Implementación de un sistema de espectroscopía por impedancia eléctrica basado en el criterio del amplificador tipo Lock-in

Abstract

La industria farmacéutica siempre se encuentra en constantes investigaciones sobre el comportamiento o reacciones del cuerpo humano frente a diversos tipos de medicamentos, para esto usan distintos métodos de adquisición de datos para obtener las diferentes conductas frente a las reacciones de los fármacos. Debido a que existen gran diversidad celular, en el transcurso de la adquisición de los datos, se presentan grandes problemas respecto a la conservación de la célula, para ello se requiere un sistema de suministro de corriente, al cual se acoplaran distintas cargas de impedancia de una membrana celular, con el fin de proveer a dicha carga eléctrica. En los últimos años se ha incrementado el uso de la técnica de espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS) para lograr caracterizar el movimiento celular, con el objetivo de no dañar la célula, se debe tener una estabilidad energética entre el 95% y 98%. El presente trabajo comprende el desarrollo de un sistema (EIS) para la medición de impedancia eléctrica y ángulo de fase, basado en el criterio del amplificador tipo lock in. El sistema desarrollado se compone de dos partes (Hardware y Software), que a su vez se componen por diferentes conceptos los cuales atravesaron una evaluación rigurosa en sus especificaciones técnicas y funcionales. Posteriormente se seleccionaron los dispositivos que conllevan a un cumplimiento con mayor eficiencia y eficacia. Adicionalmente, el sistema contará con una alta interacción con el usuario, ya que este podrá establecer diferentes parámetros de entrada como lo es barrido en frecuencia, tamaño del paso y el número de muestras a realizar que se encuentran en función de los parámetros de entrada. Por otra parte, el sistema desarrollado cuenta con múltiples etapas que abarcan desde la generación de una onda sinusoidal, generación de corriente estable, instrumentación y procesamiento basado en el criterio del amplificador tipo lock-in, teniendo estas, funcionalidades específicas para enlazar, comunicar, configurar y preparar el sistema para la caracterización tetrapolar de la impedancia eléctrica y ángulo de fase, respecto a modelos Cole-Cole que simulan el comportamiento eléctrico del tejido biológico.

The pharmaceutical industry is always in constant research on the behavior or reactions of the human body against various types of drugs, for this they use different data acquisition methods to obtain the different behaviors against drug reactions. Due to the great cellular diversity, in the course of data acquisition, great problems arise regarding the conservation of the cell, for this a current supply system is required, to which different impedance loads of a cell membrane, in order to provide said electrical charge. In recent years, the use of the electrical impedance spectroscopy (EIS) technique has increased to characterize cell movement, with the aim of not damaging the cell, an energy stability must be between 95% and 98%. The present work includes the development of a system (EIS) for the measurement of electrical impedance and phase angle, based on the criterion of the lock-in amplifier. The developed system is made up of two parts (Hardware and Software), which in turn are made up of different concepts which have undergone a rigorous evaluation of their technical and functional specifications. Subsequently, the devices that lead to compliance with greater efficiency and effectiveness were selected. Additionally, the system will have a high level of interaction with the user, since the user will be able to establish different input parameters such as frequency sweep, step size and the number of samples to be carried out that are based on the input parameters. On the other hand, the developed system has multiple stages that range from the generation of a sine wave, generation of stable current, instrumentation and processing based on the criterion of the lock-in amplifier, having these specific functionalities to link, communicate, configure and prepare the system for the tetrapolar characterization of electrical impedance and phase angle, with respect to Cole-Cole models that simulate the electrical behavior of biological tissue