細(xì)胞膜離子通道電流檢測仿真實驗教學(xué)設(shè)備研制

楊　煜，　李金成，　呂若谷，　安　鋼

(吉林大學(xué) a.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院；b. 公共衛(wèi)生學(xué)院，長春 130021)

0　引　言

在生理學(xué)研究中，生物體內(nèi)帶電離子通過細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)流動產(chǎn)生的離子通道的電流處在pA到nA的數(shù)量范圍之內(nèi)，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(zhuǎn)換放大器變?yōu)殡妷盒盘柡蟛拍鼙皇静ㄆ饔^察或被計算機進行采樣、處理和分析。采用膜片鉗技術(shù)，可利用負(fù)反饋電子線路，將微電極尖端吸附的細(xì)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(tài)或靜態(tài)的觀察。離子通道電流的測量是依靠膜片鉗放大器來實現(xiàn)的，當(dāng)尖端直徑為1μm的玻璃微電極與細(xì)胞膜形成高阻封接后，根據(jù)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(yīng)用于本科生教學(xué)受到樣品準(zhǔn)備時間長，操作復(fù)雜，及教學(xué)經(jīng)費高等條件的制約[5-6]。利用計算機仿真技術(shù)模擬實驗操作環(huán)境，對封接電阻檢測電路，采用負(fù)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(xì)胞膜離子單通道電流檢測仿真實驗教學(xué)設(shè)備，以達(dá)到低成本進行離子通道電流測量的實驗教學(xué)目的(見圖1)。該儀器設(shè)備已申報國家專利，專利號：201420248873x。

圖1實驗流程

1　設(shè)備硬件電路系統(tǒng)

在硬件設(shè)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(nèi)處理細(xì)胞和電極以達(dá)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(fù)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(guān)控制來選擇。其輸入鍵盤開關(guān)控制狀態(tài)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(tǒng)的微控制器(見圖3的U2框)。該芯片采用低功耗設(shè)計有5種節(jié)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(fù)用I/0引腳和兩個通用同步/異步串行通信接口；器件片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，無需仿真器和編程器，方便便攜式設(shè)備應(yīng)用。如圖3所示，R9、D1、C7為復(fù)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(wěn)壓電路，R14、C10為A/D轉(zhuǎn)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(shè)計由220 V穩(wěn)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(jīng)7808和7908后分別輸出+8 V和-8 V；+5 V經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX232來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

圖4輸入鍵盤電路

圖5通信電路

2　設(shè)備軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)分為MSP430監(jiān)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(jiān)控軟件可分為主控程序，電阻檢測數(shù)模轉(zhuǎn)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(jiān)控軟件開始初始化電路板硬件(I/O口， A/D轉(zhuǎn)換，液晶顯示等)查詢方式等待鍵盤輸入，以便執(zhí)行各種相應(yīng)的功能。② 電阻檢測數(shù)模轉(zhuǎn)換程序。鍵盤輸入測試封接電阻后，轉(zhuǎn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換程序開始A/D轉(zhuǎn)換，并將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)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(shù)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(shù)值和封接曲線，當(dāng)封接電阻超過1 GΩ時，監(jiān)測封接過程結(jié)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(shù)等實驗操作的參數(shù),然后鼠標(biāo)單擊開始按鈕開始實驗記錄。微機將產(chǎn)生的單通道數(shù)據(jù)曲線，再加上隨機干擾信號后，將實驗數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。③ 全細(xì)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(shù)，開始實驗記錄，在通道數(shù)據(jù)庫中選出相應(yīng)的通道數(shù)據(jù)曲線，增加隨機干擾信號后，將實驗數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。④ 全細(xì)胞離子通道電流的分析功能。輸入實驗分析的時間，記錄產(chǎn)生的電流電壓據(jù)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(shù)，以便微機自動識別通道的開放和關(guān)閉，記錄通道開放時間統(tǒng)計的曲線。

3　結(jié)　語

離子通道檢測仿真實驗儀器適合醫(yī)、藥學(xué)院和生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)研究生及本科生的實驗教學(xué)，應(yīng)用膜片鉗技術(shù)可直接觀察離子通道開放、關(guān)閉的動力學(xué)特征,在記錄單細(xì)胞電流和全細(xì)胞電流的基礎(chǔ)上,進一步計算出細(xì)胞膜上的通道數(shù)和開放概率。利用封接電阻測試功能、全細(xì)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(xì)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(xué)生可進行逼真的離子通道電流測量的操作和分析，實現(xiàn)了尖端實驗技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實驗平臺，充分培養(yǎng)了學(xué)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(guān)系[11-15]，提升了理論認(rèn)知能力和實驗課教學(xué)水準(zhǔn)。離子通道電流仿真實驗教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用，給醫(yī)學(xué)院校開展離子通道電流測量實驗教學(xué)節(jié)約了大量的設(shè)備購置費用，同時提高了經(jīng)濟效益和社會效益。

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