活细胞浓度和电导率测量系统关键技术研究与实现
发布时间：2021-10-05 12:00
活细胞浓度是与生物活体细胞的生长、代谢、生产力相关的重要生理参数,想要观察记录生物活体的生长过程就必须更加细致地深入了解活细胞在生长周期中的参数变化,诸如数量、体积、浓度、电导率等。活细胞浓度和电导率测量系统可以帮助研究人员测量活细胞溶液的电导率,估计溶液中的活细胞浓度,观察记录活细胞的繁殖过程,对食品医药、微生物、发酵工程等领域研究应用具有重要意义。本文首先介绍了课题的研究背景,概述了课题的研究意义,介绍了国内外活细胞浓度和电导率测量的发展历程。在此基础上建立了活细胞极化的物理和数学模型,通过分析现有测量方式的优缺点,确定了本系统采用的测量结构。系统总体测量方案主要包括系统硬件设计、控制逻辑设计和上位机软件设计,硬件设计部分主要包括激励信号源的硬件组成、信号调理电路设计和采集传输电路设计,控制逻辑设计部分主要包括激励信号源工作模式配置、采集传输逻辑设计,重点研究了以下三项关键技术,分别为激励信号源中可变分压设计和阻值划分方法,激励信号源扫频、定频工作模式的实现方法,调理电路中差分接收、同步解调、低通滤波、低频增益可调放大等四级调理电路的实现方法。在此基础上,通过搭建系统测试环境来验证...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ABER活细胞浓度在线分析仪Fig.1-1ABERlivecellconcentrationonlineanalyzer
中北大学学位论文3度、电导率等参数的在线检测，检测结果不受溶液内部环境因素的影响，包括细胞碎片、溶液泡沫、细小颗粒等。目前生物细胞在线检测仪有四种型号，图1-1就是其中一种型号的检测仪，配套的检测传感头直径有两种，分别是12mm和25mm，长度可定制，最新的仪器还可以进行频率自动扫描、自动清洗、高温消毒等操作。ABER细胞在线分析仪凭借专业的技术和仪器设计经验，领跑生物量测量领域，不仅在生物研究中应用愈加广泛，同时也给微生物实时测量领域带来丰富的技术支持。法国FOGALE公司也是电容法活细胞检测领域的佼佼者之一，主要面向生物制药领域。如图1-2，FOGALE公司生产的EVO200活细胞在线分析仪也是利用活细胞的介电特性，可以自由设定工作频率和检测培养周期，运行时间也可以自主设置，四个电极可以实现同时工作，分别连接不同直径和长度的探头。结合光密度法，使用配套分析软件，可以测出细胞液的所有细胞浓度，包含死细胞，可以得出细胞比生长速率和细胞平均直径等信息，为生产者提供准确的变化信息，在当前生物制药和发酵领域具有十分重要的地位。图1-1ABER活细胞浓度在线分析仪Fig.1-1ABERlivecellconcentrationonlineanalyzer图1-2FOGALE生物细胞在线分析仪Fig.1-2FOGALEbiologicalcellonlineanalyzer
中北大学学位论文12图2-5不同浓度细胞在不同频率下的电容变化趋势图Fig.2-5Thevariationtrendofcapacitanceofdifferentconcentrationsofcellsatdifferentfrequencies2.2.2数学模型在0.1-10MHz的特定频率下，研究系统的特性、测量电极的大小和几何形状、电极和系统的相互作用决定了两个变量电容C和电导G的值。电容、电极和电导的相互关系可以用以下公式表示：0/rCAd（式2-4）GA/d（式2-5）其中C为电容，G为电导值，为电导率，对于平行板电极，d表示两个平板电极之间的距离，ε0是一个常数，代表真空状态下的介电常数，A表示的是两个平板电极的有效面积，εr是相对介电常数，电极常数为d/A，具体数值与电极的形状面积和电极间距相关。1957年，施旺关联理想球形细胞溶液的电容值和细胞半径r、单位面积膜电容Cm，得出：94mrPCACd（式2-6）其中，P由单位体积的细胞密度N和细胞体积决定，是面积为A的平行板和距离d的悬浮液中细胞的体积分数，脂质膜单位膜面积的电容值约为0.5-1.02uF/cm，因此电
【参考文献】：
期刊论文
[1]四电极海水电导率传感器设计[J]. 孙风光,张洪泉,刘秀洁,周岩. 传感器与微系统. 2018(12)
[2]基于STM32F103的数据采集系统设计[J]. 苏康友,刘荣贵,王佳颖. 信息与电脑(理论版). 2018(21)
[3]基于STM32F103控制器的智能循迹小车系统设计[J]. 万兵,汪地,史烨桦. 工业控制计算机. 2018(06)
[4]低噪声多功能雷达激励信号源设计[J]. 李济. 雷达与对抗. 2018(02)
[5]一种基于AD9854的激励信号源设计[J]. 陈世纯,杨博,雷磊,王传顺. 仪表技术. 2016(11)
[6]基于精密时间基准测试仪的高精度信号源的设计[J]. 刘阳,崔永俊,王晋伟. 仪表技术与传感器. 2016(11)
[7]基于STM32的煤矿监控分站的设计与实现[J]. 胡杰,张飞,叶良朋. 煤矿机械. 2016(07)
[8]浅谈溶液电导率的测量[J]. 饶日耀. 电子测试. 2016(06)
[9]酒精发酵过程中电导率变化趋势解析[J]. 李冲伟,宋福强,宋永,沈志伟. 食品科学. 2015(21)
[10]基于范德堡法的溶液电导率绝对测量方法[J]. 林桢,张潇,魏佳莉,王晓萍,余翔. 计量学报. 2015 (02)
博士论文
[1]基于并行处理的超高速采样系统研究与实现[D]. 黄武煌.电子科技大学 2015
[2]工程电导测试技术及应用研究[D]. 刘铁军.浙江大学 2006
硕士论文
[1]微弱光信号高精度采样研究[D]. 许春超.北京邮电大学 2019
[2]基于电容法的活细胞浓度和电导率测量系统设计[D]. 张祥.中北大学 2019
[3]应用于两相流截面检测的电容层析成像系统研究[D]. 刘文倩.中北大学 2019
[4]基于FPGA和DDS技术的双通道正交信号源的设计与实现[D]. 刘阳.中北大学 2017
[5]基于STM32的隧道照明智能控制系统设计[D]. 秦慧芳.兰州交通大学 2017
[6]细胞代谢活性对剪切环境的响应及剪切装置的设计、应用研究[D]. 吴宝峰.华东理工大学 2017
[7]基于STM32的心音信号采集设备研究[D]. 李皓玮.云南大学 2016
[8]离子液体溶液的电导率研究[D]. 徐丽.天津大学 2016
[9]基于STM32的温室远程控制系统的设计[D]. 杨欢欢.杭州电子科技大学 2015
[10]活细胞传感仪在生物过程优化中的应用研究与开发[D]. 李兰.华东理工大学 2014
本文编号：3419698
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ABER活细胞浓度在线分析仪Fig.1-1ABERlivecellconcentrationonlineanalyzer
中北大学学位论文3度、电导率等参数的在线检测，检测结果不受溶液内部环境因素的影响，包括细胞碎片、溶液泡沫、细小颗粒等。目前生物细胞在线检测仪有四种型号，图1-1就是其中一种型号的检测仪，配套的检测传感头直径有两种，分别是12mm和25mm，长度可定制，最新的仪器还可以进行频率自动扫描、自动清洗、高温消毒等操作。ABER细胞在线分析仪凭借专业的技术和仪器设计经验，领跑生物量测量领域，不仅在生物研究中应用愈加广泛，同时也给微生物实时测量领域带来丰富的技术支持。法国FOGALE公司也是电容法活细胞检测领域的佼佼者之一，主要面向生物制药领域。如图1-2，FOGALE公司生产的EVO200活细胞在线分析仪也是利用活细胞的介电特性，可以自由设定工作频率和检测培养周期，运行时间也可以自主设置，四个电极可以实现同时工作，分别连接不同直径和长度的探头。结合光密度法，使用配套分析软件，可以测出细胞液的所有细胞浓度，包含死细胞，可以得出细胞比生长速率和细胞平均直径等信息，为生产者提供准确的变化信息，在当前生物制药和发酵领域具有十分重要的地位。图1-1ABER活细胞浓度在线分析仪Fig.1-1ABERlivecellconcentrationonlineanalyzer图1-2FOGALE生物细胞在线分析仪Fig.1-2FOGALEbiologicalcellonlineanalyzer
中北大学学位论文12图2-5不同浓度细胞在不同频率下的电容变化趋势图Fig.2-5Thevariationtrendofcapacitanceofdifferentconcentrationsofcellsatdifferentfrequencies2.2.2数学模型在0.1-10MHz的特定频率下，研究系统的特性、测量电极的大小和几何形状、电极和系统的相互作用决定了两个变量电容C和电导G的值。电容、电极和电导的相互关系可以用以下公式表示：0/rCAd（式2-4）GA/d（式2-5）其中C为电容，G为电导值，为电导率，对于平行板电极，d表示两个平板电极之间的距离，ε0是一个常数，代表真空状态下的介电常数，A表示的是两个平板电极的有效面积，εr是相对介电常数，电极常数为d/A，具体数值与电极的形状面积和电极间距相关。1957年，施旺关联理想球形细胞溶液的电容值和细胞半径r、单位面积膜电容Cm，得出：94mrPCACd（式2-6）其中，P由单位体积的细胞密度N和细胞体积决定，是面积为A的平行板和距离d的悬浮液中细胞的体积分数，脂质膜单位膜面积的电容值约为0.5-1.02uF/cm，因此电
【参考文献】：
期刊论文
[1]四电极海水电导率传感器设计[J]. 孙风光,张洪泉,刘秀洁,周岩. 传感器与微系统. 2018(12)
[2]基于STM32F103的数据采集系统设计[J]. 苏康友,刘荣贵,王佳颖. 信息与电脑(理论版). 2018(21)
[3]基于STM32F103控制器的智能循迹小车系统设计[J]. 万兵,汪地,史烨桦. 工业控制计算机. 2018(06)
[4]低噪声多功能雷达激励信号源设计[J]. 李济. 雷达与对抗. 2018(02)
[5]一种基于AD9854的激励信号源设计[J]. 陈世纯,杨博,雷磊,王传顺. 仪表技术. 2016(11)
[6]基于精密时间基准测试仪的高精度信号源的设计[J]. 刘阳,崔永俊,王晋伟. 仪表技术与传感器. 2016(11)
[7]基于STM32的煤矿监控分站的设计与实现[J]. 胡杰,张飞,叶良朋. 煤矿机械. 2016(07)
[8]浅谈溶液电导率的测量[J]. 饶日耀. 电子测试. 2016(06)
[9]酒精发酵过程中电导率变化趋势解析[J]. 李冲伟,宋福强,宋永,沈志伟. 食品科学. 2015(21)
[10]基于范德堡法的溶液电导率绝对测量方法[J]. 林桢,张潇,魏佳莉,王晓萍,余翔. 计量学报. 2015 (02)
博士论文
[1]基于并行处理的超高速采样系统研究与实现[D]. 黄武煌.电子科技大学 2015
[2]工程电导测试技术及应用研究[D]. 刘铁军.浙江大学 2006
硕士论文
[1]微弱光信号高精度采样研究[D]. 许春超.北京邮电大学 2019
[2]基于电容法的活细胞浓度和电导率测量系统设计[D]. 张祥.中北大学 2019
[3]应用于两相流截面检测的电容层析成像系统研究[D]. 刘文倩.中北大学 2019
[4]基于FPGA和DDS技术的双通道正交信号源的设计与实现[D]. 刘阳.中北大学 2017
[5]基于STM32的隧道照明智能控制系统设计[D]. 秦慧芳.兰州交通大学 2017
[6]细胞代谢活性对剪切环境的响应及剪切装置的设计、应用研究[D]. 吴宝峰.华东理工大学 2017
[7]基于STM32的心音信号采集设备研究[D]. 李皓玮.云南大学 2016
[8]离子液体溶液的电导率研究[D]. 徐丽.天津大学 2016
[9]基于STM32的温室远程控制系统的设计[D]. 杨欢欢.杭州电子科技大学 2015
[10]活细胞传感仪在生物过程优化中的应用研究与开发[D]. 李兰.华东理工大学 2014
本文编号：3419698
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