膜片钳放大器自动校准方法的研究

　　0　引言

　　膜片钳技术是现代细胞电生理研究的常规方法[1]。它是利用玻璃微电极与细胞膜封接,测量单个活体细胞膜上离子通道流过的通道电流(电流量级pA~nA)。膜片钳放大器目前广泛应用于电生理和细胞生物物理学等研究领域。

　　由于电路元件(如探头反馈电阻、电流注入电容等)参数的离散性及分布参数对电路的影响,需要对膜片钳放大器进行校准和补偿。我们在学习、研究国外先进产品的基础上,自主开发全自动膜片钳放大器,本文主要讨论其中膜片钳放大器的自动校准部分。

　　1　系统结构

　　全自动膜片钳系统结构如图1所示,包括计算机(含膜片钳实验处理软件)、USB接口的实验控制和数据采集器和膜片钳放大器三大部分组成。其中膜片钳放大器由频率补偿、增益、输入滤波器、输出滤波器、快慢电容补偿、探头模块等部分组成。为了实现对放大器的数字控制,放大器中使用了乘法式数模转换器( multiplying digital - analogconverters, mDAC ) AD7564来取代传统膜片钳放大器中使用的可调电位器,配以大量的模拟开关和模拟多路选择器实现计算机控制的测量功能和量程的切换[2-3]。

　　为了对各个模块分别进行测量校准,系统电路中插入5个测试信号注入点和16个响应信号监测点。逻辑控制模块用来发送控制字控制膜片钳放大器的mDAC、模拟开关和多路选择器。计算机上的自动校准软件通过USB接口的实验控制和数据采集器对放大器进行数字控制、刺激信号输入(对膜片钳放大器而言)和响应检测,然后计算出相关的参数。校准得到的参数包括以下几个方面:模块电路的线性关系,调整增益和偏置的mDAC的控制码,频率响应补偿系数和探头的增益等。

2　自动校准流程和方法概述

　　从图1中可看出,膜片钳放大器由很多模块组成,校准是根据独立的电路模块分别进行的,其校准流程图如图2所示。不同的校准模块因校准内容不一样而采用不同的校准方法。其中可变增益电路校准需要获得的参数是电路的实际增益的误差,校准的基本方法就是从电路对应的信号注入点注入正弦波并在对应的监测点采集波形,求输出端与输入端信号的均方根值(Root Mean Square, RMS)的比值,进行多组比值求和平均而得到增益。刺激通道定标电路校准、探头电路偏置校准、Vp电压偏置校准、漏电流电路校准需要获得的是不同mDAC与输出的线性关系,即需要拟合出线性方程的斜率和截距。其校准的基本方法则是设置不同的mDAC值,在对应的监测点采集波形的电压值,把输出波形电压值与对应mDAC值进行线性拟合,从而得到线性关系。注入电容校准、高频补偿、mDAC校准和探头电路校准需要获得的参数是电路的实际电容、时间常数和电阻,校准的基本方法就是对其间接地测量。下面通过介绍典型的探头电路部分的校准和四阶可编程滤波器的校准来介绍自动校准原理和过程。