膜片钳放大器瞬态电流伪差的自动补偿

　　电容补偿技术是膜片钳放大器中一项很重要的降噪技术.传统膜片钳放大器采用手动调节校正快、慢电容瞬态电流伪差,每次膜片钳实验前需要凭经验估计Cp(电极电容、快电容)、Cm(膜电容、慢电容)的值,并反复调节快慢电容补偿参数至适当值,才能使膜片钳放大器正常工作[1,2],这不但要求实验员熟练掌握仪器的操作方法和实验技巧;同时补偿结果因人而已,导致实验结果的可对比性差.因此本课题组在新一代膜片钳放大器开发中,采用计算机控制电容补偿的硬件电路,并运用迭代算法,来实现快、慢电容瞬态伪差电流的自动补偿.

　　1　快电容补偿

　　综合考虑各个因素的影响效果,快电容等效电路的导纳近似为[3]

　　1.1　补偿原理

　　刺激电压发生阶跃变化时,快电容产生瞬态电流If,电流流过探头I-V变换电路引起失真.补偿的基本思路是,通过单独通道向电极输入端提供恰当电流,以抵消If对输出信号的影响,从而达到补偿的目的[1,2].补偿时,刺激电压Vc经快电容补偿电路变换(放大Afc)后由注入电容Ci变换为电容瞬态电流Ii,若Ii=If,即

则可实现完全补偿,式中,有C1/Ci,C2/Ci和τ3个独立变量需要调整,因此,补偿时也需要提供3个独立可变参量,补偿电路如图1所示.若有Rf/D1=C1/Ci,Rf/D2=C2/Ci,RC=τ(其中D1,D2为数模转换器的等效电阻),则可满足式(1)的条件.

　　1.2　补偿算法

　　快电容补偿的控制软件中,采用最小二乘迭代算法来实现快电容补偿参数调整,设f1=(Rf/R1)Ci为1pF输出电流信号的改变量;f2=(Rf/R2)Ci为1pF输出电流信号的改变量;f3为τ改变一个步长时输出电流信号的改变量;αi分别对应快电容补偿的参量值;y(n)为检测到的电流信号,若求得一组系数αi使得y(n) =的值最小,则说明补偿达到最佳,即有

　　1.3　补偿实例结果

　　补偿电路中,使用模拟开关以及mDAC替代可变电位器,由软件控制模拟开关的通断和mDAC的值来实现R和C值的调整.将华中科技大学仪博公司的PC2B的电路做了改进后,再进行综合调试,并用细胞模型做测试,输入刺激信号为峰-峰值20 mV的方波,频率为300 Hz.运行软件补偿后,结果如图2所示,快电容瞬态信号的峰值比补偿前下降了两个数量级.实验结果说明,快电容自动补偿算法大幅削减快电容瞬态电流信号的影响,达到了自动补偿的目的.

　　2　慢电容补偿

　　2.1　补偿原理

　　慢电容补偿模块主要实现以下两个目的:a.当控制电压Vc发生变化时,对Cm灌注相应的充电电流,去除膜电容瞬态电流对检测电流的影响;b.估计Cm及Rs的大小.串联电阻估计的精确与否对串联电阻准确补偿非常重要;而对于细胞分泌的研究而言,膜电容是一个很重要的参数[4].