膜片鉗系統(tǒng)的電學(xué)噪聲、機(jī)械震動(dòng)、和機(jī)械漂移的分析與處理

摘 要： 膜片鉗單通道記錄系統(tǒng)是電生理研究的重要工具，目前已經(jīng)發(fā)展成為復(fù)雜的光機(jī)電聯(lián)合應(yīng)用系統(tǒng)。在應(yīng)用過程中普遍存在著電學(xué)噪聲干擾(膜片鉗系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的噪聲)、機(jī)械干擾(記錄電極尖端的震顫或緩慢漂移)。本文詳細(xì)討論并分析了這些問題，并給出有效的解決方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞: 膜片鉗，電學(xué)噪聲，機(jī)械震動(dòng)，電極漂移

膜片鉗單通道記錄系統(tǒng)是研究細(xì)胞膜(或人造膜)等雙分子層上嵌合通道通透性的重要工具[1]。越來越多的實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了膜片鉗記錄設(shè)備，廣泛用于細(xì)胞膜離子通道電流的測(cè)量、細(xì)胞分泌、藥理學(xué)、病理生理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等各個(gè)方面[5]。

膜片鉗系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的膜片鉗電學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展成為復(fù)雜的聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)，包括膜片鉗單細(xì)胞記錄系統(tǒng)、膜電容記錄系統(tǒng)、光解釋放系統(tǒng)、熒光測(cè)鈣系統(tǒng)，加藥灌流系統(tǒng)，顯微操作系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)[4]。各種噪聲和干擾的處理也變得更復(fù)雜了。我們?cè)��?jīng)在國(guó)內(nèi)的許多膜片鉗實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過安裝和噪聲處理。本文就膜片鉗系統(tǒng)中普遍存在的電學(xué)噪聲干擾(膜片鉗系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的噪聲分布)、機(jī)械干擾(記錄電極尖端的震顫或緩慢漂移)等問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了有效的處理方案，希望能對(duì)廣大從事膜片鉗技術(shù)的科研人員有所幫助.

1. 電學(xué)噪聲干擾分析及處理

電學(xué)噪聲可分為放大器內(nèi)部的內(nèi)源噪聲和來自放大器以外的外源噪聲。內(nèi)源噪聲一般都是非常低的，例如德國(guó)HEKA公司的EPC-9,EPC-10的噪聲指標(biāo)：探頭輸入端懸空，放大器Bessel濾波器，帶寬選擇DC-3 kHz，噪聲< 0.08 pA rms[8]。而美國(guó)Axon公司的AxoPatch200B使用探頭制冷技術(shù)，在相同條件下，噪聲更可低達(dá)< 0.06 pA rms[6]。

我們把其他的電學(xué)噪聲都可歸類為外源噪聲，這是膜片鉗系統(tǒng)中主要面臨的噪聲。我們從放大器探頭輸入端開始記錄觀察，可發(fā)現(xiàn)隨著插上電極夾持器、插上玻璃微電極、再放置到樣本上方、入水進(jìn)行封接等步驟的進(jìn)行，外源噪聲在逐級(jí)增加。我們可把外源噪聲歸類為：輻射噪聲，地環(huán)路噪聲，磁感應(yīng)噪聲[2]。

1.1 輻射噪聲及其處理措施

這是一類主要的噪聲。主要包括：實(shí)驗(yàn)室各種照明燈源和電源插座的工頻噪聲(50Hz)；計(jì)算機(jī)的高頻噪聲；各種發(fā)射設(shè)備例如手機(jī)的射頻噪聲等。輻射噪聲可以通過接地的導(dǎo)電屏蔽層來隔斷輻射路徑進(jìn)行削減。使用屏蔽籠可有效地屏蔽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外部大部分空間輻射噪聲。更詳細(xì)的處理措施見本文后面的討論。

1.2 地環(huán)路噪聲及其處理措施

屏蔽層阻擋隔離噪聲保護(hù)了探測(cè)設(shè)備，而屏蔽層本身卻因?yàn)槌惺芰溯椛湓肼暥�積累了電荷，這些電荷需要通過“接大地”來釋放。在屏蔽層的形成過程中，我們有時(shí)也借用了“接地”這個(gè)術(shù)語，其實(shí)際的含義是將所有屏蔽部分用金屬導(dǎo)線連接起來，形成等電位的屏蔽層以降低電荷流動(dòng)形成的噪聲，然后將所有連接在一起的屏蔽層與放大器的信號(hào)地相連，最后將放大器的信號(hào)地連接在墻上交流插座的電源地(安全地)或單獨(dú)的自埋接地線[3]。要避免出現(xiàn)多點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地會(huì)在不同的接地點(diǎn)出現(xiàn)細(xì)微的電位差，從而在屏蔽層中產(chǎn)生電流形成地環(huán)路噪聲。一旦出現(xiàn)環(huán)路，磁場(chǎng)就可能進(jìn)一步增強(qiáng)這個(gè)環(huán)路的噪聲。

1.3 磁感應(yīng)噪聲及其處理措施

當(dāng)一個(gè)變化的磁通量切割一個(gè)環(huán)路線圈時(shí)，就會(huì)發(fā)生磁感應(yīng)，并在線路中產(chǎn)生電流。這最有可能在電源的電磁鐵的附近發(fā)生，并可以通過其波形來識(shí)別，其波形有非正弦的形狀，頻率是工頻(50Hz)的高次諧波。將電源遠(yuǎn)離敏感電路可以削減這種噪聲。如果這不可能，嘗試使用雙絞線以削減磁通量切割的面積，例如可以將放大器的信號(hào)地線與探頭電纜構(gòu)成雙絞線。

2. 降低電學(xué)噪聲的測(cè)試

2.1 初步處理

我們?cè)贖EKA-EPC9/10膜片鉗記錄系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試。首先構(gòu)造一個(gè)單點(diǎn)接地的“等電位系統(tǒng)”。準(zhǔn)備一個(gè)多孔銅棒或多端子厚銅板做等“電位節(jié)點(diǎn)”，然后將屏蔽籠、Newport防震臺(tái)金屬板面、OlympusIX71顯微鏡體、Burleigh-PCS5200微操控制器和微操機(jī)架、MPS加藥系統(tǒng)控制器和加藥系統(tǒng)機(jī)架等設(shè)備的“機(jī)箱地”各通過一根(只能是一根)導(dǎo)線連接到等“電位節(jié)點(diǎn)”上。再將放大器的“信號(hào)地”通過一根導(dǎo)線連接到“等電位節(jié)點(diǎn)”上。我們對(duì)輻射噪聲，磁感應(yīng)噪聲，地環(huán)路噪聲進(jìn)行了初步的處理。然后在該條件下對(duì)系統(tǒng)的噪聲進(jìn)行初步測(cè)試，測(cè)試條件見圖1-1，數(shù)據(jù)見表1中Fig.1-1行。后兩個(gè)噪聲數(shù)據(jù)明顯偏高。我們判斷從周圍環(huán)境中拾取在噪聲仍是主要原因。屏蔽籠內(nèi)的各個(gè)設(shè)備是獨(dú)立的輻射源，由于迭加效應(yīng)，會(huì)某些位置會(huì)出現(xiàn)輻射增強(qiáng)點(diǎn)。為了降低這些輻射點(diǎn)對(duì)電極工作位置(一般是樣本上方，顯微鏡聚光鏡下方)的影響，我們考慮在chamber和電極周圍再放置第二層屏蔽。

2.2 加強(qiáng)局部屏蔽

第一步，阻擋來自chamber下方的噪聲。利用顯微鏡上的某些擴(kuò)展螺孔，將接地的屏蔽層延伸到chamber的下方，只保留足夠的空間用于移動(dòng)chamber。并用接地錫箔紙屏蔽環(huán)繞探頭的輸入端(圖1-2)。對(duì)噪聲的改善見表1中Fig.1-2行。第二步，為了消除來自chamber上方的干擾。用接地錫箔紙形成漏斗狀，只保留一個(gè)孔通過照明光(圖1-3)。對(duì)噪聲的改善見表1中Fig.1-3行。第三步，我們將chamber的大部分位置用接地的錫箔紙包起來，以消除chamber周圍的噪聲，并將漏斗狀錫箔紙拉低，形成了一個(gè)環(huán)繞樣本的接地窗簾(圖1-4)。對(duì)噪聲的改善見表1中Fig.1-4行，噪聲得到了明顯的改善。

圖 1.　 探頭噪聲測(cè)試的優(yōu)化過程。

1-1：起始探頭位置；1-2,1-3：屏蔽來自chamber下方和上方的噪聲；1-4：chamber被完全屏蔽。

表 1. 不同屏蔽條件下的噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)(單位：pA RMS)


2.3 定位屏蔽籠內(nèi)的干擾源

當(dāng)探頭旋轉(zhuǎn)到接地屏蔽窗簾的邊緣時(shí)，離開局部屏蔽的保護(hù)，我們觀察到噪聲明顯增加到1.2pA RMS，表明屏蔽籠內(nèi)還存在較強(qiáng)的輻射源。屏蔽籠內(nèi)的各種輔助設(shè)備，例如顯微鏡、微操、加藥灌流系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)，都是潛在的輻射源。這些輔助設(shè)備應(yīng)該使用金屬的機(jī)箱對(duì)其內(nèi)部元件構(gòu)成良好屏蔽，并且采用直流供電。使用交流供電的設(shè)備或功率較大的設(shè)備都應(yīng)盡可能放置到屏蔽籠外面，或盡可能縮短電源線在屏蔽籠內(nèi)的長(zhǎng)度。雖然顯微鏡光源用是直流電源，但仍有相當(dāng)可觀的交流耦合。電源線中流動(dòng)的電流強(qiáng)度變化或頻率變化都會(huì)產(chǎn)生很明顯的輻射噪聲，因此只要可能，就應(yīng)使用細(xì)金屬網(wǎng)或錫箔紙等包裹電源線，形成一個(gè)附加的屏蔽層。灌流加藥系統(tǒng)灌注溶液進(jìn)入chamber的管子也需要屏蔽。從探頭到主放大器的探頭電纜，最好能再進(jìn)行屏蔽，并且將放大器的信號(hào)地線與探頭電纜構(gòu)成雙絞電纜。所有的信號(hào)線都應(yīng)使用帶屏蔽的BNC電纜，所有屏蔽層都必須導(dǎo)通以形成等電位點(diǎn)并最終連接到一個(gè)公共接地端子上。這些處理措施基本上可以消除主要的輻射干擾。

我們將探頭作為一個(gè)探測(cè)天線，幫助檢查屏蔽籠內(nèi)的噪聲分布和方向，發(fā)現(xiàn)接光電聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)中的光電管方向輻射較大。在將光電管的殼體和電源線用錫箔紙包裹后，噪聲從1.2pA RMS下降到0.57pA RMS。按照類似的方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仔細(xì)的檢查和充分屏蔽，噪聲下降到0.215pA RMS。當(dāng)探頭回到局部屏蔽保護(hù)范圍時(shí)，噪聲則恢復(fù)到0.11pA RMS的水平。

2.4 討論

在做局部屏蔽時(shí)，要注意避免出現(xiàn)多點(diǎn)接地。但在實(shí)際操作中，常常由于不清楚儀器內(nèi)部的接地電路而導(dǎo)致多點(diǎn)接地。例如BNC的屏蔽層通常和儀器信號(hào)地互通，而不同儀器的信號(hào)地可能被連接在分離的電源地上。如果斷開BNC屏蔽層或者斷開某些電源地線，就可能消除環(huán)路。

在膜片鉗系統(tǒng)中“接地端子”可以分成兩種：一種是信號(hào)地(Signal GND)：這一般由放大器提供，是放大器信號(hào)的0V參考點(diǎn)。另一種機(jī)箱地(Chassis GND)：一般與整個(gè)機(jī)箱導(dǎo)通；有些設(shè)備上往往沒有預(yù)先設(shè)置好的機(jī)箱地，這時(shí)可以選擇機(jī)箱上某個(gè)裸露金屬部分例如螺絲做接點(diǎn)。機(jī)箱地一般與三芯插座的“電源安全接地”互通。如果交流供電系統(tǒng)的“電源安全接地”是接大地的，則整個(gè)機(jī)箱也就接大地了。我們強(qiáng)調(diào)必須要檢查供電系統(tǒng)的“安全地線”是否真正的接了大地。因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)有些實(shí)驗(yàn)室的“電源安全接地”是懸空的，其他房間的強(qiáng)電設(shè)備如果也使用此懸空的“電源安全接地”，一旦強(qiáng)電設(shè)備漏電，就會(huì)對(duì)所有使用這個(gè)“安全地”的設(shè)備造成威脅。

3. 機(jī)械干擾分析及處理

在膜片鉗系統(tǒng)中，導(dǎo)致電極尖端的機(jī)械震動(dòng)和漂移是兩種主要的機(jī)械干擾。

3.1 隔離系統(tǒng)震動(dòng)

震動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致封接失敗和記錄錯(cuò)誤。引起震動(dòng)或晃動(dòng)主要是來自地面的垂直震動(dòng)、空氣流動(dòng)和聲波振動(dòng)。具有良好緩沖性能的防震臺(tái)可以有效隔離來自地面的垂直震動(dòng)[2]。對(duì)于防震臺(tái)上方的各種震動(dòng)波動(dòng)干擾，可以在屏蔽籠內(nèi)部使用一層丙烯酸塑料環(huán)繞以阻斷空氣流動(dòng)，并用填充泡末塑料，以消除聲音振動(dòng)的影響。如果實(shí)驗(yàn)室在地下室，或者選擇半夜做實(shí)驗(yàn)，可以避免白天的許多震動(dòng)來源。

3.2 防止系統(tǒng)漂移

在膜片鉗實(shí)驗(yàn)中使用的記錄微操必須堅(jiān)固緊湊，其移動(dòng)部分(包括微操、夾持器、電極尖端、chamber中的細(xì)胞)應(yīng)盡可能短。微操應(yīng)最好直接安裝在顯微鏡加寬平臺(tái)上。放大器探頭應(yīng)直接固定在微操上，要極力避免頭重腳輕的結(jié)構(gòu)，防止產(chǎn)生慣性震顫。美國(guó)Burleigh公司PCS5000/6000系列壓電晶體微操和Sutter公司MP285系列馬達(dá)微操性能都非常優(yōu)良。而液壓驅(qū)動(dòng)的微操則由于液體的膨脹系數(shù)的緣故更容易發(fā)生漂移。在實(shí)驗(yàn)中，震動(dòng)干擾往往容易察覺到并能及時(shí)消除。而對(duì)緩慢的電極尖端的漂移，則困難得多，往往要花很長(zhǎng)時(shí)間來觀察和判斷[9]。漂移可定義為電極尖端相對(duì)細(xì)胞的移動(dòng)，在高放大倍數(shù)物鏡和CCD監(jiān)視系統(tǒng)中可以觀察到。引起電極漂移的原因可以是電極、探頭、夾持器、微操、固定裝置、顯微鏡體、顯微鏡平臺(tái)，甚至細(xì)胞樣本。一旦觀察到漂移，需要反復(fù)觀察判斷，以定位漂移原因。根據(jù)我們對(duì)PCS5000和MP285微操的分析和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，一般可按如下優(yōu)先順序檢查：

3.2.1 檢查溫度變化情況和使用的材料。

溫度是引起漂移的一個(gè)重要原因。例如將手掌靠近探頭夾持器，手掌的溫度就足以產(chǎn)生明顯的漂移。因此我們要使系統(tǒng)避開例如空調(diào)出風(fēng)口、窗戶、日照，以及其他任何冷熱源，使溫度變化盡可能小。并且在與電極尖端位置有關(guān)的機(jī)械連接范圍內(nèi)避免使用溫度敏感材料例如聚合材料。（部分物質(zhì)的膨脹系數(shù)：石英玻璃0.56，硅酸鹽玻璃3.2，不銹鋼12，鋁22）。石英玻璃的熱穩(wěn)定性最好[11]。鋁也不錯(cuò)，它有高熱導(dǎo)率，能快速散熱。當(dāng)使用同一種材料時(shí)，緩慢溫度變化造成的膨脹是一致的，不至于產(chǎn)生明顯的漂移。但在某些極端敏感的情況下，甚至需要用反光塑料來隔離實(shí)驗(yàn)人員的體溫對(duì)系統(tǒng)的影響。

3.2.2 檢查所有的機(jī)械連接。

我們可以抓住探頭輕微嘗試在所有方向上來回快速移動(dòng)。如果手指感覺到細(xì)微的卡拉聲，說明系統(tǒng)某處有松動(dòng)。另一個(gè)測(cè)試是輕輕敲打顯微鏡并觀察電極尖端，如果電極過分顫動(dòng)，表明問題來自固定微操的平臺(tái)。

3.2.3 檢查探頭和電極夾持器。

我們卸下探頭，將玻璃電極直接固定在微操上，可檢查電極尖端是否漂移。我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，大多數(shù)漂移都是探頭和電極夾持器導(dǎo)致的。為了消除施加負(fù)壓的膠皮管對(duì)夾持器的應(yīng)力，需要選擇盡可能軟且輕的加膠皮管并固定在探頭或懸掛以消除重力的影響。Axon公司早期的探頭HL-1/2使用的是無螺紋固定的夾持器，固定依靠錐形特弗隆插頭和插座的摩擦力，在多次使用后，摩擦引起特弗隆變形而使這種連接變得不穩(wěn)定。Axon后來改進(jìn)的HL-U，使用了螺紋連接，但旋上HL-U時(shí)切忌過分用力緊固，否則特弗隆螺紋的緩慢松弛會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的漂移。HEKA公司的夾持器非常穩(wěn)定。HEKA使用了一個(gè)優(yōu)質(zhì)BNC插頭來固定夾持器到探頭上。這種連接配合緊密，機(jī)械穩(wěn)定性非常好。HEKA還加長(zhǎng)了螺帽，并在螺帽中插入了一個(gè)圓柱，該圓柱可以精確引導(dǎo)和固定兩個(gè)O型圈，以消除在夾持器內(nèi)的電極移動(dòng)。第三個(gè)在金屬針尾端的O型圈可以防止整個(gè)夾持器相對(duì)BNC插座的移動(dòng)，該設(shè)計(jì)還保證了當(dāng)施加負(fù)壓時(shí)，不會(huì)引起電極移動(dòng)。

3.2.4 檢查電纜的應(yīng)力。

我們需要確保微操各個(gè)軸能夠全程平滑移動(dòng)，這可以檢查微操驅(qū)動(dòng)器是否工作正常，移動(dòng)軸有沒有阻礙。要保證所有電纜是自由放置的，沒有給微操施加作用力。更換電極時(shí)，微操和探頭電纜都有明顯扭動(dòng)，這會(huì)產(chǎn)生剩余應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力慢慢釋放時(shí)就會(huì)導(dǎo)致漂移。如果觀察到的漂移在幾分鐘內(nèi)有幾個(gè)微米，漂移可能就來自電纜應(yīng)力。我們可將微操電纜盤成柔軟的大圈環(huán)，并使所有電纜在微操直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)都是松軟的。在微操運(yùn)行時(shí)，電纜不能被擠壓拉伸。我們還可以將所有的電纜都垂直支持懸掛在微操的中心線上方，可以最小化應(yīng)力。

4. 小結(jié)

本文主要討論了膜片鉗記錄系統(tǒng)中的電學(xué)噪聲和機(jī)械干擾問題。我們仔細(xì)分析了各種干擾的來源，并給出了許多有效的解決措施。這是我們近些年來安裝調(diào)試多套HEKA和Axon系列膜片鉗系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。我們的分析結(jié)論和處理方法，對(duì)于國(guó)內(nèi)許多膜片鉗實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，具有參考價(jià)值。膜片鉗單通道記錄對(duì)低噪聲、低震動(dòng)和低漂移的要求是非常高的，因此本文對(duì)于常規(guī)電生理記錄系統(tǒng)，也具有一定參考意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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