膜片鉗系統(tǒng)的電學噪聲、機械震動、和機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，目前已經發(fā)展成為復雜的光機電聯合應用系統(tǒng)。在應用過程中普遍存在著電學噪聲干擾(膜片鉗系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的噪聲)、機械干擾(記錄電極尖端的震顫或緩慢漂移)。本文詳細討論并分析了這些問題，并給出有效的解決方案，對整個系統(tǒng)進行了優(yōu)化。
關鍵詞: 膜片鉗，電學噪聲，機械震動，電極漂移
膜片鉗單通道記錄系統(tǒng)是研究細胞膜(或人造膜)等雙分子層上嵌合通道通透性的重要工具[1]。越來越多的實驗室引進了膜片鉗記錄設備，廣泛用于細胞膜離子通道電流的測量、細胞分泌、藥理學、病理生理學、神經科學、腦科學、細胞生物學、分子生物學等各個方面[5]。
膜片鉗系統(tǒng)已經從傳統(tǒng)的膜片鉗電學檢測系統(tǒng)發(fā)展成為復雜的聯合檢測系統(tǒng)，包括膜片鉗單細胞記錄系統(tǒng)、膜電容記錄系統(tǒng)、光解釋放系統(tǒng)、熒光測鈣系統(tǒng)，加藥灌流系統(tǒng)，顯微操作系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)[4]。各種噪聲和干擾的處理也變得更復雜了。我們曾經在國內的許多膜片鉗實驗室進行過安裝和噪聲處理。本文就膜片鉗系統(tǒng)中普遍存在的電學噪聲干擾(膜片鉗系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的噪聲分布)、機械干擾(記錄電極尖端的震顫或緩慢漂移)等問題進行了詳細分析，并給出了有效的處理方案，希望能對廣大從事膜片鉗技術的科研人員有所幫助.
1. 電學噪聲干擾分析及處理
電學噪聲可分為放大器內部的內源噪聲和來自放大器以外的外源噪聲。內源噪聲一般都是非常低的，例如德國HEKA公司的EPC-9,EPC-10的噪聲指標：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Axon公司的AxoPatch200B使用探頭制冷技術，在相同條件下，噪聲更可低達< 0.06 pA rms[6]。
我們把其他的電學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、入水進行封接等步驟的進行，外源噪聲在逐級增加。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：實驗室各種照明燈源和電源插座的工頻噪聲(50Hz)；計算機的高頻噪聲；各種發(fā)射設備例如手機的射頻噪聲等。輻射噪聲可以通過接地的導電屏蔽層來隔斷輻射路徑進行削減。使用屏蔽籠可有效地屏蔽實驗系統(tǒng)外部大部分空間輻射噪聲。更詳細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了探測設備，而屏蔽層本身卻因為承受了輻射噪聲而積累了電荷，這些電荷需要通過“接大地”來釋放。在屏蔽層的形成過程中，我們有時也借用了“接地”這個術語，其實際的含義是將所有屏蔽部分用金屬導線連接起來，形成等電位的屏蔽層以降低電荷流動形成的噪聲，然后將所有連接在一起的屏蔽層與放大器的信號地相連，最后將放大器的信號地連接在墻上交流插座的電源地(安全地)或單獨的自埋接地線[3]。要避免出現多點接地，多點接地會在不同的接地點出現細微的電位差，從而在屏蔽層中產生電流形成地環(huán)路噪聲。一旦出現環(huán)路，磁場就可能進一步增強這個環(huán)路的噪聲。
1.3 磁感應噪聲及其處理措施
當一個變化的磁通量切割一個環(huán)路線圈時，就會發(fā)生磁感應，并在線路中產生電流。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地線與探頭電纜構成雙絞線。
2. 降低電學噪聲的測試
2.1 初步處理
我們在HEKA-EPC9/10膜片鉗記錄系統(tǒng)中進行了測試。首先構造一個單點接地的“等電位系統(tǒng)”。準備一個多孔銅棒或多端子厚銅板做等“電位節(jié)點”，然后將屏蔽籠、Newport防震臺金屬板面、OlympusIX71顯微鏡體、Burleigh-PCS5200微操控制器和微操機架、MPS加藥系統(tǒng)控制器和加藥系統(tǒng)機架等設備的“機箱地”各通過一根(只能是一根)導線連接到等“電位節(jié)點”上。再將放大器的“信號地”通過一根導線連接到“等電位節(jié)點”上。我們對輻射噪聲，磁感應噪聲，地環(huán)路噪聲進行了初步的處理。然后在該條件下對系統(tǒng)的噪聲進行初步測試，測試條件見圖1-1，數據見表1中Fig.1-1行。后兩個噪聲數據明顯偏高。我們判斷從周圍環(huán)境中拾取在噪聲仍是主要原因。屏蔽籠內的各個設備是獨立的輻射源，由于迭加效應，會某些位置會出現輻射增強點。為了降低這些輻射點對電極工作位置(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chamber。并用接地錫箔紙屏蔽環(huán)繞探頭的輸入端(圖1-2)。對噪聲的改善見表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，只保留一個孔通過照明光(圖1-3)。對噪聲的改善見表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，形成了一個環(huán)繞樣本的接地窗簾(圖1-4)。對噪聲的改善見表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試數據(單位：pA RMS)
2.3 定位屏蔽籠內的干擾源
當探頭旋轉到接地屏蔽窗簾的邊緣時，離開局部屏蔽的保護，我們觀察到噪聲明顯增加到1.2pA RMS，表明屏蔽籠內還存在較強的輻射源。屏蔽籠內的各種輔助設備，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。這些輔助設備應該使用金屬的機箱對其內部元件構成良好屏蔽，并且采用直流供電。使用交流供電的設備或功率較大的設備都應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的長度。雖然顯微鏡光源用是直流電源，但仍有相當可觀的交流耦合。電源線中流動的電流強度變化或頻率變化都會產生很明顯的輻射噪聲，因此只要可能，就應使用細金屬網或錫箔紙等包裹電源線，形成一個附加的屏蔽層。灌流加藥系統(tǒng)灌注溶液進入chamber的管子也需要屏蔽。從探頭到主放大器的探頭電纜，最好能再進行屏蔽，并且將放大器的信號地線與探頭電纜構成雙絞電纜。所有的信號線都應使用帶屏蔽的BNC電纜，所有屏蔽層都必須導通以形成等電位點并最終連接到一個公共接地端子上。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探測天線，幫助檢查屏蔽籠內的噪聲分布和方向，發(fā)現接光電聯合檢測系統(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，對整個系統(tǒng)進行了仔細的檢查和充分屏蔽，噪聲下降到0.215pA RMS。當探頭回到局部屏蔽保護范圍時，噪聲則恢復到0.11pA RMS的水平。
2.4 討論
在做局部屏蔽時，要注意避免出現多點接地。但在實際操作中，常常由于不清楚儀器內部的接地電路而導致多點接地。例如BNC的屏蔽層通常和儀器信號地互通，而不同儀器的信號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：一種是信號地(Signal GND)：這一般由放大器提供，是放大器信號的0V參考點。另一種機箱地(Chassis GND)：一般與整個機箱導通；有些設備上往往沒有預先設置好的機箱地，這時可以選擇機箱上某個裸露金屬部分例如螺絲做接點。機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，則整個機箱也就接大地了。我們強調必須要檢查供電系統(tǒng)的“安全地線”是否真正的接了大地。因為我們發(fā)現有些實驗室的“電源安全接地”是懸空的，其他房間的強電設備如果也使用此懸空的“電源安全接地”，一旦強電設備漏電，就會對所有使用這個“安全地”的設備造成威脅。
3. 機械干擾分析及處理
在膜片鉗系統(tǒng)中，導致電極尖端的機械震動和漂移是兩種主要的機械干擾。
3.1 隔離系統(tǒng)震動
震動會直接導致封接失敗和記錄錯誤。引起震動或晃動主要是來自地面的垂直震動、空氣流動和聲波振動。具有良好緩沖性能的防震臺可以有效隔離來自地面的垂直震動[2]。對于防震臺上方的各種震動波動干擾，可以在屏蔽籠內部使用一層丙烯酸塑料環(huán)繞以阻斷空氣流動，并用填充泡末塑料，以消除聲音振動的影響。如果實驗室在地下室，或者選擇半夜做實驗，可以避免白天的許多震動來源。
3.2 防止系統(tǒng)漂移
在膜片鉗實驗中使用的記錄微操必須堅固緊湊，其移動部分(包括微操、夾持器、電極尖端、chamber中的細胞)應盡可能短。微操應最好直接安裝在顯微鏡加寬平臺上。放大器探頭應直接固定在微操上，要極力避免頭重腳輕的結構，防止產生慣性震顫。美國Burleigh公司PCS5000/6000系列壓電晶體微操和Sutter公司MP285系列馬達微操性能都非常優(yōu)良。而液壓驅動的微操則由于液體的膨脹系數的緣故更容易發(fā)生漂移。在實驗中，震動干擾往往容易察覺到并能及時消除。而對緩慢的電極尖端的漂移，則困難得多，往往要花很長時間來觀察和判斷[9]。漂移可定義為電極尖端相對細胞的移動，在高放大倍數物鏡和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，甚至細胞樣本。一旦觀察到漂移，需要反復觀察判斷，以定位漂移原因。根據我們對PCS5000和MP285微操的分析和實際使用經驗，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生明顯的漂移。因此我們要使系統(tǒng)避開例如空調出風口、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的機械連接范圍內避免使用溫度敏感材料例如聚合材料。（部分物質的膨脹系數：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，它有高熱導率，能快速散熱。當使用同一種材料時，緩慢溫度變化造成的膨脹是一致的，不至于產生明顯的漂移。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驗人員的體溫對系統(tǒng)的影響。
3.2.2 檢查所有的機械連接。
我們可以抓住探頭輕微嘗試在所有方向上來回快速移動。如果手指感覺到細微的卡拉聲，說明系統(tǒng)某處有松動。另一個測試是輕輕敲打顯微鏡并觀察電極尖端，如果電極過分顫動，表明問題來自固定微操的平臺。
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。我們根據經驗判斷，大多數漂移都是探頭和電極夾持器導致的。為了消除施加負壓的膠皮管對夾持器的應力，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后來改進的HL-U，使用了螺紋連接，但旋上HL-U時切忌過分用力緊固，否則特弗隆螺紋的緩慢松弛會導致嚴重的漂移。HEKA公司的夾持器非常穩(wěn)定。HEKA使用了一個優(yōu)質BNC插頭來固定夾持器到探頭上。這種連接配合緊密，機械穩(wěn)定性非常好。HEKA還加長了螺帽，并在螺帽中插入了一個圓柱，該圓柱可以精確引導和固定兩個O型圈，以消除在夾持器內的電極移動。第三個在金屬針尾端的O型圈可以防止整個夾持器相對BNC插座的移動，該設計還保證了當施加負壓時，不會引起電極移動。
3.2.4 檢查電纜的應力。
我們需要確保微操各個軸能夠全程平滑移動，這可以檢查微操驅動器是否工作正常，移動軸有沒有阻礙。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，微操和探頭電纜都有明顯扭動，這會產生剩余應力，當這些應力慢慢釋放時就會導致漂移。如果觀察到的漂移在幾分鐘內有幾個微米，漂移可能就來自電纜應力。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動和旋轉運動范圍內都是松軟的。在微操運行時，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，可以最小化應力。
4. 小結
本文主要討論了膜片鉗記錄系統(tǒng)中的電學噪聲和機械干擾問題。我們仔細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試多套HEKA和Axon系列膜片鉗系統(tǒng)的經驗總結。我們的分析結論和處理方法，對于國內許多膜片鉗實驗室進一步優(yōu)化系統(tǒng)，具有參考價值。膜片鉗單通道記錄對低噪聲、低震動和低漂移的要求是非常高的，因此本文對于常規(guī)電生理記錄系統(tǒng)，也具有一定參考意義。
參 考 文 獻
[1] E Neher ,B Sakman. The Patch Clamp Technique. Sci . Amer . ,1992 ,Mar :44 ～51
[2] Rivka Sherman-Gold,, The Axon Guide for Electrophysiology Techniques, Axon Instruments, Inc.,1993,19-23.
[3] 周專,康華光.膜片鉗系統(tǒng)的噪聲分析[J ] ; 中國生物醫(yī)學工程學報,1992 ,11(2) :128 - 137.
[4] 康華光.細胞電生理與膜片鉗技術[J ]; 中國醫(yī)療器械雜志, 2000, 24 (3) : 155- 160.
[5] 婁雪林,周專.康華光單通道和全細胞記錄技術[J]; 中國醫(yī)療器械雜志, 2000, 24(4): 221- 226.
[6] Axon, Axopatch200B_manual_Rev_D, 2001, Specifications, 103-105.
[7] Axon, MultiClamp700B_manual_Rev_C, 2004, Specifications, 141-146.
[8] HEKA , Low-Noise Recording, Heka EPC10_manual, 2003, 66-68.
[9] Pipette Drift Sources and Solutions for Patch Clamp Recording Experiments, Burleigh Instruments , Inc. Application Note
[10] Richard A, Rae, JamesL, Low-Noise PatchClamp Techniques. Methods Enzymology. 1998, 293:218-266
[11] F.Sachs., A Low Drift Micromanipulator Holder, European Journal of Physiology 1995, 429:434-435.
關鍵詞: 膜片鉗，電學噪聲，機械震動，電極漂移
膜片鉗單通道記錄系統(tǒng)是研究細胞膜(或人造膜)等雙分子層上嵌合通道通透性的重要工具[1]。越來越多的實驗室引進了膜片鉗記錄設備，廣泛用于細胞膜離子通道電流的測量、細胞分泌、藥理學、病理生理學、神經科學、腦科學、細胞生物學、分子生物學等各個方面[5]。
膜片鉗系統(tǒng)已經從傳統(tǒng)的膜片鉗電學檢測系統(tǒng)發(fā)展成為復雜的聯合檢測系統(tǒng)，包括膜片鉗單細胞記錄系統(tǒng)、膜電容記錄系統(tǒng)、光解釋放系統(tǒng)、熒光測鈣系統(tǒng)，加藥灌流系統(tǒng)，顯微操作系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)[4]。各種噪聲和干擾的處理也變得更復雜了。我們曾經在國內的許多膜片鉗實驗室進行過安裝和噪聲處理。本文就膜片鉗系統(tǒng)中普遍存在的電學噪聲干擾(膜片鉗系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的噪聲分布)、機械干擾(記錄電極尖端的震顫或緩慢漂移)等問題進行了詳細分析，并給出了有效的處理方案，希望能對廣大從事膜片鉗技術的科研人員有所幫助.
1. 電學噪聲干擾分析及處理
電學噪聲可分為放大器內部的內源噪聲和來自放大器以外的外源噪聲。內源噪聲一般都是非常低的，例如德國HEKA公司的EPC-9,EPC-10的噪聲指標：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Axon公司的AxoPatch200B使用探頭制冷技術，在相同條件下，噪聲更可低達< 0.06 pA rms[6]。
我們把其他的電學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、入水進行封接等步驟的進行，外源噪聲在逐級增加。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：實驗室各種照明燈源和電源插座的工頻噪聲(50Hz)；計算機的高頻噪聲；各種發(fā)射設備例如手機的射頻噪聲等。輻射噪聲可以通過接地的導電屏蔽層來隔斷輻射路徑進行削減。使用屏蔽籠可有效地屏蔽實驗系統(tǒng)外部大部分空間輻射噪聲。更詳細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了探測設備，而屏蔽層本身卻因為承受了輻射噪聲而積累了電荷，這些電荷需要通過“接大地”來釋放。在屏蔽層的形成過程中，我們有時也借用了“接地”這個術語，其實際的含義是將所有屏蔽部分用金屬導線連接起來，形成等電位的屏蔽層以降低電荷流動形成的噪聲，然后將所有連接在一起的屏蔽層與放大器的信號地相連，最后將放大器的信號地連接在墻上交流插座的電源地(安全地)或單獨的自埋接地線[3]。要避免出現多點接地，多點接地會在不同的接地點出現細微的電位差，從而在屏蔽層中產生電流形成地環(huán)路噪聲。一旦出現環(huán)路，磁場就可能進一步增強這個環(huán)路的噪聲。
1.3 磁感應噪聲及其處理措施
當一個變化的磁通量切割一個環(huán)路線圈時，就會發(fā)生磁感應，并在線路中產生電流。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地線與探頭電纜構成雙絞線。
2. 降低電學噪聲的測試
2.1 初步處理
我們在HEKA-EPC9/10膜片鉗記錄系統(tǒng)中進行了測試。首先構造一個單點接地的“等電位系統(tǒng)”。準備一個多孔銅棒或多端子厚銅板做等“電位節(jié)點”，然后將屏蔽籠、Newport防震臺金屬板面、OlympusIX71顯微鏡體、Burleigh-PCS5200微操控制器和微操機架、MPS加藥系統(tǒng)控制器和加藥系統(tǒng)機架等設備的“機箱地”各通過一根(只能是一根)導線連接到等“電位節(jié)點”上。再將放大器的“信號地”通過一根導線連接到“等電位節(jié)點”上。我們對輻射噪聲，磁感應噪聲，地環(huán)路噪聲進行了初步的處理。然后在該條件下對系統(tǒng)的噪聲進行初步測試，測試條件見圖1-1，數據見表1中Fig.1-1行。后兩個噪聲數據明顯偏高。我們判斷從周圍環(huán)境中拾取在噪聲仍是主要原因。屏蔽籠內的各個設備是獨立的輻射源，由于迭加效應，會某些位置會出現輻射增強點。為了降低這些輻射點對電極工作位置(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chamber。并用接地錫箔紙屏蔽環(huán)繞探頭的輸入端(圖1-2)。對噪聲的改善見表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，只保留一個孔通過照明光(圖1-3)。對噪聲的改善見表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，形成了一個環(huán)繞樣本的接地窗簾(圖1-4)。對噪聲的改善見表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試數據(單位：pA RMS)
2.3 定位屏蔽籠內的干擾源
當探頭旋轉到接地屏蔽窗簾的邊緣時，離開局部屏蔽的保護，我們觀察到噪聲明顯增加到1.2pA RMS，表明屏蔽籠內還存在較強的輻射源。屏蔽籠內的各種輔助設備，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。這些輔助設備應該使用金屬的機箱對其內部元件構成良好屏蔽，并且采用直流供電。使用交流供電的設備或功率較大的設備都應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的長度。雖然顯微鏡光源用是直流電源，但仍有相當可觀的交流耦合。電源線中流動的電流強度變化或頻率變化都會產生很明顯的輻射噪聲，因此只要可能，就應使用細金屬網或錫箔紙等包裹電源線，形成一個附加的屏蔽層。灌流加藥系統(tǒng)灌注溶液進入chamber的管子也需要屏蔽。從探頭到主放大器的探頭電纜，最好能再進行屏蔽，并且將放大器的信號地線與探頭電纜構成雙絞電纜。所有的信號線都應使用帶屏蔽的BNC電纜，所有屏蔽層都必須導通以形成等電位點并最終連接到一個公共接地端子上。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探測天線，幫助檢查屏蔽籠內的噪聲分布和方向，發(fā)現接光電聯合檢測系統(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，對整個系統(tǒng)進行了仔細的檢查和充分屏蔽，噪聲下降到0.215pA RMS。當探頭回到局部屏蔽保護范圍時，噪聲則恢復到0.11pA RMS的水平。
2.4 討論
在做局部屏蔽時，要注意避免出現多點接地。但在實際操作中，常常由于不清楚儀器內部的接地電路而導致多點接地。例如BNC的屏蔽層通常和儀器信號地互通，而不同儀器的信號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：一種是信號地(Signal GND)：這一般由放大器提供，是放大器信號的0V參考點。另一種機箱地(Chassis GND)：一般與整個機箱導通；有些設備上往往沒有預先設置好的機箱地，這時可以選擇機箱上某個裸露金屬部分例如螺絲做接點。機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，則整個機箱也就接大地了。我們強調必須要檢查供電系統(tǒng)的“安全地線”是否真正的接了大地。因為我們發(fā)現有些實驗室的“電源安全接地”是懸空的，其他房間的強電設備如果也使用此懸空的“電源安全接地”，一旦強電設備漏電，就會對所有使用這個“安全地”的設備造成威脅。
3. 機械干擾分析及處理
在膜片鉗系統(tǒng)中，導致電極尖端的機械震動和漂移是兩種主要的機械干擾。
3.1 隔離系統(tǒng)震動
震動會直接導致封接失敗和記錄錯誤。引起震動或晃動主要是來自地面的垂直震動、空氣流動和聲波振動。具有良好緩沖性能的防震臺可以有效隔離來自地面的垂直震動[2]。對于防震臺上方的各種震動波動干擾，可以在屏蔽籠內部使用一層丙烯酸塑料環(huán)繞以阻斷空氣流動，并用填充泡末塑料，以消除聲音振動的影響。如果實驗室在地下室，或者選擇半夜做實驗，可以避免白天的許多震動來源。
3.2 防止系統(tǒng)漂移
在膜片鉗實驗中使用的記錄微操必須堅固緊湊，其移動部分(包括微操、夾持器、電極尖端、chamber中的細胞)應盡可能短。微操應最好直接安裝在顯微鏡加寬平臺上。放大器探頭應直接固定在微操上，要極力避免頭重腳輕的結構，防止產生慣性震顫。美國Burleigh公司PCS5000/6000系列壓電晶體微操和Sutter公司MP285系列馬達微操性能都非常優(yōu)良。而液壓驅動的微操則由于液體的膨脹系數的緣故更容易發(fā)生漂移。在實驗中，震動干擾往往容易察覺到并能及時消除。而對緩慢的電極尖端的漂移，則困難得多，往往要花很長時間來觀察和判斷[9]。漂移可定義為電極尖端相對細胞的移動，在高放大倍數物鏡和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，甚至細胞樣本。一旦觀察到漂移，需要反復觀察判斷，以定位漂移原因。根據我們對PCS5000和MP285微操的分析和實際使用經驗，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生明顯的漂移。因此我們要使系統(tǒng)避開例如空調出風口、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的機械連接范圍內避免使用溫度敏感材料例如聚合材料。（部分物質的膨脹系數：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，它有高熱導率，能快速散熱。當使用同一種材料時，緩慢溫度變化造成的膨脹是一致的，不至于產生明顯的漂移。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驗人員的體溫對系統(tǒng)的影響。
3.2.2 檢查所有的機械連接。
我們可以抓住探頭輕微嘗試在所有方向上來回快速移動。如果手指感覺到細微的卡拉聲，說明系統(tǒng)某處有松動。另一個測試是輕輕敲打顯微鏡并觀察電極尖端，如果電極過分顫動，表明問題來自固定微操的平臺。
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。我們根據經驗判斷，大多數漂移都是探頭和電極夾持器導致的。為了消除施加負壓的膠皮管對夾持器的應力，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后來改進的HL-U，使用了螺紋連接，但旋上HL-U時切忌過分用力緊固，否則特弗隆螺紋的緩慢松弛會導致嚴重的漂移。HEKA公司的夾持器非常穩(wěn)定。HEKA使用了一個優(yōu)質BNC插頭來固定夾持器到探頭上。這種連接配合緊密，機械穩(wěn)定性非常好。HEKA還加長了螺帽，并在螺帽中插入了一個圓柱，該圓柱可以精確引導和固定兩個O型圈，以消除在夾持器內的電極移動。第三個在金屬針尾端的O型圈可以防止整個夾持器相對BNC插座的移動，該設計還保證了當施加負壓時，不會引起電極移動。
3.2.4 檢查電纜的應力。
我們需要確保微操各個軸能夠全程平滑移動，這可以檢查微操驅動器是否工作正常，移動軸有沒有阻礙。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，微操和探頭電纜都有明顯扭動，這會產生剩余應力，當這些應力慢慢釋放時就會導致漂移。如果觀察到的漂移在幾分鐘內有幾個微米，漂移可能就來自電纜應力。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動和旋轉運動范圍內都是松軟的。在微操運行時，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，可以最小化應力。
4. 小結
本文主要討論了膜片鉗記錄系統(tǒng)中的電學噪聲和機械干擾問題。我們仔細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試多套HEKA和Axon系列膜片鉗系統(tǒng)的經驗總結。我們的分析結論和處理方法，對于國內許多膜片鉗實驗室進一步優(yōu)化系統(tǒng)，具有參考價值。膜片鉗單通道記錄對低噪聲、低震動和低漂移的要求是非常高的，因此本文對于常規(guī)電生理記錄系統(tǒng)，也具有一定參考意義。
參 考 文 獻
[1] E Neher ,B Sakman. The Patch Clamp Technique. Sci . Amer . ,1992 ,Mar :44 ～51
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[4] 康華光.細胞電生理與膜片鉗技術[J ]; 中國醫(yī)療器械雜志, 2000, 24 (3) : 155- 160.
[5] 婁雪林,周專.康華光單通道和全細胞記錄技術[J]; 中國醫(yī)療器械雜志, 2000, 24(4): 221- 226.
[6] Axon, Axopatch200B_manual_Rev_D, 2001, Specifications, 103-105.
[7] Axon, MultiClamp700B_manual_Rev_C, 2004, Specifications, 141-146.
[8] HEKA , Low-Noise Recording, Heka EPC10_manual, 2003, 66-68.
[9] Pipette Drift Sources and Solutions for Patch Clamp Recording Experiments, Burleigh Instruments , Inc. Application Note
[10] Richard A, Rae, JamesL, Low-Noise PatchClamp Techniques. Methods Enzymology. 1998, 293:218-266
[11] F.Sachs., A Low Drift Micromanipulator Holder, European Journal of Physiology 1995, 429:434-435.
