新型膜片钳放大器的研制开发

论文摘要

深入研究生物细胞膜有助于了解生命活动的机理,膜片钳技术是国际电生理学界普遍采用的研究细胞膜电生理特性的有效方法之一,该技术极大推动了细胞生物学和分子生物学的发展。膜片钳技术本身也在随着电生理研究的发展而不断进步。作为膜片钳技术的核心设备,膜片钳放大器采用高增益I-V变换器实现pA级通道电流信号的检测,是处理微弱细胞膜电生理信号的有力工具。本文涉及的工作采用最新软硬件技术成功开发出新型膜片钳放大器。它采用软件完成对仪器硬件系统与实验工作模式的控制,并实现了实验参数的自动补偿,简化了操作过程,提高了实验效率。文章的主要内容包括:1)采用可编程逻辑器件配合USB控制器低成本实现了模拟参数和工作模式的数字控制。介绍了新型膜片钳放大器参数控制系统的设计方法,方案采用了串行通信方式,易于扩展和更新升级,同时也提高了系统稳定性,为整个膜片钳系统实现自动化提供了基础。2)采用集成器件设计完成了电阻反馈式I-V变换器。分析和研究了探头放大器的设计原理及其动态特性、噪声特性,并采用软件算法测量,分析相关参数。实测结果证实了探头性能良好,可满足全细胞与单通道测量要求。3)设计了信号监测调理通路。该通路包括频率补偿、增益放大、输出滤波等部分,主要完成信号的带宽扩展与标定,从而实现离子通道信号的重建并提高系统信噪比。4)设计了实验参数自动补偿模块。详细讨论了电极电位、电极电容（快电容）和细胞膜电容（慢电容）补偿的理论基础,设计合适的电路与算法实现了补偿过程的自动化。最后讨论了串联电阻补偿及其对系统稳定性的影响。5)设计了仪器的自动校准与测试模块。自动校准用来准确获取仪器参数以提高实验结果的精度。自动测试完成对放大器全面检测,协助诊断系统硬件故障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 膜片钳技术发展历程
• 1.3 国内外研究状况
• 1.4 本课题的主要工作
• 2 膜片钳系统的基本结构
• 2.1 引言
• 2.2 系统的基本结构
• 3 放大器参数控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 参数控制系统设计概要
• 3.3 固件设计与逻辑控制
• 3.4 主机程序设计
• 4 探头放大器与信号调理通路设计
• 4.1 引言
• 4.2 探头放大器设计
• 4.3 探头放大器动态特性与噪声特性分析
• 4.4 信号调理系统设计
• 5 命令信号通路设计与实验参数补偿
• 5.1 引言
• 5.2 命令信号通路设计
• 5.3 实验参数补偿
• 6 放大器的校准与测试
• 6.1 引言
• 6.2 校准设计
• 6.3 测试设计
• 7 论文总结与展望
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 进一步的研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 膜片钳放大器测试报表