細胞膜離子通道電流檢測仿真實驗教學設備研制

楊　煜，　李金成，　呂若谷，　安　鋼

(吉林大學 a.基礎醫學院；b. 公共衛生學院，長春 130021)

0　引　言

在生理學研究中，生物體內帶電離子通過細胞膜上蛋白質流動產生的離子通道的電流處在pA到nA的數量范圍之內，將微弱的電流信號通過高分辨、低噪聲、高保真的電流-電壓轉換放大器變為電壓信號后才能被示波器觀察或被計算機進行采樣、處理和分析。采用膜片鉗技術，可利用負反饋電子線路，將微電極尖端吸附的細胞膜的電位固定在一定水平上，對通過通道的微小離子電流作動態或靜態的觀察。離子通道電流的測量是依靠膜片鉗放大器來實現的，當尖端直徑為1μm的玻璃微電極與細胞膜形成高阻封接后，根據單通道電流的特征，很容易得到對某種離子有選擇性通透的單一的離子通道電流[1-4]。膜片鉗放大器精密度高，價格昂貴，因此將膜片鉗-離子通道測量實驗應用于本科生教學受到樣品準備時間長，操作復雜，及教學經費高等條件的制約[5-6]。利用計算機仿真技術模擬實驗操作環境，對封接電阻檢測電路，采用負壓注射器的運動帶動滑竿可變電阻來模擬封接過程的電阻變化[7-8]。研制出細胞膜離子單通道電流檢測仿真實驗教學設備，以達到低成本進行離子通道電流測量的實驗教學目的(見圖1)。該儀器設備已申報國家專利，專利號：201420248873x。

圖1實驗流程

1　設備硬件電路系統

在硬件設計上，可分為：封接電阻檢測電路，控制、存儲及接口電路，電源電路，輸入鍵盤電路，微機通訊接口電路。分述如下。

(1)封接電阻檢測電路。封接電阻檢測電路有兩種方法：① 真實電極的電阻。由于電極的電阻范圍在幾MΩ到幾十MΩ，因此測量時需要前置放大器。由于實驗是快速實驗，在短時間內處理細胞和電極以達到順利封接的成功率很小，故不采用這一方法，只用這種方法來實際測量電極的電阻。② 封接電阻檢測電路的測量。利用封接時負壓注射器的運動帶動滑竿可變電阻來模擬封接過程的電阻變化(見圖2)。圖2中RX1為封接可變電阻，RX2和RX3是模擬給藥控制可變電阻，測試是封接電阻還是模擬給藥電阻通過輸入鍵盤開關控制來選擇。其輸入鍵盤開關控制狀態由液晶顯示電路顯示，選擇LCD-8249液晶屏。

(2) 中央控制、存儲及接口電路。中央控制選型TI 公司的超低功耗16 位單片機MSP430X413作為系統的微控制器(見圖3的U2框)。該芯片采用低功耗設計有5種節電模式，電池可保持長時間的工作；采用16位的RISC精簡指令集，兩個帶有捕獲計時寄存器的16位定時器，60 KB的FLASH ROM，2 KB的RAM，48個可復用I/0引腳和兩個通用同步/異步串行通信接口；器件片內有JTAG調試接口，無需仿真器和編程器，方便便攜式設備應用。如圖3所示，R9、D1、C7為復位電路，X1、C8、C9為晶振電路，U3液晶顯示器，U4、U5、C11,C12為電源穩壓電路，R14、C10為A/D轉換電路，由于檢測電阻并不需要實時性，所以采用軟件的A/D方法。R14、C10是軟件的A/D方法的沖放電的電容和電阻。

圖2封接電阻檢測電路

圖3控制存儲及接口電路

(3) 電源電路。本裝置放大器需要+8 V、-8 V電源，MSP430單片機需要+3.7 V電源。所以電源設計由220 V穩壓電源后有三路輸出分別為+12 V、-12 V和+5 V。+12 V和-12 V再經7808和7908后分別輸出+8 V和-8 V；+5 V經過LM317后輸出+3.7 V。

(4) 輸入鍵盤電路。采用矩陣式鍵盤，使用P6.0,P6.1,P6.2，P6.4,P6.5,P6.6，P6.7共7根口線12個按鍵,鍵盤為3×4格局，P6.0、P6.1為列線，P6.4、P6.5、P6.6、P6.7為行線。其中列線分別由上拉電阻上拉到VCC，在行線與列線的每個交界處有一個按鍵， 按鍵的兩端分別接在行線和列線上。見圖4電路所示。

(5) 微機通信接口電路。MSP430F413與上位機進行通信時，由于RS-232C標準規定:-3～-15 V表示邏輯“1”, + 3～+15 V表示邏輯“0”,這與MSP430F413的TTL電平不兼容，因此需要進行電平轉換。本系統采用MAXIM公司的MAX232來實現電平轉換，如圖5所示。

圖4輸入鍵盤電路

圖5通信電路

2　設備軟件系統

軟件系統分為MSP430監控軟件(C語言編寫)和微機顯示分析處理軟件(VB語言編寫)[9-10]。

(1) MSP430監控軟件可分為主控程序，電阻檢測數模轉換程序，鍵盤輸入程序，液晶顯示程序和微機通信程序。① 主控程序。開機后MSP430監控軟件開始初始化電路板硬件(I/O口， A/D轉換，液晶顯示等)查詢方式等待鍵盤輸入，以便執行各種相應的功能。② 電阻檢測數模轉換程序。鍵盤輸入測試封接電阻后，轉入數模轉換程序開始A/D轉換，并將A/D轉換的數值通過微機通信程序送入微機中。

(2)微機顯示分析處理軟件包括離子通道電流實時記錄微機界面程序，封接電阻測試程序，接口電路及微機程序，離子通道電流的模擬程序和離子通道電流的分析程序5個部分。上述功能由windows窗口菜單選擇。① 封接電阻測試功能。在封接實驗操作過程中，封接電阻的變化數值通過接口電路RS-232實時輸入微機中，在微機的windows窗口顯示封接電阻數值和封接曲線，當封接電阻超過1 GΩ時，監測封接過程結束便可進入實驗。② 單離子通道電流的模擬功能。輸入采樣頻率，采樣保持電壓，采樣屏數等實驗操作的參數,然后鼠標單擊開始按鈕開始實驗記錄。微機將產生的單通道數據曲線，再加上隨機干擾信號后，將實驗數據顯示在屏幕上。③ 全細胞離子通道電流模擬功能。輸入最小鉗制電壓，最大鉗制電壓，鉗制電壓變化的間隔時間等實驗操作的參數，開始實驗記錄，在通道數據庫中選出相應的通道數據曲線，增加隨機干擾信號后，將實驗數據顯示在屏幕上。④ 全細胞離子通道電流的分析功能。輸入實驗分析的時間，記錄產生的電流電壓據曲線。⑤ 單離子通道電流分析功能。輸入實驗分析的閾值參數，以便微機自動識別通道的開放和關閉，記錄通道開放時間統計的曲線。

3　結　語

離子通道檢測仿真實驗儀器適合醫、藥學院和生命科學相關專業研究生及本科生的實驗教學，應用膜片鉗技術可直接觀察離子通道開放、關閉的動力學特征,在記錄單細胞電流和全細胞電流的基礎上,進一步計算出細胞膜上的通道數和開放概率。利用封接電阻測試功能、全細胞離子通道電流的模擬功能、單離子通道電流的模擬功能、全細胞離子通道電流的分析功能和單離子通道電流的分析功能，學生可進行逼真的離子通道電流測量的操作和分析，實現了尖端實驗技術應用于教學實驗平臺，充分培養了學生對離子通道電流實驗的操作能力，深入理解離子通道異常與疾病的關系[11-15]，提升了理論認知能力和實驗課教學水準。離子通道電流仿真實驗教學設備的應用，給醫學院校開展離子通道電流測量實驗教學節約了大量的設備購置費用，同時提高了經濟效益和社會效益。

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