基于膜片鉗放大器傳遞特性的細(xì)胞膜電容測量方法.pdf

1、膜片鉗細(xì)胞膜電容測量技術(shù)是檢測細(xì)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(xì)胞膜電容及其變化是細(xì)胞膜表面積及其變化量的重要量化指標(biāo)。細(xì)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(shí)將導(dǎo)致細(xì)胞膜表面積增加；而胞吞過程中囊泡膜回收則使細(xì)胞膜面積減小。因此，研究和改進(jìn)膜電容測量方法和技術(shù)對于更加準(zhǔn)確地檢測細(xì)胞膜電容及其變化量，推動對細(xì)胞胞吞和胞吐機(jī)制的研究具有重要意義。
　　 為了明確研究膜片鉗細(xì)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(jìn)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(jī)制和校正機(jī)制。映射機(jī)制是將單一頻率下測量的細(xì)胞復(fù)導(dǎo)納和鉗位電壓下的直流電導(dǎo)變換為細(xì)胞的三個(gè)等效電路參數(shù)；校正機(jī)制是為了消除膜片鉗放大器（PCA）內(nèi)部個(gè)功能模塊電路對細(xì)胞響應(yīng)電流產(chǎn)生的影響，從而獲得真正的細(xì)胞復(fù)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(jìn)行細(xì)胞膜電容測量的方法在校正機(jī)制方面的不足進(jìn)行了擴(kuò)展改進(jìn)

3、，提出了基于膜片鉗放大器傳遞特性的細(xì)胞膜電容測量方法（Z-H方法），即利用PCA探頭反饋電阻復(fù)阻抗Zf和通道傳遞函數(shù)Hsys估算細(xì)胞等效電路參數(shù)的值。Z-H方法沿用SLIA中的sine+dc方法進(jìn)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(zhǔn)確確定PCA中與細(xì)胞膜電容測量相關(guān)的硬件參數(shù)的實(shí)際值，是基于PCA傳遞特性的膜電容測量的預(yù)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(zhǔn)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(jìn)行幅度/相位測量確定PCA的上述硬件參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于細(xì)胞模型電路的“10MΩ 檔”的測量誤差約為3～5%，而細(xì)胞模型電路的“500MΩ檔”的測量誤差約為2%。同時(shí)，由

5、于f-方法能準(zhǔn)確確定膜片鉗放大器的快電容，為高質(zhì)量的快電容補(bǔ)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(shí)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(shí)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(gè)監(jiān)測點(diǎn)測量頻率響應(yīng)的方法獲得Hsys，使得Z-H方法的幅度/相位校正具有獨(dú)立于探頭負(fù)載特性的重要

6、特點(diǎn)，也是Z-H方法對SLIA所做的最重要改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)置組合下的Hsys預(yù)先獲取并以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行保存和管理，以備實(shí)驗(yàn)檢索之用。
　　 為了解決慢電容補(bǔ)償電路（C-slow 電路）補(bǔ)償導(dǎo)納特性不理想以致影響細(xì)胞電參數(shù)估算精度的問題，提出了“回加轉(zhuǎn)移導(dǎo)納”的算法。該算法通過測量多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的頻率響應(yīng)，將C-slow電路的頻率響應(yīng)轉(zhuǎn)換為等效轉(zhuǎn)移導(dǎo)納，以提高細(xì)胞阻抗測