Устройство для измерения электрических параметров биологических мембран Советский патент 1983 года по МПК G05D27/00 

Изобретение относится к устройствам для исследования химических свойств веществ, использующим влияни воздействия химических веществ на электрические параметры биологических мембран-, в частности биоклеток харовых водорослей, и может быть использовано для контроля (оценки) токсичности природных и сточных вод, сбрасываемых в водные объекты после использования их в -оборотном водоснабжении предприятиями , цевтической, химической и др. от.раслей промьшшеннести. Известно устройство для измерения электрических параметров биологических мембран, содержащее ячейку о потенциальными, токовыми и индифферент ными электродами, соединенную через потенциальный электрод последователь но с повторителем потенциала, дифференциальным усилителем, переключателем режима и токовым электродом, регулятор тока, соединенный через изме ритель тока с индифферентным электро дом, генератор опорных импульсов, соединенный с вторым входом дифферен циальрюго усилителя, и генератор импульсов тока, соединенный с переключателем режимов j.J . Устройство позволяет измерять потенциалы биологических мембран, вели чину эталонных импульсов тока, прохо дящих через биоклетку, и при соответ ствующей обработке результатов измерений оценить токсичность воздейству ющих- на биоклетку химических веществ Однако при этом необходимо осущес влять внедрение микроэлектродов в би оклетку. Это травмирует биоклетку, снижая процент пригодности биоклеток к эксперименту, требует, помимо определенного навыка у исследователя, дополнительного сложного оборудования, например микроманипулятора и микроскопа, делает процесс подготовк биоклетки к эксперименту длительным, а устройство - не пригодным для экспрессного анализа химических веществ или оценки токсичности природных и сточных вод в целях ранней диагности ки их загрязнения. Недостатком является также отсутствие автоматизации измерений электрических параметров биологических мембран. Известно устройство для измерения электрических параметров биологических мембран, содержащее ячейку с потенциальным, токовым и индифферентным электродами, соединенную через потенциальный электрод последователь но с повторителем потенциала, дифференциальным усилителем, переключателем режима и токовым электродом, регистратор тока, соединенный через из меритель тока с индиффере.нтным элект родом, генератор опорных импульсов. соединенный с вторым входом дифференциального усилителя, генератор импульсов тока, соединенный с переключателем режимов, буферный усилитель, включенный через первый электронный ключ параллельно дифференциальному усилителю, к выходу буферного усилителя подключено запоминающее устройство, а генератор опорных импульсов выполнен в виде генератора серии опорных импульсов, состоящего из пассивного делителя потенциалов и генератора импульсов управления, выход которого соединен через второй электронный ключ с переключателем режимовНедостатками этого устройства являются сложность конструкции, необходимость нарушения целостности поверхности биоклетки, их травмирование с целью внедрения в биоклетку микроэлектродов, связанная с этим сложность подготовки биоклеток к проведению измерений их электрических параметров. Элементы автоматизации, введенные в устройство, не освобождают исследователя от необходимости уделения постоянного внимания процессу измерений. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения электрических параметров биологических мембран, содержащее биоблок, блок управления, связаН1 ный с генерэтором импульсов эталонного тока биоклеток и коммутатором каНалов, подключенным к измерителю, повторители и усилители биопотенциала и регистратор з . Недостатком этого устройства является возможность участия аномальных, или вышеди их из строя в процессе измерения (от воздействия токсикантами) биоклеток в измерительном процессе, что ведет к снижению достоверности получаегФ х результатов измерений,, определенным трудностям при анализе и.обработке неверных результатов измерений, а также снижению достоверности выводов, основа нныхна обработке искаженных результатов измерений. При контроле токсичности вод это приводит к получению ложных выводов об .уровне токсичности вод. В случае же, если эти выводы являются одним из критериев управления работой технологического оборудования водных объектов (задвижек/ вентилей и т.д.), выдача ложных аварийных сигналов приведет к нарушению нормальной работы водного объекта. Целью изобретения является повышение надежности работы устройства путем повышения точности измерения.. Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения электрических параметров биологических мембран, содержав1ее биоблок, блок управления, связанный с генератором импульсов эталонного тока биоклеток и коммутатором каналов, подключенным к измерителю, повторители и усилители биопотенциала и регистратор, дополнительно содержит блоки адаптд вных аттеньюаторов, электронные ключи, блоки выработки сигнала По-тенциал. действия биоклетки, блок индикации «и сигнализации, усилитель биопотенциала снабжен управляемым элементам регулирования коэффициента передачи сигнала, вход каждого блока выработки сигнала Потенциал действия биоклетки связан с выходом повторителя биопотенциала, один из выходов этого блока соединен с блоком индикации и сигнализации, а другой выход - с управляющим входом электрического ключа, один из выходов блока адаптивного аттеньюатора подключен к управляемому элементу регулирования коэффициента передачи сигнала, другой - к регистратору, а вход этого блока связан с выходом повторителя биопотенциала, электронный ключ управляемым входом подключен к выходу усилителя биопотенциала, а выходом - к регистратору и через коммутатор каналов к измерителю.

Блок выработки сигнала Потенциал действия биоклетки выполнен в виде компаратора с резисторами уставки, блока выдержки времени,, элемента И и выключателя, причем компаратор входом соединен с выходом повторителя биопотенциала, а выходом с входом блока выдержки времени и одним из входов элемента И, другой вход которого соединен с выходом блока выдержки времени, выход элемента И подключен к блоку индикации и сигнализации, а через выключательк управляющему входу электронного ключа.

Компаратор блока выработки сигнала Потенциал действия биоклетки выполнен двухуровневым.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства на фиг. 2 - биоблок, общий вид; на фиг. 3 - электрическая принципиальная схема блока выработки сигнала Потенциал действия биоклетки, на фиг. 4 - электрическая принципиальная схема блока адаптивного аттеньюатора и электрическая принципиальная схема усилителя биопотенциала.

Устройство для измерения электрических параметров биологических мембран включа ет биоблок 1, блок 2 управления, генератор 3 импульсов эталонного тока биоклеток 4, усилители 5 биопотенциала, коммутатор 6 каналов измеритель 7, регистратор 8,

блоки 9 адаптивных аттеньюаторов, электронные кличи 10, блоки 11 выра-, бЪтки сигнала Потенциал действия .биоклетки, блок 12 индикации и сиг- нализации.

в устройстве имеются N усилителей 5 биопотенциала, N блоков 9 адаптивных аттеньюаторов, Rэлектронных ключей 10 и N блоков 11 выработки сигнала Потенциал действия биоклет0 ки.

Биоблок 1 имеет также N ячеек 13, каждая из которых снабжена токовыми электродами 14 и погенциальными электродами 15, соединенными через

5 потенциальные элементы 16, переключатели 17 режима работы и повторитель Д8 биопотенциала с -соответствующим усилителем :5 биопотенциала, выходов генератора 3 импульсов эталонного тока биоклеток соеди20

нен с токовыми электродами 14, а другой выход - с регистраторов и через коммутатор 6 кангипов с измерителем 7, причем вход генератора 3 импульсов эталонного тока биоклеток

25 соединен с одним из выходов блока 2 управления, другой выход блока 2 управления соединен с коммутатором 6 каналов.

Каждый из N усилителей 5 биопотенциала снабжен управляемым элементом 19 регулирования коэффициента передачи.

Каждый из N блоков 11 выработки

сигнала Потенциал действия биоклетки имеет компаратор 20 с резисторами 21 уставки, схему 22 выдержки времени, схему И 23 и выключатель 24. Вход компаратора 20 присоединен к выходу повторителя- 18 биопотенциала j

выход компаратора 20 соединен с входом схемы 22 выдержки времени и одним из входов схемы И 23, другой вход схемы И 23 соединен с выходом схемы 22 выдержки времени. Выход схемы ТЛ

23 соединен с блоком 12 индикации и сигнализации и через, выключатель 24 с управлякадим входом 25 соответствующего электронного ключа 10.

Вход каждого из N блоков 9 адаптивного аттеньюатора соединен с выходом повторителя 18 биопотенциала и входом соответствующего усилителя 5 биопотенциала, а один из выходов блока 9 подключен к управляемому элементу 19

регулирования коэффициента передачи, а другой выход блока 9 подключен к регистратору 8,

У кгикдого из N электронных ключей 10 управляемый вход 26 соединен с

ВЫХОДОМ соответствующего усилителя 5 биопотенциала, а выход каждого электронного ключа 10 соединен .-с регнстратором 8 и через коммутатор 6 канашов с измерителем 7. t Компаратор 20 выполнен двухуровневым. Биоблок 1 (см. фиг. 2). содержит N ячеек 13 с камерами 27-30 в каждо В ячейке 13 размещена биоклетка 4, в которой используют клетку харовой водоросли. Камера 27 предназначена дня заполнения раствором 10 М КС I, камера 30 - для заполнения искуственной прудовой водой, камера 29 и 28 .- для пропускания соответственно экспериментального раствора и листиллирован ной, воды. Ячейки 13 имеют трубки подвода и слива раствора в каждой камере. Блок 9 адаптивных аттеньюаторов содержит пиковый детектор 31, компа раторы. 2 поддиапазонов измерения, схему 33 согласования, дешифратор 3 схему 35 индикации поддиапазонов измерения. Блок, выработки сигнала Потенциал действия (фиг. 3) содержит двухуровневый компарато 5 20 (два операционных усилителя и элемент 36 ИЛИ) с резисторами уставки 21, схему;22 выдержки времени, элемент И 23, выключатель 24, причем 37. - вход компа ратора 20, Выход двухуровневого компаратора соединен с входом схемы выдержки времени и одним из входов схе мы И 23, другой вход которой соединен с выходом схемы 22 выдержки времени, один из выходов 38 блока 11 выработки сигнала Потенциал действия биоклетки. Выход схемы И 23 через выключатель 24 соединен с выходом 39 блока 11 выработки сигнала Потенциал действия биоклетки и непосредственно с выходом 38. Вход 40 (см. фиг. 4) является входом блока 9 адаптивного аттеньпатора и пикового детектора 31, выход последнего соединен одновременно с входом каждого из трех компараторов 41-43 соответствующего поддиапазона измерения. Выход каждого компаратора 41-4 поддиапазона, измерений чере схемы согласования на элементах 4446 И-НЕ связан с дешифратором 34 и схемой 35 индикации поддиапазона измерения на элементах 47-50, 51-54 выходы блока 9 адаптивного аттеньюатора. Регулируемый усилитель 55 биопотенциала (см. фиг. 4) содержит усилитель 5 биопотенциала, управляемый элемент 19 регулирования коэффициента передачи, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя, выход 56, вход 40, Устройство, для измерения электри ческих параметров биологических мем бран работает следующим образом. В ячейку (см. фиг. 2) 13 полетают биоклетку 4, в качестве которой бер например, клетку харовой водоросли (Hitella flfeiils). Харовые водоросл представляют собой систему побегов с мутовками коротких веточек. Каждо междоузлие состоит из одной гигантской клетки диаметром до 1 мм и длиной 5-10 см и более. Клетки харовых водорослей (благодаря своим значительным размерам, доступности материала, изолированности и четкой диффергенцировке основных структур) - удобный объект для проведения исследований. Возможность выращивания куль-, туры харовых водорослей в лабораторных условиях позволяет проводить эксперименты в течение всего года. Практически в устройстве для получения достоверных данных в процессе измерения участвуют 10 и более биоклеток, которые одновременно подвергаются воздействию ступенчато изменяющихся концентраций токсиканта. В устройстве используются особенности биологической реакции мембран клеток харовых водорослей в частности выяв.пение сдвигов в электрических характеристиках клеточных мембран в состоянии покоя и при возбуждении. Камеру 27 заполняют 10 М к: I , камеру 30 - искусственной прудовой водой (КС I 104, NaCI СаС 10 М), через камеру 29 и 28 пропус;кают экспериментальный раствор и дистиллированную воду соответственно. Камеры электрически изолироваь друг от друга, например, вазелиновым маслом. Разность электрических потенциалов при покое измеряют с помощью потенциальных электродов 15, находящихся в камерах 27 и 29. Потенциальные электроды 15 изготовлены из полиэтиленовых трубочек, заполненных 2%-ным раствором агар-агара на электролите (KCI).. Импульсы тока пропускают через хлорсеребряные проволоки - токовые электроды 14, расположенные в камерах 29 и 30. На воздействие экспериментального раствора биоклетка харовой водоросли реагирует изменением электрофизиологических характеристик, т.е. потенциал покоя клетки изменяется в зависимости от концентрации и количества токсиканта в экспериментальном растворе, изменяется проводимость мембраны. Измеряемый потенциал биоклетки 4 через потенциальные электроды 15 и потенциальные элементы 16 (каломельные полуэлементы), переключатель 17 режима работы (несимметрич1юе либо дифференциальное включение), и повторитель 18 биопотенциала поступает параллельно на вход блока 9 адаптивного аттеньюатора и вход усилителя 5 биопотенцисша, имеющего управляемый адаптивный аттеньюатором 9 элемент 19 регулирования коэффициента передачи усилителя 5 биопотенциала. АдаптиЕ1Ный аттеньюатор 9 автоматически, в зависимости от величины

ходного сигнала, изменяет коэффицинт передачи регулируемого усилителя 5 биопотенциала, воздействуя на лемент 19 регулирования коэффициена передачи усилителя 5 биопотенцила.

Это автоматизирует процесс измеения, исключает необходимость атеньюирования (исключает любые мани ляции) исследователем входного сигнала с целью предохранения перегрузки последующих каскадов усиления большими уровнями входных сигналов, а также исключает подобные операции при измерении и регистрации снима- . емых с управляемого усилителя 55 биопотенциала усиленных входных сигналов, Входные и выходные сигналы измеряют и регистрируют на постояйном пределе (поддиапазоне) измерений, т.е. их приводят к одной, наиболее удобной с точки зрения получения наименьшей погрешности и наибольшей разреитющей способности характера изменения фбрмы регистрируемого сигнала, шкале измерителя 7 и регистратора 8 при любых изменениях входного сигнала.

При этом поправочный коэффициент, необходимый для определения абсолютного (истинного) значения измеряHMoro параметра, индицируется схе5ой 35 индикации -поддиапазона иэме(зений соответствующего адаптивного гпгтеньюатора 9, а также вводится в регистратор 8 в виде определенной маркерной отметки.

В случае, когда функции регистратора 8 совмещает в себе ЭВМ, поправочные коэффициенты по каждому из каналов определяются путем опроса состояния схем 33 согласования,отражающих состояния компараторов 32 поддиапазонов измерения.

. Адаптивный аттеньюатор 9 состоит из пикового детектора (экстрематор) 31, включенного на, выход повторителя 18 биопотенциапа и вход регулируемого усилителя 55 биопотенциала, трех схем компараторов 32 поддиапазона из мерения (т.е. всего четыре поддиапазона измерения), схемы 33 согласования, дешифратора 34, схемы 35 нндикации поддиапазона измерения.

В зависимости от величины входного сигнала срабатывают те из трех компараторов, для которых входной сигнал превышает уровень компарирования. Например, если сработйл первый, то общее состояние: первый - 1 второй - О и третий - О, т.е. 001 и т.д. На выходе компаратором 41-43 формируется двоичный код/ кото рый через схемы 44-46 согласования поступает на входы дешифратора 34 и схему индикации поддиапазона на элементах. 47-50, а через выходы 51 54 и интерфейс в ЭВМ (регистратор 8).

Эти выходы опрашиваются ЭВМ каждый цикл измерения и указывают коэффициент усиления. В зависимости от входного кода дешифратора срабатывают те или ключи, осуществляющие соответствующее переключение резисторов, составляющих управляе1 ый элемент 19 регулирования коэффициента передачи усилителя 5 биопотенциала, включенных в цепь отрицательной обратной связи и усилителя 5 биопотенциала.

С выхода 56 управляемого усилителя 55 биопотенциала усиленный измеряемый сигнал поступает через электронный ключ 10 на регистратор 8 и через коммутатор 6 каналов (выбор канала осуществляют вручную или автоматически с блока управления 2) на измеритель 7.

Когда биоклетка 4 гибнет от воздействия большой дозы токсиканта, либо по иным причинам, потенциал покоя ее резко снижается. Время развития этого процесса (Потенциал действия) составляет 3-5 с. В этом случае компаратор 20 блока 11 выработки сигнала Потенциал действия биоклетки срабатывает и прекращает поступление искаженной информации к измерителю 7 и регистратору 8. Это повышает достоверность получаемых результатов измерения, а следовательно, и выводов, сделанных на основе их последующей обработки: Компаратор 20 имеет регулировку уровня компарируемого сигнала с помощью резисторов уставки 21 (путём перепайки резисторов). Для исключения ложных срабатываний блок 11 выработки сигнала Потенциал действия биоклетки 4 прекращает доступ информации к измерителю 7 и регистратору 8 через определенный промежуток времени после срабатывания компаратора 20, обусловленный схемой выдержки времени 22, выдержка времени которой обусловливается развитием явления Потенциал действия биоклетки и составляет, как указано выше, 3-5 с.

При этом электронный ключ 10, который в нормальном состоянии полностью открыт, закрывается только в том случае, когда на входах CXSNCJ И 23 присутствуют оба сигнала с выхода компаратора 20 и схемы выдержки времени 22, а контакт выключателя 24 замкнут.

Выключатель 24 необходим для исследовательских целей, например, для записи и измерения электрических параметров биоклеток при явлении Потенциала действия, интерполяризации биоклеток ив тех случаях, когда биоклетка ведет себя таким образом, что блок 11 выработки сигнала Потенциал действия срабатывает, блокируя измеритель 7 и регистратор 8.

При срабатываний блока.11 выработки сигнала Потенциал действия биоклетки сигнал управления с выхода cxeNH И 23 поступает в блок 12 индикации и сигнализации, который осуществляет индикацию канала с аномаль ной биоклеткой, а также сигнализацию например-звуковую, для оповещения исследователя о необходимости замены аномальной биоклетки нормальной, из числа резервных. Поскольку у некоторых биоклеток при воздействии токсикавта потенциал покоя резко увеличивается (эффект гиперполяризации),комkapaTop 20 выполнен двухуровневым.

Генератор эталонны импульсов тока биоклеток 3 служит для формирования разнополярных эталонных импульсов- тока с программированием блоком 2 управления величины, длительности и паузы меладу импульсами (длительность их определяется временем рефракторности мембран и лежит в пределах 2-10 -с).

Подаваемые от генератора эталонные импульсы тока выполняют функцию стимулятора биоклетки, поддерживая ее чувствительность (раздражимость) на постоянном уровне, служат для определения электрического сопротивления (либо проводимости) мембраны биоклетки, необходимого для осуществления оценки влияния химически х веществ на потенциал биоклеток, а также оценки (в зависимости от характера их воздействия) токсичности природных или сточных вод.

Предлагаемое устройство по сравнению с Известными позволяет значительно ускорить процесс измерения электрических параметров биологических мембран биоклеток путем автоматизации самого процесса измерения . и регистрации результатов измерений и может быть применено для различных экспрессных методов анализа химических веществ и оценки токсичности природных и сточных.-вод на ранни стадиях их заражения.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН, содержащее биоблок, блок управления, связанный с генератором импульсов эталонного тока биоклеток и коммутатором каналов, подключенным к измерителю, повторители и усилители биопотенциала и регистратор, о тличающееся тем, что, с целью повышения надежности устройства в работе путем повышения точности иэмер ений, оно дополнительно содержит блоки адаптивных аттеньюаторов, электронные ключи, блоки выработки сигнала Потенциал действия биоклетки, блок индикации и сигнализации, усилитель биопотенциала снабжен управляекв м элементом регулирования коХэффициента передачи сигнала, вход каждого блока вьфаботки сигнала Потенциал действия биоклетки связан с выходом повторителя биопотенциала, один из выходов этого блока соединен с блоком индикации и сигнализации, а другой выход - с управляющим входом электронного ключа, один из выг ходов блока адаптивного аттеньюатора подключен к управляемому элементу регулирования коэффициента; передачи сигнала, другой - к регистратору, а вход этого блока связан с выходом повторителя биопотенциала, электронный ключ управляемым входом подключен к выходу усилителя биопотенциала, а выходом - к регистратору и через коммутатор каналов к измерителю. ;. 2.Устройство поп. 1, о т л и- § чающееся тем, что блок выра-j (Л ботки сигнала Потенциал действия биоклетки выполнен в виде компаратора с резисторами уставки, блока вы- i держки времени, элемента И и выключателя, при этом компаратор входом соединен с выходом повторителя биопотенциала, а выходом - с входом блока выдержки времени и одним из входов элемента И, другой вход которого СП соединен с выходом блока выдержки 00 00 времени, выход элемента И подключен к блоку индикации и сигнализации, а ерез выключатель - к управля ад1ему со | входу электронного ключа. 3.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что компаратор блока выработки сигнала Потенциал действия биоклетки выполнен двухуровневым. 1

г

/J

30

.

7/7/.

Г

DC

28

27

T/777777777

/Y7.