导言
膜片钳是细胞膜离子通道电流检测的重要东西。1976年Neher和Sakmann发明晰膜片钳技能。1980年以来此项技能已可用于许多细胞系的研讨。现在，细胞膜离子通道的研讨现已运用到了各种疾病的确诊医治、药物效果、环境对细胞膜离子通道的影响以及经络研讨等多个范畴。因此，作为其丈量东西的膜片钳技能也就得到了越来越多的注重。已有的产品基本上都是由前部的模仿电路完结电流信号的收集、转化和扩大，在核算机上装置数据收集卡完结信号的收集，并在PC机装置专用的软件完结快慢电容和串联电阻补偿的调理以及收集到的电流信号的显现。不过这些产品的膜片钳扩大器
部分的体积都比较大，价格也比较贵重，一般在几万到几十万之间，更重要的是，因为模仿收集体系和PC机直接相连，所以PC机带来的搅扰十分大。
为了处理上述问题，咱们研讨了一种新式的膜片钳扩大器。本体系分为上位机和下位机两个部分，下位机是一个单片机为操控中心的收集体系，能够独自作业完结微电流信号的收集、扩大、电容和电阻的补偿以及波形的显现和数据的存储。别的下位机还能够和上位机进行通讯，通讯是选用红外传输的办法完结的，用串口驱动红外发射器完结上位机和下位机的通讯。上位机首要完结把下位机传输的信号进行处理和剖析。
体系结构
为了完结信号的收集、显现以及传输，体系具有以下的几个基本功用：
·离子通道电流的收集和扩大
·钳位电压发生器
·电阻电容补偿
·模仿信号到数字信号的转化
·人机界面
·体系和PC机通讯
为完结上述功用要求，体系首要分为微电流的收集和扩大、钳位电压发生器、电阻电容补偿电路、ADμC841操控中心、液晶显现模块LCM3202401及按键操控、体系和PC机之间通讯六个首要模块。图1给出了体系的功用框图。
图1 膜片钳扩大器体系功用框图
由图1可知，经过电极得到的离子通道电流信号经过微电流收集和扩大，一起进行电阻和电容的补偿今后进入单片机的A/D转化部分把模仿信号数字化，收集到的信号一起送到液晶显现器进行显现。别的也能够完结收集信号的存储和传输。按键模块能够友爱、便利的完结多种操作功用的操控。
体系硬件规划
操控模块—单片机体系ADmC841
ADmsC841 是ADI公司新近推出一款单片机，它的内部集成了8052微处理器的内核，并供给了很大的存储空间。此外，该芯片还集成了许多的外围部件。其间准确、高速的8通道12位模数转化（其转化速率最高可达420Ksps），能够便利地完结与前级传感器的接口；UART、SPI、I2C通讯接口、时刻距离计数器以及看门狗定时器和电源监视器等，这些模块能够快捷地完结与其他单片机或PC机（此刻需电平转化电路）通讯，还能够有用地保证单片机电源的正常作业和程序的正常运转。
钳位电压发生器
监测细胞膜离子通道电流有电压钳位和电流钳位两种办法，咱们选用的是电压钳位的办法，即在I-V 转化器的同相输入端接入一个钳位电压，把细胞膜电位胁迫在一个固定的电压值。这个电压的幅值在几十到几百 mV 范围内，脉冲时刻10~50ms。图2 给出了钳位电压发生器的电路。电路中选用的是555 构成多谐振动的办法来完结方波的发生。555 直接发生的方波信号幅值挨近电源电压，而所用的钳位电压应该是一个电压幅值在几百个毫伏左右的信号，所以要对555 发生的信号进行起伏的调理。555 发生的方波信号经过电阻R3 和稳压管D1后在D1 两头输出安稳的2.4V 电压，再在这个电压两头并上电位器R4，从它的滑动端取出电压作为钳位电压。这样能够对钳位电压进行灵敏的调理，得到需求的起伏。发生的方波的周期可经过调理电位器R2 在14ms~154ms 之间改变。
图2 钳位电压发生电路
微电流收集扩大与阻容补偿
膜片钳扩大器的最首要部分便是电流的收集、I-V改换和扩大以及各种补偿电路。因为丈量的是电流信号，所以要首要把电流转化为电压。因为细胞膜离子通道电流十分弱小，仅为几个 pA ，所以对电流电压转化部分所用扩大器的功用要求比较高，要求它具有很高的输入阻抗和很低的偏置电流。为满意上面的要求，笔者选用ADI公司的高精度、低功耗、轨－轨扩大器AD8627。它具有极低的偏置电流，最大只要1pA；用5~26V的单电源供电或±2.5到±13V均可；最大的失调电压为 500mV。图3中给出了详细电路。
图3 电流电压转化电路
当运用膜片钳扩大器对细胞膜离子通道电流进行记载时，因为电极输入端存在杂散的电极电容Cp、细胞膜电容 Cm和电极输入端至细胞膜之间的串联电阻Rs；若胁迫电压Vc端施加阶跃电压时，必将引起Cp、Cm的暂态充电电流和Rs上的压降，其充电电流经过电阻 Rf，导致输出电压发生动态差错，一起可能使扩大器饱满，致使不能正常作业，为校对这些差错有必要选用相应的补偿办法。图4示出阻容补偿电路的电路图。本电路中的扩大器均选用的是ADI公司的OP4177 ，OP4177内部集成了四个运放，选用5V供电，能够和电路的其他部分一致供电，它的失调电压为 60mV、偏置电流为2nA，噪声很低，能够很好的满意规划的要求。
图4 阻容补偿电路
其间电极电位Vp是串联电阻补偿信号V1与修正后的操控电压10 Vc之和经过两个电阻组成的十分之一衰减电路完结。A6输出的电压经一个电位器后进入跟从器，然后经过一个1pF的电容完结快电容补偿。其间电位器能够完结补偿调理，使电路灵敏便利。慢电容补偿信号是由Vc经过由A3，A4和A5所组成的状况变量环而取得。猜测注入电流在Rs上所发生的差错电压V2也是由状况变量环得到，并与操控电压Vc经过 A2相加。因为正反馈的效果，由A2经过状况变量环，发生与Vc相对应的过冲电压Vc，然后发生过量充电效果。一起，慢电容的补偿电路还完结串联电阻差错的猜测，从电流监测输出端输出的电压经A1后又经过猜测电路的同步调理完结了串联电阻的补偿。快电容和慢电容补偿电路均示于图4中，别离经过各自的电流注入%&&&&&%器与电极入端相连。
液晶显现模块
本体系挑选北京青云公司的图形液晶LCM3202401，它具有320240的点阵，选用SED1335作为操控器，能够完结图形和文本两种显现办法。液晶模块直接经过ADmC841进行操控。
按键模块及菜单界面
在体系中，供给三个按键，对应于液晶显现屏上的相关菜单。每一级菜单供给给运用者简略的提示，便利运用，因此只需求在菜单的提示下按一键（有A、B、C三个键）便可完结所需求的操作。
本体系选用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路。每个按键独自占有一根I/O口线，且其作业状况不会影响其他I/O口线的作业状况。操控口线别离用p1.2、p1.3和p1.4进行操控，按键输入为高电平有用。因为在运用进程傍边，每个按键和液晶菜单相联系，体系现在的规划是一个按键对应一个功用
体系软件规划
本体系软件首要是完结单片机对模仿信号的收集、存储，原有数据的回放，体系和PC机的通讯而且操控液晶和按键完结人机交互，便利操作。体系软件规划选用模块化结构，首要分为丈量模块、打印模块和无线传输模块。体系选用中文菜单友爱用户界面，便于操作。开机后首要对体系进行初始化，然后显现主菜单，显现完主菜单延时5秒后显现各功用菜单。功用菜单有原有数据的回放、实时采样显现和红外线传输三个部分。
结语
本规划的电路适用于微电流信号的收集，必定程度上克服了现有膜片嵌体系体积大、价格贵重的缺陷，而且经过运用无线通讯的办法消弱了因为丈量和PC机直接衔接带来的搅扰。
