作者：石艷麗;李剛;林凌

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應用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環境對細胞膜離子通道的影響以及經絡研究等多個領域。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，在計算機上安裝數據采集卡實現信號的采集，并在PC機安裝專用的軟件實現快慢電容和串聯電阻補償的調節以及采集到的電流信號的顯示。不過這些產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，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據的存儲。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的方式實現的，用串口驅動紅外發射器實現上位機和下位機的通訊。上位機主要完成把下位機傳輸的信號進行處理和分析。

系統結構

為了實現信號的采集、顯示以及傳輸，系統具有以下的幾個基本功能：

·離子通道電流的采集和放大

·鉗位電壓發生器

·電阻電容補償

·模擬信號到數字信號的轉換

·人機界面

·系統和PC機通訊

為實現上述功能要求，系統主要分為微電流的采集和放大、鉗位電壓發生器、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、系統和PC機之間通訊六個主要模塊。圖1給出了系統的功能框圖。

圖1 膜片鉗放大器系統功能框圖

由圖1可知，經過電極得到的離子通道電流信號經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。另外也可以實現采集信號的存儲和傳輸。按鍵模塊可以友好、方便的實現多種操作功能的控制。

系統硬件設計

控制模塊—單片機系統ADmC841

ADmsC841 是ADI公司新近推出一款單片機，它的內部集成了8052微處理器的內核，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位模數轉換（其轉換速率最高可達420Ksps），可以方便地實現與前級傳感器的接口；UART、SPI、I2C通訊接口、時間間隔計數器以及看門狗定時器和電源監視器等，這些模塊可以便捷地實現與其他單片機或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。

鉗位電壓發生器

監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，脈沖時間10~50ms。圖2 給出了鉗位電壓發生器的電路。電路中采用的是555 構成多諧振蕩的方式來實現方波的發生。555 直接產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 產生的信號進行幅度的調節。555 產生的方波信號經過電阻R3 和穩壓管D1后在D1 兩端輸出穩定的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節，得到需要的幅度。產生的方波的周期可通過調節電位器R2 在14ms~154ms 之間變化。

圖2 鉗位電壓發生電路

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，導致輸出電壓產生動態誤差，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內部集成了四個運放，采用5V供電，可以和電路的其他部分統一供電，它的失調電壓為 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

其中電極電位Vp是串聯電阻補償信號V1與修正后的控制電壓10 Vc之和經過兩個電阻組成的十分之一衰減電路實現。A6輸出的電壓經一個電位器后進入跟隨器，然后通過一個1pF的電容實現快電容補償。其中電位器可以實現補償調節，使電路靈活方便。慢電容補償信號是由Vc經過由A3，A4和A5所組成的狀態變量環而獲得。預測注入電流在Rs上所產生的誤差電壓V2也是由狀態變量環得到，并與控制電壓Vc通過 A2相加。由于正反饋的作用，由A2經過狀態變量環，產生與Vc相對應的過沖電壓Vc，從而產生超量充電作用。同時，慢電容的補償電路還實現串聯電阻誤差的預測，從電流監測輸出端輸出的電壓經A1后又經過預測電路的同步調節實現了串聯電阻的補償。快電容和慢電容補償電路均示于圖4中，分別通過各自的電流注入電容器與電極入端相連。

液晶顯示模塊

本系統選擇北京青云公司的圖形液晶LCM3202401，它具有320240的點陣，采用SED1335作為控制器，可以實現圖形和文本兩種顯示方式。液晶模塊直接通過ADmC841進行控制。

按鍵模塊及菜單界面

在系統中，提供三個按鍵，對應于液晶顯示屏上的相關菜單。每一級菜單提供給使用者簡單的提示，方便使用，因而只需要在菜單的提示下按一鍵（有A、B、C三個鍵）便可完成所需要的操作。

本系統采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線構成單個按鍵電路。每個按鍵單獨占有一根I/O口線，且其工作狀態不會影響其他I/O口線的工作狀態。控制口線分別用p1.2、p1.3和p1.4進行控制，按鍵輸入為高電平有效。由于在使用過程當中，每個按鍵和液晶菜單相聯系，系統目前的設計是一個按鍵對應一個功能

系統軟件設計

本系統軟件主要是完成單片機對模擬信號的采集、存儲，原有數據的回放，系統和PC機的通訊并且控制液晶和按鍵實現人機交互，方便操作。系統軟件設計采用模塊化結構，主要分為測量模塊、打印模塊和無線傳輸模塊。系統采用中文菜單友好用戶界面，便于操作。開機后首先對系統進行初始化，然后顯示主菜單，顯示完主菜單延時5秒后顯示各功能菜單。功能菜單有原有數據的回放、實時采樣顯示和紅外線傳輸三個部分。

結語

本設計的電路適用于微電流信號的采集，一定程度上克服了現有膜片嵌系統體積大、價格昂貴的缺點，并且通過使用無線通訊的方式消弱了由于測量和PC機直接連接帶來的干擾。

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