??引言 ? ??膜片鉗是細胞膜離子通道電流檢測的重要工具。1976年Neher和Sakmann發(fā)明了膜片鉗技術。1980年以來此項技術已可用于很多細胞系的研究。目前，細胞膜離子通道的研究已經(jīng)應用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環(huán)境對細胞膜離子通道的影響以及經(jīng)絡研究等多個領域。因此，作為其測量工具的膜片鉗技術也就得到了越來越多的重視。已有的產(chǎn)品基本上都是由前部的模擬電路完成電流信號的采集、轉換和放大，在計算機上安裝數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)信號的采集，并在PC機安裝專用的軟件實現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補償?shù)恼{(diào)節(jié)以及采集到的電流信號的顯示。不過這些產(chǎn)品的膜片鉗放大器部分的體積都比較大，價格也比較昂貴，一般在幾萬到幾十萬之間，更重要的是，由于模擬采集系統(tǒng)和PC機直接相連，所以PC機帶來的干擾非常大。 ??為了解決上述問題，我們研究了一種新型的膜片鉗放大器。本系統(tǒng)分為上位機和下位機兩個部分，下位機是一個單片機為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨工作完成微電流信號的采集、放大、電容和電阻的補償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲。另外下位機還可以和上位機進行通訊，通訊是采用紅外傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)的，用串口驅動紅外發(fā)射器實現(xiàn)上位機和下位機的通訊。上位機主要完成把下位機傳輸?shù)男盘栠M行處理和分析。 ? ??系統(tǒng)結構 ? ??為了實現(xiàn)信號的采集、顯示以及傳輸，系統(tǒng)具有以下的幾個基本功能： ??·離子通道電流的采集和放大 ??·鉗位電壓發(fā)生器 ??·電阻電容補償 ??·模擬信號到數(shù)字信號的轉換 ??·人機界面 ??·系統(tǒng)和PC機通訊 ??為實現(xiàn)上述功能要求，系統(tǒng)主要分為微電流的采集和放大、鉗位電壓發(fā)生器、電阻電容補償電路、ADμC841控制核心、液晶顯示模塊LCM3202401及按鍵控制、系統(tǒng)和PC機之間通訊六個主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。 ? ?? ??圖1 膜片鉗放大器系統(tǒng)功能框圖 ? ??由圖1可知，經(jīng)過電極得到的離子通道電流信號經(jīng)過微電流采集和放大，同時進行電阻和電容的補償以后進入單片機的A/D轉換部分把模擬信號數(shù)字化，采集到的信號同時送到液晶顯示器進行顯示。另外也可以實現(xiàn)采集信號的存儲和傳輸。按鍵模塊可以友好、方便的實現(xiàn)多種操作功能的控制。 ? ??系統(tǒng)硬件設計 ? ??控制模塊—單片機系統(tǒng)ADmC841 ??ADmsC841 是ADI公司新近推出一款單片機，它的內(nèi)部集成了8052的內(nèi)核，并提供了很大的存儲空間。此外，該芯片還集成了許多的外圍部件。其中精確、高速的8通道12位模數(shù)轉換（其轉換速率最高可達420Ksps），可以方便地實現(xiàn)與前級傳感器的接口；UART、SPI、I2C通訊接口、時間間隔計數(shù)器以及看門狗定時器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實現(xiàn)與其他單片機或PC機（此時需電平轉換電路）通訊，還可以有效地保障單片機電源的正常工作和程序的正常運行。 ??鉗位電壓發(fā)生器 ??監(jiān)測細胞膜離子通道電流有電壓鉗位和電流鉗位兩種方法，我們采用的是電壓鉗位的方法，即在I-V 轉換器的同相輸入端接入一個鉗位電壓，把細胞膜電位鉗制在一個固定的電壓值。這個電壓的幅值在幾十到幾百 mV 范圍內(nèi)，脈沖時間10~50ms。圖2 給出了鉗位電壓發(fā)生器的電路。電路中采用的是555 構成多諧振蕩的方式來實現(xiàn)方波的發(fā)生。555 直接產(chǎn)生的方波信號幅值接近電源電壓，而所用的鉗位電壓應該是一個電壓幅值在幾百個毫伏左右的信號，所以要對555 產(chǎn)生的信號進行幅度的調(diào)節(jié)。555 產(chǎn)生的方波信號經(jīng)過電阻R3 和穩(wěn)壓管D1后在D1 兩端輸出穩(wěn)定的2.4V 電壓，再在這個電壓兩端并上電位器R4，從它的滑動端取出電壓作為鉗位電壓。這樣可以對鉗位電壓進行靈活的調(diào)節(jié)，得到需要的幅度。產(chǎn)生的方波的周期可通過調(diào)節(jié)電位器R2 在14ms~154ms 之間變化。 ? ?? ??圖2 鉗位電壓發(fā)生電路 ? ??微電流采集放大與阻容補償 ??膜片鉗放大器的最主要部分就是電流的采集、I-V變換和放大以及各種補償電路。由于測量的是電流信號，所以要首先把電流轉換為電壓。由于細胞膜離子通道電流非常微弱，僅為幾個 pA ，所以對電流電壓轉換部分所用放大器的性能要求比較高，要求它具有很高的輸入阻抗和很低的偏置電流。為滿足上面的要求，筆者選用ADI公司的高精度、低功耗、軌－軌放大器AD8627。它具有極低的偏置電流，最大只有1pA；用5~26V的單電源供電或±2.5到±13V均可；最大的失調(diào)電壓為 500mV。圖3中給出了具體電路。 ? ?? ??圖3 電流電壓轉換電路 ? ??當使用膜片鉗放大器對細胞膜離子通道電流進行記錄時，由于電極輸入端存在雜散的電極電容Cp、細胞膜電容 Cm和電極輸入端至細胞膜之間的串聯(lián)電阻Rs；若鉗制電壓Vc端施加階躍電壓時，必將引起Cp、Cm的暫態(tài)充電電流和Rs上的壓降，其充電電流通過電阻 Rf，導致輸出電壓產(chǎn)生動態(tài)誤差，同時可能使放大器飽和，以致不能正常工作，為校正這些誤差必須采用相應的補償措施。圖4示出阻容補償電路的電路圖。本電路中的放大器均采用的是ADI公司的OP4177 ，OP4177內(nèi)部集成了四個運放，采用5V供電，可以和電路的其他部分統(tǒng)一供電，它的失調(diào)電壓為 60mV、偏置電流為2nA，噪聲很低，能夠很好的滿足設計的要求。 ? ?? ??圖4 阻容補償電路 ?