Портативная система для автоматизации прикладного микробиологического эксперимента на основе микросхемы AD5933

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра биофизики

КУРСОВАЯ РАБОТА

Портативная система для автоматизации прикладного микробиологического эксперимента на основе микросхемы AD5933

Руденко Дмитрий Андреевич

Минск, 2016

Содержание

Введение

Основная часть

1. Принципы электрофизических измерений датчиками фарадеевского и нефарадеевского типа

2. Прецизионный измеритель импеданса АВ5933

2.1 Перевод кодовых значений параметра импеданса в физические единицы размерности

2.2 Алгоритм измерения неизвестных значений параметров импеданса

2.3 Пользовательское программное обеспечение

Выводы

Список использованных источников

Введение

Метод импедансной электрохимической спектроскопии (ИЭС) широко используется в современных микробиологических исследованиях, связанных с экспрессной оценкой жизнеспособности различных видов микробных популяций [1-4]. импеданс фарадеевский датчик кодовый

В отличие от методов традиционной импедансометрии ИЭС обладает более высокой информативностью в раскрытии свойств изучаемой системы и механизма процессов, которые в ней протекают, а также имеет более высокую экспериментальную эффективность, позволяющую получить достаточно большой объем нетривиальной информации об изучаемом объекте по сравнению с затратами на автоматизацию эксперимента.

Многоканальная реализация метода ИЭС открывает широкие возможности, в рамках одного эксперимента, для исследования, во взаимосвязи со свойствами различных типов микроорганизмов, питательных сред, различного конструктивного исполнения фарадеевских и нефарадеевских датчиков, механизмов переноса заряда на фазовых границах раздела электрод/электролит. С помощью метода ИЭС открываются также возможности исследования свойств поверхности электродов и установления механизма электрохимических реакций, протекающих на их поверхности [1].

Суть метода ИЭС основана на подаче возмущающего воздействия в виде синусоидального напряжения малой амплитуды и измерение на выходе системы отклика тока, вызванного данным возмущением. Требования к ограничению значения величины возмущающего систему фактора связаны с обеспечением условий для интерпретации результатов измерения в терминах теории линейных систем [1]. Получаемые при этом в широкой частотной области комплексные импедансные данные анализируются на уровне комплексных величин импеданса, адмиттанса, диэлектрической проницаемости и электрического модуля с целью полного понимания процессов в исследуемой системе. Для интерпретации экспериментальных данных, полученных методом ИЭС, могут быть использованы как аналоговые, так и физические модели. Формой представления аналоговых моделей являются электрические эквивалентные схемы, с помощью которых фактически отражаются происходящие в инокулированной среде ячейки процессы, характеризуемые набором временных констант в исследуемом спектре частот.

Физические модели ставят своей целью объяснение механизма процессов, происходящих в ячейке, с помощью физико-химических концепций [2].

При возникающих трудностях описания резистивно-емкостных свойств системы в эквивалентной электрической схеме часто используют элемент постоянной фазы (CPE-constant phase element) [3, 4]. Эти случаи, как правило, характерны для неидеальных конденсаторов, например, нефарадеевских датчиков, когда распределение примесных и дефектных центров при пассивации электродов датчика оксидной пленкой оказывается неоднородным по толщине оксида, или когда состав и поверхность электрода негомогенны [2].

Современный уровень развития микроэлектронных технологий в области создания интегральных микросхем для реализации метода ИЭС и компьютерных технологий получения, обработки и представления пользователю информации открывает достаточно широкие перспективы для создания портативных информационно-измерительных систем на базе данного метода.

В данной работе демонстрируется принцип создания портативной системы для автоматизации прикладного микробиологического эксперимента с использованием микросхемы AD5933, представляющей собой прецизионный конвертер импеданса.

1. Принципы электрофизических измерений датчиками фарадеевского и нефарадеевского типа

Для проведения электрофизических измерений, в зависимости от типа решаемых задач, могут быть использованы двух-, трех- и четырехэлектродные ячейки. В ячейках может быть использован различный набор электродов, который для всех типов ячеек состоит из следующих разновидностей: рабочий электрод (РЭ), вспомогательный электрод (ВЭ) и электрод сравнения (ЭС) [5].

При изучении явлений, происходящих на границе электрод/раствор, используют схему измерений и двухэлектродную ячейку, содержащую рабочий электрод (РЭ) и вспомогательный электрод (ВЭ), как показано на рис. 1.

Рис. 1- Схема измерений с помощью двухэлектродной ячейки

В этой схеме одна и та же пара электродов служит как для подачи поляризующего напряжения Е на биообъект, так и для регистрации, получаемого при этом, отклика тока I. На рабочем электроде в данной схеме с помощью операционного усилителя 2 поддерживаются параметры синусоидального напряжения (частота, амплитуда), подаваемые в измерительную ячейку с генератора 1. При этом нетрудно показать [46], что выходное напряжение U_вых с операционного усилителя 2 будет определяться выражением

U_вых = R_изм? U_Г/ IZ_я I, (1)

где R_изм - постоянное сопротивление, определяющее чувствительность схемы измерения, U_Г ? величина амплитуды напряжения генератора, IZ_яI? модуль импеданса измерительной ячейки. Из приведенного выражения (1) следует, что выходное напряжение обратно пропорционально модулю импеданса измерительной ячейки Z_я.

Электрическая эквивалентная схема такой ячейки может быть представлена, как показано на рис.2. В данной схеме Rs-сопротивление электролита; Сs-емкость электролита; Rп(рэ), Rп(вэ) - поляризационные сопротивления; Сdl(рэ),Сdl(вэ)-емкости двойного слоя рабочего (рэ) и вспомогательного (вэ) электродов.

Рис. 2 - Эквивалентная электрическая схема двухэлектродной ячейки

Если поверхность металлических электродов не покрыта изолирующими пленками, то с помощью таких электродов реализуется фарадеевский принцип измерения, посредством которого обеспечивается электронно-ионный транспорт между поверхностью электродов и электроактивными элементами раствора. При этом сами поверхности электродов оказываются высоко поляризуемыми. Особенности применения данного типа ячейки для электрофизических измерений следуют из приводимых ниже зависимостей.

Импеданс двухэлектродной измерительной ячейки Z_Я(щ) на круговой частоте щ определяется импедансом электродов Z_Е(щ) и импедансом раствора электролита Z_S(щ):

Z_Я(щ) = Z_Е(щ)+Z_S(щ) , (2)

Уравнение (2), с учетом импеданса электродов Z_Е(щ), можно переписать в виде

Z_Я(щ )= Z_Е(щ)+Z_S(щ)=Z_РЭ(щ)+Z_ВЭ(щ)+Z_S(щ), (3)

где Z_РЭ(щ), Z_ВЭ(щ) -импеданс рабочего и вспомогательного электродов. Импеданс раствора электролита Z_S(щ) может быть выражен как

1/ Z_S(щ) = 1/ R_S +jщСs (4)

где R_S и Сs-сопротивление и емкость раствора. Выражение (4) может быть преобразовано к следующему виду

Z_S(щ) = R_S / (1 +jщ R_S Сs) (5)

Так как на частотах в пределах 100 кГц член jщR_SСs«1, то можно считать, что импеданс раствора Z_S(щ практически не зависит от частоты и приблизительно равен сопротивлению R_S. Для многих электрохимических систем поляризационные сопротивления рабочего R_п(рэ)) и вспомогательного (R_п(вэ) электродов много меньше, чем сопротивление раствора электролита Rs. Поэтому импеданс Z_Я(щ ) двухэлектродной ячейки на таких частотах будет представлять собой информационный параметр, описываемый следующим выражением:

Z_Я(щ ) ?Z_Е(щ)=Z_РЭ(щ)+Z_ВЭ(щ) =1/jщСdl(рэ)+1/jщСdl(вэ) (6)

Как видно из выражения (6) импеданс двухэлектродной ячейки полностью зависит от емкостей двойного электрического слоя рабочего и вспомогательного электродов.

При точных измерениях редокс-процессов применяют трехэлектродную ячейку фарадеевского типа. При этом на поверхности рабочего электрода в течение времени проведения исследований поддерживается потенциал близкий к нулю относительно хлорсеребрянного электрода сравнения с помощью вспомогательного электрода и системы измерения с отрицательной обратной связью. По изменению выходного напряжения в обратной связи измерительной системы судят об изменениях величины потенциала рабочего электрода в зависимости от редокс-процессов, происходящих в ячейке.

Для изучения изменений объемной электрической проводимости раствора применяют четырехэлектродную ячейку. Фарадеевский принцип измерения с помощью такой ячейки использует вспомогательную пару электродов, которую вставляют в раствор электролита и подключают к генератору синусоидального напряжения, с помощью которого задают параметры измерительного сигнала. Об изменении объемной проводимости раствора судят с помощью другой пары электродов, называемых рабочими, которые размещают в промежутке между вспомогательными электродами. Рабочие электроды подключают к высокоомному дифференциальному усилителю напряжения. Регистрируемое при этом падение напряжение на выходе операционного усилителя между рабочими электродами оказывается прямо пропорциональным изменению электрической объемной проводимости исследуемого раствора, поскольку внешний переменный ток, протекающий между рабочими электродами, оказывается во много раз больше входного дифференциального тока измерительного усилителя.

Если покрыть рабочий и вспомогательный электроды измерительной ячейки тонкими изолирующими пленками, то такую двухэлектродную ячейку, согласно выражению (6), можно использовать для изучения приграничных процессов в системе электрод/раствор. При этом покрытие электродов изолирующими пленками приводит к изменению эквивалентной электрической схемы двухэлектродной ячейки, как показано на рис.3. В эквивалентную электрическую схему дополнительно приходиться вводить два элемента: емкость покрытия С_С и сопротивление покрытия R_C. Отличие схемы, представленной на рисунке 13 от схемы рисунка 12 состоит в том, что параллельную цепочку R_SСs рисунка 6 приходиться заменять цепочкой, состоящей из элементов CРЕ_dl, Z_w и R_cт.

Рис. 3 - Эквивалентная электрическая схема двухэлектродной ячейки нефарадеевского типа

Это обусловлено тем, что изолирование поверхности рабочего и вспомогательного электродов тонкими непроводящими пленками приводит к тому, что конденсаторная емкость С_SП принципиально отличается по своим электрофизическим свойствам от С_S . Емкостное сопротивление Х(С_SП,щ) такого конденсатора не подчиняется классическому описанию выражением 1/jщ?С_SП Поэтому его заменяют СРЕ_dl-элементом [6]. А фарадеевские процессы на электродах двухэлектродной ячейки с изолированными покрытиями представляют последовательной цепочкой, состоящей из элементов Z_w и R_СТ, подсоединяемых параллельно конденсатору СРЕ_dl. Элемент Z_w представляет собой диффузионный импеданс (импеданс Варбурга), который описывает процессы диффузии электроактивных частиц к электроду и отвод электроактивных продуктов реакции от электрода. Элемент R_СТ в данной цепочке отвечает за процессы сопротивления токопереносу.

В первом приближении емкость тонкопленочного изолирующего покрытия электродов С_с обычно моделируют с помощью выражения для плоского конденсатора:

С_с = е_оеS_c/d_c, (7)

где е_о диэлектрическая проницаемость вакуума, е - диэлектрическая проницаемость пассивирующей пленки, S_c и d_c площадь и толщина покрытия соответственно.

Согласно выражению (7) величина емкости С_с, будет определяться диэлектрической проницаемостью материала, выступающего в роли тонкопленочного изолирующего покрытия. На изменения емкости С_с может сказываться тип функционализации поверхности изолирующей пленки и электрохимические взаимодействия поверхности с электроактивными компонентами раствора электролита.

Изменение сопротивления тонкопленочного изолирующего покрытия электродов R_c, может происходить за счет изменения проводимости покрытия при попадании раствора электролита в поры его структуры. Величина данных изменений может быть оценена с помощью выражения:

R_{c =} d_p/k_cN_pS_p, (8)

где N_p- число пор, S_р- площадь поперечного сечения пор, d_p-длина поры, k_c-проводимость электролита.

Недостатком двухэлектродной ячейки нефарадеевского на основе изолированных макроэлектродов является трудность получения массива электродов с одинаковыми элекрофизическими свойствами поверхности. Устранение данных недостатков может быть обеспечено переходом к микроэлектродным конструкциям, создаваемым с помощью технологиий микро- и наноэлектроники. Для создания массива измерительных преобразователей на одной подложке с однотипными электрофизическими свойствами могут быть использованы технологии вакуумного напыления и фотолитографии, а для пассивации микроэлектродов различным типом изолирующих покрытий могут быть применены микро- и нанотехнологии нанесения тонких пленок.

2. Прецизионный измеритель импеданса АВ5933

Принцип работы микросхемы AD5933 основан на дискретном преобразовании Фурье (ДПФ), который реализуется с помощью аналого-цифровых преобразований согласно представленной на рис.4 ее структурной схемы.

Рис.4- Обобщенная структурная схема микросхемы AD5933 для измерения параметров импеданса

Известно, что с помощью ДПФ любая периодическая функция или любой дискретный сигнал могут быть выражены в виде суммы отдельных гармонических составляющих [6]. В интегральной микросхеме AD5933 алгоритм ДПФ используется для получения кодовых значений Х(f) активной и мнимой составляющих импеданса для каждой точки частоты f, которые хранятся в соответствующих регистрах, как показано на рис. 4. Математическое выражение данного алгоритма, согласно data sheet на микросхему AD5933, представляется с помощью следующего математического выражения:

Во всем частотном диапазоне дискретные значения сигналов х(n) в выражении (11) получают с помощью аналого-цифровых преобразований (АЦП). В микросхеме AD5933 для этих целей служит 12-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь.

2.1 Перевод кодовых значений параметра импеданса в физические единицы размерности

Для перевода кодовых значений Х(f) в физические единицы размерности используется соответствующая методика [7], которая базируется на узле измерения и калибровки, выполненного на микросхеме операционного усилителя AD820 и двух микросхемах мультиплексоров типа ADG707BRU. Одна микросхема ADG707BRU представляет собой сдвоенный мультиплексор восемь каналов на один (8х1). Узел схемы измерения и калибровки показан на рис. 5.

Рис.5- Узел измерения и калибровки параметров неизвестного импеданса

Для этого по заданным значениям схемы измерения, а именно резистора R_обр и калибровочного резистора R_к, которые должны иметь равные значения, определяют коды реальной I_R и мнимой I_М составляющих импедансного спектра. После чего определяют безразмерные кодовые величины параметров импедансного спектра для данной пары резисторов (R_к, R_обр) по формуле:

(12)

Для значения калибровочного резистора R_к и значения кодовой величины калибровочного импеданса I, получаемой из выражения (12), находим поправочный коэффициент G для заданной частоты f и значения амплитуды напряжения выходного сигнала , подаваемого на калибровочный резистор R_к, по формуле:

(13)

Получая числовые значения кодов реальной и мнимой составляющих исследуемого импедансного спектра, по аналогии с выражением (14), находим безразмерные кодовые величины его импедансного спектра :

(14)

Реальные значения импеданса исследуемой структуры в диапазоне частот определяем, используя значения, полученные из выражений (13) и (14):

Значения параметров импедансного спектра в физических единицах размерности находим из следующих соображений. Для этого находим отношение значений измеренных кодов и , т.е.

(16)

Откуда получаем

, (17)

Подставляя (17) в (14) и, используя выражение (15), получим формулы для вычисления значений активной и реактивной составляющих импеданса исследуемых структур непосредственно в физических единицах размерности:

(18)

(19)

2.2 Алгоритм измерения неизвестных значений параметров импеданса

При вычислении модуля импеданса на конкретной частоте необходимо измерить неизвестный импеданс так, чтобы попасть в область значений (0,066...0,2), которая определяется отношением R_обр резистора в обратной связи усилителя преобразователя в схеме AD5933 к модулю измеренного неизвестного импеданса Z_имп, определяемого действительной и мнимой частями результата ДПФ, получаемого с помощью микросхемы AD5933.

Согласно документации на микросхему AD5933, только в данной области обеспечивается наибольшая точность измерения параметров неизвестного импеданса. При попадании в данную область рассчитываемых отношений проводится калибровочная процедура на основе прецизионных резисторов, которая позволяет подкорректировать значение измеренного неизвестного импеданса. При не попадании в данную область рассчитываемых отношений изменяют значение резистора R_обр до тех пор, пока не произойдет попадание значения данного отношения в указанную область. После чего производится уточняющая калибровочная процедура.

Все расчеты выполняются по специальной программе, алгоритм работы которой приведен на рис.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6 Алгоритм вычисления параметров неизвестных значений импеданса

2.3 Пользовательское программное обеспечение

Графически главное рабочее окно оформлено в программной среде Qt, а основная программа, позволяющая управлять режимами измерения, обрабатывать и представлять получаемую информацию пользователю, написана на языке программирования С++. В состав ОП входит набор программ различного функционального назначения, которые запускаются через систему многоуровневых меню и пиктограмм, представленных на рис.7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как можно видеть из приведенного на рис.7 главного меню, для пользователя предоставляются следующие функциональные возможности при получении параметров импедансного спектра:

- выбор амплитуды напряжения воздействующего гармонического сигнала

в пределах 200, 400, 1000 и 2000 мВ;

- выбор времени сканирования и периода измерений кодовых значений реальной и мнимой составляющих импеданса по усмотрению;

- выбор внешнего (2 МГц) или внутреннего (16 МГц) тактового генератора в зависимости от величины измеряемого импеданса;

- выбор канала или каналов измерения;

- выбор заданных точек частоты в диапазоне от 10 Гц до 300 кГц по усмотрению;

- контроль температуры кристалла микросхемы;

- контроль в заданных точках кодовых значений реальной Re и мнимой Im составляющих импеданса, его модуля и фазы.

Управление режимами работы микросхемы AD5933, узла калибровки и измерения осуществляется через микроконтроллер AtMega, с помощью пользовательского программного обеспечения.

Наборы резисторов R_обр и R_к в схеме узла калибровки и измерения подобраны таким образом, чтобы обеспечить работу портативной системы как с фарадеевскими, так и нефарадеевскими планарно-емкостными датчиками.

Выводы

Продемонстрированные возможности применения прецизионного конвертера импеданса AD5933 показывают, что на его основе могут быть построены достаточно экономичные, портативные и прецизионные устройства измерения параметров импеданса для автоматизации прикладного микробиологического эксперимента, связанного с обнаружением и дифференциацией вида исследуемых микроорганизмов.

Список использованных источников

1. Ruiz G.A., Zamora M.L. and Felice C. J. Impedance spectroscopy of yeast cells attached to gold electrodes// J Electr. Bioimp. 2014. V.5. P. 40-47.

2. Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л. Импедансная спектроскопия в исследовании процессов переноса заряда // Вестник ДВО РАН.?2006.? № 5.? С. 6-16.

3. Munoz-Berbel X., Munoz F.J. Vigues, N., Mas J. On-chip impedance measurements to monitor formation in the drinking water distribution network // Sensors & Actuators. 2006. B. Chemical 118. P. 129-134.

4. Munoz-Berbel X., Vigues N, Mas J, Toby A, Jenkins A, Munoz F.J. Impedimetric characterization of the changes produced in the electrode-solution interface by bacterial attachment // Electrochem. Commun. 2007. V.9. P. 2654-2660.

5. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре / Под ред. Е.И. Гальперина, М, «Сов. радио», 1974. -312с.

6. Петровский А. А. Методы и микропроцессорные системы обработки широкополосных и быстропротекающих процессов в реальном времени / Под ред.Г.В. Римского.- Мн.: Наука и техника,1988.-272 с.

7. Скороход Г.А., Паркун М.В., Лобан В.А., Судник Ю.М., Драпеза А.И., Гудкова Е.И. Применение импедансной спектроскопии для оценки эффективности дезинфектантов // Молекулярные мембранные и клеточные основы функционирования биосистем: материалы междунар. науч. конф., Минск, 19-21 июня, 2012 г.: в 2 ч. / Изд. центр БГУ; редкол.: И.Д. Волотовский [и др.]. - Минск, 2012. - Ч. 2. - С. 269-271.

Размещено на Allbest.ru