Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Thiết kế chế tạo thiết bị đo trở kháng sinh học sử dụng chip AD5933

PHAN QUANG TÚ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ

ĐO TRỞ KHÁNG SINH HỌC SỬ DỤNG CHIP AD5933

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 60520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

TS Trần Thị Ngọc Dung PGS TS Trương Tích Thiện

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHAN QUANG TÚ MSHV: 1670280 Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật

Khóa: 2016 -2020

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO TRỞ KHÁNG SINH HỌC

SỬ DỤNG CHIP AD5933

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu về trở kháng sinh học và phép đo phổ trở kháng sinh học EIS

 Tìm hiểu về AD5933 và cách sử dụng mạch đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ  Tìm hiểu và sử dụng các chương trình OriginPro, EIS Spectrum Analyser. Thử nghiệm đo trên các mạch điện RC và đo thử nghiệm trên trái cây, so sánh và

đánh giá kết quả

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/08/2019

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/12/2019

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS HUỲNH QUANG LINH

Tp HCM, ngày tháng 12 năm 2019

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

Đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Quang Linh đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến KS Lê Thành Nhân, KS Nguyễn Đức Song An và các em KU15 đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

Con cảm ơn ba mẹ và gia đình đã luôn tin tưởng và sát cánh cùng con, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để con hoàn thành khoá học và hoàn thành đề tài luận văn này Trong quá trình thực hiện, cuốn luận văn này không sao tránh khỏi những thiếu sót Rất mong sự đóng góp, bổ sung của thầy cô và các bạn

Sau cùng em xin chúc thầy cô Khoa Khoa Học Ứng Dụng nhiều sức khỏe để tiếp tục sứ mệnh truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Phan Quang Tú

Based on mentioned issue, the objective of the thesis is to design a simple and portable measuring device model, which can be used to quickly measure bioimpedance for quick diagnosis of fruit and vegetable conditions The design circuit uses the EVAL-AD5933EBZ impedance measurement circuit of Analog Device Model can operate with frequency range from 5 kHz to 100 kHz A steady voltage source with a maximum peak voltage of 2 Vp-p with the swept frequency from 5 kHz to 100 kHz is applied to the test object through two electrodes The output current signal will be received, and transmitted to the computer for processing The final value displayed through the system is the bioimpedance value of the measuring object The calibration tested on the reference circuit shows the appropriate confidence level and repeatibility The measurement circuit was then applied to experimental studies on tomatoes and apples and showed detectable measurement values indicating some state change of the object as well However, the model needs more testing and verification to be able to develop into practical applications

LỜI CAM ĐOAN

Học viên xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân học viên thực hiện Ngoài phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và chưa được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác

Tp HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2020 Học viên

Phan Quang Tú

1.1Giới thiệu chung về đề tài 1

1.2Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn 2

1.2.1Mục tiêu luận văn 2

1.2.2Nhiệm vụ luận văn 2

1.2.2.1Lý thuyết 3

1.2.2.2Thực nghiệm 3

CHƯƠNG 2CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1Khái niệm về trở kháng 4

2.2Cấu tạo tế bào sinh học và nguồn gốc của trở kháng sinh học 6

2.2.1 Cấu tạo của tế bào sinh học 6

2.2.2 Nguồn gốc của trở kháng điện sinh học 7

2.3Mô hình trở kháng tương đương 8

2.3.1 Mô hình Cole-trở kháng 9

2.3.2 Mô hình Fricke 11

2.3.3 Mô hình Hayden 12

2.3.4 Mô hình vỏ kép (double-shell) 13

2.4Phổ trở kháng điện (Electrical Impedance Spectroscopy) 13

2.4.1Phân loại EIS 15

2.4.2Cấu hình điện cực đo EIS 18

2.4.2.1Cấu hình 2 điện cực 18

2.4.2.2Cấu hình 4 điện cực 19

2.4.3Kỹ thuật đo EIS 20

2.5Biểu diễn dữ liệu 20

3.3Bộ kit đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ 25

3.4Mạch Analog Front-End (AFE) 26

3.4.1 Loại bỏ tín hiệu DC (DC Cancellation) 26

3.4.2 Trở kháng ngõ ra 27

3.5Các thông số quan trọng trước khi thực hiện phép đo trở kháng 28

3.5.1 Các thông số của dải tần số quét 28

3.5.2 Điện trở phản hồi 28

3.5.3 Tính toán hệ số khuếch đại (Gain Factor) 29

3.5.4 Quá trình hiệu chuẩn 29

3.5.5 Thông số được lựa chọn cho nghiên cứu 30

3.6Phần mềm điều khiển mạch AD5933 Evaluation Software 30

3.7Phần mềm phân tích dữ liệu OriginPro 8.5 37

4.2Thực nghiệm trên trái cây 51

4.2.1 Nguyên liệu và các thiết bị sử dụng 51

4.2.1.1Nguyên liệu 51

4.2.1.2Các thiết bị đo 52

4.2.2 Xác định vị trí đặt điện cực 52

4.2.3 Quy trình đo 53

4.2.4 Thí nghiệm trên cà chua 54

4.2.5 Thí nghiệm trên táo 56

4.3Đánh giá các kết quả đạt được 59

CHƯƠNG 5KẾT LUẬN 61

5.1Kết quả đạt được 61

5.2Hạn chế của luận văn 61

5.3Hướng phát triển của đề tài 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Z, độ dịch pha , phần thực và phần ảo của trở kháng trong mặt phẳng phức [12] 6Hình 2.3 Cấu trúc của tế bào sinh học và mô: a) giải phẫu tế bào động vật, b) giải phẫu tế bào thực vật;c) giải phẫu mô động vật, d) giải phẫu mô thực vật [14] 7Hình 2.4 Cấu trúc màng tế bào của các tế bào sinh học: (a, b) mô hình 2D và 3D của các lớp P-L-P của một phần màng tế bào biệt lập, (c) mô hình 2D của cấu trúc kẹp protein-lipid-protein của màng tế bào 8Hình 2.5 Đặc tính trở kháng phụ thuộc tần số của mô sinh học và mô hình mạch tương đương đơn giản của chúng: a) đường đi của dòng điện qua các tế bào sinh học trong mô, b) mô hình Fricke đơn giản 3 thành phần (mô hình 3 phân tử 2R1C) 9Hình 2.6 Mô hình Cole-trở kháng biểu diễn trở kháng phụ thuộc tần số của các mô sinh học; khi  =1 CPE đóng vai trò như một tụ điện lý tưởng, khi  = 0 CPE đóng vai trò như một điện trở thuần 10Hình 2.7 Đồ thị Cole - Cole 11Hình 2.8 Mô hình Fricke điều chỉnh (Modified Fricke) 12Hình 2.9 a) Mô hình cấu trúc giải phẫu đơn giản của quả, b) Mô hình tương đương Hayden (Hayden et al., 1969), c) mạch điện tương đương lớp vỏ kép được đề xuất bởi Zhang và Willison (1991) cho thấy trở kháng không bào (ZV) được hình thành do điện trở dịch không bào (RVS) và điện dung tonoplast (màng không bào) (CTP) 12Hình 2.10 Lưu đồ nguyên lý của EIS (Macdonald, 1987) [15] 14Hình 2.11 Sơ đồ quang phổ trở kháng điện, a Mô hình máy phân tích trở kháng, b Đo trở kháng điện sử dụng phương pháp 2 điện cực, c Đo trở kháng điện sử dụng phương pháp 4 điện cực 18Hình 2.12 Cấu hình 2 điện cực 19Hình 2.13 Cấu hình 4 điện cực 19Hình 2.14 a) Biểu đồ Bode của mạch điện RC nối tiếp: Bode biên độ (đường màu đỏ) và Bode pha (đường màu vàng) vẽ theo trục ngang tỉ lệ với logarith bậc 10 của tần số, b) Biểu đồ Nyquist 20

Hình 2.15 Biểu diễn EIS của mạch điện RC song song: a) Biểu đồ Bode, b) Biểu đồ

Nyquist 21

Hình 3.1 Mẫu máy đo LCR N4L PSM 1735 và PalmSen3 22

Hình 3.2 Sơ đồ khối chức năng của AD5933 23

Hình 3.3 Giai đoạn truyền phát 23

Hình 3.4 Giai đoạn nhận 24

Hình 3.5 Mạch đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ 25

Hình 3.6 Giai đoạn re-bias Loại bỏ bias từ giai đoạn truyền phát và re-bias tín hiệu AC lên mức Vdd/2 để giữ cho mức DC không đổi trong suốt chuỗi tín hiệu 27

Hình 3.7 AD5933 với mạch AFE 27

Hình 3.8 Bảng điều khiển phần mềm AD5933 Evaluation Software Ví dụ mô tả bộ dữ liệu trở kháng của điện trở 200kΩ 32

Hình 3.9 Đồ thị trở kháng khi hiệu chuẩn Mid-point (bên trái) và Đồ thị trở kháng khi hiệu chuẩn Multi-point (đa điểm) 34

Hình 3.10 Thông báo tính toán thành công hệ số khuếch đại 34

Hình 3.11 Thanh tiến trình quét (màu xanh) 35

Hình 3.12 Lưu trữ dữ liệu của trở kháng đo 35

Hình 3.13 Kết quả đo thí nghiệm mạch RC trong thực tế 36

Hình 3.14 Biểu đồ pha trên bảng điểu khiển, biểu diễn pha của điện trở 200KΩ (0°) 36

Hình 3.15 Giao diện phần mềm Origin 7.5 38

Hình 3.16 Nhập dữ liệu vào Origin 39

Hình 3.17 Vẽ đồ thị trong Origin 39

Hình 3.18 Một ví dụ đồ thị dạng Line được vẽ bằng Origin 40

Hình 3.19 Chỉnh sửa thông số của đồ thị 40

Hình 3.20 Quá trình làm mịn 41

Hình 3.21 Giao diện của phần mềm phân tích: 1) Menu, 2) Thanh công cụ, 3) Thông số mạch và kết quả, 4) Phổ trở kháng, 5) bảng danh sách mô hình mạch tương đương, 6) Cài đặt 42

Hình 3.22 Ví dụ sơ đồ khối trích xuất các tham số mô hình Cole-trở kháng của phép đo trở kháng sinh học 43

Hình 3.23 Xử lý dữ liệu ban đầu trên phần mềm OriginPro 43

Hình 3.24 Cấu trúc dữ liệu file *.eis 44

Hình 3.25 Một ví dụ về dữ liệu EIS thực nghiệm được thể hiện bằng biểu đồ Nyquist 44

Hình 3.26 Thư viện sơ đồ mạch tương đương 45

Hình 4.3 Biểu đồ Bode pha và sai số phép đo của mô hình Cole với R CAL=557 50

Hình 4.4 Biểu đồ Bode biên độ (bên trái) và sai số phép đo (bên phải) của mô hình Fricke với R CAL=210 50

Hình 4.5 Biểu đồ Bode pha và sai số phép đo của mô hình Fricke với R CAL=210 50

Hình 4.6 Biểu đồ minh họa việc lựa chọn R CAL không thích hợp (R CAL=330) của mô hình Fricke 51

Hình 4.7 Mẫu cà chua và táo được dùng để thí nghiệm 51

Hình 4.8 Cân đo khối lượng và đồng hồ đo nhiệt độ & độ ẩm Beurer 52

Hình 4.9 Điện cực của hãng Ambu và Trace top (bên trái); điện cực của hãng Rapidan (bên phải) 52

Hình 4.10 Hình dáng lý tưởng của táo [45] 53

Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi trở kháng Z() so với tần số 54

Hình 4.12 A) Hình ảnh tế bào cà chua, B) Hình ảnh tế bào táo Thanh ngang tượng trưng cho 200M [49] 55

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pha (o) so với tần số 55

Hình 4.14 Đường cong R-f (bên trái) và đường cong X-f (bên phải) 55

Hình 4.15 Hình ảnh mẫu cà chua thí nghiệm qua các ngày thứ 15, 18, 23 và 27 56

Hình 4.16 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi trở kháng Z() so với tần số 57

Hình 4.17 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pha (o) so với tần số 57

Hình 4.18 Đường cong R-f và đường cong X-f của táo thí nghiệm 58

Hình 4.19 Biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm ngày 27 và ngày 28 59

Hình 4.20 Hình ảnh mẫu táo được thí nghiệm 59

Bảng 4.3 Sai số giữa giá trị LT và giá trị đo được của mô hình Cole với R CAL=557 48

Bảng 4.4 Giá trị LT của mô hình Fricke với R CAL=210 49

Bảng 4.5 Sai số giữa giá trị LT và giá trị đo được của mô hình Fricke với R CAL=210 49

Bảng 4.6 Khối lượng của táo thí nghiệm 57

ECF Extracellular fluid Dịch ngoại bào

BIA Bioelectrical impedance analysis Phân tích trở kháng điện sinh học

EIS Electrical impedance spectroscopy Phổ trở kháng điện IPG Electrical impedance plethysmography

điện từ sinh học/phép đo biến đổi thể tích dựa trên trở kháng

EIT Electrical impedance tomography Chụp cắt lớp trở kháng điện

bào

đạc/nghiên cứu

EPI Electrode polarization impedance Trở kháng phân cực của điện cực

dòng điện sang điện áp

CVC Current-to-voltage converter

Bộ chuyển đổi dòng (điện) sang (điện) áp, gồm có TIA và các thành phần khác như: 1 bộ điều chỉnh tạo dòng và 2 ADCs

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu chung về đề tài

Mọi cơ thể sống bao gồm động vật và thực vật đều có cấu tạo từ các tế bào và mô, chúng được sắp xếp lại với nhau theo cấu trúc ba chiều Ví dụ, ở thực vật có hoa, cụ thể là trái cây (quả) là một đối tượng sinh học có cấu trúc phức tạp được tạo dựng từ vô số loại tế bào và mô sinh học [1] (Hình 1.1) Các tế bào sinh học này gồm có dịch nội bào (ICF), màng tế bào có hoặc không có thành tế bào, nằm lơ lửng trong dịch ngoại bào (ECF); chúng phản ứng một cách ‘lạ thường’ đối với tín hiệu điện xoay chiều Dưới tác dụng của tín hiệu điện kích thích xoay chiều, các tế bào, mô sinh học

tạo ra một trở kháng điện sinh học phức tạp hay còn gọi là trở kháng sinh học – phụ

thuộc vào thành phần của mô và tần số của tín hiệu xoay chiều áp vào[2, 3] Do đó đáp ứng tần số của trở kháng của mô sinh học bị ảnh hưởng rất lớn bởi tình trạng sinh lý và hóa lý của chúng và thay đổi tùy theo từng đối tượng Ngay cả khi trong cùng một đối tượng, trở kháng điện sinh học cũng thay đổi từ mô này sang mô khác, chúng cũng thay đổi theo tình trạng sức khỏe của mô [5, 6] tùy thuộc vào sự thay đổi sinh lý và hóa lý xảy ra trong mô Do đó, nghiên cứu về trở kháng sinh học của mô có thể cung cấp nhiều thông tin về giải phẫu Hơn nữa, vì trở kháng điện sinh học của mô phụ thuộc vào tần số tín hiệu, các nghiên cứu đa tần số về trở kháng điện của các mô sinh học có thể được sử dụng như một công cụ tiềm năng để thăm dò không xâm lấn các đặc tính sinh lý hoặc bệnh lý của chúng [3]

Hình 1.1 Cấu trúc của hoa và quả cà chua

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp thăm dò không xâm lấn như phân tích trở kháng điện sinh học (BIA) [4-6], phổ trở kháng điện (EIS) [1, 7, 8], điện từ sinh học/phép đo biến đổi thể tích dựa trên trở kháng (IPG) [9], trở kháng tim mạch (ICG) [10] và

xâm lấn của vật liệu sinh học cũng như phi sinh học trong miền tần số; trong khi, BIA, IPG và ICG chỉ được sử dụng trong lĩnh vực sinh học Mặt khác, BIA, IPG và ICG được áp dụng trên mô sinh học ở một tần số cụ thể BIA, IPG và ICG đều là các phương pháp phân tích trở kháng cung cấp các giá trị trở kháng của mẫu mô như giá trị tổng thể, trong khi đó EIS tính toán và phân tích trở kháng điện ở các tần số khác nhau cho phép chúng ta có được không chỉ các giá trị trở kháng của mẫu mô như giá trị tổng thể ở tần số cụ thể nào đó (thường là 50 kHz) mà nó còn cung cấp thông tin

để hiểu một số hiện tượng điện sinh học phức tạp như sự phục hồi điện môi (dielectric

relaxation) và phân tán điện môi (dielectric dispersions) xảy ra bên trong tế bào

Vậy nên, đứng trước tiềm năng phát triển của EIS cũng như tầm quan trọng trong việc nghiên cứu các tính chất sinh học thông qua sự thay đổi trở kháng của đối tượng sinh học, luận văn này tập trung vào thiết kế mô hình thiết bị đo đơn giản, cơ động và thử nghiệm đo trở kháng sinh học của trái cây Dữ liệu trở kháng thu được sẽ được tính toán, xử lý bằng phần mềm chuyên dụng OriginPro Sau đó, chương trình phân tích phổ EIS sẽ tính toán, trích xuất và tìm ra mô hình mạch điện tương đương đại diện cho sự thay đổi của từng loại trái cây Các kết quả đạt được có thể dùng để đánh giá chất lượng của trái cây và làm tiền đề cho các nghiên cứu sau này về trở kháng sinh học

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn 1.2.1 Mục tiêu luận văn

Thiết kế mô hình thiết bị đo đơn giản và cơ động, có thể sử dụng đo nhanh trở kháng sinh học phục vụ chẩn đoán nhanh tình trạng cây trái, rau củ Mạch thiết kế sử dụng mạch đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ

1.2.2 Nhiệm vụ luận văn

1.2.2.1 Lý thuyết

 Tìm hiểu các khái niệm cơ bản và cơ sở lý thuyết liên quan đến trở kháng sinh học; nguyên lý hoạt động của EIS, ưu và nhược điểm của các cấu hình điện cực dùng để đo

 Tìm hiểu về cách thu nhận và xử lý dữ liệu của phương pháp đo đa tần số  Tìm hiểu cách sử dụng các chương trình như AD5933 Evaluation Software,

OriginPro, EIS Spectrum Analyser

1.2.2.2 Thực nghiệm

 Thử nghiệm và đánh giá mạch đo dựa trên kết quả thí nghiệm các mạch điện RC từ đơn giản đến phức tạp

 Đưa ra một quy trình chuẩn để đo đạc

 Tiến hành đo thử nghiệm trên một số loại trái cây nhằm đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của chúng

 Đánh giá kết quả thu nhận được và đưa ra hướng phát triển

điện lý tưởng: điện trở (R), tụ điện (C) và cuộn cảm (L) Mỗi phần tử đều có một mối quan hệ đặc trưng giữa điện áp (V) và dòng điện (I) Điện trở, ký hiệu là R, liên quan đến khả năng cản trở dòng điện trong mạch Nó mô tả mối quan hệ giữa điện áp đặt lên một phần tử và dòng điện chạy qua phần tử đó [12] Mối quan hệ này được biểu diễn bằng định luật Ohm và được thể hiện bằng công thức 2.1

= (2.1)

Khi điện trở được đo bằng tín hiệu dòng điện một chiều (DC), điện trở hoàn toàn là điện trở thuần Tuy nhiên, đối với điện trở của tụ điện, nó lại được xem như một điểm kết nối mở (có điện trở là vô cùng) và điện trở của cuộn cảm là một điểm nối tắt (điện trở bằng 0) Chúng hoàn toàn không có ý nghĩa trong mạch điện DC Do vậy, về mặt toán học, để mô hình hóa tụ điện và cuộn cảm, ta phải dùng khái niệm trở kháng điện

Khái niệm trở kháng điện (electrical impedance) đã được Oliver Heaviside giới thiệu

lần đầu tiên vào những năm 1880 [12] Trở kháng điện (Z) không chỉ mô hình hóa đặc tính của điện trở mà còn mô tả khả năng điều chỉnh, thay đổi sự tích trữ điện của tụ điện và cuộn cảm Bởi vì ‘hành vi’ của tụ điện và cuộn cảm phụ thuộc vào tần số, nên trở kháng của nó được đo bằng cách đặt vào một tín hiệu điện áp kích thích xoay chiều (AC) có biên độ nhỏ,

( ) =( )( ) = ∗

 = | | ∗ ∗( ) (2.4)

Trong đó, và lần lượt là độ lớn điện áp và dòng điện; và là giá trị điện áp và dòng điện một chiều (DC); là tần số tín hiệu thí nghiệm; = 2 là tần số góc; độ lệch pha giữa ( ) và ( ); V( ) và I( ) là biến đổi Steinmetz của ( ) và ( ) [13] Các tham số dạng sóng sin được tính toán từ các tín hiệu thu được bằng thuật

toán fitting algorithm trong miền thời gian (Grossi et al., 2012a) hoặc bằng cách áp

dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (Yoo và Park, 2000)

Theo công thức Euler = cos( ) +j ∗ sin( ), dạng cực của trở kháng cũng có thể được biểu diễn dưới dạng Descartes (Đề-các) gồm phần thực của trở kháng ( ) và phần ảo của trở kháng ( ) Điều này được minh họa bằng đồ thị hình 2.1a và 2.2 Phương trình 2.5 biểu diễn trở kháng bằng 3 dạng khác nhau:

Sự sai lệch về thời gian giữa tín hiệu kích thích và tín hiệu đáp ứng được gọi là độ

lệch pha, là tỷ số giữa thành phần điện trở và thành phần điện kháng của tín hiệu đầu

ra [12] Giá trị độ lệch pha được tính toán bằng cách lấy phần ảo của trở kháng chia cho phần thực của trở kháng như công thức 2.6

 = arctan (2.6)

Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn tín hiệu điện áp và dòng điện trong miền thời gian [12]

Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn trở kháng phức ở dạng tọa độ cực và tọa độ Đề-các: Trở kháng Z, độ dịch pha , phần thực và phần ảo của trở kháng trong mặt phẳng phức [12]

2.2 Cấu tạo tế bào sinh học và nguồn gốc của trở kháng sinh học 2.2.1 Cấu tạo của tế bào sinh học

Các mô sinh học, bao gồm mô động vật và mô thực vật, được hình thành từ các đơn vị sống gọi là tế bào sinh học (Hình 2.3a, b) [14, 15] chúng được sắp xếp trong không gian ba chiều (3D) để tạo nên các cấu trúc 3D của các mô động vật và thực vật (Hình 2.3c, d) Các tế bào này đều có dịch nội bào (ICF) được bao bọc bởi một lớp màng Trong đó, các tế bào động vật (Hình 2.3a) chỉ có một lớp màng bao bọc, gọi là màng tế bào (CM); trong khi các tế bào thực vật (Hình 2.3b) có thêm một lớp màng bao bọc khác gọi là vách (thành) tế bào để bảo vệ các tế bào và độ bền vững cơ học của chúng

Thông thường, các tế bào sinh học nằm trong một chất nền (matrix) gọi là dịch ngoại

bào (ECF), dịch này gồm các phân tử ngoại bào để cung cấp hỗ trợ cấu trúc và sinh hóa cho các tế bào trong mô [14, 15]

Hình 2.3 Cấu trúc của tế bào sinh học và mô: a) giải phẫu tế bào động vật, b) giải phẫu tế bào thực vật;c) giải phẫu mô động vật, d) giải phẫu mô thực vật [14]

2.2.2 Nguồn gốc của trở kháng điện sinh học

Bởi vì dịch nội bào (ICF) và dịch ngoại bào (ECF) đều có cấu tạo từ các vật chất dẫn điện khác nhau (bao gồm dung dịch ion và các vật chất có tính dẫn điện cao), dưới tác dụng kích thích của tín hiệu điện áp hoặc dòng điện xoay chiều (AC), cả hai đóng vai trò như một điện trở thông thường [14] và tạo thành một đường dẫn cho dòng điện đi xuyên qua mô (Hình 2.5a) Ngược lại, màng tế bào (CM) (Hình 2.4) có cấu tạo gồm một lớp lipid kép không dẫn điện (Hình 2.4a) nằm “kẹp” giữa hai lớp protein dẫn điện tạo thành cấu trúc protein-lipid-protein ( P-L-P) [3] Trong cấu trúc P-L-P này (Hình 2.4c), “đuôi kỵ nước” không hấp thụ nước được “giấu” vào trong và “đầu ưa nước” được để ra ngoài, gắn với lớp protein Khi xuất hiện tín hiệu điện xoay

chiều, màng tế bào hoạt động giống như các tụ điện “rò” [16] và tạo ra điện kháng

điện dung (capacitive reactance)

Hình 2.4 Cấu trúc màng tế bào của các tế bào sinh học: (a, b) mô hình 2D và 3D của các lớp P-L-P của một phần màng tế bào biệt lập, (c) mô hình 2D của cấu trúc kẹp protein-lipid-protein của màng tế bào

Kết quả là, khi ta áp vào một tín hiệu điện áp hoặc dòng điện xoay chiều, các tế bào

sinh học lơ lửng trong ECF tạo ra một trở kháng điện phức tạp phụ thuộc tần số, hay còn được gọi là trở kháng điện sinh học hoặc đơn giản hơn là trở kháng sinh học ( ) [3]; là hàm của thành phần mô cũng như tần số của tín hiệu AC được đặt vào Trở kháng ( ) là một đại lượng phức tạp và thay đổi theo cấu trúc mô, thành phần mô, sức khỏe mô và tần số tín hiệu Chính vì vậy mà trở kháng thay đổi tùy theo đối tượng, loại mô và đôi khi thay đổi theo chiều đo trong cùng một loại mô

2.3 Mô hình trở kháng tương đương

Để nghiên cứu tính chất điện của mô sinh học, cấu trúc tế bào được mô phỏng bằng các mạch điện tương đương Trở kháng sinh học của một tế bào nằm lơ lửng trong dịch ngoại bào có thể được mô hình hóa bằng cách xem xét phản ứng điện riêng lẻ của tất cả các thành phần trong tế bào [14] Do đó, trở kháng sinh học của tế bào và mô được tạo ra bởi sự kết hợp của trở kháng dịch ngoại bào ( ), trở kháng dịch nội bào ( ) và điện dung màng tế bào ( ) [14] Đường đi của dòng điện xuyên qua các tế bào (Hình 2.5a) trong mô phụ thuộc vào , và [14] Ngoài ra, vì điện kháng điện dung (| | = 1⁄ ) phụ thuộc vào tần số tín hiệu, do đó khả

năng xuyên sâu của tín hiệu điện đối với mô sinh học cũng phụ thuộc tần số Ở tần

số thấp ( ), điện dung màng tạo ra điện kháng (điện dung) rất cao (| |  1⁄ ),

làm cho trở kháng qua tế bào tăng lên rất cao, cản trở không cho phép tín hiệu điện

đi xuyên qua (đường chấm gạch màu xanh dương) Ngược lại, ở tần số cao, điện kháng điện dung của màng tế bào thấp, dòng điện dễ dàng đi xuyên qua (đường chấm gạch màu đỏ) các tế bào bằng cách xuyên qua màng tế bào Bằng cách kết hợp trở kháng của ECF và tế bào đặt song song với nhau như hình 2.5b, ta sẽ thu được một mô hình mạch điện tương đương đơn giản

Hình 2.5 Đặc tính trở kháng phụ thuộc tần số của mô sinh học và mô hình mạch tương đương đơn giản của chúng: a) đường đi của dòng điện qua các tế bào sinh học trong mô, b) mô hình Fricke đơn giản 3 thành phần (mô hình 3 phân tử 2R1C)

Giá trị của các thành phần trong mạch điện xác định đáp ứng điện (electrical response) Một tế bào đơn lẻ được phân tách từ mô và được mô phỏng bằng một mạch tương đương bao gồm các điện trở và tụ điện được sắp xếp nối tiếp và song song Do đó, một khối mô có thể được coi là một mạng lưới gồm các tế bào, chứa nhiều bảng mạch nhỏ [14, 15] Dưới đây là một vài mô hình mạch điện tương đương được sử dụng phổ biến để đại diện cho các khối mô Tất cả các mô hình này đều được xây dựng trong trường hợp lý tưởng, giả định rằng cấu trúc mô, kích thước, hình dạng và hướng là đồng nhất

2.3.1 Mô hình Cole-trở kháng

Đây là mô hình cổ điển và được sử dụng rộng rãi nhất, được mô tả như hình (2.6) Mô hình này được đề xuất bởi chính Kenneth Cole vào năm 1940 Mô hình này dựa trên việc thay thế tụ điện lý tưởng trong mô hình Debye bằng một phần tử chung gọi

là phần tử pha không đổi (CPE) [15, 17]

Hình 2.6 Mô hình Cole-trở kháng biểu diễn trở kháng phụ thuộc tần số của các mô sinh học; khi 

=1 CPE đóng vai trò như một tụ điện lý tưởng, khi  = 0 CPE đóng vai trò như một điện trở thuần

Mô hình này bao gồm ba thành phần mạch giả thuyết: điện trở tần số thấp , điện trở tần số cao  và phần tử pha không đổi (CPE) Trở kháng của CPE là = trong đó = ( ) = [cos( /2) + ( /2)] Trong đó,  là hằng số đặc trưng có thể được gọi là thời gian thư giãn (relaxation time),  là tham số lũy thừa không thứ nguyên, là hằng số phản ánh sự phân bố trong phân tán (dispersion) và được sử dụng để điều chỉnh ‘hành vi’ điện dung không giới hạn của màng tế bào trong các mô sinh học do tổn hao điện môi (dielectric losses) [17, 18] Trở kháng của mô hình Cole được tính bởi:

1 + ( ) = + (2.7)

Hơn nữa, phương trình Cole-Cole (2.7) có liên quan đến mô hình Fricke thông qua các phương trình (2.8), (2.9) [18] Các thông số điện trong phương trình điều chỉnh (fitting equations) phản ánh các tính chất vật lý và hóa học của mô sinh học Các mô hình dự đoán cho các thông số chất lượng được thiết lập với dữ liệu đầu vào là các tham số điện, đó là nguyên tắc áp dụng EIS để đánh giá chất lượng thực phẩm

 = ( + ) (2.8) = (2.9)

 =

+ (2.10)

Hình 2.7 Đồ thị Cole - Cole

2.3.2 Mô hình Fricke

Mô hình Fricke đã được mô tả ở hình 2.5b Đây cũng là một mô hình cơ bản, đơn giản và rất thích hợp để mô phỏng hệ thống sinh học ở cấp độ hiển vi bằng các thành phần điện tử [4, 18] Nó xem mô sinh học như là các tế bào có huyền phù đồng nhất nằm trong môi trường chứa chất lỏng điện giải (ionized liquid medium) và mô phỏng các thành phần mô sinh học, như màng, dịch nội bào (ICF) và dịch ngoại bào (ECF) bằng các yếu tố điện thụ động, như điện trở và tụ điện được mắc nối tiếp và song song với nhau

Mô hình này bao gồm ba thành phần ( , , ) Các ion và tồn tại trong ECF Trong ICF, cation chính là , trong khi các anion chính là phosphate và protein Do đó, ICF và ECF có thể được coi là chất điện giải Màng tế bào hoạt động như một tụ điện Ở tần số thấp, dòng điện không thể đi qua màng tế bào vì trở kháng cao, trong khi ở tần số cao hơn, dòng điện đi qua ECF, màng tế bào và ICF Thông số của ba yếu tố điện phụ thuộc vào nồng độ ion và tính lưu động trong quá trình trao đổi chất của tế bào, điều này phản ánh tính chất hóa lý của mô sinh học Mô hình này đã được sử dụng rộng rãi trong tế bào, vi sinh vật treo lơ lửng trong môi trường lỏng và môi trường đồng nhất [18]

Theo phương trình (2.7), khi =1, bài báo cáo [18] đã kết luận rằng mô hình Fricke chưa đủ chính xác để khớp phù hợp (fitting) với dữ liệu thí nghiệm [18] Bởi trong thực tế, màng tế bào không thể hiện ‘hành vi’ giống như một tụ điện thuần Do đó theo phương trình Cole-Cole (2.7), phần tử được thay thế bởi một phần tử CPE sẽ đạt được kết quả tốt hơn [26]

Hình 2.8 Mô hình Fricke điều chỉnh (Modified Fricke)

2.3.3 Mô hình Hayden

Mô hình được đề xuất bởi Hayden và các đồng nghiệp (Hayden et al., 1969) khi họ khám phá ra mối quan hệ định lượng giữa trở kháng thực vật, nhiệt độ và độ ẩm Các tế bào của củ khoai tây khi quan sát dưới kính hiển vi cho thấy chúng có đường kính xấp xỉ nhau Do đó, dựa theo cấu trúc tế bào thực vật, các tế bào này tương đương với nhiều điện trở-tụ điện nhỏ nối song song với thành tế bào Mô hình Hayden được mô tả trong hình 2.9a gồm là điện trở của thành tế bào, là điện trở của màng tế bào, là điện trở của tế bào chất của tế bào và là điện dung của tất cả các loại màng [15]

Trở kháng của mô hình Hayden được biểu diễn:

2.3.4 Mô hình vỏ kép (double-shell)

Trái ngược với mô hình Hayden, mô hình (lớp) vỏ kép bổ sung thêm một nhánh, đó

là điện trở không bào và điện dung màng không bào (tonoplast) nối tiếp nhau (Hình

2.9c) Các thành phần khác nhau trong mạch bao gồm điện trở thành tế bào ( ), điện trở tế bào chất ( ), điện trở không bào ( ), là điện dung màng sinh chất (plasmalemma) và là điện dung màng không bào Mô hình này cũng được sử dụng

trong một số nghiên cứu thực vật, chẳng hạn như đo trở kháng trên quả xuân đào (Harker et al., 1994a), quả hồng (Harker et al., 1997), quả kiwi (Bauchot et al., 2000) ) và lá của Peperomia obtusifolia L và Brassica oleracea L (Zhang et al., 1993) Tuy nhiên, do độ phức tạp của mô hình nên nó ít khi được ứng dụng rộng rãi

Tóm lại, trong tất cả các mô hình thì mô hình Fricke và mô hình Fricke biến đổi là mô hình mạch tương đương cổ điển nhất cho mô sinh học và vẫn được sử dụng trong nghiên cứu gần đây về mô động vật hoặc thực vật, như ước tính độ tươi của cá chép [29], phát hiện mức độ dinh dưỡng phốt pho cho Solanum lycopersicum [20] và sự thay đổi mô khoai tây khi bị khô [19]

Tương tự như ‘hành vi’ trở kháng của bất kỳ vật liệu nào khác, trở kháng sinh học cũng phụ thuộc vào thành phần vật chất, kích thước hình học và định hướng của các tế bào và mô sinh học Do đó, nghiên cứu đáp ứng tần số của trở kháng sinh học trong một dải tần số phù hợp, người ta có thể nhận được một lượng lớn thông tin về giải phẫu mô, sinh lý học và bệnh lý [1, 13, 18]

2.4 Phổ trở kháng điện (Electrical Impedance Spectroscopy)

Phổ trở kháng điện (EIS) là một phương pháp phân tích tính chất điện của bất kỳ vật liệu và hệ thống nào bằng cách sử dụng tín hiệu điện xoay chiều ở các tần số khác nhau và đo tín hiệu đáp ứng [1] Là hàm của trở kháng theo tần số có liên quan đến các thông số vật lý hoặc tính chất của vật liệu và hệ thống với mục đích phân tích và đánh giá [18]

Ban đầu, EIS được áp dụng trong các nghiên cứu về hệ thống điện hóa (electrochemical), khi W Nerst đo hằng số điện môi của dung dịch nước điện giải

đồ dòng của một nghiên cứu EIS hoàn chỉnh nhằm đánh giá hoạt động của hệ thống vật liệu - điện cực từ phản ứng điện của nó

Hình 2.10 Lưu đồ nguyên lý của EIS (Macdonald, 1987) [15]

Dữ liệu trở kháng thu được bằng thực nghiệm của một hệ thống vật liệu sẽ được phân tích bằng cách sử dụng một mô hình toán học phù hợp cho một quá trình hóa lý cụ thể nào đó, chúng sẽ được sử dụng để điều chỉnh (fitting) với dữ liệu từ các thí nghiệm EIS Mặt khác, các mạch điện tương đương có thể được sử dụng để phân tích các thay đổi khác nhau diễn ra trong quá trình vật lý của hệ thống cụ thể Các ứng dụng chính của EIS là nghiên cứu về pin nhiên liệu, pin sạc và ăn mòn (Macdonald, 1992) Đến

Hệ thống vật liệu–điện cực

Thí nghiệm EIS

Lý thuyết

Mô hình vật lý đáng tin cậy

Mô hình toán học

Mạch điện tương đương

Điều chỉnh đường cong

Đặc trưng của hệ thống

giữa những năm 1980, sự quan tâm đến EIS mới thực sự tăng lên đáng kể, nhờ sự phát triển của các công cụ kỹ thuật số được điều khiển bằng máy vi tính cho phép đo đạc một cách nhanh chóng, xử lý và phân tích dữ liệu phức tạp một cách dễ dàng Và cũng từ đó EIS được ứng dụng nhiều hơn để nghiên cứu các hệ thống sinh học (biological systems)

2.4.1 Phân loại EIS

Dựa theo các đối tượng sinh học, ứng dụng EIS có thể được chia thành ba khía cạnh bao gồm chụp cắt lớp trở kháng điện trong hình ảnh y tế, đánh giá chất lượng và an toàn trong ngành công nghiệp thực phẩm, quang-sinh lý học (photophysiology) trong nông nghiệp Đối tượng nghiên cứu và mục tiêu của việc áp dụng EIS trong thực phẩm rất phong phú và đa dạng, bao gồm trái cây, chẳng hạn như nghiên cứu về hàm lượng chất khô của sầu riêng [21] và chuối chín [1]; đối với các loại rau, chẳng hạn như thay đổi mô khoai tây và rau Bina (Spinach) trong hoặc sau khi làm nóng [22, 23] và độ ẩm của cà rốt cắt lát trong quá trình sấy khô [24]; đối với thịt, đánh giá chất lượng thịt lợn trong quá trình bảo quản [25] và xác định độ tươi của thịt bò [26], đối với thịt gà, chẳng hạn như phân biệt thịt gà tươi hay đông lạnh [27], đối với cá, chẳng hạn như xác định hàm lượng muối và độ ẩm của cá hồi cầu vồng muối [28] và ước tính độ tươi của cá chép [29], đối với các sản phẩm sữa, như phát hiện pha trộn sữa bò [30]; và ngoài ra còn dùng để xác định hàm lượng chất phụ gia trong nước ép tự nhiên [31], quá trình lên men bột bánh mì [32], và đánh giá chất lượng dầu ăn [33] Ngày nay, khách hàng đang có xu hướng tiêu dùng các loại thực phẩm sạch được trồng theo các tiêu chuẩn chất lượng cao (ví dụ VietGAP, GlobalGAP), đặc biệt là trái cây, bởi vì chúng không những là nguồn cung cấp hạt giống tốt mà còn là nguồn nguyên liệu thực phẩm rất quan trọng và cần thiết cho con người Các loại trái cây khác nhau có thành phần và giá trị thực phẩm riêng biệt như chất dinh dưỡng và vitamin [34] chúng có tác động quan trọng đến dinh dưỡng và sức khỏe con người Sự chín của trái cây là một quá trình trong đó quả trưởng thành trải qua một số thay

đổi sinh lý trong một khoảng thời gian nhất định gọi là quá trình chín của trái cây

Quá trình này có thể xảy ra một cách tự nhiên (tức là chín trước khi thu hoạch trái

cách sẽ đạt được các chất dinh dưỡng cần thiết ở mức tối ưu, việc chín chưa tới hoặc

quá chín đều không được kỳ vọng Do đó, quá trình chín của trái cây phải được

nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm mục đích không chỉ để xác định trạng thái chín tối ưu mà tại thời điểm đó trái cây không những có đầy đủ các chất dinh dưỡng thiết yếu, mà còn hé lộ nhiều thông tin về những thay đổi sinh lý và sinh hóa bên trong hoa quả Do đó nghiên cứu sự chín của trái cây là rất cần thiết, nó không chỉ giúp khách hàng an tâm về chất lượng của các loại trái cây mà họ đang tiêu thụ mà còn giúp các nhà nghiên cứu khoa học phân tích chất lượng hoa quả, cải thiện quá trình xử lý, vận chuyển hay bảo quản đúng cách

Các phương pháp truyền thống để đánh giá chất lượng của trái cây là chính xác nhưng phá hủy, tốn thời gian và quan trọng hơn là không thể kiểm tra theo số lượng lớn, cũng như kiểm soát chất lượng liên tục (online quality control) để đưa ra các điều chỉnh thích hợp Ngoài EIS, các công nghệ thay thế mới khác dùng để theo dõi chất lượng cũng đã được nghiên cứu, chẳng hạn như quang phổ hồng ngoại gần (Near infrared spectroscopy) [35, 36], hình ảnh siêu quang phổ (Hyperspectral Image) [37] và công nghệ mũi điện tử (Electronic nose technology) [20, 38] Tất cả các công nghệ này đều nhanh, không phá hủy và phù hợp để phát triển công cụ theo dõi liên tục Tuy nhiên, quang phổ hồng ngoại gần và hình ảnh siêu quang phổ đòi hỏi thiết bị đắt tiền; và công nghệ mũi điện tử đòi hỏi các điều kiện môi trường cụ thể để đo [38] So với các công nghệ mới khác, EIS cho thấy ưu điểm vượt trội là không tốn kém và không yêu cầu quá nhiều về kỹ thuật vận hành [1, 17]

Bảng 2.1 So sánh giữa EIS và bốn công nghệ mới [18]

Nhanh Không phá hủy

Dễ dàng thao tác

Giá cả hợp lý

từ các điện thế bề mặt [ ( )] được thu lại bằng cách truyền một tín hiệu dòng điện hình sin không đổi [ ( )] vào mẫu vật hoặc ngược lại (Hình 2.11a) bằng cách sử dụng phương pháp hai điện cực (Hình 2.11b) [15] hoặc phương pháp bốn điện cực (Hình 2.11c) [15] Nếu EIS được tiến hành đo trên một SUT bằng cách truyền tín hiệu điện áp hình sin ( = sin ), tín hiệu dòng điện sinh ra cũng sẽ là tín hiệu hình sin có góc pha [( sin(   )] hoặc không có góc pha ( = sin ), tùy thuộc về bản chất của SUT [14] Do đó, trở kháng sinh học đo được sẽ là một hàm theo tần số như:

Hình 2.11 Sơ đồ phổ trở kháng điện, a) Mô hình máy phân tích trở kháng, b) Đo trở kháng điện sử dụng phương pháp 2 điện cực, c) Đo trở kháng điện sử dụng phương pháp 4 điện cực

2.4.2 Cấu hình điện cực đo EIS

Các phép đo EIS chủ yếu thường được thực hiện với cấu hình điện cực như trong hình 2.11 Ngoài ra, còn có dạng cấu hình 3 điện cực tuy nhiên cấu hình này thường sử dụng cho hệ thống điện hóa

2.4.2.1 Cấu hình 2 điện cực

Đây là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất được sử dụng trong nghiên cứu mô sinh học Cách bố trí điện cực được trình bày như hình 2.12, hai điện cực này được sử dụng chung cho cả việc đưa điện áp vào SUT và đo dòng điện ngõ ra tương ứng Kết quả là, trở kháng đo được bao gồm cả trở kháng phân cực của điện cực (EPI- ) Khi sử dụng các điện cực dễ phân cực (thép, đồng) thì cần phải xem xét trở kháng tiếp xúc giữa điện cực và mô Hiện tượng EPI xảy ra là do phản ứng điện hóa xảy ra tại mặt tiếp xúc giữa điện cực và mô, đặc biệt là khi sử dụng điện cực kim dễ phân cực đâm vào mô thực vật Theo báo cáo của (Ackmann et al., 1984) trở kháng của mặt tiếp xúc điện cực-điện phân phụ thuộc vào vật liệu điện cực, nồng độ chất điện phân và nhiệt độ Ngoài ra, Harker et al (1994) đã báo cáo rằng EPI có thể lớn hơn rất nhiều lần so với trở kháng mẫu khi đo ở tần số thấp, điều này có thể khiến cho phép đo không còn chính xác EPI có tác động rất rõ ràng ở dải tần số dưới 1 kHz và ảnh hưởng nghiêm trọng khi đo ở tần số dưới 20 Hz (Ferris, 1974) Do đó, điều quan trọng là phải loại bỏ ảnh hưởng của EPI khỏi trở kháng mô khi phân tích dữ liệu [15]

Hình 2.12 Cấu hình 2 điện cực 2.4.2.2 Cấu hình 4 điện cực

Trái ngược với cấu hình hai cực, cấu hình bốn cực sử dụng một cặp điện cực để phát tín hiệu điện áp/dòng điện kích thích và một cặp điện cực khác để đo dòng điện/điện áp tương ứng (Hình 2.13) Với phép đo 4 điện cực sẽ không có dòng điện chạy qua các điện cực đo điện áp, do đó không có sự sụt giảm điện áp trên các điện cực này và vấn đề trở kháng phân cực điện cực được loại bỏ phần lớn [15]

Hình 2.13 Cấu hình 4 điện cực

Trong luận văn này, cấu hình hai điện cực được chọn để sử dụng vì nó đơn giản nhất, thích hợp với các thiết bị nhỏ gọn, cơ động Ta có thể sử dụng điện cực bạc clorua (Ag/AgCl) được sử dụng rất nhiều cho các phép đo trở kháng điện không xâm lấn [39] Những điện cực này sử dụng một loại gel dính dẫn điện làm giảm trở kháng phân cực điện cực ( ) (Ruiz, 2013) và giúp gắn điện cực lên bề mặt mô sinh học Ngoài ra, khi tần số tăng cao thì trở kháng ký sinh sẽ giảm; do đó, nó có thể bị bỏ qua khi đo ở tần số cao trong hệ thống đo lưỡng cực

điện hình sin đến SUT thông qua các điện cực và đo độ lệch pha và biên độ pha, hoặc các phần thực và ảo, của dòng điện/điện áp tương ứng ở mỗi tần số trong quá trình quét Kỹ thuật này được sử dụng trong hầu hết các thiết bị thương mại có chức năng đo trở kháng như là một hàm tần số trong dải tần số khoảng 100 Hz đến 50 MHz Phương pháp này được sử dụng phổ biến vì có thể thu được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao trong dải tần quan tâm cũng như việc nó rất dễ sử dụng [40]

2.5 Biểu diễn dữ liệu

Sau khi thu được dữ liệu thô từ phép đo, điều quan trọng là ta phải trích xuất và biểu diễn được các tham số đặc trưng để phân tích các thuộc tính của hệ thống Trong đó, biểu đồ Bode và biểu đồ Nyquist thường được sử dụng để trình bày dữ liệu EIS

2.5.1 Biểu đồ Bode

Biểu đồ Bode được đặt theo tên của Hendrik Wade Bode Nó thường là sự kết hợp của một biểu đồ Bode biên độ – thể hiện biên độ của đáp ứng tần số, và một biểu đồ Bode pha– thể hiện sự lệch pha Biểu đồ Bode biên độ biểu diễn mối quan hệ giữa logarith của đáp ứng biên độ theo tần số ở thang logarith Biểu đồ pha Bode cũng được vẽ theo trục logarith của tần số, thường sử dụng trong liên kết với biểu đồ biên độ, để ước lượng một tín hiệu cần được dịch chuyển pha bao nhiêu

Hình 2.14 a) Biểu đồ Bode của mạch điện RC nối tiếp: Bode biên độ (đường màu đỏ) và Bode pha (đường màu vàng) vẽ theo trục ngang tỉ lệ với logarith bậc 10 của tần số, b) Biểu đồ Nyquist

2.5.2 Biểu đồ Nyquist

Đồ thị Nyquist được đặt theo tên của Harry Nyquist Ban đầu, phép đo trở kháng chỉ thực hiện ở dãy tần số cao để tránh điện trở phân cực, do đó phần ảo của trở kháng có giá trị âm Biểu đồ Nyquist rất nhạy với những thay đổi Một lý do khác là đối với các mạch phổ biến nhất, một số tham số có thể được đọc trực tiếp từ biểu đồ Để vẽ đồ thị Nyquist, phần ảo âm của trở kháng − được vẽ so với phần thực của trở kháng Nhược điểm của việc biểu diễn dữ liệu ở dạng này là nó không thể hiện được đáp ứng tần số

Hình 2.15 Biểu diễn EIS của mạch điện RC song song: a) Biểu đồ Bode, b) Biểu đồ Nyquist

2.6 Tổng kết

Trong chương này, các khái niệm cơ bản về trở kháng, trở kháng sinh học và các khía cạnh liên quan đã được trình bày Sau đó, giới thiệu về phép đo phổ trở kháng điện hóa (EIS) cùng với một số ứng dụng của nó Các cấu hình điện cực đo và kỹ thuật đo lường EIS cũng được thảo luận Cuối cùng, là lý do lựa chọn việc đo EIS bằng phương pháp 2 điện cực

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ tiên tiến, những thiết bị chuyên dụng được chế tạo có khả năng đo trở kháng bằng các phương pháp khác nhau và cấu hình điện cực từ vài Hz đến khoảng 50 MHz Tuy nhiên, giá thành của những thiết bị phân tích trở kháng thương mại (hay còn gọi là máy đo LCR) rất cao nên chúng chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm Chính vì điều này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm kiếm các thiết kế khác thay thế, nhỏ gọn hơn có khả năng sử dụng ngoài phòng thí nghiệm và có thể đo liên tục Nắm bắt được nhu cầu về máy phân tích trở kháng cơ động đang tăng lên trong vài năm qua cùng với sự quan tâm ngày càng mạnh mẽ với EIS, hãng Analog Device đã chế tạo thành công chip AD5933 –có khả năng đo trở kháng với độ chính xác cao

Hình 3.1 Mẫu máy đo LCR N4L PSM 1735 và PalmSen3

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chip AD5933 3.2.1 Cấu tạo

AD5933 là chip đo trở kháng hai điện cực có độ chính xác cao bao gồm máy phát tần số (DDS), bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự (DAC), bộ xử lý tín hiệu số (DSP), bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự (ADC) và mạch phụ trợ được tích hợp trong cùng một con chip Nó có thể tạo tín hiệu điện áp có tần số điều chỉnh lên tới 100 kHz với độ phân giải 0.1 Hz Dòng điện qua trở kháng được chuyển đổi thành điện áp và được lấy mẫu bởi ADC DSP xử lý tạo tín hiệu ngõ ra và xử lý tín hiệu ngõ vào thông qua

thuật toán biến đổi Fourier rời rạc (DFT) Kết quả trả về là phần thực (R) và phần ảo

(I) của tín hiệu phức ở mỗi tần số riêng biệt, có thể thu được qua giao tiếp Cường

độ và pha trở kháng đều được tính toán theo các công thức trong tài liệu [41] Hình

3.2 mô tả các khối chức năng bên trong chip AD5933

Hình 3.2 Sơ đồ khối chức năng của AD5933

3.2.2 Nguyên lý hoạt động

Quá trình thực hiện đo trở kháng được chia thành 3 giai đoạn riêng biệt: giai đoạn truyền phát (transmit stage), giai đoạn nhận (receive stage) và giai đoạn xử lý tín hiệu (processing stage) [41]

- Giai đoạn truyền phát

Hình 3.3 Giai đoạn truyền phát

Chip AD5933 sử dụng phương pháp kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp (DDS) với độ phân giải là 27 bit và bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (DAC) để tạo ra nguồn tín hiệu điện áp hình sin, , ở một tần số xác định và truyền nó qua mẫu thử nghiệm (SUT)

nhận tín hiệu đó chính là mạch khuếch đại chuyển đổi tín hiệu dòng điện thành điện

áp (bộ khuếch đại transimpedance (TIA)) Tín hiệu dòng điện được tạo ra sau khi

truyền qua SUT sẽ truyền qua bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp (CVC) tạo ra tín hiệu điện áp và đưa vào bộ tiền khuếch đại đảo (PGA)

Độ lợi của bộ khuếch đại dòng sang áp được xác định bởi điện trở phản hồi R do người dùng lựa chọn, nằm ở giữa Chân 4 (RFB) và Chân 5 (VIN) Tuy nhiên độ lợi (Gain) không được vượt quá G =

í ệ

Hình 3.4 Giai đoạn nhận

Điều quan trọng là người dùng phải lựa chọn giá trị điện trở phản hồi sau cho khi kết hợp với mức tăng đã chọn của giai đoạn PGA, thì nó vẫn duy trì tín hiệu trong phạm vi tuyến tính của ADC (0V đến VDD) PGA cho phép người dùng thay đổi độ lợi ngõ ra của mạch khuếch đại dòng sang áp với mức tăng x5 hoặc x1, phụ thuộc vào bit D8 trong thanh ghi điều khiển Sau đó, tín hiệu được đưa sang bộ lọc LPF trước khi vào bộ chuyển đổi ADC

- Quá trình xử lý tín hiệu

Tín hiệu sao khi được số hóa được chuyển đến DDS core của AD5933 Tại đây Thuật Toán Biến Đổi Fourier Rời Rạc (DFT) được sử dụng để tính toán phần thực và phần ảo của trở kháng [41]

( ) = ( ( )(cos( ) − ( )))

Trong đó:

 ( ) là công suất của tín hiệu ở điểm tần số f

 ( ) là tín hiệu ngõ ra của ADC

 ( ) và ( ) là các mẫu vector được cung cấp bởi lõi DDS ở điểm tần số f

3.3 Bộ kit đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ

Là một thiết bị đo của hãng Analog Device Ngoài, chip AD5933 đã được giới thiệu

ở trên Các thành phần khác trên bo mạch bao gồm bộ tham chiếu ADR423 3.0V dùng

để cấp nguồn điện áp riêng biệt, ổn định cho các vùng tương tự và kỹ thuật số của

thiết bị và một bộ điều chỉnh điện áp với độ chính xác rất cao ADP3303 cấp nguồn

vi điều khiển tương tác với AD5933 Mạch sử dụng nguồn cấp từ cổng USB của máy tính

Ngoài ra, mạch còn có mạch tạo dao động dùng thạch anh 16 Mhz với hiệu suất cao tạo xung nhịp cho hệ thống với AD5933, nếu cần Phần mềm AD5933 Eval Software được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 6.0 giao tiếp với vi điều khiển thông qua cổng USB và được cài đặt và chạy trên PC

Hình 3.5 Mạch đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ

phải

3.4.1 Loại bỏ tín hiệu DC (DC Cancellation)

Mặc dù AD5933 có lõi DDS hoàn hảo có thể tạo ra tín hiệu kích thích rất chính xác ở các tần số khác nhau, tuy nhiên, tín hiệu kích thích này luôn tồn tại 1 mức điện áp DC bias khác nhau đối với mỗi biên độ kích thích

Bảng 3.1 Bốn mức DC bias và nội trở của hệ thống tương ứng với bốn mức điện áp kích thích [41]

Nội trở ngõ ra

Ví dụ, điện áp kích thích 1.98V có bias là 1.48V Tuy nhiên, CVC ở giai đoạn nhận

được thiết kế với một bias cố định = VDD/2 như trong hình 3.6 Do vậy, cùng một

điện áp cấp nguồn 3.3V, bias giai đoạn truyền là 1.48V và bias giai đoạn nhận là

3.3V/2=1.65V Điều này sẽ gây ra sự phân cực DC cho trở kháng đo và gây sai lệch phép đo trở kháng

Do đó, sử dụng một bộ lọc thông cao đơn giản (HPF) để loại thành phần DC của kích thích trước khi truyền qua trở kháng chưa biết Mạch EVAL sử dụng bộ lọc RC thụ động với tần số cắt là

Với R=50 k, C = 47nF