文摘
膜夹技术是一个重要的工具来反映细胞的电生理特性通过记录细胞的离子电流通道。嵌入式系统在系统设计为特定的用户组,用于实现特定的功能。膜夹放大器由嵌入式技术具有小型化、专业化、低功耗、高集成、高资源利用率,和很长的生命周期,可以避免开发人员和实验者的不便由于通用计算机软件和硬件的更新。摘要膜片钳放大器(PCA)提出了基于互阻抗放大器(TIA),其中包括一个玻璃微电极串联电阻/电容补偿电路和反馈电阻的寄生电容补偿。原型设计使用180纳米CMOS技术和占地面积 。原型实现互阻抗增益为145.6 dB-Ohm, 3 dB带宽大于15 kHz,输入参考噪声电流13.98改。实验结果表明,该主成分分析能够补偿30 pF电极电容和10米Ω分别串联电阻的86%。此外,当启用了反馈电阻寄生电容补偿电路,过冲现象消失,克服传统膜片钳放大器电流钳的缺陷和维护原来的关键性能。
1。介绍
膜片钳放大器的设计始于1970年代末,逐步成为1980年代后电生理测量的核心仪器。它最初被设计成检测弱微微安培(10 - 12)在个别离子通道电流与高阻屏蔽技术(1),因此,它的核心是一个高度敏感,超低噪声电流-电压转换器(2]。最初只适合电压钳实验,和能够被用于电流钳实验中,传统的膜片钳放大器负反馈的方法被用来使细胞膜电流跟踪当前刺激信号。因为它不是一个直流钳和电压测量所需电流钳实验中,负面反馈电流钳的设计显示了固有的缺点,主要是在当前的形式夹错误和膜电位测量信号的失真和畸变。在1996年和1998年,Magistretti做了一个详细的分析这个问题的3,4),提出了考虑膜片钳放大器作为一个“黑匣子”来估计系统类型和响应的膜片钳放大器的控制和响应外部电路模型。膜片钳放大器的系统类型和参数估计的控制和响应外部电路模型。在此基础上估计,各种类型的错误产生的电流钳的传统膜片钳放大器。他提出了一个改进方案(5),但没有报告改善的结果。本文所做的工作,另一方面,分析了失真的根源在当前夹和膜电位测量响应的传统膜片钳传统膜片钳放大器的内部结构,进行必要的补充和修正Magistretti的分析。
膜夹是一种有效的方法来测量细胞离子电流(6]。这种方法被广泛用于生理学研究细胞的生理功能,记录当前细胞膜离子通道的变化(7]。单通道的离子电流通常pA的顺序;在全细胞记录,电流的总和所有细胞膜上的离子通道的电流的振幅几个nA (8]。这需要一个低杂讯放大器感觉这样弱离子电流,也可以用于纳米孔传感应用程序(9]。如图1在全细胞记录,由夹紧和细胞膜之间的电位差信号,细胞离子通道的离子电流流过一个玻璃微电极,然后检测电路。将电流转换为电压进行进一步处理,电流-电压转换通常可以实现的互阻抗放大器(TIA) [10]。
在全细胞记录,当前的振幅是几nanoamps带宽10 kHz,与TIA和TIA使连续时间记录电阻值在几米的范围Ω年代(11,12]。在传统的CMOS工艺,高抗性占据了大面积的布局和生成明显大的寄生参数影响电路的稳定性(13]。典型的电极电阻的值的范围在5 - 20米Ω。在测量过程中,电流流经电极引起的电压降这个阻力,导致细胞内的电压偏离理想的钳位电压(14,15]。电极有一个大的寄生电容,这将产生重大影响的稳定电路。
本文的组织结构如下:部分2首先简要描述了该膜片钳放大器(PCA)的总体结构,然后开发反馈电阻的电路细节寄生电容补偿和玻璃微电极系列电阻/电容补偿,这部分还分析了PCA的噪声模型和运算放大器;部分3实验结果显示整个PCA,其次是总结部分4。总结了结论部分4。
2。主成分分析
我们提出一个PCA与三个补偿功能全细胞离子电流检测。如图2,我们的主成分分析包括四子块:(1)TIA;(2)postamplifier将离子电流转换为电压;(3)电容补偿反馈电阻;和(4)电阻/电容补偿电路电极。表1显示了典型参数的全细胞记录实验和PCA的设计参数。
TIA的第一阶段执行命令电压钳位电压( )关于实验。当一个控制电压( )应用外部,细胞生成的离子电流转换为一个输出电压通过TIA和postamplifier。补偿电路是用于补偿寄生微电极的电阻和电容,和DAC(数模转换器)补偿电路采用调整补偿比例。DAC的数字输入是由外部提供的FPGA(现场可编程门阵列)。
2.1。寄生电容补偿的反馈电阻
如数据所示3和4,总反馈电阻( )和寄生电容( )分为段,因为这个聚合阻力会占据一个非常大的芯片面积的CMOS工艺和将推出大型之间的寄生电容由于寄生电容的存在聚合层和衬底底部。总寄生电容( )据估计,达到~ 8.24 pF。弱离子电流转换为一个输出电压的mV, TIA的电阻选择20米Ω。在传统方案,假设一个集总电容寄生效应模型和并行连接TIA的输入;然而,当需要精确的频率和瞬态模拟,使用这种简化的集总模型是不够的;因此,我们考虑一个分布式寄生模型。
验证分布式寄生模式的必要性,TIA的闭环传递函数与传统寄生模型和分布式寄生模型进行了分析和计算 和 ,分别。相应的电路如图4,放大器的寄生电容。为简单起见,获得( )的运放被认为是一个常数。TIA的传递函数是由
与 ,传递函数可以表示为
与 ,传递函数可以表示为
当设置 ,阻尼系数在(5)低于统一;因此,转移曲线有可能存在过度不描述由方程(1)。图5显示了闭环增益传递函数的TIA与不同的值 。一次是1,振幅几乎是平在感兴趣的频率范围内。在设置 ,获得超过开始出现。的价值必须增加稳定TIA。分布式寄生模型对系统的稳定性将会加剧。越大值,更糟糕的是系统的稳定性。因此,应该采用的补偿方法,确保电路稳定的前提下维持带宽。20米Ω多晶硅电阻器,当 ,分布式寄生模型的仿真结果比较接近。因此, 是固定在这种工作代表了寄生模式与大阻力。
如图6,大的反馈电阻分为4段,和在布局阶段,不同的 - - - - - -区域是根据这些片段。一个简单的源跟随器(SF)电路是用于每个部分的补偿,输入和输出的科幻subresistor节点及其之间的连接 - - - - - -良好的节点(16,17]。因为在传统电路,多晶硅电阻直接放置于p-substrate,既然p-substrate必须连接在最低的潜力,多晶硅电阻放在上面 - - - - - -嗯,寄生电容的底板,促进这个设计的电压调整。生成的波兰人反馈电阻及其寄生电容会转移到更高的频率,从而使电路更加稳定。因此,电压的 - - - - - -可以按照subresistor的电压,寄生电容的充电和放电效应消失,和寄生电容电路可以为零。
源跟随器可以启用或禁用研究补偿电路对测量的影响,因为科幻的推动力量是为了足以驱动感应之间的寄生电容 - - - - - -和基质,科幻是48 MHz的带宽,这是足以覆盖膜片钳放大器系统的带宽。
2.2。寄生电容补偿
考虑电极寄生电容的存在(可以使用一个简单的估计电压钳测量),当控制电压( )应用外部电压,充电/放电吗 ,导致巨大的瞬变电流,将会通过网络干扰输出电压的反馈。与此同时,寄生电容和电阻的反馈将形成一个低频极影响TIA的稳定性。由于这两个原因,赔偿是非常必要的。如图7电容器、电容补偿是通过连接( )与 ,和应用电压成正比在其他港口 ,的电流和在大小相等和相反的极性。
如图7,当应用,将遵循的变化 。8位R-2R DAC是用于设置成正比 。电容补偿功能可以通过调整改变的年代1 -年代8。根据电荷守恒
当(6)是满意,寄生电容的瞬变电流电极完全补偿。
2.3。串联电阻补偿
本系列电阻(可以使用一个简单的估计电压钳测量)电极的典型值在5 - 20 M的范围Ω,当电流流过电极,将生成电压降系列电阻器,还有一个膜电位之间的电压差和外部 。因为这个电压差复杂的对象研究细胞本身的电压/电流特性,为了缓解这个问题,微电极的串联电阻通常是测量实验前,及其影响是通过数字数据消除算法。然而,我们仍然需要考虑本系列电阻带来的另一个缺点。薄膜电容( )通常在10 - 100 pF, RC网络组成的和结果在一个时间常数的几个女士,减缓细胞的膜电位的建立改进的PCA和限制了带宽。因此,串联电阻补偿技术提出了纸(见图8)。
串联电阻补偿的基本原理是相对简单的。如图8,当是为了增加/减少,高/低电压钳需要弥补系列电阻器上的电压降,确保膜电位方法尽可能多的。因此,而不是直接应用TIA的noninvert输入,新的生成的总和吗按比例缩小的输出电压( )。输出电压调整比例因子的芯片上的DAC。和之间的电压差吗和分别前后电阻补偿。 在哪里就变成了和就变成了分别后电阻补偿。量化的有效性串联电阻补偿,补偿比例可以给
2.4。噪声分析
图9显示了TIA的噪声模型,以及输入等效电路。尽管PCA的噪声主要由TIA前端和电池电极网络,postamplifier的噪声可以忽略由于高增益前面TIA (18,19]。
TIA的噪声由两个主要组件组成,即反馈电阻器的电流噪声和输入噪声放大器本身,这是不相关的噪声来源;的功率谱密度等效输出噪声电压的TIA是写成 在哪里是运算放大器的等效输入噪声电压,它主要由闪烁噪声和热噪声的输入晶体管,反馈电阻的热噪声电压吗 ,和的电气模型的等效阻抗是细胞和电极。可以被定义为
cell-electrode网络贡献相当大的全细胞记录的背景噪音。当前的噪声功率谱cell-electrode网络可以表示为 在哪里玻尔兹曼常数和吗是绝对温度。因此,功率谱密度等效输入噪声电流的主成分分析可以获得
图10显示了当前噪声功率谱的模拟与总输入电流噪声功率谱。放大器的闪烁噪声是主要噪声源在低频率。在更高的频率,的主要组件吗 。
2.5。运算放大器
在低频段,噪声主要由晶体管的热噪声 噪声,热噪声温度和成正比 噪音是相反的频率(20.,21]。输入的cross-conductance微分对增加而cross-conductance电流镜晶体管的减少降低放大器的热噪声。减少 运算放大器的噪声,晶体管可以增加的大小,特别是输入差分对的大小。此外,PMOS输入被放置在一个单独的一对 - - - - - -从基质隔离噪音。表2总结了这种放大器的性能。图11显示了一个低噪声在PCA三级运算放大器。
3所示。实验结果
图12显示了PCA的芯片显微照片,一直在编造一个180纳米标准CMOS工艺和占有的核心区域 。图13显示了测试夹具的PCA, , ,和代表了寄生电容电极,电极串联电阻,分别和膜电容。细胞膜电阻( )太大,可以达到10 GΩ;因此,它在测试中被忽略。输出电压( )PCA和钳位电压( )连接到示波器。美国泰克AFG31252信号发生器提供了电压信号并将其转换成电流通过R。
图14描述了测量频率响应我们的主成分分析。这分数145.6 dB-Ohm增益。和3 dB带宽15.2 kHz。图15显示了PCA没有测量脉冲响应和反馈电阻的寄生电容补偿。正如预测的那样,寄生电容补偿电路大大减轻瞬态环的问题。
(一)
(b)
由于有限的示波器的输入电阻,测量电压是不准确的 。因此,捕获。测试配置,10 nA注入电流,导致100 mV电压降 。为了演示串联电阻补偿,控制电压( )改为50 mV(典型的0 - 100 mV)。预期的变化的总和和电压降 ;因此,膜电位的变化是一样的吗 。图16显示了串联电阻的影响补偿与不同的补偿比例。蓝色曲线代表的电压变化 。图(16日)代表了没有补偿。数据16 (b)- - - - - -16 (d)显示时的补偿效应补偿比例是20%,50%,和86%,分别。
(一)
(b)
(c)
(d)
图17概述了测量响应我们的主成分分析在使用寄生电容补偿。数据(17日)- - - - - -17日(d)表现出无报酬的,部分补偿,优化补偿,和效应。测量结果表明,我们的设计可以补偿30 pF电极寄生电容。
(一)
(b)
(c)
(d)
图18我们的主成分分析显示测量集成的输出噪声。等效输出噪声电压是478.881μ诉注意背景均方根噪声是397.96μV和需要减去。相当于输入电流噪声可以表示为
表3总结了主要的性能提出了PCA相比现有技术(22,23)和商业设备(Axopatch 200 b) (20.,24]。提出的设计显示了一个更广泛的带宽和更高的电容补偿和是唯一的设计,集成了一个玻璃微电极串联电阻/电容补偿电路和反馈电阻的寄生电容补偿。
4所示。结论
本文报道一种PCA与串联电阻补偿,微电极寄生电容补偿,和反馈电阻的寄生电容补偿全细胞离子电流检测。PCA的增益为145.6 dB-Ohm, 3 dB带宽超过15 kHz和13.98 pA的均方根噪声。它可以补偿电容和电阻的电极30 pF和86%的串联电阻,分别。反馈电阻的寄生电容补偿可以有效改善TIA的稳定性,可以消除输出电压过冲。
由于我的研究时间有限,经验不足,设计系统具有一定的缺陷,需要进一步改善。需要进一步研究的下一个开发人员。以下是未来工作的前景。(1)进一步改善应用程序的功能。这个应用程序只有一个简单的显示和缩放函数在这方面,和更多的功能可以被认为增加促进实验者分析结果(2)数据采集卡采样率的提高。当前数据采集卡可以在采样率低于100 k。当采样率高于100 k时,它将导致Linux调度问题和使数据错误。解决方案是增加RAM数据采集卡,数据首先存储在RAM中,然后读到应用程序在收购完成后由Linux调度。这个解决方案的硬件部分已经完成,和一个新的驱动程序需要设计解决采样率的问题(3)降噪。目前,测试数据采集卡的声音达到大约20 mV,之后使用稳压电源单独数字系统的一部分,噪音也10至20 mV,所以有必要进一步减少噪音(4)增加存储方法。膜片钳实验中经常需要很长时间和将会产生大量的数据,和系统闪存只有64米的空间。解决方案是使用一个USB闪存驱动器存储数据,和当前系统已经能够识别USB闪存驱动器,但是系统不自动挂载;您需要编写一个程序实现自动安装USB闪存驱动器。硬盘还可以用来存储数据,这不仅需要硬件支持,但还需要硬盘驱动程序的设计(5)网络控制。系统网络接口,可以访问网络传输文件。进一步的研究可以实现嵌入式系统使用网络的远程操作。通过建立一个服务器在嵌入式系统中,远程计算机发送控制命令,服务器给应用程序来处理,这些命令和运行应用程序的嵌入式系统也可以传输实验信息和实验数据到电脑端(6)提高嵌入式膜片钳放大器系统。目前,该系统已在硬件模块和软件模块的初步结果,下一步可以考虑将这些资源进行生物实验。相信在嵌入式技术的不断发展和日益广泛的应用膜片钳技术,嵌入的膜片钳放大器系统将有一个更广泛的使用前景
数据可用性
使用的实验数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突的这方面的工作。