本文是一篇机械自动化类论文，本研究基于前人的研究结论以及EIS的基础原理，对接触阻抗进行了建模与实验验证分析，证明了本研究接触阻抗模型的可行性和准确性。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1研究背景
电化学阻抗谱（EIS）是一种用于研究电化学系统的实验技术和分析方法。其原理为通过测量电化学系统在不同频率下的交流电阻抗，来提供关于电化学界面和电解质溶液中的化学和电子过程的信息。电化学阻抗谱通常将交流电压或电流施加到电化学系统中，测量不同频率下的电流输出响应，以获得系统在不同时间尺度上的响应。获得的电阻抗结果通常以阻抗奈奎斯特图（Nyquist diagram）和伯德图（Bode diagram）表示。阻抗奈奎斯特图提供了关于等效电阻和等效电容的信息，而伯德图提供了关于电极极化、特征频率等信息。通过分析阻抗结果，研究人员可以获得有关电极表面反应、电解质传递、质子传递、电子传递等各种电化学过程信息。这对于研究电池、生物反应、腐蚀、电化学传感器等领域具有重要意义，可以帮助改进材料和设计更高效的电化学系统。
微流控检测技术是一种将微流控技术与化学、生物化学分析等相结合的技术。它由微尺寸流道、微泵和微处理器芯片等微流控元件组成，以高精确和高度自动化的方式对化学或生物学样品进行分析和测量。由于微流控检测系统能够集成样品处理、混合、反应和检测等多个步骤，从而简化了复杂的实验流程；微流控检测技术在微尺度下进行分析，因此具有很高灵敏度和准确性，能够检测低浓度的分子或微生物；因为微流控系统的尺寸不大，通常只需要较少的样品和试剂，这对于昂贵或稀有的样品，降低实验成本，同时减少了废弃物的产生尤其有益[1][2][3]。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 电化学阻抗谱检测技术研究现状
电化学阻抗谱技术的应用最早可追溯到20世纪50年代[5][6]。在此期间，Epelboin和Loric利用EIS技术研究了反应中间产物在产生低频感应弧中的作用[5]。在20世纪70年代初期，电化学界面的电化学动力学理论得到了进一步的发展和完善。Boukamp[6]开始更深入地探讨电化学过程中的交流电流响应，这为电化学阻抗谱的理论框架提供了基础。在这个时期，实验技术的改进使得电化学阻抗谱的测量变得更加完善。例如，引入了更精密的电极设计和改进的电极材料，以提高测量的灵敏度和稳定性，等效电路图及回归方法成为解析阻抗数据的主要方法，实验研究也越来越多地转向与阻抗技术相关的应用。同时，该时期还引入了现代电化学阻抗谱的核心概念，如Nyquist图和Bode图，Nyquist图是电化学阻抗谱的一种重要表示方法，它将电化学界面的复杂阻抗响应可视化为一个复平面上的点图，使研究人员能够更好地分析和解释电化学界面的性质。Bode图展示了频率和幅度之间的关系，Bode图的应用有助于研究人员更全面地理解电化学界面的动态性质。这些图形可视化了交流电信号的复杂阻抗响应，并使研究人员能够更好地理解电化学界面的性质[7][8]。20世纪70、80年代见证了电化学阻抗谱技术在不同领域的应用拓展，包括腐蚀研究、电池技术、电化学传感器和涂层评估等。这些应用领域的扩展推动了电化学阻抗谱技术的发展。20世纪90年代，伴随集成电路和计算机技术的成熟，生物学组织样本的检测和分离装置向微型化与便捷化方向发展，微流控技术被研究者重点关注[9][10][11]。此时，电化学阻抗谱在各种领域中得到了广泛应用，包括但不限于电池技术、腐蚀研究、材料科学、生物传感器、涂层评估、燃料电池、药物释放研究等，这一时期见证了EIS技术在不同领域中的成功应用，推动了这些领域的研究和发展[12][13]。
2 微电极电化学阻抗谱检测技术基本原理
2.1 微流体检测的工况
微流控芯片系统是一种小型化的实验室系统，因其高精度和高效率的特点，通常用于处理微小体积的液体样品。在微流控芯片的微流道中的液体在流体入口处的恒压作用下形成液体连续，低流速、低流量且压力对液体流动的几乎没有影响的稳压力驱动流（regulated flow），其流动满足流体力学连续性方程、动量和能量方程和层流条件。
层流是一种有序和稳定的流动状态，具有均匀的流速分布和较低的摩擦阻力。这样的流动状态为许多实验应用和EIS研究中提供了稳定的液体环境。当微流控芯片中微流体为层流时，流体运动有以下特点：
（1）在层流条件下，微流体以有序的方式流动，不出现剧烈的混合或涡流。流体粒子在流动中遵循平行的流线，流动方向保持一致的规律，流场中的流速分布通常是均匀的，不同位置的流速差异较小。这与湍流不同，湍流中存在大的速度梯度和涡流运动。
(2）层流通常伴随较低的摩擦阻力。相对于湍流，层流对管道壁的摩擦力较小，不容易发生剧烈的波动和涡流。层流中的速度波动较小，流体粒子的轨迹相对平稳。这对于液体混合和分配来说有利，因为不会出现剧烈的离散程度。有利于减少能量损耗，层流条件适用于需要高度精确性和可重复性的实验和测量，如化学分析、微流体实验和流量测量。
2.2 微电极电化学阻抗谱检测基本原理
微电极EIS检测表征电极/溶液接触表面的电化学特性，包括电荷转移、电化学反应速率、电解质传递和界面吸附等，这不仅有助于了解材料的电化学性能，优化材料制备过程，改善材料的电化学性能，而且有益于电解质溶液的性质的研究和获取电化学反应的动力学信息，如离子迁移、扩散系数和电化学反应机制等。微针电极EIS检测在多个领域具有广泛的应用，可以提供关于电化学系统的详细信息，从而有助于改进材料、开发新的电化学技术，并解决一系列科学和工程问题。因此，研究微针电极EIS检测的相关机理是很有必要的。
2.2.1 Cole-Cole原理
Cole-Cole原理是一种描述材料电阻性的复杂性的数学模型，用于研究电化学、固体材料科学和其他领域中的复杂电阻性材料行为，解释和描述材料的频率依赖性电阻（阻抗）[33]。其主要思想为：电阻性材料中阻抗的关系并不是单一的呈现电阻性质或电容性质，而是既有电容性质，又有电容性质。
3 微电极检测情况下微流体低频阻抗数学模型改进 .......................... 21
3.1 微电极EIS检测工况特点 ..................... 21
3.1.1 微电极低频EIS检测场强特点 ....................... 21
3.1.2 EDL结构的影响 ................................. 23
4 微电极阻抗数学模型验证 ....................... 31
4.1 模型验证条件设置 ......................... 31
4.1.1 对普通电极的EIS仿真 ....................... 31
4.1.2 对普通电极的实验设备 ..................... 32
5 微电极EIS低频细胞检测特性分析 ....................... 45
5.1 实验条件 ..................................... 45
5.1.1 酵母菌上清液制备及实验条件 ................................. 45
5.1.2 乳酸菌培养液制备及实验条件 ...................... 46
5 微电极EIS低频细胞检测特性分析
5.1 实验条件
5.1.1 酵母菌上清液制备及实验条件
本研究一共设置了两种细胞溶液：酵母菌上清液以及乳酸菌培养液，本节介绍酵母菌上清液的制备方法和实验条件，酵母菌上清液EIS实验条件如表5-1所示。
图5-1为酵母菌上清液的实验过程，其具体的制备及实验步骤如下：
（1）将一定量的干酵母粉与4组50 mL纯水于50 mL试管中混合，配置成5%、10%、15%、20%的溶液，混合摇匀以后放入25℃ 恒温水浴锅中进行保温培养40分钟。
（2）水浴加热40分钟后观察每组试管的情况，当试管中无悬浮固体且底部无残渣即代表培养成功，得到4组不同体积分数，50 mL的培养液，每组按要求做上标记。在25摄氏度环境中每组都用4支10 mL试管分成4组作为实验组并做标记，一共16号。
（3）将16支试管放入离心机中，按4500 r/min的速度进行离心，得到酵母菌上清液。接下来即可进行EIS测试。
6 结论与展望
6.1 结论
细胞EIS测量对于理解细胞生物学、疾病研究和药物评估都具有重要意义。目前EIS设备朝微型化、便捷化方向发展，但是在EIS测量设备微型化的过程中微电极接触阻抗的存在会引入额外的等效电阻和等效电容，使得实际测量的阻抗信号与样品的真实电化学特性产生混淆，特别是在低频范围内，接触阻抗可能对测量结果产生更为显著的影响，导致难以准确测量低频响应。本研究基于前人的研究结论以及EIS的基础原理，对接触阻抗进行了建模与实验验证分析，证明了本研究接触阻抗模型的可行性和准确性。其主要工作如下：
（1）首先对细胞EIS检测的工况进行了说明，计算雷诺数等参数后证明细胞EIS检测的液体环境为稳态层流。由于微环境中双电层电容（EDL）结构的影响比较大，因此本研究对EDL结构进行了详细的建模和分析。在此基础上，本研究进一步建立了普通电极/流体EIS接触阻抗模型和微电极/微环境EIS接触阻抗模型，为接触阻抗提供了理论模型依据。
（2）根据接触阻抗模型的特点，设计了普通电极/流体低频阻抗检测仿真/实验和微针电极/微流体低频阻抗检测仿真/实验设计。实验之前本研究对低频EIS实验设计准则、实验台连接线选择、实验材料选择依据进行了说明，并且在此基础上进行预实验排除干扰因素。根据以上条件，实验材料最后选择为酵母菌上清液和乳酸菌培养
