膜片鉗是細(xì)胞膜離子通道電流檢測(cè)的重要工具。1976年Neher和Sakmann發(fā)明了膜片鉗技術(shù)。此后由于巨歐姆阻抗封接方法的確立和幾種方法的創(chuàng)建，1980年以來(lái)此技術(shù)已可用于很多細(xì)胞系的研究，目前，細(xì)胞膜離子通道的研究已經(jīng)應(yīng)用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環(huán)境對(duì)細(xì)胞膜離子通道的影響以及經(jīng)絡(luò)研究等多個(gè)領(lǐng)域，因此，作為其測(cè)量工具的膜片鉗技術(shù)也就得到了越來(lái)越多的重視，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外有多個(gè)單位在從事膜片鉗系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究，其中包括德國(guó)HEKA公司生產(chǎn)的EPC系列、美國(guó)Axon公司生產(chǎn)的200B系列和國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)研發(fā)的PC-II型膜片儀等，這些產(chǎn)品基本上都是由前端模擬電路完成電流信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和放大，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并在PC機(jī)安裝專用的軟件實(shí)現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)以及采集到的電流信號(hào)的顯示。不過(guò)這些產(chǎn)品膜片鉗放大器部分的體積都比較大，價(jià)格也比較昂貴。一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)之間，更重要的是，由于模擬采集系統(tǒng)和PC機(jī)直接相連，所以PC機(jī)帶來(lái)的干擾非常大，對(duì)抗干擾性能的要求很高。
為了解決上述問(wèn)題，筆者研究了一種基于單片機(jī)的小型化膜片鉗放大器，該膜片鉗放大器分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)是一個(gè)以單片機(jī)為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨(dú)工作完成微電流信號(hào)的采集、放大、電容和電阻的補(bǔ)償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另外下位機(jī)還可以和上位機(jī)進(jìn)行通訊，這里的通訊是采用紅外傳輸方式實(shí)現(xiàn)的，用串口驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊，上位機(jī)主要是對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理和分析。
本系統(tǒng)的控制核心是美國(guó)ADI公司的一款高性能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)器件ADuC841。這款SoC具有高精度、高速度、高可靠性、大容量非易失性存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，是一款性價(jià)比很高的單片機(jī)，可極大的簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)、提高穩(wěn)定性、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高性價(jià)比、從而使系統(tǒng)具有操作方便、成本低、體積小、輸出波形穩(wěn)定性好、質(zhì)量高的特點(diǎn)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和顯示，系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本功能：
�。�1）離子通道電流的采集和放大；
（2）箝位電壓發(fā)生器；
（3）電阻電容補(bǔ)償；
�。�4）模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；
（5）友好的人機(jī)界面；
�。�6）系統(tǒng)和PC機(jī)的通訊。
為實(shí)現(xiàn)上述功能要求，系統(tǒng)主要分為微電流的采集和放大、箝位電壓發(fā)生器、電阻電容補(bǔ)償電路、ADuC841控制核心，液晶顯示及按鍵控制、系統(tǒng)和PC機(jī)之間通訊6個(gè)主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。
由圖1可知，經(jīng)過(guò)電極采到的離子通道電流信號(hào)經(jīng)過(guò)微電流采集和放大，同時(shí)進(jìn)行電阻和電容的補(bǔ)償以后進(jìn)入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換部分，把模擬信號(hào)數(shù)字化，采集到的信號(hào)同時(shí)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示，另外也可以實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的存儲(chǔ)和傳輸，按鍵模塊可以友好、方便的實(shí)現(xiàn)多種操作功能的控制。
3.1 控制模塊--單片機(jī)系統(tǒng)ADuC841
ADuC841內(nèi)部集成了8052微處理器的內(nèi)核，并提供了很大的存儲(chǔ)空間，如64KB的Flash/EEPROM程序空間、8KB的Flash/EEPROM數(shù)據(jù)空間、以及2304B的數(shù)據(jù)RAM等，此外，該器件還集成了許多外圍器件，包括精確、高速的8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（其轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)420kS/s），15×10-6℃的精密內(nèi)部電壓參考源，DMA方式控制器，2個(gè)12位的電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器、2個(gè)脈寬調(diào)制輸出、一個(gè)溫度傳感器使用這些模塊、可以方便地實(shí)現(xiàn)與前級(jí)傳感器的接口，也可以有效地控制后級(jí)電路。其他的片上外設(shè)主要有UART、SPI以及I2C接口、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實(shí)現(xiàn)與其他單片機(jī)或PC機(jī)通訊（此時(shí)需電平轉(zhuǎn)換電路），還可以有效地保障單片機(jī)電源的正常工作和程序的正常運(yùn)行。
圖2給出了ADuC841的功能方框圖，此外，ADuC841采用了1個(gè)時(shí)鐘周期一個(gè)指令的結(jié)構(gòu)，大大地提高了程序的運(yùn)行速度，減少了功耗，選用具有豐富資源的高性能單片機(jī)系統(tǒng)ADuC841作為控制核心，可以簡(jiǎn)化教學(xué)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，降低成本，提高輸出波形的穩(wěn)定性和質(zhì)量，操作方便，編程簡(jiǎn)易。
監(jiān)測(cè)細(xì)胞膜離子通道電流有電壓箝位和電流箝位兩種方法，筆者采用的是電壓箝位的方法，即在I-V轉(zhuǎn)換器的同相輸入端接入一個(gè)箝位電壓，把細(xì)胞膜電位箝制在一個(gè)固定的電壓值，這個(gè)電壓的幅值在幾十到幾百毫伏范圍內(nèi)，脈沖時(shí)間10ms-50ms。圖3給出了箝位電壓發(fā)生器的電路，電路中采用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)方波， 555定時(shí)器直接產(chǎn)生的方波信號(hào)幅值接近電源電壓，而這里所用的箝位電壓應(yīng)該是電壓幅值在幾百毫伏左右的信號(hào)，所以要對(duì)555定時(shí)器產(chǎn)生的信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，555定時(shí)器產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)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(gè)電壓兩端并聯(lián)一個(gè)電位器R4，從它的滑動(dòng)端取出電壓作為箝位電壓，這樣即可對(duì)箝位電壓進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)，從而得到需要的幅度，產(chǎn)生的方波周期可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R2在14ms-154ms之間變化。
膜片鉗放大器最主要的部分是電流的采集、I-V轉(zhuǎn)換和放大以及各種補(bǔ)償電路，由于測(cè)量的是電流信號(hào)，所以要首先把電流轉(zhuǎn)換為電壓，由于細(xì)胞膜離子通道電流非常微弱，僅為幾個(gè)皮安，所以對(duì)電流電壓轉(zhuǎn)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，本文選用ADI公司生產(chǎn)的高精度、低功耗、滿擺幅放大器AD8627，它是單運(yùn)放、具有極低的偏置電流（最大1pA）；用5V-26V單電源供電或±2.5V-±13V電壓供電；最大失調(diào)電壓為500μV。圖4給出了電路的具體實(shí)現(xiàn)方法。
其中電極電位Vp是串聯(lián)電阻補(bǔ)償信號(hào)V1與修正后的控制電壓10Vc'之和經(jīng)過(guò)兩個(gè)電阻組成的1/10衰減電路實(shí)現(xiàn)的。A6輸出的電壓經(jīng)一個(gè)電位器后進(jìn)入跟隨器。然后通過(guò)1pF的電容實(shí)現(xiàn)快電容補(bǔ)償，其中電位器可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)，使電路靈活方便，慢電容補(bǔ)償信號(hào)是Vc'經(jīng)過(guò)由A3、A4和A5組成的狀態(tài)變量環(huán)而獲得，預(yù)測(cè)注入電流在Rs上產(chǎn)生的誤差電壓V2也由狀態(tài)變量環(huán)得到，并與控制電壓Vc通過(guò)A2相加。由于正反饋的作用，由A2經(jīng)過(guò)狀態(tài)變量環(huán)，產(chǎn)生與Vc相對(duì)應(yīng)的過(guò)沖電壓Vc'，從而實(shí)現(xiàn)超量充電作用，同時(shí)，慢電容的補(bǔ)償電路還實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電阻誤差的預(yù)測(cè)，從電流檢測(cè)輸出端輸出的電壓經(jīng)A1后又經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)電路的同步調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電阻的補(bǔ)償，快電容和慢電容補(bǔ)償電路均示于圖5中，分別通過(guò)各自的電流注入電容器與電極入端相連。
