学过程。常见的等效电路模型有Randles模型、Warburg模型等。通过对实验数据进行拟合，可以获得电池内部各个组件的阻抗值及其变化规律。步骤如下。

2.3.1" 实验数据收集

首先，由于细胞阻抗谱检测时会发送不同频率的交流电压信号，其中分出一路信号对电池施加激励，并记录产生的交流电流响应。这些数据可以表示为复数形式，包括幅值和相位角。

2.3.2" 数据预处理

由于实验误差或其他原因，收集到的数据可能存在噪声。因此，在进行数据分析之前，采用Savitzky-Golay滤波技术对数据进行平滑处理，通过拟合局部数据的多项式来获得平滑后的数据。具体而言，权衡平滑程度与信号保留程度，构造一个Vandermonde矩阵A，然后计算其伪逆矩阵A^+，最后将A^+与单位矩阵相乘得到滤波器系数。确定窗口大小M和多项式阶数n。

2.3.3" 模型选择

为了解释EIS数据，需要选择合适的电路模型来表示电池的电化学过程。这些模型由电阻、电容和常数相位元件（CPE）等基本元件组成。为了找到最佳模型，比较不同模型对实验数据的拟合优度。如图8所示，本研究采用改进的Randles电路模型。Randles模型是一个基于常用的等效电路模型进行改进，用于描述电极界面和扩散过程。该模型包括一个串联电阻（Rs）、5个并联电阻（Rct）与电容（Cdl）以及4个Warburg阻抗（W）。Rs表示电解质的电阻，Rct表示电荷传输阻抗，Cdl表示双电层电容，而W表示扩散相关的阻抗。

模型中的阻抗计算方法为

2.3.4" 参数拟合

在选择了合适的模型后，需要利用非线性最小二乘法优化算法对模型参数进行拟合。这一过程通常包括调整模型参数，使得模型与实验数据之间的残差平方和最小。可以使用非线性最小二乘法对Randles模型参数进行拟合，以使得模型预测值与实验数据之间的残差平方和最小。该非线性拟合过程会迭代优化参数Rs，Rct和Cdl，以使得模型预测值与实验数据之间的残差平方和达到最小。从而给出Randles模型的最优参数估计。

2.3.5" 结果分析

通过上述步骤，可以得到一个拟合度较好的电路模型及其参数。进一步分析这些参数，可以揭示出电池内部反应的信息，例如电荷传输速率、电解质扩散系数等。

式中：n为电子转移数，对于一价电极反应设置为1；F为法拉第常数96 485 C/mol ；A为电极表面积，设为1 cm2；T为绝对温度；σ为Warburg阻抗的斜率。

由此可以看出，测试电极的电池系统对应的电荷传输速率反映了电极表面上电荷传输的快慢，扩散系数反映了电解质中离子的扩散速率。对比在做细胞阻抗谱测试的特征频率下，在1～10 kHz区间能够得到较为契合的电池使用效率。同时可利用EIS技术持续地监测电池的运行工作状态，可以有效地评估和优化电池的工作状态方案。

3" 结论

综上，通过仿真、设计、制作猪肉细胞的金属测试电极，能够测试特定频率下的细胞阻抗谱，以此对比不同贮藏时间的猪肉的阻抗谱从而得到猪肉的新鲜度。同时，通过对Randles电路参数的分析计算，可以得到一定的电化学信息，评估电极过程的电化学性质和反应速率，从而得到目前的电池状态，进行相应的优化操作。将EIS技术融入到细胞阻抗谱检测装置中，由于细胞阻抗谱检测设备的硬件架构和测试方法的原因，非常适合将EIS技术融入，因为细胞阻抗谱测试过程中发送的不同频率的激励信号与EIS所需要的激励信号刚好一致，不需要加额外的信号发生源等装置。该技术方法能够完美地融入到细胞阻抗谱设备当中去，解决了该装置设备功耗大、使用时间短的弊端。实现设备的便携，现场快速检测，待机时间长等优势。与现有技术相比，其显著优点是：①在几乎不增加任何成本的情况下，能够提高阻抗谱检测设备的实用性；②通过设计一套电池状态监测优化方法，能够得到电池状态的一些参数，对于电池状态检测行业仍有较大的可探索和实验性，用于更多的便携设备当中去。

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