液体测量技术:从水到血液

简介: 液体测量技术:从水到血液

目录

1、医疗领域的液体测量


2、不同的阻抗测量原理


2.1、恒电势器


2.2、电流测量


2.3、循环伏安法


2.4、pH值测量


2.5、电化学阻抗分析


对于许多应用而言,确定液体的成分和质量至关重要。最主要的例子是水,水是世界上最珍贵的原生资源。净水和水过滤技术在全球发挥着重要作用,是人们生活不可或缺的部分。洁净的水资源不断减少,获取洁净用水成为日益重要的话题。但是,液体测量示例的范围并不止限于水,还包括医疗领域的液体测量,例如血液、唾液和粪便,通过检测这些物质,确定是否患有疾病,以免影响健康。所有这些测量的基本测量原理都是相同的,即阻抗测量。


在本文中,将着重介绍医疗应用中的液体测量,描述单个应用以及阻抗测量的通用性。


1、医疗领域的液体测量

医疗领域最广为人知的液体测量是血糖测量。在试纸上滴一滴血就能够测出血液中的血糖水平。患者可以根据这个值来调节自身的药物或饮食。未来,测量会逐步从单次测量向持续测量发展,以不断监测血糖水平。因此,急需高度准确且节能的阻抗测量。


另一项液体测量应用是透析。慢性肾衰竭患者需要过滤血液。透析液体电导率测量也是通过阻抗分析来完成。通过采用这种方法,可以测量pH值、电导率、成分和饱和度。


最后,测量患者的粪便和尿液。通过检查人体排泄物,可以确定是否患病和出现异常。这是一个相对较新的医疗领域,可以使用多种不同的方式方法。但是,这些方法都是基于对电极实施阻抗测量,从而得出关于各种疾病的结论。例如,除了实施pH值测量外,还会进行电导率测量。


当然,之前描述的测量并不全面。在面向人类和动物的医疗技术中,还可使用多种液体测量,例如激素测量或药剂测量。对于这些测量,阻抗测量方法也很重要。


虽然所有测量都用于确定不同的参数,但它们始终以阻抗分析为基础。这些测量虽然各有不同,但有一点是共同的:都迫切需要节能、节省空间的解决方案,以支持可穿戴设备。


下面介绍几种不同的阻抗测量方法,它们一部分组合使用,一部分单独使用,以便进行完整分析。


2、不同的阻抗测量原理

虽然对于所有应用,阻抗测量的基本原理都是相同的,但单次测量的功能仍然存在很大差别。下面,我们将讨论与液体测量最为相关的方法。


2.1、恒电势器

最基本和常用的测量原理是基于恒电势器。如下图所示,恒电势器测量和控制工作电极(WE)和参考电极(RE)之间的电压。通过调节流过计数器或辅助电极的电流,工作电极的电势相对于参考电极保持恒定。

image.png

恒电势器测量的测量原理

2.2、电流测量

最简单的电流测量方法是对传感器施加偏置电压并测量响应电流。其中,在RE和WE之间施加一个恒定电压,然后使用电流-电压转换器和模数转换器(ADC)将电流剖面转换为数字信号。这个电流剖面取决于传感器和被测变量。下图利用ADuCM355描述了这个电路。

image.png

电流测量

2.3、循环伏安法

伏安法测量为电化学测量,其中电化学电池的电势缓慢上升,然后呈线性下降。因此,测量流经WE的电流时,电位呈三角形波形变化。


例如,伏安法被用于测量分析物的半细胞反应活性。这种方法是一种电解形式,产生的电流源于氧化和还原。采用这种方法可以对样本进行定性和定量研究。


2.4、pH值测量

pH值测量基于半电池反应原理,半电池反应发生在电极膜上,与H+离子的浓度直接相关。这种势差导致产生电压,后者与pH值呈线性关系。对于pH值测量,存在的主要问题是pH传感器具有非常高的串联电阻,因此对分析电子设备的要求非常高。


2.5、电化学阻抗分析

对于电化学阻抗分析,其中电化学电池或传感器的阻抗是在所有不同频率中测量。通过不同频率下阻抗的变化,测量传感器磨损,并自动调整信号链。采用这种测量时,传感器精度随时间(几天至几周)下降,这是个问题。这可能严重影响到各种测量值的整体精度。


例如,连续血糖测量(CGM)就会出现这种问题。由于测量对健康至关重要,所以需要不断检查传感器的精度。示例电路如图3所示:

image.png

电化学阻抗分析

前面描述的医疗测量在要求和参数方面有很大的不同,因此分别使用不同的测量方法。此外,还必须进行温度测量,以进行补偿并校准温度。为了补充或提高精度,必须使用多个传感器。在离散设计中,所有这些测量都需要很大的电路板面积和很高的功耗。


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