生物富集与放大

关键词： 医用 放大 电信号 生物

生物富集与放大（精选三篇）

生物富集与放大 篇1

医用电子仪器诊断和治疗的依据是人体生物信号。临床上, 通过传感器可将非电生物信号转换为电信号;通过合适的电极则可直接提取生物电信号。由于大多数生物电信号的电位幅值很小, 通常需要经过放大才能被观察及记录到。因此, 生物电放大器是心电图机、脑电图机、肌电图机等医用电子设备中必不可少的最常用、最基本的单元电路[1,2]。

生物电放大器作为医用电子仪器的核心部件, 通常与其他电路集成在一起, 不利于单独测量与调试。考虑到生物电放大器在医用电子仪器中的普遍性和重要性, 有必要设计一种易于实际操作的生物电放大器实验系统, 方便相关知识的学习。

本研究利用AD8132、AD620、TLP512-1等芯片, 构建生物电放大器实验系统, 并分析关键技术, 为更好地学习医用电子仪器奠定基础。

2 系统结构

根据生物电放大器的功能, 设计实验系统结构如图1所示[3]。其中, 虚线框内为浮置部分。差分电路构成前置放大器, 调制解调电路构成隔离放大器, 而电源则由隔离电源提供。

2.1 生物电前置放大器

在医学信息获取时, 通常借助各种医学传感器或电极以若干个测试点中任意2点间的电位及组合测试为主要方式, 表现为差模信号。而温度、电磁场等测试环境影响则以共模干扰形式在电路输入端同时出现。生物信号处理的本质是去除进入测试电路的各种干扰信号, 获取诊疗所需生理信号的过程。因此, 生物电前置放大器一般采用差分电路结构。

处于仪器电路最前端的前置放大电路是医用电子仪器放大电路设计的核心, 从某种程度上决定了整机的工作性能。前置放大器要求具有良好的抗干扰能力, 即具有高共模抑制比, 高输入阻抗和高信噪比[4,5]。

生物电放大器的CMRR值一般要求为60~80 dB。高性能心电放大器的CMRR值达100 dB。

本研究采用差动集成芯片AD8132和三运放结构的仪表放大器AD620构建生物电前置放大电路模块, 如图2所示。其中, AD8132提供差模信号 (模拟生物电信号) , AD620则完成对差模和共模信号的处理, 是生物电前置放大电路的核心组件[4]。

2.1.1 AD8132

AD8132是ADI公司推出的一种新型低成本的高速率差动放大器, 可以广泛应用于多种具有差模输出的单输入电路, 如图3所示, 管脚说明参见表1。

2.1.2 AD620

AD620是一款单芯片仪表放大器, 内部经典的三运放结构可有效减小共模输入的干扰, 放大差模信号, 如图4所示。用户只需通过调节电阻即可实现对增益的控制:

AD620具有低电流噪声特性, 因此可用于信号源电阻高达1 MΩ乃至更大的生物电放大器[4,6]。另外, 为了避免在强干扰信号下放大器输出产生失真, 前置放大器的电压放大倍数一般不宜设置过高 (通常为10倍) 。

2.1.3 基于AD620的生物电前置放大器

本研究设计的生物电前置放大电路试验系统如图5所示, 共模信号则由信号发生器直接提供, 差模信号则由AD8132提供。AD8132的8号引脚作为单输入端, 4、5引脚作为差模信号输出端, 产生大小相等、方向相反的差模输入信号, 模拟人体待测生物电信号, 经电阻Ra、Rb、Rc分压后送入仪表放大器AD620。结合电路图分析, 本系统的差模放大倍数实际为:

2.2 隔离放大器

2.2.1 电源的隔离

生物电测量仪器在工作时, 需通过电极或传感器与人体接触获取信息, 这些与人体接触部件及相关前置放大电路总体构成了医用电子仪器的应用部分。因此, 为了确保人体安全, 防止发生电击事故, 仪器的应用部分必须与其他电路部分保证电气绝缘 (物理上相互独立, 无任何电气连接) 。本研究设计的试验系统采用DC-DC集成芯片HDW5-12D12实现电源隔离, 如图6所示。HDW5-12D12的1、2号脚由实地电源供电, 与解调、滤波等后级电路采用同样的供电方式;3、4、5号脚则输出经DC-DC变换产生的电源 (称为浮置电源, 与变换前的电源电气绝缘) , 供给前置放大电路[7]。

2.2.2 信号的隔离

在电气绝缘的条件下, 生物电放大器电路中前后级信号的传递通常采用光电耦合, 如图7所示。为保证信号在传递过程中的不失真, 需充分考虑光电耦合器件的线性度、精度及带宽等参数。

2.2.2. 1 生物电信号脉宽调制

为保证信号在传递过程中的不失真生物电在光电耦合传输前, 首先进行了脉宽调制, 形成脉冲宽度调制信号 (PWM) 。

图7中, 采用脉冲调宽的方式, 由U4A比较器电路和U5A、U5B组成的三角波发生电路构成了脉冲宽度调制 (PWM) 电路。三角波作为调制载波, 加至U4A比较器反相端, 生物电信号输入U4A的同相端。三角波发生电路输出峰-峰电压为10 V、周期为70μs的三角波。该三角波作为调制载波, 加至比较器U4A反相输入端, 生物电信号加至比较器U4A的同相输入端。当不同幅度的生物电信号输入时, U4A将输出具有相对不同的脉宽调制信号, 如图8 (b) 所示。

2.2.2. 2 光电耦合

光电耦合开关采用TLP521-1高速光电耦合器, 输入和输出均为脉宽调制信号, 但输入采用浮置电源供电, 输出采用直接接地电源供电, 在电气上完全隔离, 有利于保障人体的安全性[8]。

2.2.2. 3 解调

脉冲调宽信号的解调是将脉宽信号送入一个低通滤波器, 滤波后的输出电压幅度与脉宽成正比 (即与调制电压成正比) 。由U6A、R13、R14、C11、C12组成二阶有源低通滤波器, 将生物电信号解调出来。本系统中, 低通滤波器放大倍数为1, 滤波器截止频率约为400 Hz。在低频情况下 (如100 Hz) , 经滤波后, 得到的解调信号即输入端送入的生物电信号。

2.3 50 Hz陷波电路

工频干扰是影响生物电信号, 尤其是心电信号检测质量的主要因素之一。为了消除50 Hz工频干扰, 在很多医学仪器中都使用了带阻滤波器[9]。如图9所示为Q值可调的RC双T带阻滤波电路。

在图9中, 电路增益为:, 中心频率为:

3 结果

根据上述电路, 搭建实验系统, 其中:RG取10 kΩ。输入100 Hz的正弦波, 改变幅值, 测试, 实验结果见表2。

改变输入信号频率, 测得50 Hz陷波电路频率特性曲线, 如图10所示。

4 结论

本研究设计的生物电放大器, 包含了放大、隔离、滤波等关键技术。本系统首先考虑生物电信号低频、微弱的特点, 利用AD8132模拟产生差分信号, 接着通过常用医用电子仪表放大器AD620实现差分放大, 然后采用TLP521-1光电耦合器作为隔离放大器的核心部件, 配合运放器件完成调制解调, 最后考虑了工频干扰滤波电路。系统具有高输入阻抗、高共模抑制比的特点, 便于测量, 有助于学生对生物电放大器的学习。

摘要：目的:设计一种小型的生物电隔离放大器实验系统。方法:应用AD8132、AD620、TLP512-1等构成放大电路的核心部分。结果:输入阻抗大于10 GΩ;共模抑制比>80 dB;50 Hz陷波电路的上限截止频率为55.3 Hz, 下限截止频率为44.5 Hz。结论:实验系统具有高输入阻抗、高共模抑制比等特点, 便于测量, 有助于学生对生物电放大器的学习。

关键词：生物电放大器,AD620,调制解调,50Hz陷波

参考文献

[1]王三强, 何为, 石坚.新型脑电信号前置级放大电路设计[J].重庆大学学报, 2006, 29 (6) :51-53.

[2]朱大缓, 郭育华, 汪公社.便携式心电检测放大电路设计[J].医疗卫生装备, 2008, 29 (5) :20-23.

[3]王越, 李刚, 王立丽.几种新型的高性能生物电放大器[J].电子设计应用, 2005 (6) :126-128.

[4]张帷, 张石, 鲍喜荣, 等.便携式心电监护仪前置放大电路和抗干扰的设计[J].医疗设备信息, 2005, 20 (10) :7-9.

[5]魏继航, 梁敏厚.心电放大器前置放大级及定标电路设计[J].医疗卫生装备, 1998, 19 (2) :6-7.

[6]王树振, 单威, 宋玲玲.AD620仪用放大器原理与应用[J].微处理器, 2008, 29 (4) :38-40.

[7]金浩宇, 翁灿烁, 赖胜圣.降低运放电路中电源噪声的方法探讨[J].医疗卫生装备, 2009, 30 (4) :101-102.

[8]付丽娟, 杨景芝.光耦合器组成的模拟信号放大电路分析与设计[J].电子测试, 2008 (3) :79-82.

食物．食物链．生物富集 篇2

牛肉是不是来自疯牛病的产地，大闸蟹是不是吃了抗菌素，精瘦的猪肉使人感到有些蹊跷，黄鱼出奇的黄……人们面对这些迹象，无法不对食物打上问号。其实食品安全问题还远远不止这些。

英国生物学家埃尔顿，从中国的一句 “大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米”的谚语中得到了启发，在上世纪初就提出了著名的“食物链”理论。

什么是食物链和生物富集?

各种生物通过一系列吃与被吃的关系，把生物与生物紧密地联系起来，这种生物之间以食物营养关系彼此联系起来的序列，被称为食物链。简言之，池塘中的藻类是水蚤的食物，水蚤又是鱼类的食物，鱼类又是人类的食物。于是，藻类→水蚤→鱼类→人之间便形成了一种食物链。当食物链遭到污染，其后果不堪设想。

自然界中一种有害的化学物质被草吸收，虽然浓度很低，但如果以吃草为生的兔子吃了草，这种有害物质很难排出体外，便逐渐在它体内积累。而老鹰以吃兔子为生，于是有害的化学物质便会在老鹰体内进一步积累。由此可见，食物链对有害的化学物质有累积和放大的效应，这就是生物富集。

有一个典型的生物富集例子更能说明问题，这就是美国旧金山的休养胜地明湖，曾因滥用DDT导致鱼类、鸟类大批死亡。后来研究发现，DDT通过食物链会以惊人的速度在生物体内富集。如果将湖水中的DDT浓度当作1的话，那么湖水中浮游生物体内的DDT浓度是265，吃浮游生物的小鱼体内的脂肪中DDT浓度是500，吃小鱼的大鱼脂肪中则达到8.5万。如果鸟类吃了这种鱼，鸟类体内脂肪中的DDT浓度可达到几百万。

被美国人誉为国鸟的白头鹰之所以濒临灭绝，并不是遭人捕杀而引起的，而是因为有害化学物质DDT在白头鹰体内富集，导致白头鹰生下的蛋皆是软壳，无法孵化繁殖后代。

因此，对食物链的污染和生物富集应该引起我们足够的重视。笔者曾听到有关红肉、白肉和鱼肉的说法，即少吃红肉（猪、牛、羊），多吃白肉（鸡、鸭、鹅），最好吃鱼肉。其实这种说法存在片面性，多吃鱼，不代表万事无忧，对健康来说，恰恰是一把双刃剑。当我们摄入大量的优质鱼蛋白和好的脂肪即不饱和脂肪酸的同时，千万不要忘记生物富集，鱼是汞的天然浓缩器。汞在人体内代谢缓慢，可引起蓄积中毒，并通过血脑屏障进入大脑，影响脑细胞的功能。

我们究竟该吃什么、怎么吃呢？

生物富集与放大 篇3

铜对生物抑制效应是浓度的两步函数,即铜是生物生长必须微量元素,但过高也会产生毒性效应［15］。本试验以山东沿海常见养殖贝类太平洋牡蛎为主要研究对象,采用生物富集双箱动力学模型,研究其在半静态暴露染毒条件下对铜的生物富集动力学特性,以期为生态风险评估及贝类食品的安全监测提供参考。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

健康太平洋牡蛎采自青岛即墨鳌山卫养殖场。自然海水暂养7 d,连续充氧; 每天换水1 次、投喂小球藻( Platymonas spp. ) 2 次; 及时剔除死亡贝体,死亡率低于5%; 试验前1 d停止投饵,以便排尽牡蛎体内摄食的饵料,尽量降低试验误差。选择生长良好,个体较为均等的贝类用于试验,随机分组。太平洋牡蛎壳长9.45 ~11.62 cm,壳宽4.90 ~5.90 cm,壳高5.20 ~6.08 cm,体重58.7 ~100.5 g。

试验在300 L的聚乙烯水箱中进行,试验前将各处理组水箱用等体积暴露溶液浸泡7 d。试验海水经Ⅱ级砂滤,水质指标: p H 7. 96 ~ 8. 20,盐度31. 18 ± 0. 34,氨氮2. 97 ~ 4. 54 μg /L,亚硝酸盐氮0. 005 ~ 0. 010 mg /L,溶氧> 6. 0 mg /L,Cu2 +本底浓度0. 00276 mg /L。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 试验分组

铜离子(Cu2+)溶液采用分析纯CuSO4·5H2O( 天津巴斯夫化工有限公司,A. R. 500 g)配置而成。以GB3097—1997 海水水质标准( 二类) Cu2 +≤0. 010 mg /L为参考,按照0. 010 mg /L的0. 5、1. 0、2. 5、5. 0、10. 0 倍设置重金属溶液浓度梯度为0. 005、0. 010、0. 025、0. 05、0. 10 mg /L进行添加。试验期间连续充氧,以自然海水为对照。本试验用于分析和计算富集动力学参数的Cu2 +浓度均为添加浓度与自然海水浓度之和。

1. 2. 2 富集与排出试验

富集阶段,试验水箱中养殖水体为270 L,每个水箱放入暂养净化后的牡蛎77 只,设平行2 个试验组。各组采用半静态暴露染毒的方法富集35 d,每24 h更换全部溶液; 每天投喂小球藻2 次; 在第0、5、10、15、20、25、30、35 天时,每箱随机取活贝样5只,迅速用去离子水冲洗干净,剥壳解剖取全部内容物,经匀浆后冷冻存放待分析。

富集结束后,将剩余贝类转移到自然海水中,养殖水体体积、换水和喂食时间与富集阶段相同。投饵量根据水箱中所剩余贝类数量递减,各组排出试验30 d,分别在第5、10、15、20、25、30 天,随机取太平洋牡蛎活贝5 只,各样品处理与富集阶段相同。

1. 3 样品处理与铜浓度测定

Cu2 +含量测定根据GB17378. 6—2007 海洋监测规范第6 部分,采用无火焰原子吸收分光光度法进行测定。Cu2 +含量单位用mg/kg干重表示。

1. 4 数据统计分析

生物富集双箱动力学模型和生物富集系数( BCF) 测定采用修正的双箱动力学模型方法［16-21］,试验的两个阶段用方程描述为:

式中: k1—生物吸收速率常数; k2—生物排出速率常数; CW—水体Cu2 +浓度,mg /L; CA—生物体内Cu2 +的含量,mg /kg干重; C0—试验开始前生物体内Cu2 +的含量,mg /kg干重; t*—富集试验结束的天数,d。由公式( 1) 、( 2) 对富集和排出过程中贝类体内Cu2 +含量的动态检测结果进行非线性拟合,得到k1,k2值。

BCF,即生物富集系数,是估算水生生物富集污染物质能力的一个量度; 金属的生物学半衰期B1 /2,指生物体内的金属排出一半所需的时间( d) ; CAmax指生物体内富集重金属达到平衡状态时体内含量( mg /kg) 。分别采用公式( 3) 、( 4) 、( 5) 进行计算。

2 结果与分析

2. 1 太平洋牡蛎对Cu2 +的富集

如图1 所示,富集阶段,对照组体内Cu2 +含量变化范围为136. 53 ~ 196. 11 mg /kg。0. 005mg / L和0. 01 mg / L组: 0 ~ 20 d增长缓慢,25 ~35 d均为先降低后增长,在25 d ( 0. 01 mg / L) 和35 d( 0. 005 mg / L) 时,牡蛎体内Cu2 +含量达到峰值,与0 d时相比,分别提高0. 81 倍( 0. 005 mg /L) 和2. 29 倍( 0. 01 mg / L ) 。0. 025 mg / L和0. 05 mg / L组: 0 ~ 10 d体内Cu2 +含量变化较为一致; 10 ~ 25 d,0. 05 mg /L组牡蛎体内Cu2 +含量增长幅度明显大于0. 025 mg /L组; 25 d时,牡蛎体内Cu2 +含量与0 d时相比,分别提高了3. 36 倍( 0. 025 mg /L) 和6. 71 倍( 0. 05mg /L) 。0. 10 mg /L组: 暴露5 d时,体内Cu含量与0 d相比迅速提高了1. 78 倍,5 ~ 15 d增长较为平缓,15 ~ 25 d正相关迅速增加,25 d时体内Cu含量与0 d相比提高了7. 9 倍。数据表明,太平洋牡蛎对Cu2 +具有较强的富集能力,暴露0 ~ 25 d,各试验组牡蛎体内Cu2 +含量与暴露溶液Cu2 +浓度、暴露时间基本正相关。

2. 2 太平洋牡蛎对Cu2 +的排出

如图2 所示,0. 005、0. 01、0. 025 mg /L组,牡蛎体内Cu2 +含量呈先减少后增加、再减少的趋势排出,30 d与0 d相比,牡蛎体内Cu2 +含量分别降低了22. 43% ( 0. 005 mg /L ) 、34. 45%( 0. 01 mg /L) 、42. 27% ( 0. 025 mg /L) ; 0. 05、0. 10mg / L组,牡蛎体内Cu2 +含量呈现不稳定波动状态,0. 10 mg /L组3 个变化转折点均滞后0. 05 mg / L组5 d时间,分别在整体试验45 d( 0. 05 mg /L) 、50 d( 0. 10 mg /L) 时牡蛎体内Cu2 +图1 太平洋牡蛎体内对Cu2 +的富集情况含量出现峰值,与富集0 d时相比分别提高了6. 73、8. 72 倍,富集达到平衡状态所需时间明显延长。数据表明,太平洋牡蛎对Cu2 +的排出并不明显,低浓度组( 0. 005、0. 01、0. 025 mg /L) Cu2 +排出缓慢。

2. 3 太平洋牡蛎对Cu2 +的生物富集曲线及数据拟合

2. 3. 1 生物富集曲线

采用方程( 1) 和( 2) 对富集和排出阶段进行非线性拟合,得到不同暴露浓度下太平洋牡蛎对Cu2 +的生物富集曲线( 图3) 。

2. 3. 2 生物富集动力学参数

通过对富集与排出过程的非线性拟合,得到吸收速率常数k1,排出速率常数k2; 然后根据公式( 3) ~ 公式( 5) ,得出生物富集系数( BCF) 、平衡状态下太平洋牡蛎体内Cu2 +的含量( CAmax) 和Cu2 +的生物学半衰期( B1 /2) 。

由表1 可知,除0. 01 mg /L组外,各试验组拟合优度系数R2介于0. 508 8 ~ 0. 881 1,该模型可以描述太平洋牡蛎对铜的富集与代谢情况。0. 005、0. 01、0. 025 mg / L试验组的生物学半衰期B1 /2分别为73. 0、49. 5、60. 3 d,表明牡蛎体内Cu2 +排出缓慢,与排出试验结论相同; 0. 005、0. 01mg / L低浓度组的太平洋牡蛎对铜富集无明显规律; 0. 025、0. 05、0. 10 mg /L试验组,随着暴露水体Cu2 +浓度的增大,各组富集参数k1先增大后减少,k2、CAmax逐渐增加,BCF、B1 /2逐渐变小。

研究表明［22］,即使亲缘关系很近的生物种,体内对同种重金属的富集能力存在不同。李学鹏［23］研究发现,Cu2 +浓度过低时,0. 010 45 mg/L组褶牡蛎对铜富集无规律性,0. 047 80、0. 098 05 mg/L组褶牡蛎对Cu2 +富集明显。近江牡蛎对铜的累积试验［24］表明,富集10 d后,0. 003 3 mg/L组富集系数BCF高达46 715,0. 031 6 ~ 0. 316 mg / L组BCF为7 727 ~ 2 765,且逐渐变小,0. 1 mg / L近江牡蛎组暴露12 d后排出净化35 d,B1 /2值为131 d。根据表1,0. 025、0. 05、0. 10 mg/L太平洋牡蛎组BCF逐渐变小,与0. 031 6 ~0. 316 mg/L褶牡蛎组BCF变化规律较为一致,但数值明显偏高; 0. 1 mg/L太平洋牡蛎组暴露35 d后排出30 d,B1 /2为20. 0 d,远小于0. 1 mg/L褶牡蛎组。研究结果存在差异应该是生物物种、外部环境、实验设置等多种因素共同造成。

注: 水体中Cu2 +本底浓度为0. 002 76 mg /L。

2. 4 富集平衡状态下CAmax与暴露水体Cu2 +浓度的关系

由图4 可知,0. 005、0. 01、0. 025、0. 05、0. 10mg / L试验组的CAmax,随着暴露溶液中Cu2 +浓度增加而逐渐增大,与富集试验结果相一致。其中,0. 10 mg / L太平洋牡蛎组CAmax高达161 9 mg /kg,主要原因是牡蛎游走的白血球对Cu2 +具有很强的富集力［25］。

3 结论