新型膜片鉗放大器系統(tǒng)的設計

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(shù)據采集卡實現(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{節(jié)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(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(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(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，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(jié)。555 產生的方波信號經過電阻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節(jié)，得到需要的幅度。產生的方波的周期可通過調節(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(lián)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(xiàn)。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(xiàn)快電容補償。其中電位器可以實現(xiàn)補償調節(jié)，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(tài)變量環(huán)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(tài)變量環(huán)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(tài)變量環(huán)，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(xiàn)串聯(lián)電阻誤差的預測，從電流監(jiān)測輸出端輸出的電壓經A1后又經過預測電路的同步調節(jié)實現(xiàn)了串聯(lián)電阻的補償?？祀娙莺吐娙菅a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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。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(lián)系，系統(tǒng)目前的設計是一個按鍵對應一個功能

系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件主要是完成單片機對模擬信號的采集、存儲，原有數(shù)據的回放，系統(tǒng)和PC機的通訊并且控制液晶和按鍵實現(xiàn)人機交互，方便操作。系統(tǒng)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(tǒng)采用中文菜單友好用戶界面，便于操作。開機后首先對系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)有膜片嵌系統(tǒng)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。