Устройство для измерения токов через клеточную мембрану

 

Изобретение позволяет осуществлять измерение токов, протекающих через клетвчную мембрану при фиксированных напряжениях, и может быть исЯзя I пользовано в медицинских и физиологических исследованиях. Используют цифровую систему стабилизации напряжения на мембране с форсированным зарядом емкости мембраны от источника высокого напряжения, что позволяет повысить быстродействие устройства Устройство содержит последовательно соединенные предварительный усилитель 6, АЦП 7, комбинационный сумматор , регистр сдвига, ЦАП и сумматор 8, а также генератор 12 импульсов, преобразователь 16 код - временной интервал, инвертор 19, два элемента И 17 и 18, два ключевых элемента 14 и 15, два источника питания 20 и 21 :И измеритель 4 тока с индикатором 5. Напряжение мембраны снимается микроэлектродом 1, соединенным с входом усилителя 6, величина напряжения на i (Л

r г + ) г

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (gg 4 А 61 B 5/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ высокого напряжения, что позволяет повысить быстродействие устройства

Устройство содержит последовательно соединенные предварительный усилитель 6, АЦП 7, комбинационный сумматор, регистр сдвига, ЦАП и сумматор

8, а также генератор 12 импульсов, преобразователь 16 код — временной интервал, инвертор 19, два элемента

И 17 и 18, два ключевых элемента 14 и 15, два источника питания 20 и 21

: и измеритель 4 тока с индикатором 5.

Напряжение мембраны снимается микроэлектродом 1, соединенным с входом усилителя 6, величина напряжения на

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4078504/28-14 (22) 31.01.86 (46) 30.06.88. Бюл. № 24 (71) Институт океанологии им, П, П.Ширшова (72) Д.Л. Громенко (53) 615. 47 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР № 586899, кл. А 61 В 5/04, Буш А,B.Àâòîìàòèýàöèÿ исследования нейрональных мембран методом фиксации потенциала: Автореф. дис. на соиск. учен. степени кан-та техн. наук. Пущиног 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВ

ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ (57) Изобретение позволяет осуществлять измерение токов, протекающих через клеточную мембрану при фиксированных напряжениях, и может быть ися

„„SU„„1405814 A 1 пользовано в медицинских и физиологических исследованиях. Используют цифровую систему стабилизации напряжения на мембране с форсированным зарядом емкости мембраны от источника мембране задается цифровым кодом, который подается на один из входов комбинационного сумматора 8. Подает( ся напряжение на мембрану с помощью ( .микроэлектрода 2, соединенного с выходом сумматора 11. Заряд мембраны осуществляется путем подключения к

405814 ней на определенное время с помощью ключевых элементов 14 и 15 напряжений от источников питания,к второму входу сумматора 11. Напряжение на мембране можно изменять по заданному закону путем соответствующего измене- ния кодов на шине управления.

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано в автоматизированных системах,для исследования биологических клеток.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения токов че — 10 рез клеточную мембрану содержит микроэлектроды 1 и 2, общий электрод 3, измеритель 4 .тока, ндикатор 5, пред( варительный усилитель 6, аналого-цифровой преобразователь (ЛЦП) 7, .п-раз- i5 рядный комбинационный сумматор 8, (n+m) -разрядный регистр 9 сдвига, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)

10, аналоговый сумматор 11, генератор

12 импульсов, шину 13 управления, 20 ключевые элементы 1 4 и 15, преобразователь 16 код — временной интервал (ПКВ), элементы 17 и 18 И, инвертор

19 и источники 20 и 21 питания. . Устройство работает следующим образом. . Предварительный усилитель 6 с большим входным сопротивлением и малым уровнем собственных шумов обеспечивает через микроэлектрод 2 отведе — 30 ние потенциала клеточной мембраны.

Входное сопротивление измерителя 4 тока мало (не более 100 Ом), что позволяет пренебречь им в сравнении с сопротивлениями электродов и мембра- 35 ны. Преобразование выходного напряже— ния усилителя 6 в цифровую форму осуществляется при помощи АЦП 7. Абсолютная погрешность, возникающая при дискретизации аналоговвго сигнала, 0 в данном случае напряжения, не превьппает половины значения кванта или

2 шага дискретизации. Значение кванта в единицах преобразуемой величины . (hU) составляет вес единицы младшего разряда АЦП. Количество разрядов АЦП определяется из выражения: 2Umawc I а 2 .9 где П,„; максимальное значение напряжения (положительной и отрицательной полярностей на выходе усилителя 6, n — количество разрядов..

Комбинационный сумматор 8 производит сложение двух п-разрядных параллельных двоичных кодов, Для выполнения с помощью сумматора операции вычитания необходимо взять значение вычитаемой величины в дополнительном коде. Поэтому на сумматор 8 с выхода

АЦП поступает дополнительный код.

Разность двух величин: опорного напряжения, задаваемого и разрядным кодом, и напряжения с выхода усилителя

6 (равного напряжению на мембране) поступает на информационные входы регистра 9 сдвига в виде двоичного кода. Генератор 12 выполняет функцию

1 синхронизатора, задавая частоту повторения операции преобразования в

АЦП 7 и необходимую .задержку стробирующего сигнала на входе регистра

9 относительно сигнала выборки АЦП.

При необходимости изменежия коэффициента передачи устройства двоичный код, записанный в регистре 9, умножают или делят на некоторое число 2

9 где m — число разрядов, на которое будет сдвинуто вправо или влево исходное двоичное число в регистре 9.

При длине кода < n ЦАП 10 формирует

1405814

ПпК

Ъ» и ЬП (2) где Q — значение единицы младшего

0 разряда ЦАП;

dU — значение единицы мледшего разряда АЦП.

Структура устройства обеспечивает оперативное управление величиной коэффициента передачи устройства, а цифровое кодовое управление, осуществляемое по шине 13, позволяет формировать на мембране клетки напряжение любой формы в широком частотном диапазоне.

55 .Таким образом, в устройстве обеспечивает автоматическое поддержание заданного в цифровом коде на шине 13 управления напряжения на мембране, пропорциональное этому коду напряжение, которое через аналоговый сумматор 11 и микроэлектрод 1 поступает в биологическую клетку. Если длина кода в регистре 9 превышает п разрядов, включается преобразователь 16 код — временной интервал, форьярующий на своем выходе импульс с длительностью, пропорциональной коду на 1ð входе ПКВ 16. Импульс с выхода ПКВ поступает через один из двух элементов 17, 18 и на вход управления ключевыми элементами 14 и 15, открывая один из них. Напряжение 100 В от ис- 15 точника 20 или 21 со знаком "+" или поступает через открытый ключевой элемент 14 или 15, сумматор 11 и микроэлектрод 1 на клетку. После заряда емкости мембраны уменьшается величи- 2р на двоичного кода в регистре 9, соответствующая. разности между опорным напряжением и напряжением на мембране клетки, что приводит к выключению

IIKB 16 и ключевого элемента 14 или 15,25

Таким образом, на время действия переходного процесса, связанного с зарядом емкости мембраны и заканчивающегося установлением напряжения на мембране равного опорному, на мем- З0 брану с выхода устройства поступает высокое напряжение (до 100 В). При этом обеспечивается формированный" режим быстрого заряда емкости мембраны.

Коэффициент передачи К устройства в статистическом режиме определяет точность стабилизации напряжения на мембране и может быть найден из выражения 40 а повышение быстродействия достигается форсированным зарядом емкости мембраны.

Формула изобретения

Устройство для измерения токов через клеточную мембрану, содержащее два микроэлектрода и общий электрод, предварительный усилитель, вход которого соединен с первым микроэлектродом, аналого-цифровой преобразователь, аналоговый вход которого подключен к выходу предварительного усилителя, генератор импульсов, первый выход которого подключен к входу управления аналого-цифрового,преобразователя, последовательно соединенные измеритель тока, вход которого соединен с общим электродом, и инди- катор и цифроаналоговый преобразователь, о т л и ч а ю щ,е е с я тем, что, с. целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены

I и-разрядный комбинационный сумматор, преобразователь код — временной интервал, аналоговый сумматор, инвертор, два элемента И, первый и второй источник питания, подключенные соответственно через первый и второй ключевые элементы к второму входу аналогового сумматора, и (n+m)-разрядный регистр сдвига, (и+1) параллельных информационных входов которого подключены к соответствующим выходам комбинационного. сумматора, первые и входов которого соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а вторые и входов комбинационного сумматора подключены к кодовым шинам управления, параллельный (и+1)-разрядный выход регистра сдвига подключен к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, а остальные (m-1) разряды регистра соединены с соответствующи-. ми входами преобразователя код - временной интервал, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых, в свою очередь, подключены к входам управления первого и второго ключевых элементов соответственно, при этом второй вход первого элемента И подключен к выходу "Знак" аналогоцифрового преобразователя непосредст венно, а второй вход второго элемен1405814

Составитель А. Фальцман

Техред M.Äèäûê Корректор С.Черни

:.Редактор М.Бандура

Заказ 3128/6 Тираж 655 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 та И через инвертор, второй выход генератора импульсов соединен с пер.вым входом управления регистра сдвига, второй вход управления которого под—

5 ключен к соответствующей шине, выход

1 цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу аналогового сумматора, выход которого соединен с вторым микроэлеКтродом, вход "Знак" цифроаналогового преобразователя подключен к выходу "Знак" аналого-цифрового преобразователя, выход которого является одновременно цифровым входом устройства.