Микроэлектродный измеритель импеданса клеточных мембран Советский патент 1991 года по МПК A61B5/04 

+ Ч

-

О Ю vj

Ю О

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 микро- электрод 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

U

Фиг. 1

ИзобрьТсиие о i носится к бмолс п/1и частности к электрофизиологии к пррдна наивно для измерения импеданса чпеи) ных мембран

Цель изобретения повышение точно сти и оперативнее™ измерения импедз i са

На фиг 1 пок .зяна блок схема электродного чзмерителя импеданса кле точных мембран на фиг 2 блок измерения MiHOBPHHoro значения напряжения па фиг 3-детектор вершины переднегофрота импульса тока на фи А - временные циа1 раммы пояснчюшие работу дегекгоос) н« фиг 5 арифметический узел на фиг 6 JK виваленгнтя LVP ла включение из ригр ib ной цеп .« 7 х ар т JH i

ОСЦМЛЛОГГЭ1 рТг ПГ f НИМ ИЯМРрИТРЛИ I t-H 5 ПГТОЧЧ V -J )

МИЧрП ЛГ, П lllb l i

анга ,чяе1ом и IPMOD ж согтппп

ni ятгл но V гг н п , d : и N гр Л1 оч гг1 я Ч i ч pi ектрода 9 лклмю кото 1 г% пот.1-лючен буФррн и vt и

3 ВЧ/чОД ОГОРОГО ТО 41 Л т 1 1 РБОМУ ВхОДУ гфМфМС neCKOlO 1

в/чОгд блокя 5 измерения мгновг го -юни напря ч «i внхо i о торf

1ГН Г ВТОр1 If 1 Г I о J I1 V P4LI О

1 р г 1 ° pr,L Г1 , I 1МП ЛЬ Г)Г гп Ч (

i инеч иin ii к| от к

fi i yiiT /if текторчг ti i пeppд 0ln т f ( Mi,ra if.ко н л -i г

OOlOnO/ KnjP -f iv, Пр IB Iff- ill- i

перечня и и он ii

1Я

1 i MI iL -/ i i i ; r1i

30M

1 i i jxt 1цчт Ч ,

калывлт м fj kjipi a . p i if nn мещаетп г раствор г электрнп) ть-грзгф мср ц i.ono гическии рттрсг, ьуда также ПОМРИ JPH индмффгречт) чи трктрод СОР ИМСЬИЧШ с общей то кс v if змерителч рнт( i

1 ИМИ, fib ЭВ I j С О , ЧСГ В МОП 1 Г Oi (04LL °

из nocnenotvT i;iLHr) гоедпненгыч г,, ро электрода 2 i рлтог i азмы члет и fieridp ны пастоора i индифферентного электрода ток заданной ЧМПЛИТУШ Пр этом падение напряжения во всей yKdiai HOII цепи с точностью до десяти п - га цента рар -о падению нэприхенкя i IIA MUfроэ ектро мембрана у им гедаш по-IPMV i- Ьол-ечем натри i D, j

ПРРВЫШЯ- 1чИ)ДЭмС ИСТЗЛЬИ Х j i- f JiTP

nf пи II IP р ч зже -«и на э i иочеояе СнИ ч УСИЛИТРЛ ч 3 нипюг

н i тм }) кочверт(ра оопротивле- i , ian напря тения f ро юрциональ и i ntAdHt А пары мш роэлектрод - меморана L. выхода б ферного усилителя 3 подается одновременно на пм вы ч вход ч.и j иери ес/ого узла -4 являющийся вхо- аом / рныиаемого и на ВУОД блока 5 из- i шя мгновенной1 значения н тряженир Блок 5 измерения мгновенно- 10 значения напряжения управляемый де- .ркторои б вер мтны перрднего фронта kiMnyubCdi тока перрдает свои выход и на второй в од вход вычитаемого dp 1фметиче( KOI о 4 сигнал напряже- ич очпорционг льн1 г импедансу микро- ucif , i па Это ( эзив ipT(. i г ь ч,ие- iианме пчраме ры i f 11 ic ро VIMO малы по

n i рг i ni rii тарзмафами on и ы (i л i MI с .ствинная eri t i i i кпд П 1евьп ает 100 ( и ьр°-1 | як (b мгмбрано цогти- t i f i ЛРП HI ni но Пс Д°ние на- птя на Рчикопэле троде гфи -«i i через Heio ИМПУЛЬСНОГО гока jf ip ЧКТИБНЫИ характер uro выра- c tc i о pjhPHMhn inpntMOCTM Фронта iii (и и jnpn Phi-я i тким образом из rrtfr PHHJ о JH e 1чя падения на- 1 i и а м i i .о мл f: электрод - a n mii и вершины переднего м иг i лhi н i дает начение паяе- . J РНЧЯ на 111гро :5г р троде KOTO- IT iTiPTiH pi ieTML-гким «злом 4 1,ч ii пзпря ения на паре i-1-f |роц J корана т ре льтат 1 t м (м- зув|Ся ар111)

ЗЛО1 1 I Ш1ЛаР ДЕЛИМОГО

л м ito я и, сигнал токз

1 IM i пггс гп iioo 1 Импульсов тока

|,з iri ПУОД рифмеп )Р( кого узпа 4 р i п пеня В pp vjibTire выполнения

н ч ду оие арифметиче- гг чтя иЯ 1л к Н „JirHu ПрОПОрЦИО

ni( ч м.емЬрли j

i i i typ мп tvpM бло. а Ь измерен ля иногбнною значения напряжения изобра- -н,| is на фиг 2 представляет гобои изве тнос устройство выборки-хранения х и, оч. (ер из в (одного буферного усилите f i л-очаР запг,м ч дющего vount .u.Ј(Opu ч з ходяпго буферною усипи|рпя 10 В и г -0( f «чшч 8 замкнут и «а о °,-,т га одс1 /сил тепг / перед )pi- - ( м г. ел 10 1|.)1-«ая идновре п « / щеиьа jj Ч я« т i ,ип RVодного

з ИМЯ Пр i -, (.неНИИ ОХ О; I О J id

р -ччапрч кс ) oHfleHt dit-pe 9 и

на выходе усилителя 10 повторяет это изменение. При поступлении на управляющий вход ключа 8 соответствующего сигнала ключ 8 переходит в разомкнутой состояние, а напряжение на конденсаторе 9 поддерживает 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 б 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 аналоговое вычитателя 14 и преобразователя 15 тока в напряжение, подключенных к входам коммутатора 16 напряжения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя АЦП 17, кодовый сигнал с которого вводится в однокристальную микроЭВМ 18. Микро- ЭВМ 18 управляет работой коммутатора 16 и АЦП 17, а также передает результат вычислений отношения падения напряжения на мембране к току стимуляции на цифро-аналоговый преобразователь 19, на выходе которого и получается требуемый сигнал.

Функционирование всего устройства поясняется эквивалентной схемой включения 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 вносит искажений в сигнал

0

5

0

5

0

5

0

Ь

0

напряжения, формирующийся на активном сопротивлении микроэлектрода.

В 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 напряжении на микроэлектроде. При обычно примени 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 экспоненциальному росту потенциала на мик.з ;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, 1 1ксируемый в момент прохождения вер- i 1иы 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 микроэлектроде 2, падения напряжения на мембране и потенциала поляризации, в то время как сигнал на выходе блока 1змерения мгновенного значения напряжения и на соединенном с ним входе (-) арифметического узла 4 представляет собой сумму только двух компонентов - падения напряжения на микроэлектроде 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 т- личающийся тем, что, с целью повышеLL

Г

6

ния точности и оперативности измерений импеданса, в него введены блок измерения мгновенного значения напряжения и детектор вершины переднего фронта импульса 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.

vy Вход упроблешя

8

Ю

дыход

-

Фиг. 2

п

I

Фиг J

Г

&„.

I

Фиг. 5

Фиг.Ь

П

Выход

и,

20

(J:

Г Is 1

и

ЈZ

Ток амнупяции

U

Напряжение на входе Дурерногя усилителя

(/,

БыхоОе бпока

Напряжение на

рения пгнобенного мочения напряжения

т;

1ст

Фиг 6

ЈZA

мнупяции

7

-ЗДС поп.

БыхоОе бпока и&е

яжение на

я пгнобенного мочения яжения