杨　煜，　李金成，　吕若谷，　安　钢

(吉林大学 a.基础医学院；b. 公共卫生学院，长春 130021)

0　引　言

在生理学研究中，生物体内带电离子通过细胞膜上蛋白质流动产生的离子通道的电流处在pA到nA的数量范围之内，将微弱的电流信号通过高分辨、低噪声、高保真的电流-电压转换放大器变为电压信号后才能被示波器观察或被计算机进行采样、处理和分析。采用膜片钳技术，可利用负反馈电子线路，将微电极尖端吸附的细胞膜的电位固定在一定水平上，对通过通道的微小离子电流作动态或静态的观察。离子通道电流的测量是依靠膜片钳放大器来实现的，当尖端直径为1μm的玻璃微电极与细胞膜形成高阻封接后，根据单通道电流的特征，很容易得到对某种离子有选择性通透的单一的离子通道电流[1-4]。膜片钳放大器精密度高，价格昂贵，因此将膜片钳-离子通道测量实验应用于本科生教学受到样品准备时间长，操作复杂，及教学经费高等条件的制约[5-6]。利用计算机仿真技术模拟实验操作环境，对封接电阻检测电路，采用负压注射器的运动带动滑竿可变电阻来模拟封接过程的电阻变化[7-8]。研制出细胞膜离子单通道电流检测仿真实验教学设备，以达到低成本进行离子通道电流测量的实验教学目的(见图1)。该仪器设备已申报国家专利，专利号：201420248873x。

图1实验流程

1　设备硬件电路系统

在硬件设计上，可分为：封接电阻检测电路，控制、存储及接口电路，电源电路，输入键盘电路，微机通讯接口电路。分述如下。

(1)封接电阻检测电路。封接电阻检测电路有两种方法：① 真实电极的电阻。由于电极的电阻范围在几MΩ到几十MΩ，因此测量时需要前置放大器。由于实验是快速实验，在短时间内处理细胞和电极以达到顺利封接的成功率很小，故不采用这一方法，只用这种方法来实际测量电极的电阻。② 封接电阻检测电路的测量。利用封接时负压注射器的运动带动滑竿可变电阻来模拟封接过程的电阻变化(见图2)。图2中RX1为封接可变电阻，RX2和RX3是模拟给药控制可变电阻，测试是封接电阻还是模拟给药电阻通过输入键盘开关控制来选择。其输入键盘开关控制状态由液晶显示电路显示，选择LCD-8249液晶屏。

(2) 中央控制、存储及接口电路。中央控制选型TI 公司的超低功耗16 位单片机MSP430X413作为系统的微控制器(见图3的U2框)。该芯片采用低功耗设计有5种节电模式，电池可保持长时间的工作；采用16位的RISC精简指令集，两个带有捕获计时寄存器的16位定时器，60 KB的FLASH ROM，2 KB的RAM，48个可复用I/0引脚和两个通用同步/异步串行通信接口；器件片内有JTAG调试接口，无需仿真器和编程器，方便便携式设备应用。如图3所示，R9、D1、C7为复位电路，X1、C8、C9为晶振电路，U3液晶显示器，U4、U5、C11,C12为电源稳压电路，R14、C10为A/D转换电路，由于检测电阻并不需要实时性，所以采用软件的A/D方法。R14、C10是软件的A/D方法的冲放电的电容和电阻。

图2封接电阻检测电路

图3控制存储及接口电路

(3) 电源电路。本装置放大器需要+8 V、-8 V电源，MSP430单片机需要+3.7 V电源。所以电源设计由220 V稳压电源后有三路输出分别为+12 V、-12 V和+5 V。+12 V和-12 V再经7808和7908后分别输出+8 V和-8 V；+5 V经过LM317后输出+3.7 V。

(4) 输入键盘电路。采用矩阵式键盘，使用P6.0,P6.1,P6.2，P6.4,P6.5,P6.6，P6.7共7根口线12个按键,键盘为3×4格局，P6.0、P6.1为列线，P6.4、P6.5、P6.6、P6.7为行线。其中列线分别由上拉电阻上拉到VCC，在行线与列线的每个交界处有一个按键， 按键的两端分别接在行线和列线上。见图4电路所示。

(5) 微机通信接口电路。MSP430F413与上位机进行通信时，由于RS-232C标准规定:-3～-15 V表示逻辑“1”, + 3～+15 V表示逻辑“0”,这与MSP430F413的TTL电平不兼容，因此需要进行电平转换。本系统采用MAXIM公司的MAX232来实现电平转换，如图5所示。

图4输入键盘电路

图5通信电路

2　设备软件系统

软件系统分为MSP430监控软件(C语言编写)和微机显示分析处理软件(VB语言编写)[9-10]。

(1) MSP430监控软件可分为主控程序，电阻检测数模转换程序，键盘输入程序，液晶显示程序和微机通信程序。① 主控程序。开机后MSP430监控软件开始初始化电路板硬件(I/O口， A/D转换，液晶显示等)查询方式等待键盘输入，以便执行各种相应的功能。② 电阻检测数模转换程序。键盘输入测试封接电阻后，转入数模转换程序开始A/D转换，并将A/D转换的数值通过微机通信程序送入微机中。

(2)微机显示分析处理软件包括离子通道电流实时记录微机界面程序，封接电阻测试程序，接口电路及微机程序，离子通道电流的模拟程序和离子通道电流的分析程序5个部分。上述功能由windows窗口菜单选择。① 封接电阻测试功能。在封接实验操作过程中，封接电阻的变化数值通过接口电路RS-232实时输入微机中，在微机的windows窗口显示封接电阻数值和封接曲线，当封接电阻超过1 GΩ时，监测封接过程结束便可进入实验。② 单离子通道电流的模拟功能。输入采样频率，采样保持电压，采样屏数等实验操作的参数,然后鼠标单击开始按钮开始实验记录。微机将产生的单通道数据曲线，再加上随机干扰信号后，将实验数据显示在屏幕上。③ 全细胞离子通道电流模拟功能。输入最小钳制电压，最大钳制电压，钳制电压变化的间隔时间等实验操作的参数，开始实验记录，在通道数据库中选出相应的通道数据曲线，增加随机干扰信号后，将实验数据显示在屏幕上。④ 全细胞离子通道电流的分析功能。输入实验分析的时间，记录产生的电流电压据曲线。⑤ 单离子通道电流分析功能。输入实验分析的阈值参数，以便微机自动识别通道的开放和关闭，记录通道开放时间统计的曲线。

3　结　语

离子通道检测仿真实验仪器适合医、药学院和生命科学相关专业研究生及本科生的实验教学，应用膜片钳技术可直接观察离子通道开放、关闭的动力学特征,在记录单细胞电流和全细胞电流的基础上,进一步计算出细胞膜上的通道数和开放概率。利用封接电阻测试功能、全细胞离子通道电流的模拟功能、单离子通道电流的模拟功能、全细胞离子通道电流的分析功能和单离子通道电流的分析功能，学生可进行逼真的离子通道电流测量的操作和分析，实现了尖端实验技术应用于教学实验平台，充分培养了学生对离子通道电流实验的操作能力，深入理解离子通道异常与疾病的关系[11-15]，提升了理论认知能力和实验课教学水准。离子通道电流仿真实验教学设备的应用，给医学院校开展离子通道电流测量实验教学节约了大量的设备购置费用，同时提高了经济效益和社会效益。

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