Микроэлектродный измеритель импеданса клеточных мембран

1 зоб(эетеие о(носигся к Оиологии, чЧДСТНОСТИ К Э 1 ЕКТ дфиэ 0)0 ГИИ,ПРРДНДЗНДЧЕНО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМЦЕДДН(.а (г(ЕОЧ.ных мембран,Цель изобретения - повышение точности и Опеативно(,ти излерения (лмпедэчса,На фиг.1 показана бгок-схема микроэлектродного измРрителя импедансд клеточных мембран; на фиг.2- блок измерениямгновенного зачения напряжения; наф(Г.3- детектор верн)ины переднего фро( Гдимпульса тока; на фиг.4 - временнь)е диаграммы, поясняюшие работу дегекторд; нафиг,5 - арифметический узел; на фиг 6 .;(квивдленгндя схела включени Изл.врите,ьной цепи: ца ф . ( - ;Дрдктгд( ыеосцЛлогрэл:.; рабо)пз л икрэле,. Ппл;(с)ОИЗМгзрИтЕЛЯ (г 1; Р(Д.( З .Г)Етгз;,. ,5МИКРГЗПЕ;. Г)гь)1 Ь И )ЗЛЕП),С;1: 1 г:панса клеО(:,1,; 3 Рбп,)гОг,тпц ;г ;,.,Г)ДТЕЛЬ(О ГО(3(",гЭ(НЫХ ГЕЧ(-.)1; )с 3 л,г л сов го л и лч(р(3 электрода 2, па ал- ЛЕЛЬО КОтопог у цодКЛЮЧЕН буфЕрНЫЙ уСИ лтель , в( Код котоОГО ГОдклО:";: 1 эрВОМу Вкоду арифмо)гЕСКОГО уэ г г "вход; блока 5 1 з Рре)3)я мгнове"; 1;1 о: .(11 ИЯ 1 ДЦРЯ,;:ЕЛ(Д ВЬХО 1 Г)103(; (, , 1 Э Н Г В ТО ) 1 1 М Р ПП)О) ) М ЕЦ Ч Е С К О.1 .)г,( ГзгРг-,гг); ;,м 1;г), Г)Г г;(; ( 4 и е 11О 1 )" с-1., сОг(1 "3 е т .(. ского з;14, г;гг)1 ггзтектср)д б 1 е.1ПЕРРГ(ЛЙЗг)Та31(,СД Та ).,."П/) П рого поГк(у; к вх Г 1)вл(,Н 1 г 01, г МЕРЕЛ(Л 1 (;1(, 1, З(д",1:.ия4Лг(: , . З;,;1.; 1 С) Е; :",зол1 Ъ 1:)ОЭЛ 3 (г(гц)одят г): ., , КДЛЫва 31)вгб1 (Е Ка 1;)"),ТПРМ Е Щ а Е т С Я:; РаСтВОР С В. г О К Л Й ЭЛЕКтро П( ОВОДЧО:т Ь, З ДЦРИ( ЕР. ,:;ИОЛОгический растт куда также цомэ(ДРГ(ИНДИффсОЕНТ 111 го) ЕКТГ)ОД, СОЕДИ 1 ЕЦ 11(й С общей токо(:.: ь; измеритрля, Ген эрат(з 1 и(пуьсэв. 1: з (О:,г),ает в)Оц), Г О.Оше из последоваельно соединенных м;(ро электрода 2, прото(;);азмы клет,(и, мембраны, раствора и индифферентного электрода, ток заданной амплитуды. Пр этом падение напряжения во всей указанНОй ЦЕПИ С тОЧНОС. ГьО ДО ДЕСЯТ ): ЦГ )ц г, Р; цента рде-О падРнию нзпряжеиэ (эре м(крс)э (ектрод( - мембрана, г)(Слг) ь у им педанс пп (едн х более чем на три 1;);л ПРЕВЫШД, лЕДДНС ОстаЛЬНЫХ Э; г)(,ЭВ1 ЕПИ, ПС.ВЕ)Р:, Н .,)ЯжЕНИЯ На Э)3. Ц,.г. - : змеояеГСЯ 1);г) рцыл усиителем 3 вы 11 ОЛ и функц(конвертора сопротивле( 1 ал напряхкения, рог(орциональн; й : едан(;у пары мкроэлектрод -мелбрава, ; вь)хода буферного усилителя 35 подается одновременно на пс,:вын входри(М иеичегкОГО узла 4, ЯвлЯкщийся Входом ")(меньшаемого" и на вход блока 5 из: ; Г .Л я М Г г О В Е) и 0) З г аЕ Н И Яц)3 црякания, Блок 5 измерения мгновенно(о значения напряжения,управляемый деект(ром 6 вер 11 Ны переднего фронтаимпу(ьга тока, передае нд свой выход идалее на второл вход - вход "вычитаемого"арифметического узла 4 сигнал напряже,113, . (рогПриональнь ( Имцедансу микро)кг)(3 а " Эт (; г)з 1(3-)е(. возОжнымг)д , - . Г. л ) р Од.Дые царамегрыПГ - . г;, 1,)Лс ", )г:, - (ЭЕ)(ИЛ 0 МДЛЫ 10, -ГЗГ)3 Ь г:;а Т Э,. И, СГ)СТВСН(ая ЕМ. Гг)Гд: не превыц ает 100с згел) как емкос Гь г .мбраны цогт( Ре Г П,(.(:, глед )вд ел(,но, падение на").тное устройство выборки-хранения,сог Ояшее из входного буферного угилитегч . кЛЮЧДВ ЭДППМНа ОщЕГО КОНдо СДТОра(3 хздО(о буферно(о усилителя 10, В1 . г3О(. Г. И К)Ч 8 ЗДМКНУТ И Ча. в)Х(Е. ;. Г, ВЛЩД УгСИЛг)Г Г ( ПЕРЕЛ)Етг: ,3, З;)Ягкал О.(31(ЭВРЕь - к,)1(3 есд 3э( т(г э э :; ил входнгГОа:;, , н)(я.1)3 ми э и и и г) х ООэ3на выходе усилителя 10 повторяет это изменение, При поступлении на управляющийвход ключа 8 соответствующего сигналаключ 8 переходит в разомкнутое состояние,а напряжение на конденсаторе 9 поддерживает зафиксированное напряжение на выходе усилителя 10, запоминая его в течениеопределенного интервала времени, Спадэтого напряжения происходит только засчет токов утечки ключа 8, конденсатора 9 ивходных токов усилителя 10 и по временинамного превосходит длительность импульсов стимуляции.Детектор 6 вершины переднего фронтаимпульса тока состоит из преобразователя1511 тока в напряжение, двойного дифференциатора 12 и формирователя 13 импульсов,Под вершиной переднего фронта импульсатока понимается второй локальный экстремум второй производной токового сигналапо времени, т.е, точка перехода переднегофронта в плато. Детектором 6 вершины переднего фронта импульсов тока по каждомуизлому сигнала формируются импульсыразличной полярности, из которых формирователем 13 импульсов синтезируется сигнал управления блоком 5 измерениямгновенного значения напряжения,Арифметический узел 4 состоит из аналогово о вычиателя 14 и преобразователя15 тока в напряжение, подключенных к входам коммутатора 16 напряжения, выход которого соединен с входоманалого-цифрового преобразователя АЦП 3517, кодовый сигнал с которого вводится воднокристальную микроЭВМ 18. МикроЭВМ 18 управляет работой коммутатора 16и АЦП 17, а также передает результат вычислений отношения падения напряжения на 40мембране к току стимуляции на цифро-аналоговый преобразователь 19, на выходе которого и получается требуемыи сигнал.Функционирование всего устройствапоясняется эквивалентной схемой включе-ния измерительной цепи и характернымиосциллограммами работы устройства.Эквивалентная схема включения измерительной цепи состоит из сопротивления20 микроэлектрода, соединенного с параллельно включенными сопротивлением 21 иемкосг ю 22 клеточной мембраны, и включенной параллельно этой цепи емкости 23микроэлектродаПри подаче на микроэлектрод импульсатока, имеющего конечную длительностьфронтов, емкость 23 заряжается очень быстро ввиду ее малости (порядка 10 пф) ипрактически не вносит 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 напряжен;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 - сигнэла 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 .икроэлектроде 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 Н арифметического узла 4 представляет собой сумму только двух компонентов - падения напряжения на микроэлектроде 2и потенциала поляризации, и, естественно, их разность дает падение напряжения на мембране,Формула изобретения Микроэлектродный измеритель импе- данса 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 щ и й с я 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.Про венно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 295/91 Тираж 440 ВНИИПИ Государственного комите 113035, Москва, Раушск Подписноеям и открытиям при ГКНТ СССнаб., 4/5