Микроэлектродный измеритель импеданса клеточных мембран
Изобретение относится к биологии, в частности к электрофизиологии. Цель изобретения - повышение точности и оперативности измерения импеданса клеточных мембран. Поставленная цель достигается тем, что в известный микроэлектродный измеритель импеданса клеточных мембран, содержащий последовательно соединенные генератор 1 импульсов тока и микроэлектрод 2, а также включенный параллельно микроэлектроду буферный усилитель 3, выход которого соединен с арифметическим узлом 4, соединенным при этом с генератором 1 импульсов тока, введены блок 5 измерения мгновенного значения напряжения и детектор 6 вершины переднего фронта импульса тока, причем вход блока 5 подключен к выходу буферного усилителя 3, а выход этого блока 5 соединен с арифметическим узлом 4 и, кроме того, вход детектора 6 соединен с выходом генератора 1 импульсов тока, а его выход подключен к входу управления блока 5. 7 ил. Ё
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 А 61 В 5/04
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
1(ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4435481/14 (22) 02.06.88 (46) 15.02.91 Бюл,М6 (71) Институт физиологии им,И,C,Áåðèòàøâèли (72) К.Ш, Надареишвили, Г, С. Гребенчук и
В.Б.Тевдорадэе (53) 615.475 (088.8) (56) Пер вис P. Ì èêðîýëåêòðîäíûå методы внутриклеточной регистрации и ионофореза, М,: Мир, 1983, с.131, (54) МИКРОЗЛЕКТРОДНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ
ИМПЕДАНСА КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН (57) Изобретение относится к биологии, в частности к электрофиэиологии. Цель изобретения — повн шение точности и оперативности измерения импеданса клеточных мембран. Поставленная цель достигается Ы 1627126 А1 тем, что в известный микроэлектродный измеритель импеданса клеточных мембран, содержащий последовательно соединенные генератор 1 импульсов тока и микроэлектрод 2, а также включенный параллельно микроэлектроду буферный усилитель 3, выход которого соединен с арифметическим узлом 4, соединенным при этом с генератором 1 импульсов тока, введены блок 5 измерения мгновенного значения напряжения и детектор 6 вершины переднего фронта импульса тока, причем вход блока 5 подключен к выходу буферного усилителя 3, а выход этого блока 5 соединен с арифметическим узлом 4 и, кроме того, вход детектора 6 соединен с выходом генератора 1 импульсов тока, а его выход подключен к входу управления блока 5. 7 ил. (1зоб)) Tet((«e с) носи Гся к биологии, ч частности к э )ектрофиз(«ологии, 1 предназначено для измерения импеданс.а .<ле ОчHbtx мЕмбран, Цель изобретения — повышение точности и nrtej)aTIIBI!ocт<4 изл«ерения (лмпедэч са.
На фиг.1 показана бг(ок-схема микроэлектродного измерителя импеданса кле)очных мембран; на фиг.2 — блок измерения мгновенного з((ачения напряжения; IIG фиг. 3- детектор вер !ины переднего фро((га импульса тока; на фиr.4 - временнь(е диаграммы, поясняюшие работу дегектора; на фиг.5 — арифметический узел; на фиг j) - =)к
ВИВаЛЕНГНЛЯ СХЕ «а ВКЛЮЧЕНИ (ИЗл<ЕP(«re, (b н 0 1 I1eп и. !< а . <«) i х а j)31 Т(. pi!1(е
ОСЦ)4»ЛОГРЭ< ;:; . P<)0<) r(» Л»Их(3()ЭЛC;: ()()Д) tr!i,О:
1«зл«ерителя 14(»:,ела! . " клет )«и;,! <
MI4 «л Г(л)сов го л .1 л::11(розлектрода ?, Па(а»лель!)О кîò0(30) у подключен буферный уси » <4 Т".Л Ь ), Bi
B)(0fl»)r блок<» 5 t«3<«epeн(1я мГнОВО .;,(
1. B(d) „. (1 ГЕ))ЕС" П)па 1 ))МП,)ЛЬ(. ОГ) J) <«нен т 31(>,с r!- !1! «л с ",О; ii )ф".<От .1-!(< С К О ГО 3 i<„ i 1 r + <» 10 (1 Г " .т Е (< ТО р а б В Е . «1< Ь пеpeflr I.E! М(:П L - .,;: I < . I С) ЕД !! ЗОЛ« I1! 1 |1:l!03») ) Г»с)д« !:;i)fl(IT калываз !!л (<)Р)"11),)i i, <<ле 1,"а )") ОТО(4 пс<Л4ЕЩаЕТСЯ =, РаетВОР r. Вь)СОКОй электро проводчо ть.з (1»апример. ((» ):;(лог!Огический ра(.т()ОГ, куда также ПО(4(31)1,.)er(": индиффсpeHTt! I I! . »åêò()Од, соеди Iet! Iibi(4 общей то-(кс)1«<:.:) )ы измерител)-.. Ге,:.-:ратоr 1 и<4пу((ьсов I;,) со; E)BBT B !tet i)1 ГО!. <О
Ной ЦЕПИ С ТОЧНОС. ГЬ(0 До ДЕСЯТЬ(:. ЦГ )1(".", С ()( цента pBB - Î падению нзп())(же(1)<1)!
l(il;pО3 ектрод — мембрана, пс сл Ол ь,<у им педанс пп- ir. )< сх более чем на Tp(I I;<)j:::::) превыша ;:.)ч))ед-. ñ Остальн=)х з-)н(, -, ".)в i!eпи, 1"!.;;qei!:< 1: !.,)я>кснi)я л!а 3) i.; ;:;»<);— i13меряегс t). t. p, lb»(I уси»ит лем.) в,!IIOE. и функции конвертора сопротивле(,, )ал напряжения, (,ро;!орциональ. 11;;й,«) едан(;у пары м «кроэлектрод— мел брана, ; вь!хода б,(ферного усилителя 3 5 подается одновременно на пс,.:Bbl! вх(-д а»ри(М >4е ического узла 4, являк)щийся входом "Гл«ег!ьшаемого" и на вход блока 5 из;. 1;, l < .: 1 л i я м Г H О В е I 1 H О 1 i) 3 Н а 1 е Н И Я 1iапря>кания. Блок 5 измерения мгновенноr0 значения напряжения, управляемый деектс)ро(«6 вер вины переднего фронта импу!!ьса тока, передае на свой выход и далее HB BTopc!4 вход — вход "вычитаемого" арифметическси О узла 4 сигнал напряжеГия, .(pprtnpi«40IIBJ)bHtütr им()едансу микро-! Jii. к: i () Jtd -, To c".-взывав Jbя 8031«ожным Ъ а(: -11)<1 гол ), )(О ) еа .(1«внь»е г(арамегры :,"-, <-(.()е)кил«о малы по ,)»<:-;-, :«:; < ))с. -i" . ) F!Hb <4И,1араме (рами < ) ! <)Г) ;ы (-:::Bi! j:3,. и, O.)! ств;иная ем::1"- -,:. rl)oJ,:-» не превып ает 100 с врелл)1,<ак емкос Гь (1. мбраны ()(ости,-- е Г П, 1 < ..))):, (>Лед гв". ел!, но, падение на -1 Äi! ; .,;;:-.;),а в 1 (м:ii-. верш«1(ь переднего О(-1 4(I-;»bc. )0;,а дает 3 (ачение пале„;-.;:;я .,ен 4я Hd микроэлектроде, кото() )(-:.:.. b;:,<4T,)eTcí - !pI4ôt 4eTè<.!ecêèt<4 < : B «- и Зхпд арИф (et(4<(Е(.КОГО узла 4— л„,!: !1, л:«T(:(я . B результа(е выпслнения Оп,-.-аци.(дс.лен(1 на Bb. (Ле арифметиче (с),; 3»а !1
)1. ход)-)<э(о 1)<,<ферно(о усилителя 10. В :- к,н»ЛЕНсd: с))-, (t E(ri . Нз «:: ИЛ B",Oäíс<ГО а:;1, .;, .н))я. !1р «);:м".нении ()хо),1»o(< Hd Р:, :.«., 1Я Н )ПРЧ>хеi i.) <«-:) (<0(IÄBH(d )OPB 9 И 1627126 на выходе усилителя 10 повторяет это изменение. При поступлении на управляющий вход ключа 8 соответствующего сигнала ключ 8 переходит в разомкнутое состояние, а напряжение на конденсаторе 9 поддержи- 5 вает зафиксированное напряжение на выходе усилителя 10, запоминая его в течение определенного интервала времени. Спад этого напряжения происходит только за счет токов утечки ключа 8, конденсатора 9 и входных токов усилителя 10 и по времени намного превосходит длительность импульсов стимуляции. Детектор 6 вершины переднего фронта импульса тока состоит из преобразователя 11 тока в напряжение, двойного дифференциатора 12 и формирователя 13 импульсов. Под вершиной переднего фронта импульса тока понимается второй локальный экстремум второй производной токового сигнала по времени, т.е, точка перехода переднего фронта в плато. Детектором 6 вершины переднего фронта импульсов тока по каждому излому сигнала формируются импульсы различной полярности, из которых формирователем 13 импульсов синтезируется сигнал управления блоком 5 измерения мгновенного значения напряжения, Арифметический узел 4 состоит из аналогово о вычи ателя 14 и преобразователя 15 тока в напряжение, подключенных к входам коммутатора 16 напряжения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя АЦП 35 17, кодовый сигнал с которого вводится в однокристальную микроЭВМ 18. МикроЭВМ 18 управляет работой коммутатора 16 и АЦП 17, а также передает результат вычислений отношения падения напряжения на 40 мембране к току стимуляции на цифро-анало. говый преобразователь 19, на выходе которого и получается требуемыи сигнал. Функционирование всего устройства поясняется эквивалентной схемой включе- 4 ния измерительной цепи и характерными осциллограммами работы устройства. Эквивалентная схема включения измерительной цепи состоит из сопротивления 20 микроэлектрода, соединенного с параллельно включенными сопротивлением 21 и емкосг ю 22 клеточной мембраны, и включенной параллельно этой цепи емкости 23 микроэлектрода. При подаче на микроэлектрод импульса тока, имеющего конечную длительность фронтов, емкость 23 заряжается очень быстро ввиду ее малости (порядка 10 пФ) и практически не вноси искажений в сигнал напряжения, формирующийся на активном сопротивлении микроэлектрода. 8 то же время большая емкость 22 мембраны, имеющая величину до 0,1 мкФ, шунтирует активное сопротивление 21 мембраны, вследствие чего падение напряжения во всей измерительной цепи с высокой степенью точности совпадает на начальной стадии процесса протекания и пульсного тока с падением напряжени на микроэлектроде, При обычно применя: мых для стимуляции импульсах тока с длительностью фронтов порядка 0,2 — 1,0 мкс фронты проходят микроэлектрод практически без искажений, если только надлежащим образом скомпенсированы паразитные емкости, и лишь при выходе импульсов тока на плато начинает существенно сказываться процесс заряда емкости мембраны, что приводит к экс;,оненциальному росту потенциала на микр.электроде, Результирующий сигнал при этом является суммой двух существенно различных сигналов напряжения — сигнала падения напряжения на активном сопротивлении 20 микроэлектрода, сохраняющего форму и длительность фронтов стимулирующего импульса тока, и экспоненциально нарастающего сигнала падения напряжения на комплексном сопротивлении мембраны. Таким образом, измерение падения напряжения в цепи микроэлектрод — мембрана в момент прохождения вершины переднего фронта импульса дает значение падения напряжения на микроэлектроде. Вычитание же этого значения из полного сигнала позволяет выделить экспоненциальный импульс, соответствующий падению напряжения на комплексном сопротивлении мембраны. ЭДС поляризации перехода микроэлектрод — внутриклеточная среда входит как в полный сигнал, так и в сигнал, фиксируемый в момент прохождения вер:. .ины переднего фронта импульса тока, поэтому после операции вычитания ее вклада в результат не остается. Таким образом, сигнал на входе буферного усилителя 3 и на соединенном с ним входе (>, арифметического узла 4 представляет собой сумму трех компонентов - падения напряжения на .*-, кроэлектроде 2, падения напряжения на мембране и потенциала поляризации, в то время как сигнал на выходе блока: змерения мгновенного значения напряжения и на соединенном с ним входе (-) арифметического узла 4 представляет собой сумму только двух компонентов - падения напряжения на микроэлектроде 2 1627126 юг. 2 и потенциала поляризации, и, естественно, их разность дает падение напряжения на мембране, Формула изобретения Микроэлектродный измеритель импеданса клеточных мембран, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов тока и микроэлектрод, а также включенный параллельно микроэлектроду буферный усилитель, выход которого соединен с арифметическим узлом, соединенным при этом с генератором импульсов тока, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения очности и оперативности измерений импеданса, в него введены блок измерения мгновенного значения напряжения и детектор вершины переднего фронта импульса 5 тока. причем вход блока измерения мгновенного значения напряжения подключен к выходу буферного усилителя, а выход этого блока соединен с арифметическим узлом, кроме того, вход детектора вершины переднего фронта импульса тока соединен с выходом генератора импульсов тока, а его выход подключен к входу управления блока измерения мгновенного значения напряжения. 1627126 1627126 Vg и, 0Л Яиц ю ЙЯЖЬ ФИФжиФЯУ Фиг. 7 Составитель А. Рыжик Редактор Н. Киштулинец Техред Э. Цаплюк Корректор Л. Алексеенко Заказ 295/91 Тираж 440 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
