Устройство для измерения токов через клеточную мембрану

/ 504 А 6 НИЕ ИЗОБРЕТОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Я ЭТО ЯСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(56) Авторское свидетельство СССР586899, кл. А 61 В 5/04,Буш А,В.Автоматизация исследования нейрональных мембран методом фиксации потенциала; Автореф. дис. на соиск. учен. степени кан-та техн. наук. Пущино,. 1981.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ(57) Изобретение позволяет осуществлять измерение токов, протекающих через клеточную мембрану при фиксированных напряжениях, и может быть ис 078504/28-141.01,860.06.88, Бюл.24нститут океанологии пользовано в медицинских и физиологических исследованиях. Используютцифровую систему стабилизации напржения на мембране с форсированнымзарядом емкости мембраны от источниквысокого напряжения, что позволяетповысить быстродействие устройстваУстройство содержит последовательносоединенные предварительный усилитель 6, АЦП 7, комбинационный сумматор, регистр сдвига, ЦАП и сумматор8, а также генератор 12 импульсов,преобразователь 16 код - временнойинтервал, инвертор 19, два элементаИ 17 и 18, два ключевых элемента 14и 15, два источника питания 20 и 21:и измеритель 4 тока с индикатором 5.Напряжение мембраны снимается микроэлектродом 1, соединенным с входомусилителя 6, величина напряжения намембране задается цифровым кодом,который подается на один из входовкомбинационного сумматора 8. Подается напряжение на мембрану с помощьюмикроэлектрода 2, соединенного с выходом сумматора 11. Заряд мембраныосуществляется путем подключения к 405814ней на определенное время с помощью ключевых элементов 14 и 15 напряжений от источников питания,к второму входу сумматора 11. Напряжение на мембране можно изменять по заданному закону путем соответствующего измене-ния кодов на шине управления.Изобретение относится к медицинеи медицинской технике и может бытьиспользовано в автоматизированныхсистемах,для исследования биологических клеток.5Целью изобретения является повышение быстродействия.На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.Устройство для измерения токов че Орез клеточную мембрану содержит микроэлектроды 1 и 2, общий электрод 3,измеритель 4 .тока, индикатор 5, предварительный усилитель 6, аналого-цифровой преобразователь (ЛЦП) 7,.п-разрядный комбинационный сумматор 8,(ПКВ), элементы 17 и 18 И, инвертор19 и источники 20 и 21 питания,Устройство работает следующим образом.Предварительный усилитель 6 сбольшим входным сопротивлением и малым уровнем собственных шумов обеспечивает через микроэлектрод 2 отведение потенциала клеточной мембраны,Входное сопротивление измерителя 4тока мало (не более 100 Ом), что позволяет пренебречь им в сравнении ссопротивлениями электродов и мембраны. Преобразование выходного напряже -ния усилителя 6 в цифровую форму осуществляется при помощи АЦП 7. Абсолютная погрешность, возникающая придискретизации аналоговвго сигнала, Ов данном случае напряжения, не прЕ, -вьппает половины значения квантаили 2шага дискретизации, Значение квантав единицах преобразуемой величины(йБ) составляет вес единицы младшегоразряда АЦП. Количество разрядов АЦПопределяетсяиз выражения:.Угде П ,; максимальное значение напряжения (положительной и отрицательной полярностей на выходе усилителя 6,и - количество разрядовКомбинационный сумматор 8 производит сложение двух п-разрядных параллельных двоичных кодов, Для выполнения с помощью сумматора операции вычитания необходимо взять значение вычитаемой величины в дополнительном коде. Поэтому на сумматор 8 с выхода АЦП поступает дополнительный код.Разность двух величин; опорного напряжения, задаваемого и-разрядным кодом, и напряжения с выхода усилителя 6 (равного напряжению на мембране) поступает на информационные входы регистра 9 сдвига в виде двоичного кода. Генератор 12 выполняет функцию 1синхронизатора, задаваячастоту повторения операции преобразования вАЦП 7 и необходимую задержку стробирующего сигнала на входе регистра 9 относительно сигнала выборки АЦП. При необходимости изменещия коэффициента передачи устройства двоичный код, записанный в регистре 9, умножают или делят на некоторое число 2 где ш - число разрядов, на которое будет сдвинуто вправо или влево исходное двоичное число в регистре 9.При длине кодап ЦАП 10 формируетпропорциональное этому коду напряжение, которое через аналоговый сумматор 11 и микроэлектрод 1 поступает в биологическую клетку. Если длина кода в регистре 9 превышает и разрядов, включается преобразователь 16 код - временной интервал, форьщрующий на своем выходе импульс с длительностью, пропорциональной коду на входе ПКВ 16, Импульс с выхода ПКВ поступает через один из двух элементов 17, 18 и на вход управления ключевыми элементами 14 и 15, открывая один из них. Напряжение 100 В от ис точника 20 или 21 со знаком "+" илипоступает через открытый ключевой элемент 14 или 15, сумматор 11 и микроэлектрод 1 на клетку, После заряда емкости мембраны уменьшается величи на двоичного кода в регистре 9, соответствующая. разности между опорным напряжением и напряжением на мембране клетки, что приводит к выключению ПКВ 16 и ключевого элемента 14 или 15,25Таким образом, на время действия переходного процесса, связанного с зарядом емкости мембраны и заканчивающегося установлением напряжения на мембране равного опорному, на мем- ЗО брану с выхода устройства поступает высокое напряжение (до 100 В). При этом обеспечивается формированный" режим быстрого заряда емкости мембраны.35Коэффициент передачи К устройства в статистическом режиме определяет точность стабилизации напряжения на мембране иможет быть найден из выражения 40(2)где Я - значение единицы младшегоОразряда ЦАП;45ЬП - значение единицы мледшегоразряда АЦП.Структура устройства обеспечивает оперативное управление величиной коэффициента передачи устройства, а цИфровое кодовое управление, осуществляемое по шине 13, позволяет формировать на мембране клетки напряжение любой формы в широком частотном диапазоне. 55.Таким образом, в устройстве обеспечивает автоматическое поддержание заданного в цифровом коде на шине 13 управления напряжения на мембране,а повышение быстродействия достигается форсированным зарядом емкости мембраны,1ф о р м у л а и з о б р е ,т е н и я Устройство для измерения токов через клеточную мембрану, содержащее два микроэлектрода и общий электрод, предварительный усилитель, вход которого соединен с первым микроэлектродом, аналого-цифровой преобразователь, аналоговый вход которого подключен к выходу предварительного усилителя, генератор импульсов, первый выход которого подключен к входу управления аналого-цифрового,преобразователя, последовательно соединенные измеритель тока, вход которого соединен с общим электродом, и инди-катор и цифроаналоговый преобразователь, о т л и ч а ю щ,е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введеныФп-разрядный комбинационный сумматор, преобразователь код - временной интервал, аналоговый сумматор, инвертор, два элемента И, первый и второй источник питания, подключенные соответственно через первый и второй ключевые элементы к второму входу аналогового сумматора, и (и+ш)-разрядный регистр сдвига, (и+1) параллельных информационных входов которого подключены к соответствующим выходам комбинационного. сумматора, первые и входов которого соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а вторые и входов комбинационного сумматора подключены к кодовым шинам управления, параллельный (и+1)-разрядный выход регистра сдвига подключен к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, а остальные (ш) разряды регистра соединены с соответствующи-. ми входами преобразователя код - временной интервал, выход которого сое-. динен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых, в свою очередь, подключены к входам управления первого и второго ключевых элементов соответственно, при этом второй вход первого элемента И подключен к выходу "Знак" аналогоцифрового преобразователя непосредст венно, а второй вход второго элемен:Редактор М.Бандура Заказ 3128/б Тираж б 55 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 та И через инвертор, второй выход генератора импульсов соединен с пер.вым входом управления регистра сдвига, второй вход управления которого под 5 ключен к соответствующей шине, выход цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу аналогового сумматора, выход которого соединенс вторым микроэлеКтродом, вход "Знак"цифроаналогового преобразователя подключен к выходу "Знак" аналого-цифрового преобразователя, выход которого является одновременно цифровымвходом устройства,