基于膜片鉗放大器傳遞特性的細胞膜電容測量方法.pdf

1、膜片鉗細胞膜電容測量技術(shù)是檢測細胞分泌活動的重要手段之一。由于生物膜的電容率近似為常數(shù)，細胞膜電容及其變化是細胞膜表面積及其變化量的重要量化指標。細胞胞吐過程中，囊泡膜與質(zhì)膜融合將其內(nèi)容物釋放到胞外空間，此時將導致細胞膜表面積增加；而胞吞過程中囊泡膜回收則使細胞膜面積減小。因此，研究和改進膜電容測量方法和技術(shù)對于更加準確地檢測細胞膜電容及其變化量，推動對細胞胞吞和胞吐機制的研究具有重要意義。
　　 為了明確研究膜片鉗細胞膜電容測

2、量方法的方向，在對基于阻抗分析的膜電容測量方法進行深入分析的基礎(chǔ)上，將膜電容測量方法的關(guān)鍵技術(shù)概括為映射機制和校正機制。映射機制是將單一頻率下測量的細胞復導納和鉗位電壓下的直流電導變換為細胞的三個等效電路參數(shù)；校正機制是為了消除膜片鉗放大器（PCA）內(nèi)部個功能模塊電路對細胞響應電流產(chǎn)生的影響，從而獲得真正的細胞復阻抗。針對由Gillis提出并被廣泛使用的利用軟件鎖定放大器SLIA進行細胞膜電容測量的方法在校正機制方面的不足進行了擴展改進

3、，提出了基于膜片鉗放大器傳遞特性的細胞膜電容測量方法（Z-H方法），即利用PCA探頭反饋電阻復阻抗Zf和通道傳遞函數(shù)Hsys估算細胞等效電路參數(shù)的值。Z-H方法沿用SLIA中的sine+dc方法進行參數(shù)映射，但通過劃分校正類別，即硬件校正和幅度/相位校正，提出了全新的膜電容測量的校正方法。
　　 Z-H方法中硬件校正的目的是準確確定PCA中與細胞膜電容測量相關(guān)的硬件參數(shù)的實際值，是基于PCA傳遞特性的膜電容測量的預校正環(huán)節(jié)。硬件

4、相關(guān)參數(shù)包括PCA探頭反饋電阻的阻值和雜散電容值，PCA輸入電容、注入電容和BNC連接器的分布電容等。這些參數(shù)對Z-H方法準確確定膜電容的絕對值起至關(guān)重要的作用。本研究提出頻域方法，即f-方法，以精確確定上述各硬件參數(shù)。F-方法利用正弦信號而非傳統(tǒng)的方波信號，通過進行幅度/相位測量確定PCA的上述硬件參數(shù)。實驗結(jié)果表明，對于細胞模型電路的“10MΩ 檔”的測量誤差約為3～5%，而細胞模型電路的“500MΩ檔”的測量誤差約為2%。同時，由

5、于f-方法能準確確定膜片鉗放大器的快電容，為高質(zhì)量的快電容補償提供了保證，從而提高了膜電容測量的精度。
　　 幅度/相位校正的目的與SLIA相同，但實現(xiàn)方法不同。Z-H方法的幅度/相位校正是通過膜片鉗放大器的通道傳遞函數(shù)Hsys來實現(xiàn)的。Hsys為主通道和刺激通道的傳遞函數(shù)，代表了主通道和刺激通道的綜合特性。由于采用了在放大器內(nèi)部多個監(jiān)測點測量頻率響應的方法獲得Hsys，使得Z-H方法的幅度/相位校正具有獨立于探頭負載特性的重要

6、特點，也是Z-H方法對SLIA所做的最重要改進之一。由于Hsys對放大器設(shè)置敏感，為了提高效率，方便測量操作，將各種標準設(shè)置組合下的Hsys預先獲取并以數(shù)據(jù)庫的形式進行保存和管理，以備實驗檢索之用。
　　 為了解決慢電容補償電路（C-slow 電路）補償導納特性不理想以致影響細胞電參數(shù)估算精度的問題，提出了“回加轉(zhuǎn)移導納”的算法。該算法通過測量多個監(jiān)測點的頻率響應，將C-slow電路的頻率響應轉(zhuǎn)換為等效轉(zhuǎn)移導納，以提高細胞阻抗測