EPC-10膜片钳放大器的使用

EPC 10膜片钳放大器的使用

EPC 10膜片钳放大器的使用

一、概述

德国HEKA公司生产的EPC（Extracellular patch clamp）系列放大器的早期型号为EPC 5，这是世界上最早的膜片钳放大器。此后陆续升级为EPC 7、EPC 8、EPC 9和EPC 10，EPC 9和EPC 10为全电脑控制的膜片钳放大器。目前EPC放大器的最高版本为EPC 10膜片钳放大器（截至到2011年7月），有EPC 10 USB和EPC 10 Plus两大类机型。本文讲解EPC 10 USB的使用。

EPC 10 USB膜片钳放大器主要有如下应用：

? 单通道记录：可记录亚pA级的单离子通道电流。

? 低噪声全细胞膜片钳记录、电压钳/电流钳/低频电压钳（LFVC）记录：可记录全细胞膜各种离子

通道电流、细胞动作电位等。

? 传统细胞内记录：可记录动作电位、细胞放电等。

? 使用金属电极的场电位记录：如整体动物与脑片的诱发场电位记录。

? 突触长时程增强(LTP)/长时程抑制(LTD)记录：整体动物与脑片的LTP/LTD记录。

? 松散封接记录、人工脂膜离子通道、纳米孔等的记录：放大器探头有足够的大电流测量能力，最

大可测量2 μA的电流。

? 离子选择性测量：采用离子选择性电极检测溶液中某一离子浓度。 ? 电化学检测（伏安法/安培测量法）：如采用碳纤电极的细胞或膜片安培测量法，检测细胞某些物质

的释放。

? 细胞胞吞/胞吐或突触递质释放的研究：采用膜电容测定法，可测量因细胞胞吞、胞吐或突触递质

释放所引起的全细胞膜电容的微小变化。

EPC 10膜片钳放大器具有如下显著特点：

? 仪器面板的各个功能钮/键均为计算机控制，所有操作均在程序面板中通过鼠标与键盘进行。 ? 面板程序可在PC机（Windows 2000\\XP\\Vista操作系统）和苹果机（Mac OS 10.4 及以上版本操作

系统）上运行。

? 放大器本底噪声小于90 fA。

? 探头有三种反馈电阻，可测量的最大电流分别为200 pA (50 GΩ)、20 nA (500 MΩ)、2 μA (5 MΩ)，

测量范围满足绝大多数电生理实验信号的要求。

? 电极电容（快电容）和膜电容（慢电容）补偿可自动进行。

? 液接电位实现了自动校正，无需其他常见膜片钳放大器的手工计算与校正。

? 具有Lock-in放大器功能，可对膜电容微小变化进行精确检测，用于与膜面积有关的细胞分泌等的

研究。

? 通过软件扩展功能，可进行离子浓度荧光检测，实现光电联合检测。

EPC 10 USB主要具有如下四种机型：

1) EPC 10 USB：含有一个探头，为一台膜片钳放大器。

2) EPC 10 USB Double：含有两个探头，为两台组合在一起的EPC 10放大器。 3) EPC 10 USB Triple：含有三个探头，为三台组合在一起的EPC 10放大器。 4) EPC 10 USB Quadro：含有四个探头，为四台组合在一起的EPC 10放大器。

上述任何一种机型在机箱内都包含一个LIH 8+8 AD/DA转换器，提供4个DA输出通路，满足每个放大器同时输出刺激的需要；同时提供8个独立的AD通路，满足独立的放大器对电流、电压信号的输入。

对于含有多个放大器的EPC 10 USB机型，可通过放大器软件面板选择某一放大器，使其激活。被激活

- 1 -

EPC 10膜片钳放大器的使用

的放大器可接受软件设置的命令，并在放大器面板上通过Digital Bus绿灯显示，当有软件命令输出给放大器时，Digital Bus灯会闪烁。未被激活的放大器不能接受命令信号，但只要选择上，仍然可随时被激活。

以下介绍的是EPC 10 USB。

二、探头

（一）探头特点

（1）EPC 10的探头呈狭窄长条形，体积较小，这样设计的目的是为了在有限的显微镜工作距离下，便于记录电极的操作。

（2）探头表面有探头的序列号，如果是Double机及以上机型，探头表面还有“Probe 2”等字样。

（3）底部有能固定在微操纵器上的塑料底座适配器，可与绝大多数类型的微操纵器直接进行匹配。在购置某些微操纵器时，要注意选择与探头匹配的适配器。

（4）探头内部有一个电流-电压转换器（Current-to-voltage converter），即摄入电流，输出电压。这与一般的微电极放大器探头不同，后者摄入和输出的均为电压。

（5）探头具有5 MΩ、500 MΩ和50 GΩ三种反馈电阻，分别用于记录双分子层膜、松散封接模式、大细胞等的大电流（～2 μA），一般的全细胞电流（～20 nA）和单通道电流（～200 pA）。

（二）探头连线

（1） 信号输入端口：用聚四氟乙烯（Teflon，白色）绝缘的BNC插口，与电极夹持器（Holder）直接连接。

（2）地线连接口（GND）：为黑色插孔，承载高质量接地信号，用于将浴池（参比）电极接地，也可用于将探头附近的物体（如显微镜）、屏蔽设施等接地。该接地口通过探头电缆线与放大器前面板上的信号地（Signal GND）相连通。

（三）探头使用注意事项

? 在放大器开启的情况下，应尽量避免用手直接触碰信号输入端口，否则可能由于手上带有静电而损伤探头内部电路！在更换玻璃电极时，若一定要触碰信号输入端口，请一定先除去手上的静电（通过触摸其他金属物体，如屏蔽网等），再触碰信号输入端口。

? 若由于探头损坏而更换探头，则需要在连接新探头后对放大器进行校正，方法为：开启EPC 10，预热30 min后，放大器与探头均处于正常工作的温度。打开Patchmaster软件的EPC 10_USB菜单，选择Test and Calibrate条目，即可对EPC 10放大器进行全方位校正。校正的内容包括放大器软件面板上所有的数码开关和控制按钮，这些结果仅是针对正在被校正的放大器的，不适用于其他EPC 10放大器。校正的结果可存储为Scale.epc文件。该校正应该每隔半年进行一次，如果发现放大器的频响不准确或者偏移比较明显时，应随时进行校正。校正过程耗时5-10 min，依计算机的速度而异。放大器校正后，再用Re-Initialize EPC10_USB功能对放大器进行初始化。

三、电极夹持器

为了获得低噪声记录，电极夹持器必须直接插入探头中。不推荐将电极夹持器屏蔽的做法，因这样可引入更多的随机噪声（背景噪声可增加1-2倍），这些随机噪声来自夹持器塑料材质（聚碳酸酯）的非理想化绝缘特性和液体水膜上的热电压波动。金属的屏蔽物质可使更多的噪声通过电容耦合方式进入放大器探头，尤其是单通道记录更不能屏蔽夹持器。聚碳酸酯具有低介电损失性，若自己制作电极夹持器，要考虑采用低介电损失的材料，表面要具有疏水性，以防液膜的形成。聚碳酸酯是目前发现的符合上述特点的最佳材料。

使用电极夹持器时，将银丝（长度一般在4.5 cm）焊接在铜针上，后者插入探头BNC插口内。银丝表面需要镀上AgCl，可用含Cl离子的溶液（如100 mM KCl溶液或生理盐溶液）电镀（与铜针焊接处部位的

- 2 -

EPC 10膜片钳放大器的使用

银丝不要电镀）。

电极夹持器的噪声测定：将含有银丝电极的夹持器插入探头，探头用锡箔纸包裹，采用放大器的Noise Test功能测量噪声。良好的夹持器应该只增加噪声10%左右，例如从95到105 fA。

四、模型细胞

一般的膜片钳放大器均配备模型细胞，它的用途有如下两个：

（1）用于模拟真实细胞的膜反应，帮助初始者演练放大器各项功能的使用；

（2）用于检测放大器的功能是否正常，如果用模型细胞检测放大器时没有问题，则表明放大器功能是正常的。

与EPC 10放大器配备的是MC 10模型细胞，它通过BNC适配器与探头信号输入接口连接，通过另一根细线与探头GND接地口连接。其上有三个位置，通过扳手来选择：

? 10 M位置：模拟电极入浴液，电极电阻为10 MΩ。可模拟进行施加测试脉冲和补偿失调电位（如液

接电位等）。

? 中间的位置：模拟电极与细胞膜形成高阻封接，电极电容（及其他漂浮电容）为6 pF。可模拟进行

电极电容（C-fast）的补偿功能。

? 0.5G 位置：模拟形成了全细胞记录模式，串联电阻为5.1 MΩ，膜阻抗为500 MΩ（0.5 GΩ），膜电容

为～22 pF。可模拟进行膜电容（C-slow）的补偿功能和电流钳模式，还可用于检测软件Patchmaster编辑输出的刺激脉冲。

五、仪器面板 （一）前面板

1. Power Switch 电源开关。为让放大器能正确地初始化，一般是要先开启放大器电源开关，再打开采样软件（Patchmaster或TIDA）。当然，在忘记先开启放大器时，也可通过采样软件重新对放大器进行初始化。注意，在开始实验前，放大器需要预热至少15分钟。

2. Probe

用于连接探头。

3. Chassis Gnd (CHAS)

EPC 10 放大器的机壳地。与大多数仪器一样，该机壳地与电源地相连通。为避免形成地线环路，在放大器设计上，信号地与机壳地之间不直接连通，而是中间连接了一个10 Ω的电阻。

4. External Stim. Input CC

外部来源的电压刺激信号从这里输入，放大器会根据需要设定的比例转化为刺激电流， 可与放大器内部的电流刺激信号叠加，用于电流钳模式。

5. External Stim. Input VC

外部来源的电压刺激信号从这里输入，它们可与放大器内部的电压刺激信号叠加，用于电压钳模式。叠加的刺激信号通过2极滤波器滤波，以去除电压变化初始与结束时产生的跃迁，这避免了刺激命令处理电路出现非线性特性，同时也降低了电极电容快速充电时产生的电流瞬变值幅度。软件提供两个滤波等级（用10-90%瞬变值幅度上升时间表示）：2 μs（是防止放大器内部电路出现非线性化所需的最小上升时间）和20 μs（最适合于那些除了最快速测量以外的所有测量，用于降低电容瞬变值幅度）。

6. Voltage Monitor

将电极上的电压输出给监视系统（如示波器），该电压是将输出给电极的电压放大了10倍。该输出的阻抗为50 Ω。在Patchmaster的示波窗口中可显示原始的未被放大的信号。

7. Current Monitor

输出电极电流，该信号经过了在放大器软件面板中所设置的滤波器滤波。正电压与从电极输出的电流

- 3 -

EPC 10膜片钳放大器的使用

相对应。通常，左手边的输出（Filter 1）是经过放大器软件面板中Filter 1滤波后的输出，可输出给数据记录装置（如磁带记录仪等），用于记录宽频信号，如可记录单通道活动。右手边的输出（Filter 2）是经过放大器软件面板中Filter 2额外滤波后的输出，用于输出给示波器，监视整个实验过程（如封接、破膜等）。上述任何一种输出都可在软件Patchmaster的示波窗口中显示。

8. Signal GND

为香蕉插口，是高质量的信号地，可用做膜片钳系统中其他仪器的公共地。 9. Clipping

这是一个二极管指示灯，当放大器输入电流饱和时该指示灯亮。在电压钳实验中，电容充放电伪迹将被电脑去除，而去除过程只有在不出现饱和的情况下完成，该指示灯起到这样一个监督的作用。特别地，虽然通过滤波后输出的电压没有达到饱和，但如果滤波前输出的电压是饱和的，则该指示灯也会指示饱和！

10. Digital Bus

该指示灯显示计算机正发送数码信息到EPC 10放大器。 11. A/D Inputs

放大器内设的转换器（EPC 10采用LIH 1600，EPC 10 USB采用LIH 8+8）提供8个模拟/数码（A/D）输入通道，其中3个在仪器内部与EPC 10连接（若使用EPC 10 Double或EPC 10 Triple，则分别有5或7个与放大器在内部连接）。剩余的输入通道可提供给其他应用程序软件，如Patchmaster可利用这些通道监测从温度传感器、压力传感器或其他传感器的输出。

12. Trigger In

外部触发信号输入口。当在采样软件Patchmaster中的Pulse Generator选择Trigger Series或Trigger Sweeps时，外部触发信号通过该输入口触发放大器进行数据采集。

13. Trigger Output

TTL触发输出。有3个输出，用于使其他设备与膜片钳实验同步化. 14. D/A Outputs

提供3个数码/模拟（D/A）信号输出通道（0-2），它们携带如下信号： DA-0 - Free (C-slow during Cap. Track)

DA-1 - Free (G-series during Cap. Track) DA-2 – Free

在Patchmaster采样软件的Capacitance-Tracking模式，DA-0和DA-1接口可作为特殊用途的输出口，这可在软件中设定。如果在EPC 10放大器软件面板中执行Cap Track功能，则DA-0将输出C-slow数值，DA-1将输出G-series（=1/R-series）的数值。上述数值是以电压形式输出的，G-series的转换因子为100 nS/V，C-slow的分别是0.5、5或50 pF/V（对应于30、100和1000 pF范围的电容值）。DA-2通常用于触发示波器或隔离器。

注意：（1）当在软件面板中使用Reset时，上述输出的数值将都变为0。（2）当需要使用软件面板Cap Track功能时，不能将DA-0和DA-1用做触发信号的输出。（3）这3个接口是输出口，千万不要将刺激信号从这里输入。

（二）后面板

EPC 10 USB后面板上有2个25针的连接口、1个40针的连接口和4个通信输入器口，用于放大器与其他设备的连接。

1. USB

接计算机USB 2.0口，连接放大器软件与EPC 10 USB主机。在连接有多个EPC 10 USB放大器时，为使采集时钟同步化，需要将一个放大器的MASTER SYNC和另一个放大器的SLAVE SYNC用标准CAT5网线连接，而且该线要求越短越好。

2. DIGTAL IN

从外部设备来的TTL逻辑电路的触发信号输入口，为25针的输入口。

- 4 -

EPC 10膜片钳放大器的使用

3. DIGTAL OUT

TTL逻辑电路的数字信号输出口，为25针的输入口。用于输出触发信号给其他设备，如给药灌流系统。第21-23针输出的触发信号也可通过前面板的TRIGGER INPUT/OUTPUT中的OUT 0至OUT 2输出。

4. Digital IN/OUT

只用于和HEKA公司的其他设备连接，如连接EPC 8或TIB 14到EPC 10 USB放大器。为40针的输入/输出口。

5. TELEGRAPH INPUTS

4个通信输入器插口，用于将EPC10 USB放大器的滤波频率（Frequency）、所测膜电容（Cm）、增益（Gain）大小等信息输出给软件。

6. AUX DAC 辅助数模通路。 7. SOUND 声音输出口。 8. Power

电源线插口，输入电压有90-210 V和220-250 V两个交流电范围段，可自动调节。保险丝的规格是1mA。

六、软件面板 （一）主要功能

1. 单机与多机

无论单机还是多机，都共用一个LIH 8+8型AD/DA转换器。该转换器提供4个DA通道（可允许同时输出4个刺激信号）、8个AD通道（可同时摄取不同放大器的8个电压或电流信号）。当前正在激活的放大器可通过仪器前面板上的Digital Bus绿灯在闪亮判断出来。

当使用EPC 10 Double、Triple或Quadro放大器时，软件面板会显示“1. Amplifier、2. Amplifier，…”等。点击其中任何一个放大器，则将激活该放大器，显示为红色。各放大器的设置是互不影响、相互独立的。

2.Gain

电流输出的增益。数值范围为0.005- 2000 mV/pA，分为三档：0.005-0.002、0.5-20和50-2000 mV/pA，分别对应于探头5MΩ、500MΩ和50GΩ的反馈电阻，用于记录不同范围大小的电流（见下表）。当选择不同Gain数值（通过键盘上的上下箭头或拖动鼠标来选择）时，软件会自动选择相对应的探头反馈电阻的大小来通过电流。

低范围的Gain用于双层膜、松散封接膜片和大细胞的实验，在这类实验中，记录的电流比较大（可高达2 μA左右），电容补偿可达1 nF，可补偿小至10 Ω的串联电阻。中范围的Gain主要用于一般大小的细胞的全细胞记录，记录的电流范围可达20 nA，电容补偿可达1000 pF，可进行串联电阻补偿和电流钳记录模式，背景噪声比高范围Gain的噪声大，但提供100 kHz的频带宽。高范围Gain用于单通道记录，其噪声极低，但记录的最大电流大约在200 pA以内，最大频带宽约为60 kHz，但是一些在中范围Gain情况下的功能不能使用（如电容补偿最大为100pF、电流钳模式不能使用等）。

表. EPC 10 增益Gain的三个范围 Gain（mV/pA） 对应的反馈电阻大小 电压钳模式能够测量的最大电流 电流钳模式能够输出的最大电流 低范围 0.005-0.002 5 MΩ ±2 μA ±100 nA 中范围 0.5-20 500 MΩ ±20 nA ±10 nA 高范围 50-2000 50 GΩ ±200 pA --- - 5 -

搜索“diyifanwen.net”或“第一范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，第一范文网，提供最新高中教育EPC-10膜片钳放大器的使用 全文阅读和word下载服务。