SU1058897A1 - Устройство дл измерени электрических параметров биологических мембран - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН, содержащее биоблок, блок управлени , св занный с генератором импульсов эталонного тока биоклеток и коммутатором каналов, подключенным к измерителю, повторители и усилители биопотенциала и регистратор, о тличающеес  тем, что, с целью повышени  надежности устройства в работе путем повышени  точности иэмер ений, оно дополнительно содержит блоки адаптивных аттеньюаторов, электронные ключи, блоки выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки , блок индикации и сигнализации, усилитель биопотенциала снабжен управл екв м элементом регулировани  коХэффициента передачи сигнала, вход каждого блока вьфаботки сигнала Потенциал действи  биоклетки св зан с выходом повторител  биопотенциала, один из выходов этого блока соединен с блоком индикации и сигнализации, а другой выход - с управл ющим входом электронного ключа, один из выг ходов блока адаптивного аттеньюатора подключен к управл емому элементу регулировани  коэффициента; передачи сигнала, другой - к регистратору, а вход этого блока св зан с выходом повторител  биопотенциала, электронный ключ управл емым входом подключен к выходу усилител  биопотенциала, а выходом - к регистратору и через коммутатор каналов к измерителю. ;. 2.Устройство поп. 1, о т л и- § чающеес  тем, что блок выра-j (Л ботки сигнала Потенциал действи  биоклетки выполнен в виде компаратора с резисторами уставки, блока вы- i держки времени, элемента И и выключател , при этом компаратор входом соединен с выходом повторител  биопотенциала , а выходом - с входом блока выдержки времени и одним из входов элемента И, другой вход которого СП соединен с выходом блока выдержки 00 00 времени, выход элемента И подключен к блоку индикации и сигнализации, а ерез выключатель - к управл  ад1ему со | входу электронного ключа. 3.Устройство по п. 2, отличающеес  тем, что компаратор блока выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки выполнен двухуровневым . 1

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  исследовани  химических свойств веществ, использующим вли ни воздействи  химических веществ на электрические параметры биологических мембран-, в частности биоклеток харовых водорослей, и может быть использовано дл  контрол  (оценки) токсичности природных и сточных вод, сбрасываемых в водные объекты после использовани  их в -оборотном водоснабжении предпри ти ми , цевтической, химической и др. от.раслей промьшшеннести. Известно устройство дл  измерени  электрических параметров биологических мембран, содержащее  чейку о потенциальными , токовыми и индифферент ными электродами, соединенную через потенциальный электрод последователь но с повторителем потенциала, дифференциальным усилителем, переключателем режима и токовым электродом, регул тор тока, соединенный через изме ритель тока с индифферентным электро дом, генератор опорных импульсов, соединенный с вторым входом дифферен циальрюго усилител , и генератор импульсов тока, соединенный с переключателем режимов j.J . Устройство позвол ет измер ть потенциалы биологических мембран, вели чину эталонных импульсов тока, прохо д щих через биоклетку, и при соответ ствующей обработке результатов измерений оценить токсичность воздейству ющих- на биоклетку химических веществ Однако при этом необходимо осущес вл ть внедрение микроэлектродов в би оклетку. Это травмирует биоклетку, снижа  процент пригодности биоклеток к эксперименту, требует, помимо определенного навыка у исследовател , дополнительного сложного оборудовани , например микроманипул тора и микроскопа, делает процесс подготовк биоклетки к эксперименту длительным, а устройство - не пригодным дл  экспрессного анализа химических веществ или оценки токсичности природных и сточных вод в цел х ранней диагности ки их загр знени . Недостатком  вл етс  также отсутствие автоматизации измерений электрических параметров биологических мембран. Известно устройство дл  измерени  электрических параметров биологических мембран, содержащее  чейку с потенциальным , токовым и индифферентным электродами, соединенную через потенциальный электрод последователь но с повторителем потенциала, дифференциальным усилителем, переключателем режима и токовым электродом, регистратор тока, соединенный через из меритель тока с индиффере.нтным элект родом, генератор опорных импульсов. соединенный с вторым входом дифференциального усилител , генератор импульсов тока, соединенный с переключателем режимов, буферный усилитель, включенный через первый электронный ключ параллельно дифференциальному усилителю, к выходу буферного усилител  подключено запоминающее устройство , а генератор опорных импульсов выполнен в виде генератора серии опорных импульсов, состо щего из пассивного делител  потенциалов и генератора импульсов управлени , выход которого соединен через второй электронный ключ с переключателем режимов Недостатками этого устройства  вл ютс  сложность конструкции, необходимость нарушени  целостности поверхности биоклетки, их травмирование с целью внедрени  в биоклетку микроэлектродов , св занна  с этим сложность подготовки биоклеток к проведению измерений их электрических параметров . Элементы автоматизации, введенные в устройство, не освобождают исследовател  от необходимости уделени  посто нного внимани  процессу измерений. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  электрических параметров биологических мембран, содержащее биоблок, блок управлени , св заН1 ный с генерэтором импульсов эталонного тока биоклеток и коммутатором каНалов , подключенным к измерителю, повторители и усилители биопотенциала и регистратор з . Недостатком этого устройства  вл етс  возможность участи  аномальных, или вышеди их из стро  в процессе измерени  (от воздействи  токсикантами ) биоклеток в измерительном процессе , что ведет к снижению достоверности получаегФ х результатов измерений,, определенным трудност м при анализе и.обработке неверных результатов измерений , а также снижению достоверности выводов, основа нныхна обработке искаженных результатов измерений. При контроле токсичности вод это приводит к получению ложных выводов об .уровне токсичности вод. В случае же, если эти выводы  вл ютс  одним из критериев управлени  работой технологического оборудовани  водных объектов (задвижек/ вентилей и т.д.), выдача ложных аварийных сигналов приведет к нарушению нормальной работы водного объекта. Целью изобретени   вл етс  повышение надежности работы устройства путем повышени  точности измерени .. Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  измерени  электрических параметров биологических мембран, содержав1ее биоблок, блок управлени , св занный с генератором импульсов эталонного тока биоклеток и коммутатором каналов, подключенным к измерителю, повторители и усилители биопотенциала и регистратор, дополнительно содержит блоки адаптд вных аттеньюаторов, электронные ключи, блоки выработки сигнала По-тенциал . действи  биоклетки, блок индикации «и сигнализации, усилитель биопотенциала снабжен управл емым элементам регулировани  коэффициента передачи сигнала, вход каждого блока выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки св зан с выходом повторител  биопотенциала, один из выходов этого блока соединен с блоком индикации и сигнализации, а другой выход - с управл ющим входом электрического ключа, один из выходов блока адаптивного аттеньюатора подключен к управл емому элементу регулировани  коэффициента передачи сигнала, другой - к регистратору , а вход этого блока св зан с выходом повторител  биопотенциала , электронный ключ управл емым входом подключен к выходу усилител  биопотенциала, а выходом - к регистратору и через коммутатор каналов к измерителю.

Блок выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки выполнен в виде компаратора с резисторами уставки , блока выдержки времени,, элемента И и выключател , причем компаратор входом соединен с выходом повторител  биопотенциала, а выходом с входом блока выдержки времени и одним из входов элемента И, другой вход которого соединен с выходом блока выдержки времени, выход элемента И подключен к блоку индикации и сигнализации, а через выключательк управл ющему входу электронного ключа.

Компаратор блока выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки выполнен двухуровневым.

На фиг. 1 представлена структурна  схема предлагаемого устройства на фиг. 2 - биоблок, общий вид; на фиг. 3 - электрическа  принципиальна  схема блока выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки, на фиг. 4 - электрическа  принципиальна  схема блока адаптивного аттеньюатора и электрическа  принципиальна  схема усилител  биопотенциала.

Устройство дл  измерени  электрических параметров биологических мембран включа ет биоблок 1, блок 2 управлени , генератор 3 импульсов эталонного тока биоклеток 4, усилители 5 биопотенциала, коммутатор 6 каналов измеритель 7, регистратор 8,

блоки 9 адаптивных аттеньюаторов, электронные кличи 10, блоки 11 выра-, бЪтки сигнала Потенциал действи  .биоклетки, блок 12 индикации и сиг- нализации.

в устройстве имеютс  N усилителей 5 биопотенциала, N блоков 9 адаптивных аттеньюаторов, Rэлектронных ключей 10 и N блоков 11 выработки сигнала Потенциал действи  биоклет0 ки.

Биоблок 1 имеет также N  чеек 13, кажда  из которых снабжена токовыми электродами 14 и погенциальными электродами 15, соединенными через

5 потенциальные элементы 16, переключатели 17 режима работы и повторитель Д8 биопотенциала с -соответствующим усилителем :5 биопотенциала, выходов генератора 3 импульсов эталонного тока биоклеток соеди20

нен с токовыми электродами 14, а другой выход - с регистраторов и через коммутатор 6 кангипов с измерителем 7, причем вход генератора 3 импульсов эталонного тока биоклеток

25 соединен с одним из выходов блока 2 управлени , другой выход блока 2 управлени  соединен с коммутатором 6 каналов.

Каждый из N усилителей 5 биопотенциала снабжен управл емым элементом 19 регулировани  коэффициента передачи .

Каждый из N блоков 11 выработки

сигнала Потенциал действи  биоклетки имеет компаратор 20 с резисторами 21 уставки, схему 22 выдержки времени, схему И 23 и выключатель 24. Вход компаратора 20 присоединен к выходу повторител - 18 биопотенциала j

выход компаратора 20 соединен с входом схемы 22 выдержки времени и одним из входов схемы И 23, другой вход схемы И 23 соединен с выходом схемы 22 выдержки времени. Выход схемы ТЛ

23 соединен с блоком 12 индикации и сигнализации и через, выключатель 24 с управл кадим входом 25 соответствующего электронного ключа 10.

Вход каждого из N блоков 9 адаптивного аттеньюатора соединен с выходом повторител  18 биопотенциала и входом соответствующего усилител  5 биопотенциала , а один из выходов блока 9 подключен к управл емому элементу 19

регулировани  коэффициента передачи, а другой выход блока 9 подключен к регистратору 8,

У кгикдого из N электронных ключей 10 управл емый вход 26 соединен с

ВЫХОДОМ соответствующего усилител  5 биопотенциала, а выход каждого электронного ключа 10 соединен .-с регнстратором 8 и через коммутатор 6 канашов с измерителем 7. t Компаратор 20 выполнен двухуровневым . Биоблок 1 (см. фиг. 2). содержит N  чеек 13 с камерами 27-30 в каждо В  чейке 13 размещена биоклетка 4, в которой используют клетку харовой водоросли. Камера 27 предназначена дн  заполнени  раствором 10 М КС I, камера 30 - дл  заполнени  искуственной прудовой водой, камера 29 и 28 .- дл  пропускани  соответственно экспериментального раствора и листиллирован ной , воды. Ячейки 13 имеют трубки подвода и слива раствора в каждой камере. Блок 9 адаптивных аттеньюаторов содержит пиковый детектор 31, компа раторы. 2 поддиапазонов измерени , схему 33 согласовани , дешифратор 3 схему 35 индикации поддиапазонов измерени . Блок, выработки сигнала Потенциал действи  (фиг. 3) содержит двухуровневый компарато 5 20 (два операционных усилител  и элемент 36 ИЛИ) с резисторами уставки 21, схему;22 выдержки времени, элемент И 23, выключатель 24, причем 37. - вход компа ратора 20, Выход двухуровневого компаратора соединен с входом схемы выдержки времени и одним из входов схе мы И 23, другой вход которой соединен с выходом схемы 22 выдержки времени , один из выходов 38 блока 11 выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки. Выход схемы И 23 через выключатель 24 соединен с выходом 39 блока 11 выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки и непосредственно с выходом 38. Вход 40 (см. фиг. 4)  вл етс  входом блока 9 адаптивного аттеньпатора и пикового детектора 31, выход последнего соединен одновременно с входом каждого из трех компараторов 41-43 соответствующего поддиапазона измерени . Выход каждого компаратора 41-4 поддиапазона, измерений чере схемы согласовани  на элементах 4446 И-НЕ св зан с дешифратором 34 и схемой 35 индикации поддиапазона измерени  на элементах 47-50, 51-54 выходы блока 9 адаптивного аттеньюатора . Регулируемый усилитель 55 биопотенциала (см. фиг. 4) содержит усилитель 5 биопотенциала, управл емый элемент 19 регулировани  коэффициента передачи, включенный в цепь отрицательной обратной св зи усилител , выход 56, вход 40, Устройство, дл  измерени  электри ческих параметров биологических мем бран работает следующим образом. В  чейку (см. фиг. 2) 13 полетают биоклетку 4, в качестве которой бер например, клетку харовой водоросли (Hitella flfeiils). Харовые водоросл представл ют собой систему побегов с мутовками коротких веточек. Каждо междоузлие состоит из одной гигантской клетки диаметром до 1 мм и длиной 5-10 см и более. Клетки харовых водорослей (благодар  своим значительным размерам, доступности материала , изолированности и четкой диффергенцировке основных структур) - удобный объект дл  проведени  исследований . Возможность выращивани  куль-, туры харовых водорослей в лабораторных услови х позвол ет проводить эксперименты в течение всего года. Практически в устройстве дл  получени  достоверных данных в процессе измерени  участвуют 10 и более биоклеток , которые одновременно подвергаютс  воздействию ступенчато измен ющихс  концентраций токсиканта. В устройстве используютс  особенности биологической реакции мембран клеток харовых водорослей в частности вы в.пение сдвигов в электрических характеристиках клеточных мембран в состо нии поко  и при возбуждении . Камеру 27 заполн ют 10 М к: I , камеру 30 - искусственной прудовой водой (КС I 104, NaCI СаС 10 М), через камеру 29 и 28 пропус;кают экспериментальный раствор и дистиллированную воду соответственно. Камеры электрически изолироваь друг от друга, например, вазелиновым маслом. Разность электрических потенциалов при покое измер ют с помощью потенциальных электродов 15, наход щихс  в камерах 27 и 29. Потенциальные электроды 15 изготовлены из полиэтиленовых трубочек, заполненных 2%-ным раствором агар-агара на электролите (KCI).. Импульсы тока пропускают через хлорсеребр ные проволоки - токовые электроды 14, расположенные в камерах 29 и 30. На воздействие экспериментального раствора биоклетка харовой водоросли реагирует изменением электрофизиологических характеристик, т.е. потенциал поко  клетки измен етс  в зависимости от концентрации и количества токсиканта в экспериментальном растворе, измен етс  проводимость мембраны. Измер емый потенциал биоклетки 4 через потенциальные электроды 15 и потенциальные элементы 16 (каломельные полуэлементы), переключатель 17 режима работы (несимметрич1юе либо дифференциальное включение), и повторитель 18 биопотенциала поступает параллельно на вход блока 9 адаптивного аттеньюатора и вход усилител  5 биопотенцисша, имеющего управл емый адаптивный аттеньюатором 9 элемент 19 регулировани  коэффициента передачи усилител  5 биопотенциала. АдаптиЕ1Ный аттеньюатор 9 автоматически , в зависимости от величины

ходного сигнала, измен ет коэффицинт передачи регулируемого усилител  5 биопотенциала, воздейству  на лемент 19 регулировани  коэффициена передачи усилител  5 биопотенцила .

Это автоматизирует процесс измеени , исключает необходимость атеньюировани  (исключает любые мани л ции ) исследователем входного сигнала с целью предохранени  перегрузки последующих каскадов усилени  большими уровн ми входных сигналов, а также исключает подобные операции при измерении и регистрации снима- . емых с управл емого усилител  55 биопотенциала усиленных входных сигналов, Входные и выходные сигналы измер ют и регистрируют на посто йном пределе (поддиапазоне) измерений , т.е. их привод т к одной, наиболее удобной с точки зрени  получени  наименьшей погрешности и наибольшей разреитющей способности характера изменени  фбрмы регистрируемого сигнала, шкале измерител  7 и регистратора 8 при любых изменени х входного сигнала.

При этом поправочный коэффициент, необходимый дл  определени  абсолютного (истинного) значени  измер HMoro параметра, индицируетс  схе5ой 35 индикации -поддиапазона иэме (зений соответствующего адаптивного гпгтеньюатора 9, а также вводитс  в регистратор 8 в виде определенной маркерной отметки.

В случае, когда функции регистратора 8 совмещает в себе ЭВМ, поправочные коэффициенты по каждому из каналов определ ютс  путем опроса состо ни  схем 33 согласовани ,отражающих состо ни  компараторов 32 поддиапазонов измерени .

. Адаптивный аттеньюатор 9 состоит из пикового детектора (экстрематор) 31, включенного на, выход повторител  18 биопотенциапа и вход регулируемого усилител  55 биопотенциала, трех схем компараторов 32 поддиапазона из мерени  (т.е. всего четыре поддиапазона измерени ), схемы 33 согласовани , дешифратора 34, схемы 35 нндикации поддиапазона измерени .

В зависимости от величины входного сигнала срабатывают те из трех компараторов, дл  которых входной сигнал превышает уровень компарировани . Например, если сработйл первый , то общее состо ние: первый - 1 второй - О и третий - О, т.е. 001 и т.д. На выходе компаратором 41-43 формируетс  двоичный код/ кото рый через схемы 44-46 согласовани  поступает на входы дешифратора 34 и схему индикации поддиапазона на элементах. 47-50, а через выходы 51 54 и интерфейс в ЭВМ (регистратор 8).

Эти выходы опрашиваютс  ЭВМ каждый цикл измерени  и указывают коэффициент усилени . В зависимости от входного кода дешифратора срабатывают те или ключи, осуществл ющие соответствующее переключение резисторов , составл ющих управл е1 ый элемент 19 регулировани  коэффициента передачи усилител  5 биопотенциала, включенных в цепь отрицательной обратной св зи и усилител  5 биопотенциала .

С выхода 56 управл емого усилител  55 биопотенциала усиленный измер емый сигнал поступает через электронный ключ 10 на регистратор 8 и через коммутатор 6 каналов (выбор канала осуществл ют вручную или автоматически с блока управлени  2) на измеритель 7.

Когда биоклетка 4 гибнет от воздействи  большой дозы токсиканта, либо по иным причинам, потенциал поко  ее резко снижаетс . Врем  развити  этого процесса (Потенциал действи ) составл ет 3-5 с. В этом случае компаратор 20 блока 11 выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки срабатывает и прекращает поступление искаженной информации к измерителю 7 и регистратору 8. Это повышает достоверность получаемых результатов измерени , а следовательно , и выводов, сделанных на основе их последующей обработки: Компаратор 20 имеет регулировку уровн  компарируемого сигнала с помощью резисторов уставки 21 (путём перепайки резисторов). Дл  исключени  ложных срабатываний блок 11 выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки 4 прекращает доступ информации к измерителю 7 и регистратору 8 через определенный промежуток времени после срабатывани  компаратора 20, обусловленный схемой выдержки времени 22, выдержка времени которой обусловливаетс  развитием  влени  Потенциал действи  биоклетки и составл ет, как указано выше, 3-5 с.

При этом электронный ключ 10, который в нормальном состо нии полностью открыт, закрываетс  только в том случае, когда на входах CXSNCJ И 23 присутствуют оба сигнала с выхода компаратора 20 и схемы выдержки времени 22, а контакт выключател  24 замкнут.

Выключатель 24 необходим дл  исследовательских целей, например, дл  записи и измерени  электрических параметров биоклеток при  влении Потенциала действи , интерпол ризации биоклеток ив тех случа х, когда биоклетка ведет себ  таким образом, что блок 11 выработки сигнала Потенциал действи  срабатывает, блокиру  измеритель 7 и регистратор 8.

При срабатываний блока.11 выработки сигнала Потенциал действи  биоклетки сигнал управлени  с выхода cxeNH И 23 поступает в блок 12 индикации и сигнализации, который осуществл ет индикацию канала с аномаль ной биоклеткой, а также сигнализацию например-звуковую, дл  оповещени  исследовател  о необходимости замены аномальной биоклетки нормальной, из числа резервных. Поскольку у некоторых биоклеток при воздействии токсикавта потенциал поко  резко увеличиваетс  (эффект гиперпол ризации),комkapaTop 20 выполнен двухуровневым.

Генератор эталонны импульсов тока биоклеток 3 служит дл  формировани  разнопол рных эталонных импульсов- тока с программированием блоком 2 управлени  величины, длительности и паузы меладу импульсами (длительность их определ етс  временем рефракторности мембран и лежит в пределах 2-10 -с).

Подаваемые от генератора эталонные импульсы тока выполн ют функцию стимул тора биоклетки, поддержива  ее чувствительность (раздражимость) на посто нном уровне, служат дл  определени  электрического сопротивлени  (либо проводимости) мембраны биоклетки, необходимого дл  осуществлени  оценки вли ни  химически х веществ на потенциал биоклеток, а также оценки (в зависимости от характера их воздействи ) токсичности природных или сточных вод.

Предлагаемое устройство по сравнению с Известными позвол ет значительно ускорить процесс измерени  электрических параметров биологических мембран биоклеток путем автоматизации самого процесса измерени  . и регистрации результатов измерений и может быть применено дл  различных экспрессных методов анализа химических веществ и оценки токсичности природных и сточных.-вод на ранни стади х их заражени .

г

/J

30

.

7/7/.

Г

DC

28

27

T/777777777

/Y7.

Claims (3)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН, содержащее биоблок, блок управления, связанный с генератором импульсов эталонного тока биоклеток и коммутатором каналов, подключенным к измерителю, повторители и усилители биопотенциала и регистратор, о тлич ающееся тем, что, с целью повышения надежности устройства в работе путем повышения точности измерений, оно дополнительно содержит блоки адаптивных аттеньюаторов, электронные ключи, блоки выработки сигнала Потенциал действия биоклетки, блок индикации и сигнализации, усилитель биопотенциала снабжен управляемом элементом регулирования κον эффициента передачи сигнала, вход каждого блока выработки сигнала По тенциал действия биоклетки связан с выходом повторителя биопотенциала, один из выходов этого блока соединен с блоком индикации и сигнализации, а другой выход - с управляющим входом электронного ключа, один из выходов блока адаптивного аттеньюатора подключен к управляемому элементу регулирования коэффициента; передачи сигнала, другой - к регистратору, а вход этого блока связан с выходом повторителя биопотенциала, электронный ключ управляемым входом подключен к выходу усилителя биопотенциала, а выходом - к регистратору и через коммутатор каналов к измерителю. ;.

2. Устройство поп. 1, о т л ичающееся тем, что блок выработки сигнала Потенциал действия биоклетки выполнен в виде компаратора с резисторами уставки, блока выдержки времени, элемента И и выключателя, при этом компаратор входом соединен с выходом повторителя биопотенциала, а выходом - с входом блока выдержки времени и одним из входов элемента И, другой вход которого соединен с выходом блока выдержки времени, выход элемента И подключен ” к блоку индикации и сигнализации, а ‘ через выключатель - к управляющему входу электронного ключа.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что компаратор блока выработки сигнала Потенциал действия биоклетки выполнен двухуровневым.

1>

SU ,..,1058897

1 1058897