液體量測 — 從水到血液

作者: ADI 應用工程師Christoph Kämmerer


簡介

在許多應用中,判斷液體的成分與品質是關鍵要務。其中,最顯著的例子就是世上最珍貴的原料:水。潔淨水以及水過濾技術在全世界扮演著重要的角色,對於生活而言,水也是不可或缺的要素。持續取得日漸稀少的潔淨水資源已經變成越來越重要的議題。不過,液體量測的例子遠不僅止於水 – 在醫藥領域,必須檢驗包括血液、唾液、以及排泄物等液體以診斷疾病,這些程序對健康具有著直接的影響。而這些量測都具有一個共同點,就是基本的量測原理 – 阻抗量測。在本文中,我們將專注醫療領域的液體量測,介紹各式應用,以及阻抗量測的多樣性。

醫藥領域的液體量測

在醫藥領域中,最常見的液體量測就是血糖測量。在試紙上的一滴血就足以測出血液中的血糖值。根據測得的數值,患者就能調整用藥或飲食習慣。未來發展的走向應是從單次量測轉向持續量測,藉以持續監視血糖值。在此方面急需要高精準且省電的阻抗量測技術。

液體量測的另一項應用是透析。慢性腎衰竭病患需要對血液進行透析過濾。透析液體的導電度(conductivity)量測也是透過阻抗分析來進行。在這種方法中,可以量測到包括pH值、導電度、成分、以及飽和度等數據

醫藥領域還會量測病患的排泄物。檢驗的目的是要掌握病況以及不規則徵候。這方面屬於醫藥界較新發展的領域,目前則有多種不同的策略與方法。然而,其基本原理都是透過電極量測阻抗來取得不同疾病的診斷結果。在這方面會執行如 – 除了pH值量測 – 導電性的量測。

然而,先前所述的量測並沒有全面涵蓋。在醫學技術中還涉及針對人類與動物進行許多液體量測,像是量測荷爾蒙或藥劑。這些領域中,阻抗方法也是重要的手段。

雖然上述所有量測方法判斷的是不同的參數,但它們的原理都是依據阻抗分析。然而在許多層面上它們有一個共同點 – 需要電力 – 因此用節省空間的解決方案來支援穿戴式裝置的供電就變得相當的重要。在下面的文章中,我們將介紹多種不同的阻抗量測方法。有些情況會混合使用,有些則會單獨使用,藉以執行完整的分析。

各種不同的阻抗量測原理

雖然所有應用中阻抗量測背後的基本原理都是相同,但個別量測功能之間仍存在極大的差異。以下我們探討和液體量測最具相關性的方法。

電位計(Potentiostat)

最基本且最常用的量測原理是基於電位計的方法。如圖1所示,我們運用一個電位計來量測與控制工作電極(WE)與參考電極(RE)之間的電壓。藉由調整經過計數器或輔助電極的電流,藉以讓相對於參考電極的電位維持恒定。

圖1. 電位計量測的原理.

電流測定法(Amperometric)

最簡單的電流測定方法,是對感測器導入一個偏壓,然後量測反應出的電流。在這裡我們對RE與WE之間導入一個恒定電壓,之後利用一個電流轉電壓轉換器以及一個類比轉數位轉換器(ADC)將電流曲線(profile)轉換成數位訊號。影響電流曲線的因素包括感測器以及量測變數。圖2是利用ADuCM355測得的電流。

圖2. 安培量測

循環伏安法(Cyclic Voltammetry)

循環伏安是電化學量測功能,電化學電池的電位會先緩慢提高,然後再線性降低。因此電位會沿著三角波型變化起伏,同時會測到通過WE的電流。舉例來說,循環伏安法可用來量測分析物的半電池反應(half-cell reactivity)。這種量測屬於一種電解法,產生的電流是氧化與還原的結果。藉由這種方法可對樣本進行定性與定量分析。

電導量測

電導(conductivity)量測的原理是判斷液體的歐姆電阻。執行這種量測時,會用到兩個平行置放的惰性電極,浸入液體後導通交流電再量測電阻。藉由這個程序,可推測出電極的載子遷移率(mobility)、顆粒密度、以及氧化態,並計算出溶液的濃度。

pH值量測

pH量測採用的是半電池反應原理,這種發生在電極膜的反應和正離子氫(H+)的濃度有直接關聯。從這個電位差會產生一個電壓,而電壓會和pH值維持線性關係。pH量測其中一項主要問題就是pH感測器有極高的串聯電阻,因而非常需要分析電子元件。

電化學阻抗分析

在電化學阻抗分析這種量測中,電化學電池或感測器的阻抗是透過一連串不同頻率進行量測。藉由改變不同頻率上的阻抗,即可量測出感測器的磨耗,然後讓訊號鏈根據此結果自動調節。感測器精準度經過長時間(數日或至數週)運行後出現衰退在這方面會是一大問題,它會對各種量測的整體精準度造成嚴重的負面影響。舉例來說,像是持續葡萄糖量測(CGM)。由於這類量測對健康至關重要,因此必須持續檢驗感測器的精準度。圖3顯示一個範例電路。

圖3. 電化學阻抗分析

上述的醫藥量測在需求以及參數方面存在極在的差異,因此採用的量測方法也大相徑庭。此外,在溫度校正方面,還必須量測溫度以便進行額外的補償。另外在輔助或提高精準度方面,還會運用到多種的感測器。在分立式設計中,這些量測都會用到很大的電路板空間,因而也會消耗相當高的電力。

近來,特別是在醫學技術領域中,各界均聚焦於微型、省電、低成本的解決方案,這類元件能置入各種穿戴式以及各種實用裝置。而ADI旗下的 ADuCM355 正是針對這些設計挑戰量身設計。

ADuCM355—萬用方案

有一個解決方案結合了所有量測功能,那就是ADuCM355。這款高度整合晶片結合一個省電類比前端(AFE); 一個微控制器,負責例行程序(housekeeping)與安全功能,像是循環冗餘檢查(CRC)等。圖4顯示ADuCM355內部關鍵元件的模塊圖。

圖4. ADuCM355的模塊圖

它以極低的功耗控制各種電化學以及生物感測器。以ARM® Cortex®-M3處理器技術為基礎的晶片能量測電流、電壓、以及電阻。其內部含有一個16位元 400 kSPS 多通道 SAR ADC 轉換器; 多個輸入緩衝區; 一個整合式反鋸齒濾波器(AAF)、一個可程式化增益放大器(PGA)。在電流輸入端的跨阻抗放大器(TIA)有可程式化增益以及負載電阻來應付不同種類的感測器。此外,AFE還含有多個特別針對電位計開發的放大器,用來針對外部電化學感測器維持恒定的偏壓。選擇輸入通道則是透過ADC的輸入多工上游(mux upstream)執行。這些輸入通道包含三個外部電流輸入、多個外部電壓輸入、以及多個內部通道。三個電壓DAC中的兩個屬於雙輸出DAC。DAC的第一個輸出端負責控制電位計放大器的非反相(noninverting)輸入,而另一個輸出端則是控制TIA輸出端的非反相輸入。第三個DAC(有時稱為高速DAC)則是針對阻抗量測的高效能TIA設計。DAC的輸出頻率可高達200kHz。ARM Cortex-M3 處理器另外還有一個彈性多通道記憶體直接存取(DMA)控制器,能支援兩個獨立序列週邊介面(SPI)埠、一個通用非同步接收器/發送器(UART)、以及 一個I2C通訊週邊元件。有需要時可針對目標應用裝上多個通訊週邊。這些週邊元件包括UART、I2C、兩個SPI 埠、以及通用輸入/輸出 (GPIO) 埠。GPIO可搭配通用計時器構成一個脈衝調變(PWM)輸出端。

進一步的量測

上述量測的大多數感測器都能直接透過ADuCM355的輸入運作。在運用電位計量測葡萄糖等應用中相當適用。然而對於像是導電性或pH值等較精準的量測而言,則需要一個延伸訊號鏈,以及像是 LTC6078 這類的外部晶片。這類情境中,輸入阻抗必須針對感測器的高輸出阻抗進行調整,藉以得到精準的讀數。除了先前所述的量測,另一項必須功能就是量測溫度,這方面涉及到補償感測器的波動。圖5顯示延伸量測的原理。藉由更大的訊號鏈,ADuCM355可讀出電壓與電流值。透過圖中顯示的電路,即可偵測出100 Ω 至10 MΩ的阻抗。較大的量測範圍能覆蓋醫藥領域的整個阻抗範疇。高動態範圍對於導電性量測特別重要,如此才能量測到變化差異極大的濃度。

圖5. 運用ADuCM355量測pH值、溫度、導電性的電路

總結

雖然各種液體量測的基本原理都是阻抗量測,但其彼此之間仍存在著差異。舉例來說,必須連結不同的感測器來記錄不同的參數。而為涵蓋如此多樣的應用,以及因應朝向小型化省電裝置的趨勢,業界非常需要智慧型的解決方案。ADuCM355 不僅滿足上述所有要求,還針對醫藥領域的阻抗量測扮演如同瑞士刀的萬能角色。這款IC事實上 – 除了液體量測外 – 在醫藥領域的阻抗量測功能還能支援體脂分析或皮膚電阻(skin impedance)量測。此外,由於它具備多重功能,還能搭配適合的感測器用來量測包括一氧化碳或二氧化碳等電化學氣體,而這也使得ADuCM355能成為阻抗量測的多合一元件。