CN1476536A - 电生理测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定和/或监测含离子通道膜，典型地，含脂膜的结构例如细胞的离子通道电生理性能的高处理量系统。特别地，本发明提供了一种基片，其通过使用形成于基片上或基片中通路内的电渗流提供了用于自动将细胞定位于测量部位的方法。电渗流由结合在基片上的或者放置在与之相关的部位上的电渗流泵产生和控制。因此，细胞能够以良好的测量构形定位到多个用于执行检测和测量的部位上。此外，本发明还涉及用于在多个并行细胞上执行检测和测量的主电路。

Description

电生理测量系统

发明领域

本发明涉及用于确定和/或监测含离子通道膜，典型地含脂膜结构例如细胞的离子通道电生理性能的高处理量系统。该系统提供了执行自动处理过程，包括细胞的制备、测量构形的制备和在大量独立的细胞上执行测量的方法。此外，本发明还涉及用于建立电生理测量构形，其中细胞膜以一种构形对测量电极形成高阻抗封接，使得探测和监控通过细胞膜的电流成为可能的基片和方法。更特别地，本发明涉及一种基片，其通过使用电渗流提供用于自动将细胞定位于测量部位的方法。此外，本发明涉及用于对位于多个并行部位上的细胞执行检测和测量的主电路。

发明背景

Neher，Sakmann和Steinback在“The Extracellular PatchClamp，A Method For Resolving Currents Through Individual OpenChannels In Biological Membranes”，Pflueger Arch.375，219-278，1978.中概括了电分离膜片以及在电压钳条件下研究膜片中离子通道的一般方法。他们发现，通过将含有乙酰胆碱(ACh)的吸管压入到肌细胞膜表面上，便能够观察到引起Ach-激活离子通道开启和关闭的电流发生不连续地跳动。但是，他们的工作受到实际情况的限制，即玻璃吸管与膜之间封接的电阻(10-50MΩ)相对于通道的电阻(10GΩ)非常地小。由这种封接所导致的电噪音与电阻成反比，并且大到足以屏蔽通过电导率小于Ach通道的离子通道的电流。由于所产生的通过封接的大电流，它同时也阻止了将吸管中的电压钳制到与浴液不同的数值。

后来发现，通过对玻璃吸管进行火琢(fire polishing)并且将负压施加到吸管内部，在细胞表面能够获得电阻非常高的封接(1-100GΩ)。这种吉欧姆阻抗使噪音降低了一个数量级，从而到达了能够研究大多数生物学感兴趣的通道的水平，并大大扩展了开展这些研究所使用的电压的范围。这种改进的封接被称为“吉欧姆封接”，而吸管则称为“膜片吸管”。关于吉欧姆封接更详细的说明可以在O.P.Hamill，A.Marty，E.Neher，B.Sskmann & F.J.Sigworth：Improvedpatch-clamp techniques for high resolution current recordings fromcells and cell-free membrane patches.Pflugers Arch.391，85-100，1981中找到。因为他们在发展膜片钳技术中所做的工作，Neher和Sakmann获得了1991年的诺贝尔生理学及医学奖。

离子通道是跨膜蛋白，其催化无机离子的跨膜转运。离子通道参与多种过程，如产生和调速动作电位、突触传导、激素分泌、肌肉收缩等等。很多药物就是通过调控离子通道而发挥它们的特殊效果。实例如抗癫痫化合物，如二苯乙内酰脲和lamotrigine，它们封闭大脑中的电压依赖钠离子通道，抗高血压药物，如nifedipine和diltoazem，它们封闭平滑肌细胞中的电压依赖钙离子通道，以及胰岛素释放刺激药物，如glibenclamide和甲苯磺丁脲，它们封闭胰腺中ATP调节的钾离子通道。除了化学诱导的离子通道活性的调节以外，膜片钳技术也使得科学家能够对电压依赖的通道进行控制。这些技术包括调节膜片吸管中多个电极的极性和改变盐的成分以调节浴液中自由离子的水平。

膜片钳技术代表了生物学和医学的主要进展，因为这种技术允许对通过单个离子通道蛋白的离子流进行测量，同时也允许对单个离子通道对药物的反应进行研究。简而言之，在标准膜片钳技术中，使用的是细玻璃吸管(直径大约0.5-2μm)。该膜片吸管的尖端被压到细胞膜表面上。吸管尖端与细胞紧密封接并且在一个很小的膜片上分离出少许离子通道蛋白。这些通道的活性能够单独地加以测量(单通道记录)或者，选择地，膜片破裂，从而允许对整个细胞膜的通道活性进行测量(全细胞构形)。细胞内部为执行全细胞测量而使用的高电导率能够通过在吸管中施加负压使膜裂开而获得。

在单通道记录和全细胞记录期间，各个通道分型的活性能够通过利用跨膜“电压钳”而加以表征。在电压钳技术中，对恒定膜电位下的膜电流加以记录。或者——更精确地讲——放大器精确地提供使膜电位维持在由实验员确定的水平上所必须的电流。因此，便不允许由于开启或关闭离子通道而产生的电流对膜进行再充电。

决定膜片钳技术处理量的主要限制是对细胞和吸量管的定位和钳制，以及引导溶解态化合物到细胞和膜片的馈给系统的性质。在通常的膜片钳装置中，细胞放置于实验小室中，其被不断地灌注生理盐溶液。在细胞吸管与这些小室之间建立连接是耗时而困难的。化合物的施加是通过将流入口变换为与少量馈给瓶相连接的阀而实现的。所需要的维持液体和检测化合物的体积是很高的。

执行膜片钳测量的高处理量系统已经提出，其典型地包括具有多个用来固定细胞的部位的基片，其中细胞处于能够确定细胞膜的电性能的测量构形。

US 5,187,096，Rensselaer，公开了一种用于监控细胞的细胞基片阻抗的仪器。细胞直接在电极上培养，而后电极会覆盖多个细胞，结果，对单个细胞的测量便不能够进行了。

WO 98/54294，Leland Stanford，公开了一种含电极阵列的有孔基片。该有孔基片和电极通过使用CVD(化学气相沉积)和蚀刻技术而在硅中形成，且在电极周围含有氮化硅“钝化”层。细胞直接在电极阵列上培养。该基片用于测量电生理性能，并且揭示多种推荐的测量方案。

WO 99/66329，Cenes，公开了一种在井孔中有通孔的基片，且基片的每一个面上都有电极。该基片是通过用激光在硅基片上打孔而形成的，且在表面上可以涂覆着抗粘着材料。该基片用于在细胞上建立吉欧姆封接，其是通过使用吸管将细胞放置在通孔上以产生通过通孔的液体流，在通孔周围提供抗粘着层，或者通过对细胞进行电导向而实现的。细胞通过电磁场或者化学方法能够被穿透从而提供全细胞测量构形。所有的孔，以及所有可测量的细胞，都充分地分享了一个工作电极和一个参照电极，见图11，因此对单个细胞的测量便不能够再执行。

WO 99/31503，Vogel et al.，公开了一种测量设备，其中通路排列在基片(载体)上的井孔中并将两个部件彼此分离。该测量设备包括两个可以位于通路任何一个侧面上的电极，其用于将细胞定位于通路的开口处。该基片可以具有憎水性和亲水性区域以引导细胞定位于通路的开口处。

发明概述

现有技术着眼于含电极、井孔、通孔等的基片的制造和设计的细节，以及适当测量构形的建立方法。这很自然，因为所谓膜片钳设备的改变就是用基片代替吸管，以及用细胞的自动定位代替手动定位。然而，尽管这些方面代表了提供自动膜片钳设备的方法的重要步骤，还是有许多的问题没有涉及到。

根据本发明，含离子通道的脂膜可以通过使用电场在含有含离子通道脂膜的离子溶液的管道中产生电渗流而定位在某一部位。为了产生电渗流，必须仔细选择管道的几何结构和材料。将含离子通道的脂膜固定在离子溶液中，或者使用离子溶液中的流动在含有含离子通道脂膜的液体中产生流动，该含离子通道的脂膜可以被引导到合适的位置。

因此，在第一个方面中，本发明提供了一种用于在含离子通道的脂膜中检测和/或监控离子通道电生理性能的基片，该基片包括：

——固定含离子通道脂膜的第一部位，该部位包括位于基片中的通路，该通路与基片第一表层部分第一畴(domain)相接触的第一末端和该通路与第一管道第二畴相接触的第二末端，

——与第一畴电连接的参照电极，

——与第二畴电连接的工作电极，

——一个或多个用于在第一管道中产生第一电场的电极，附加电极的尺寸和位置都适用于产生第一电场以便在第一管道的离子溶液中诱导产生流动，该通路的第二末端和第一管道被加工成一定的尺寸从而第一管道中离子溶液流能够产生通过该通路从第一畴流入到第二畴中的，或者相反的流动，和

——该通路用于封接固定于位点处的含离子通道脂膜的第一末端部分，因此，基片、封接和脂膜便将部位的第一畴与第二畴分离，从而该膜的一种或多种电性能便能够通过检测和/或监控参照电极与工作电极之间的电信号而被检测和/或监控。

优选地，该通路第一末端部分的尺寸和材料成分适合于在固定于某一部位处的含离子通道脂膜与基片之间提供高电阻封接。在本文中，高电阻封接的意思是沿相邻基片表面与膜之间的路径上的电阻抗，其具有10MΩ或者更大的数量级，优选地大于100MΩ或者1GΩ，也称为吉欧姆封接。

管道可以形成于基片中或者由形成于基片上表面部分的凹槽构成，随后该基片由于在其上表面部分上安置了另一种基片从而形成了管道或导管而被关闭。电渗流通过施加电场通过由绝缘壁形成的管道内的溶液而产生。这种现象依赖于表面电离作用，所以，对于电中性，溶液中也存在多余的可移动电荷，位于靠近薄屏蔽层内壁的位置。施加到溶液中的电场对溶液中多余的电荷起作用引起液体产生流动。溶液中多余电荷的数量和分布依赖于表面材料(可电离部位的密度)和溶液组分，尤其是pH和离子浓度。从电荷分布中，能够求出单一的参数，即捷塔(ξ)电位，其决定了电渗流的强度。然而，尽管已经测量和公布出了材料/溶液结合的捷塔电位数值，它依然不是一个真正容易控制的参数，而且随着它从表面部位的电离中产生，ξ和EOF在表面条件和污染中非常容易发生变化。优选地，至少一部分第一管道的侧壁用有效捷塔(ξ)电位大于或等于10mV的材料构成。这些材料的实例如硅石或玻璃。

基片可以还包含有通路的部位，该通路具有与第一和第二畴相接触的末端部分。因此，会有多于一个的部位分享第一管道，借此，产生于第一管道中的流动便能够用于控制多个平行通路内的流动。

基片优选地还包含管道的第一末端部分以传导管道中的离子溶液。为了使电场在离子溶液中有效地诱导流动产生，该离子溶液应该与至少两个与第二畴相接触的电极保持电连接。因此，优选地，当在管道中传导时，离子溶液自动地和与第二畴接触的电极建立起电连接。从而，管道和管道第一末端部分的尺寸以及与第二畴相接触的电极的尺寸和位置优选地相互匹配，从而引导离子溶液通过第一末端部分形成与和第二畴相接触的电极的电连接。为了辅助引导离子溶液进入管道，基片可以还包含一个或更多的由相对于管道排列的，位于管道内或者管道的第一末端部分内的，亲水或疏水材料构成的区域。

在优选实施例中，基片包含至管道的第二末端部分，其中至管道的第一和第二末端部分在基片的第二上表层部分构成了管道的入口和出口。在该实施例中，与第二畴相接触的第一电极可能或者放置在通路内或者放置在通路的第二末端，而第二电极放置在比第一电极更接近管道第一末端部分的位置，此外基片可以还包含第三电极，其放置在比第一电极更接近管道第二末端部分的位置。因此，便获得了一种工作电极位于管道的中心部分，第二和第三电极位于管道的两相对末端的构形。如果，例如第二和第三电极基本上保持相同的电位，而第一电极维持在一个较低的电位的话，便会诱导流动从两个末端部分向着第一电极流动，从而可能在小孔部位有效地建立起高压。如果，另一方面，第一电极维持在一个比第二和第三电极更高的电位的话，便会诱导流动从第一电极向着两个末端流动，从而可能在小孔部位有效地建立起低压。任何一个电极都可以用作工作电极。

在另一个优选实施例中，管道的第一末端部分在基片的第二上表层部分构成了管道的入口和出口，而管道的第二末端部分则是由通路构成的。

在另外一个优选实施例中，基片包含与第一畴和通路的靠上末端部分相接触的第二管道，该第二管道具有第一和第二末端，且两个或更多的电极与第一畴接触从而在第一管道中产生第一电场，附加的电极具有特定的尺寸和位置，从而使得第一电场在保留于第二管道中的离子溶液中诱导产生流动，该部位和第二管道的尺寸被测算从而使第二管道中离子溶液的流动能够产生从第二管道的第一末端通过该部位流向第二末端的流动。优选地，基片还包含探测手段，例如Coulter计算原理或当量，其用于确定何时包含在第二管道离子溶液中的含离子通道脂膜到达该部位的附近，以及控制第二管道中响应该探测方法所产生信号的流动的手段。

第一(第二)管道中的电渗流是通过电渗流泵(EOF泵)而产生的，其是专门设计的，且至少一部分管道和电极的构形用于产生电场。EOF泵可以通过形成第一/第二管道和基片内/上的电极而集成在基片上。选择地，在应用于通过未被该基片固定的EOF泵在第一/第二管道中建立流动之前，EOF泵可以在另一个基片上或与第一/第二管道相接触的管道内的结构上形成。因此，固定细胞和检测化合物的基片是可处理性的，而EOF泵和相关电极能够重复使用。

在该部位处具有第一末端部分的通路优选地具有最多10μm的横向尺寸，优选地处于0.5-5μm。另外，由该部位的通路限定的内表面可以携带某种物质，如氯化钠，其有利于吸引与通路末端基片相接触的含水液体进入或者通过通路。

参照电极可以加工成一定的形状，从而当投影到包含与和参照电极相接触的第一畴相连接的通路的平面上时，至少部分地包围该通路。在此方案中，工作电极优选地定位于或接近于通路的第二末端。该参照电极的这种形状起到了，当电压施加于参照电极和工作电极之间时，产生场线会聚于通路第一末端的电场的作用，其中电场对含离子通道脂膜施加强制力，引导其向着通路的第一末端移动。

在第二个方案中，本发明提供了一种方法，其用于建立用来测量含离子通道脂膜中的离子通道电生理性能的测量构形。该方法包括的

步骤有：

——提供具有用于固定含离子通道脂膜的第一部位的基片，该部位包含基片通路、在基片第一上表面部分与第一畴相接触的通路的第一末端和在该基片第一上表面的下方与第一管道第二畴相接触的通路的第二末端，

——在基片的第一上表面部分提供参照电极，该参照电极与第一畴电连接，

——提供两个或更多的与第二畴电连接的电极，其中之一为工作电极，

——在第一畴中提供载体液体，

——在第二畴中提供离子溶液，该离子溶液与至少一个电极电连接，和

——通过在至少两个与第二畴电连接的电极之间施加电势差形成电场，该电场穿越第二畴从而在第一管道的离子溶液中产生流动，通过第一管道液体从第一畴流入第二畴，或者从第二畴流入第一畴。

优选地，提供于第一畴中的载体液体包含一个或者更多的含离子通道脂膜，且该电场产生从第一畴进入第二畴的液体流，直到含离子通道脂膜封接通路的第一末端且将部位的第一畴与第二畴分离开为止。

根据第二方案的方法，施加到产生该流动的电极之间的电势可以至少基本上是恒定的以提供该电场的至少基本上恒定的振幅，而不管离子溶液中的感应电流。根据此方案，电场的最大强度可以为10-10⁶伏特/厘米范围。所使用的数值很大程度上取决于EOF泵的设计和尺寸。

选择地，施加到产生流动的电极之间的电势可被调节从而在电极之间产生至少基本上恒定的电流。根据此方案，产生流动的电极之间的电流强度可以为0.1-10000μA。

在另一个选择中，施加于产生流动的电极之间的电势可被调节以在管道中维持至少基本上恒定的流动。至少基本上恒定的流动取决于管道和通路的尺寸。

优选地，提供离子溶液到第二畴中的步骤包括提供离子液体到基片第二上表面部分的管道入口的步骤。

为了辅助将细胞定位于某个部位，该方法可以包括步骤，提供与通路的第一畴和靠上末端部分相接触的第二管道，该第二管道具有第一和第二末端，并在第二管道中产生第一电场从而在第二管道的离子溶液中诱导流动从第二管道的第一末端通过该部位流向第二末端。因此，电渗流可以在第一畴的管道中产生以引导细胞到通路的靠上末端。优选地，该方法还可以包括步骤，确定何时包含于第二管道离子溶液中的含离子通道脂膜处于该部位的附近和控制第二管道中响应该确定的流动。

优选地，含离子通道脂膜在通路的第一末端形成高电阻封接，如吉欧姆封接，从而膜的一种或更多的电性能能够通过确定和/或监测产生流动的电极之间的电信号而被确定和/或监测。

建立起高电阻封接之后，本方法优选地还包括步骤，通过在工作电极和参照电极之间连续施加第一电势差检查固定于部位处的含离子通道膜与通路第一末端之间的高电阻封接，和监测工作电极与参照电极之间的第一电流。如果第一电流小于或等于预先确定的电流阈值，那么便可以证实该部位在含离子通道结构与通路第一末端之间具有可接受的封接。这一方法步骤用于确定可建立封接的性能。如果没有建立吉欧姆封接，那么较大的泄漏电流将在膜与部位之间流动。如果建立起了吉欧姆封接，那么电流将主要通过膜拉出并远小于泄漏电流。

此外，在建立起高电阻封接之后，该方法优选地包括步骤，通过破裂部分最接近工作电极的含离子通道膜建立起全细胞构形。部分膜的破裂可以通过在工作电极与参照电极之间施加一系列第二电势差而执行。膜的破裂可以通过监测在工作电极和参照电极之间流动的电流来确定，当该电流超过预先确定的阈值时，膜便破裂了且这一系列的第二电势差脉冲便可能中断。优选地，这一系列的第二电势差脉冲包含具有提高的振幅和/或持续周期的电压阶跃函数的级数。当膜由于强电场而破裂时，在结果电流响应中将出现电容尖峰。

选择地，破裂可以通过在产生电渗流的电极之间施加电势差而在通路内形成负流体静压力而执行，该电场通过第二畴以在管道离子溶液中产生流动，借此，便在覆盖通路第一末端的部分含离子通道膜上产生了吸引，直到该部分含离子通道脂膜破裂为止。此外，通过提供在通路中的孔形成复合物，能够从通路中获得的部分含离子通道膜可以渗透出来。

在本文中，当参照电极至少部分地包围通路或工作电极时，其意味着参照电极的形状在该平面中形成了被参照电极包围的区域，该区域没有参照电极且固定了通路或工作电极。因此，参照电极在该平面中形成了开放的或封闭的环，其中放置着通路或者工作电极。参照电极不能覆盖通路或工作电极，即使此例中电极的一部分包围了通路或工作电极。换言之，如果从参照电极的内周向通路或工作电极的外周划直线，那么这些直线应该聚集于该通路或工作电极。

通过在相应于该第一畴或所述部位的工作电极与参照电极之间施加电势差而形成电场，该电场的电场线沿着从参照电极到工作电极的方向密度逐渐上升，含离子通道脂膜能够向着工作电极泳动并定位于该部位处，从而将该部位的第一畴与第二畴分离开来。

优选地，一个或更多的参照电极的形状至少基本上是圆形或矩形的。圆形或矩形可以是封闭的或者具有一个或更多较小的开口。

在优选实施例中，参照电极和/或工作电极包含被第一材料层覆盖的电极部分，该材料层在该电极部分与第一和/或第二畴之间形成电化学桥。在此优选实施例中，参照电极和/或工作电极可以是银/卤化银电极。此外，参照电极可以为两个或者更多的部位所共有。

为了对大量部位和细胞(大量的测量通道)高处理量地进行定位、检测、刺激、测量等等，本发明提供了用于控制和执行检测、刺激和测量多个通道的主电路，其并不仅仅是多个平行的单一通道电路。为了提供紧凑而有成本效益的主电路，其可以通过例如计算机容易地控制，需要控制通道的性能以便使一些部件能够为大量的通道所共享。

因此，在第三个方案中，本发明提供了用于确定和/或监测含离子通道脂膜的离子通道电生理性能的系统，该系统包括基片，其包含多个固定含离子通道脂膜的部位，多个工作电极(6)，每一个部位定位一个工作电极，一个或更多的参照电极(8)被定位从而使每一个与至少一个参照电极电连接，每一个部位都适合于固定含离子通道脂膜从而使在部位工作电极和参照电极之间流动的电流I_mem通过含离子通道脂膜的离子通道而传导，该系统还包括用于在固定于部位处的含离子通道脂膜上执行电压钳测量的主电路，该主电路包括

--多个电流电压(I-V)转换器，每一个都具有第一和第二输入端和一个输出端，第一输入端与工作电极电连接而第二输入端接收参照电势V_ref，每一个I-V转换器还用于，当接收参照电势V_ref时，在参照电极与工作电极之间引出电流I_mem直到第一输入端的电势至少基本上与V_ref相等为止，每一个I-V转换器还用于在其输出端提供相应于I_mem的第一电压信号，

——第一多路复用器，其具有多个用于从两个或更多的I-V转换器接收第一电压信号并分别以受控的方式将所选择的第一电压信号馈给第一A/D转换器的输入端，该第一A/D转换器用于产生响应第一电压信号的数字信号。

——多个各自可控的开关，每一个均与工作电极和多路复用器在操作上连接，用于控制多路复用器第一电压信号的开启与关闭，

——用于接收和处理数字信号的数字处理装置，该数字处理装置用于控制和产生激励和检测含离子通道脂膜的第一类数字信号，该数字处理装置还用于控制和产生控制主电路中各自可控的部件的第二类数字信号，

——用于接收第一类数字信号和产生施加到每一个V_ref上的模拟激励或检测信号V_stim的装置，

——用于将V_ref提供给每一个I-V转换器的装置，每一个V_ref都各自可控，该装置还用于接收V_stim并将V_stim施加到一个或更多的V_ref上，和

——可运行的网络，其用于从该数字处理装置接收第二类数字信号，并相应于第二类数字信号控制：

●多个各自可控的开关，

●在多路复用器中选择多个第一电压信号，

●每个V_ref的数值，其是通过控制提供V_ref的装置。

该数字处理装置可以是DSP或CPU。选择地，该数字处理装置可以作为执行大量附加功能，如数据处理和存储、与系统中其它单元对接等等的某较大处理装置的一部分。

优选地，各自可控的开关和/或每个I-V转换器的至少一部分集成在基片上。

I-V转换器可以包含运算放大器和选择地，还包括双FET。

产生V_stim的装置所接收的第一类数字信号可以通过施加在每一个通道的数字模拟(D-A)转换器而转换为相应的模拟V_stim信号。

在优选实施例中，产生V_stim的装置还包含多个多路复用器，其每一个均与接受第一类模拟信号的D/A转换器相连，和多个各自可控的采样和保持电路，其中两个或更多的采样和控制电路与不同的多路复用器输出端相连，该产生V_stim的装置用于提供实时倾斜(ramped)的V_stim信号，该信号包含两个或更多的部分，每一个部分都相应于第一类数字信号，其中D/A转换器用于产生响应第一个第一类数字信号的第一模拟信号，和响应第二个第一类数字信号的第二模拟信号，该多路复用器用于将第一模拟信号提供到第一输出端并将第二模拟信号提供到第二输出端，各自可控的采样和保持电路用于接收和保持该第一和第二模拟信号直到随后受控释放该模拟信号形成倾斜(ramped)V_stim信号的不同部分为止。

V_stim可以是例如用于检测部位吉欧姆封接是否存在的阶跃函数(方波脉冲)。此外，V_stim可以是电压阶跃函数(方波脉冲)的级数，其提高了用于破裂细胞膜以提供全细胞检测构形的振幅。

主电路可以还用于提供预先确定电位到基片电极上，其是根据将膜定位于部位的第一、第三和第四方案。

在第四个方案中，本发明提供了用于确定和/或监测细胞离子通道电生理性能的高处理量系统。该系统提供了高处理量，其中所执行的大多数处理过程都是自动地且能够同时对大量细胞进行处理。

因此，根据第四个方案该系统包括：

——细胞培育单元，

——化合物存储单元，

——一个或多个根据本发明第一方面的基片，

——基片存储单元，

——接收基片的细胞定位和测量单元，该细胞定位和测量单元包括用于将含液体细胞提供到基片的每一个部位处的装置，用于将预先确定的电势差施加到基片每一个部位处一系列预先确定的电极之间从而将细胞定位于该部位的预确定位置上的装置，和根据对定位细胞执行检测和测量的第三方案设计的主电路，

——用于将基片从基片存储单元传送到细胞定位和测量单元的传送装置，该传送装置还用于将细胞从细胞孵化单元传送到细胞定位和测量单元，

——用于将化合物从化合物存储单元吸取到固定于细胞定位和测量单元的基片上的移液管系统，

——用于控制执行控制和/或监测和存储实验数据的主机算计系统，该主机算计操作上连接于：

●一个或更多的用于获取和分析数据的电子处理器，该

一个或更多的电子处理器在操作上与细胞定位和测量单元的主电路数字处理装置相连接，

●用于控制传送装置的电子处理装置，

●用于控制移液管系统的电子处理装置。

对于遍及本申请的对细胞或膜的写入，任何含脂膜的离子转换通道，例如细胞或人工膜，都能够读取。电生理性能可以是，例如，通过离子通道的电流、跨离子通道的电压、或者含膜离子通道的电容或阻抗。此外，有可能将单独的检测化合物(典型的是药理学药物)加入到每一个膜的固定位置，这样便能够在每个膜上进行单独的实验。实验能够测量出离子转换通道对添加检测化合物的反应。

附图简述

本发明通过参考附图可以被进一步地说明，其中：

图1A和B展示了有井孔(well)的基片具有代表性的侧视图和顶视图，其中在井孔的底部具有通路。

图2A-C和3A-C展示了两种不同基片实施例的具有代表性的侧视图、顶视图和底视图，其中基片具有与基片中的管道相连接的通路。

图4A图解了通过管道的电渗透液体流的细节，而图4B是展示以处于基片上下两部分之间的通路孔径为函数的电导的曲线图。其举例说明了本发明实施例中使用的电渗流泵所需要的性能。

图5A和B，6A和B，7A和B是本发明所使用的电渗流泵的侧视图和顶视图。

图8是使用图6A和B中电渗流泵的本发明实施例的侧视图。

图9展示了具有电辐射收敛电场线的电极构形的侧视图和顶视图。

图10A到G展示了用于构建疏水/亲水材料区域，例如图8所示亲水区域的不同程序性步骤。

图11展示了连接接点线的电极阵列。

图12展示了用于探测细胞对图11所示电极阵列中某一电极形成吉欧姆封接的程序流程图。

图13展示了一个井孔的实施例，其是根据图1A-B和3A-B所示的任何一种基片，其中参照电极具有电桥以避免液体污染而设计的。

图14是展示测量构形各种电参数的一片钳制细胞的近视图。

图15是展示用于根据优选实施例测量基片上膜的电性能的电系统(主电路)的电路示意图。

图16和17是展示图15电路中的电流-电压转换器部分的不同实施例电路示意图。

图18是展示图15电路中用于从不同测量部位接收、倍增和转换信号的取样逻辑部分的电路示意图。

图19和20是展示图15电路中激励信号发生器不同实施例的电路示意图，其用于产生测量部位的检测信号。

图21展示了本发明设计的系统的全视图。

图22A和B，23A和B，和24A-C展示了用于根据本发明吸取载体和化合物到基片上的不同实施例。

附图详述

根据本发明，基片优选地设计用于在短时间内执行大量的单独实验。这便伴随着提供具有多个检测界限(test confinement)的微系统，每一个检测界限都包含一个或更多的用于固定膜的部位，连接于数据获取设备的集成工作电极，用于提供和定位含离子通道脂膜如细胞的装置，和用于提供载体、检测化合物、漂洗液等的装置。因此有可能在每一个检测界限中执行独立的实验，并且用中央控制单元例如计算机来控制所有实验的准备和测量。由于检测界限的尺寸较小，本发明还允许执行仅使用少量检测化合物的测量。本发明还提供了用于执行该测量的多种不同的程序。

根据本发明，基片可以具有许多不同的构形。图1A展示的基片12具有部位14，其固定着工作电极16和参照电极8。为了用基片12在含离子通道脂膜(此后简单地用细胞来表示)上执行电生理测量，该膜必须建立起分离工作电极16和参照电极8的屏障，同时还要通过离子溶液与两个电极都电连接。这是通过将细胞2定位于具有固定部位14和填满盐水的管道30的井孔的通路30上而实现。因此，通过在电极之间施加电势差，离子通道能够通过膜在电极之间维持电流。细胞2应该以某种构形定位，其中工作电极和参照电极电隔离从而能够只引导电流通过膜，该细胞应该以基片形成高阻抗封接，或吉欧姆封接。优选地，在基片的底侧上有用于将吸取应用到通路中的管道32。该管道32通向基片的上侧，并可以包含与工作电极连接的电布线，如图1B所示。

图1A中，部位14是与参照电极8和工作电极30电连接的区域且适用于固定细胞，其中表面材料非常适合于建立起对膜的封接。这种材料包括硅、塑料、纯二氧化硅和其它玻璃如石英和硼硅酸玻璃或掺有一种或更多掺杂剂的二氧化硅，掺杂剂从包含Be，案Mg，Ca，B，Al，Ga，Ge，N，P，As和任何其氧化物的组中选择。相应地，基片本身也能够包含任何的这些材料。

一个重要的方面是基片12能够提供一些用于分离不同检测化合物部位的方法。用于保持大量对所给化合物执行测量或者参照测量的液体的容积称作检测界限。检测界限优选地占据较小的体积以使通常比较昂贵的检测化合物的用量最小化，而且，通过扩散混合产物溶液所需的时间也随着体积的减小而减小。一个检测界限可以包含一个或更多的部位。在图1A和B的实施例中，部位是基片上的一个被制成特殊几何形状的结构。形状加工的作用是既辅助将细胞2定位于部位中又能够分离检测界限，其在本实例中包含单一的部位。选择地，井孔可以具有两个或更多的排列于井孔底端部分的部位。

在下文中，两种根据本发明的基片实施例将参考图2A-C和图3A-C加以说明。附图没有按照一定比例绘制。

图2A-C和图3A-C中的基片基本上是保持多个被截棱椎的基片，可以还有在顶点具有一个或更多通路30的空腔。棱锥的底部呈正方形。棱锥的顶角为2×54.7°，晶片厚度为d＝280-650μm，棱锥顶点边长为w＝30-60μm以允许为细胞提供空间。棱锥顶点覆盖着厚度为h≈0.1-3μm的二氧化硅或氮化硅膜31。在此膜中形成了直径a≈0.5-5μm的通路。该棱锥可以如图2A-C定向，其中棱锥顶点朝上地形成于基片的底侧，或者如图3A-C顶点朝下地形成于基片的顶侧。两个方向上的功能各不相同，在图2A-C的实施例中，棱锥形成第一管道中的泵路径，而在图3A-C的实施例中，棱锥有利于对细胞的定位。

该设备可以通过多种窘异的方式制造而成。下面，概括了三种不同的制造基本结构的过程。用于制造的第一种方法，最初氧化，用于构造上面提到的设计，作为选择的第二种方法是终末氧化处理，和另一种选择是沉积玻璃法处理。

最初氧化处理

●生成覆盖整个基片的1-3μm的湿热SiO₂

●通过光学掩蔽和反应离子蚀刻在基片的底侧上限定通路以使通路通过氧化物到硅基片

●对蚀刻掩模在基片两侧沉积LPCVD氮化硅

●通过光学掩蔽和反应离子蚀刻以及湿氧化蚀刻(缓冲氢氟酸)限定氮化窗从而在基片上侧形成棱锥底面

●通过在硅中进行各向异性的蚀刻形成通过窗的棱锥蚀刻空腔。这便形成了倾斜54.7°的棱锥边

●用热H₃PO₄剥离氮化物蚀刻停止层

●生成0.1-1μm的湿热SiO₂以与体硅晶片电绝缘从而覆盖棱锥的侧面。其它的SiO₂区域不会严重生长

终末氧化处理

●或者使用注入掺杂或者外延生长，在基片底侧的硅(硼掺杂)中形成蚀刻停止层。该蚀刻停止层典型地大约厚1μm

●对蚀刻掩模在基片两侧沉积LPCVD氮化硅

●通过光学掩蔽和反应离子蚀刻以及湿氧化蚀刻(缓冲氢氟酸)限定氮化窗从而在基片上侧形成棱锥底面

●通过在硅中进行各向异性的蚀刻形成通过窗的棱锥蚀刻空腔。这便形成了倾斜54.7°的棱锥边。该蚀刻停止于硼掺杂蚀刻停止层以形成大约1μm厚的硅膜

●用热H₃PO₄剥离氮化物蚀刻停止层

●通过光学掩蔽和硅反应离子蚀刻在底侧上限定通路

●生长湿热SiO₂从而将基片的任何部位的硅膜转化成氧化物。该处理缩小了通路，因为SiO₂也形成于通路的内部，因此，通路可以做得比使用光刻可能形成的要小。

玻璃沉积处理

●使用湿热沉积处理在硅基片的两侧上沉积200-500的二氧化硅

●使用LPCVD处理在基片的两侧沉积1000-5000的氮化硅

●限定氮化物窗口以在基片上侧形成棱锥底面，并通过光学掩蔽和反应离子蚀刻以及湿氧化蚀刻(缓冲氢氟酸)将通路限定于底侧

●通过在硅中进行各向异性的蚀刻形成通过窗的棱锥蚀刻空腔。这便形成了倾斜54.7°的棱锥边。该氮化硅保护基片免受蚀刻剂侵蚀

●在氮化硅膜上沉积100nm-3μm的氧化硅或其它玻璃类型。该玻璃可以通过使用溅射、PECVD或LPCVD处理而沉积，之后进行热退火

对于所有这三种制造处理过程，处理期间主要的问题是在终末高温氧化步骤中通路SiO₂的机械稳定性。前两种第一实施例中的表面材料(这里是SiO₂)可以选择地涂覆氮化硅，从而避免产生电传导。

现在便形成了工作电极和参照电极。底面的工作电极能够通过标准沉积和光学蚀刻技术形成。该参照电极优选地通过荫罩掩模(shadowmask)蒸发导电材料形成。如图1B和3B所示，参照电极8能够作成一定的形状以至少部分地包围井孔底部的部位。选择地，电极放置于其它的位于该基片顶部和底部的基片上。

此外，用于液体操纵和细胞定位的管道可以在基片内产生，流动管道在基片的其它部位具有输入口/输出口。选择地，管道在其它的位于该基片顶部和底部的基片上制造。如将在后面进行详细描述的，管道被设计用来有助于产生电渗流。

所述功能部件优选地排列使得与上述组件所有的输入和输出口相连接，如图1B所示(吸取出口32，与工作电极16和参照电极8相接)。这种构形用于在该组件顶部施加一个单元，其具有类似的但是相反的输入和输出口。

在图2A所示的优选实施例中，基片包含多个与图1所述基片的井孔相类似的井孔。此外，该基片还包含管道32，其具有两个与每一个井孔连接的开口44和46。管道开口44和46位于基片靠上的潮湿面上，如图2B的顶视图所示。工作电极放置于管道32中通路30的附近。管道32还具有面向管道开口44和46定位的额外电极6。电极16和6用于在填充管道32的液体中提供电势和/或电流以产生电渗流，这一点将在下面有更详细的说明。管道中的流动能够用于产生通过通路30的流动。因此，在此实施例中，工作电极具有两种功能，测量和产生流动，其可以是通过两个单独的电极提供的。管道的水平外形如图2C所示，其展示了去除平板42后的底视图。

另一个类似于图2A-C所示实施例的实施例如图3A-C所示。如能够从图3A见到的，管道只有一个位于基片上表面的开口46，因为管道的另一个开口是由通路30形成的。在此实施例中，仍然能够通过在工作电极16和电极6之间施加电势差而诱导产生流动从而在通路中产生流出或进入管道的流动。图3B和3C分别展示了顶视图和底视图。

在图2A-C和3A-C实施例中，电极6、16和8具有穿过基片12和底板42与电接头20连接的导入电极18，从而在基片的干燥背部上提供全部的电连接。

管道32可以成为基片背板上的管道并随后被平板42覆盖。该管道通过沉积SiO₂的厚膜(大约30μm)再使用光刻和腐蚀限定和形成管道。选择地，该管道可以通过使用光刻蚀法沉积SU-8光学环氧树脂而形成。

在细胞和玻璃吸管之间获得较好的接触，以及因此在细胞和吸管尖端之间生成吉欧姆封接，这在现有技术中有详细的说明。在根据本发明的基片实例中，不能够一直地提供吸取，对细胞的定位是通过其它的方法执行的。可以看出，仅细胞膜与基片(典型的是超纯二氧化硅)之间的接触，就足以使细胞与基片建立某种结合并产生吉欧姆封接。

该基片技术提出了几个关于细胞在基片上定位的问题。多个细胞施加到一个小室中，而一个细胞必须定位在精确的位置且必须粘着于该部位上。剩下的细胞将被视为废物并被清除。为了达到细胞定位的目的，在不应附着细胞的部位的部位上可以涂覆有疏水材料膜，而在应该附着细胞的部位涂覆亲水膜。如图9A和B所示，疏水材料26可以覆盖位于检测界限的基片的表面，除了那些刚好在电极周围的区域以外。这样，细胞只能自身粘着于该部位处。

提供疏水/亲水区域能够通过对特殊区域进行微构图(micropatterning)以在基片上限定图形化粘着而实现。例如疏水盐或聚四氟乙烯(Teflon)，或其它类型的聚合物能够限定膜具有低粘着性的区域，而亲水的二氧化硅或氮化硅和二氧化硅的多聚层能够限定膜应该具有高粘着性的区域。可以看出，细胞粘着因子，诸如例如聚L赖氨酸、vitronection或fibronectin，不与疏水区域结合。用这些因子中的一种处理微构图材料将给细胞除疏水部分以外的全部区域提供细胞粘着性。

疏水和亲水材料的微构图能够通过如图10A-G概述的用于提供疏水区域的标准光蚀刻方法而制造。图10A展示了洁净二氧化硅基片200，其旋涂着光抗蚀剂202，如图10B所示。使用图10C所示的掩模204和曝光205，之后对图10D的曝光的抗蚀剂202进行显影，“无抗蚀剂”区域208便限定于基片200上，如图10E所示。最终层的图形相应于“无抗蚀剂”区域208且由掩模204限定。现在，疏水材料210便能够沉积到基片上了，图10F。该材料可以通过使用例如标准CVD技术或简单的将基片暴露于疏水材料如硅烷或聚四氟乙烯中而沉积。图10G中，光抗蚀剂通过蚀刻而去除，留下具有期望形状的疏水材料区域212。

为了限定亲水图形，可以沉积亲水材料取代图10F中的疏水材料210。正如晶片处理技术领域中技术人员所了解的，制造中可以使用极多的不同程序性处理步骤，从而产生了类似的图形化区域。

将细胞定位于某一部位可以通过使用电场而执行。在电泳中，荷电粒子在电场的影响下在液体中移动。如果是液体而非粒子进行移动，例如通过在管道中形成离子液体流，该现象便称为电渗。当电场用来引导细胞进入微观结构时，需要考虑许多的参数，其典型地在微观结构中不起作用。

在图2A-C和3A-C说明的基片实施例中，对细胞、囊泡或脂质体的定位可以通过使用电渗在管道32中产生电渗流(EOF)而执行。当使用电渗透时，通过用电极6和16施加跨液体的电场而在管道中产生液体流。该流动又会产生与管道相联系的囊泡内流，例如从井孔穿过小孔30。下面，参照图4A说明一些与电渗透相关的重要事项，并且在图5-8中列出了一些特殊的电渗流泵(EOPs)实施例。

电渗流是通过施加电场通过处于由绝缘壁限定的管道内的溶液而产生的，图4A展示的是管道1的示意图。管道由壁250形成，其两端各有电极256和258。在管道中的液体是离子溶液，其具有阳离子253和阴离子260。

该现象取决于壁250表面上电负性部位254的离子化，从而对于电中性，在溶液中存在额外的可移动电荷，其主要位于靠近壁的地方，且处于对于边界由德拜长度λ_D＝1-10nm给出的表面薄屏蔽层(screening layer)内。施加到溶液中的电场作用于过量电荷屏蔽层导致液体流动。溶液中过量电荷的数量和分布取决于表面材料(可离子化部位的密度)和溶液组分，尤其是pH和离子浓度。电荷分布与一参数有关，即捷塔(ξ)电位，其决定了电渗流强度。但是，尽管已经测量和公布了材料/溶液的捷塔电位数值，但是其仍然不是一个容易控制的参数，由于其产生于表面部位的离子化，ξ和EOF对表面条件和杂质非常敏感。文献中给出的二氧化硅表面的ξ数值为75mV。对于玻璃，该数值可以是二氧化硅的两倍，但是pH和吸收物质的影响实际上极大地降低了该数值。这种ξ数值可以在设计计算中使用，但是确保在实际中获得不依赖于它的性能则更加明智。EOF的方向由溶液中过量的可移动电荷决定，它是由于表面部位的离子化而形成的。因为二氧化硅或硅酸盐玻璃上可移动基团的pKa是-2，那么在中性pH值下，表面将带负电荷且EOF随着可移动的阳离子流向负极性的电极。对于流动管道长度L和恒定的截面积A，电渗流的体流速率I_vol ^eof由下式给出： $I_{\mathrm{vol}}^{\mathrm{eof}}=\frac{\mathrm{A\ϵ\ζ}}{\mathrm{L\η}}U---\left(1\right)$

其中，ε是介电常数，η是液体的粘度，而ξ是液体与管道边界之间界面的捷塔电位。U是所施加跨越长度为L的管道两末端的驱动电压，而恒定的横截面积为A。等式1确定了无负载下EOF泵能够传递的最大可能流率。管道中液体粒子的平均速率通常由u＝I_vol/A给出；而电场强度则由E＝U/L给出，其允许对电渗流迁移率的确定μ_eof＝u/E＝εξ/n独立于含EOF泵流动管道的任何特殊形状，且仅表征了液体和壁之间界面的特征。通过将负载连接于泵，EOF驱动力会伴随产生压力驱动流(Poiseuille流)。层状Poiseuille流的体流速率由 $I_{\mathrm{vol}}^{\mathrm{poiseuille}}=K_{\mathrm{channel}}\mathrm{\ΔP}$ 给出，其中Δp是跨流动管道两末端的压力差，而K_channel是管道的流动传导率。那么总体流速由下式给出： $I_{\mathrm{vol}}=K_{\mathrm{channel}}\mathrm{\Δp}+\frac{A{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eof}}U}{L}---\left(2\right)$ 泵压力的一致性是通过施加I_vol＝0而确立的，并可以计算出Δp： ${\mathrm{\Δp}}_{\max }=\frac{I_{\mathrm{vol}}^{\mathrm{eof}}}{K_{\mathrm{channel}}}---\left(3\right)$

任何特殊EOF泵的整体性能都能够由乘积Δp_maxI_vol ^eof给出的性能功率量化，该功率的数量表示单位是瓦特。功率越高，泵的整体性能越好。如果泵的一端载有电导K_load，则在另一端会产生参照压力，该跨越负载相对于参照压力的压力差由下式给出： $\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{load}}=\frac{-I_{\max }}{K_{\mathrm{load}}+K_{\mathrm{channel}}}---\left(4\right)$ 而通过负载的体流由下式给出： $I_{\mathrm{vol}}^{\mathrm{channel}}=K_{\mathrm{load}}\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{load}}---\left(5\right)$

专门选取泵的构形将能够产生泵管道的电导G_channel。响应于EOF驱动电压，泵管道内的电解质将携带电流I_q。EOF泵的设计因素应该包括由于泵内的功率消耗而引起的消耗热。而且，也应该考虑到电极的定位和设计。在电生理装置中，通常选用的电极材料是AgCl，因此，当泵运转时，应该考虑该电极的消耗。以体积每单位时间表达的电极材料消耗速率由下式给出： $\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{\Δt}}=\frac{I_g{m}_{\mathrm{AgCl}}}{{\mathrm{eN}}_A{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{AgCl}}}---\left(6\right)$ 其中，m_AgCl＝143.321g/mol和ρ _AgCl＝5.589g/cm³是AgCl的摩尔质量和质量密度，而e＝1.602×10^-19C和N_A＝6.02×10²³mol^-1是电荷的基本单位和阿伏加德罗常数。

提示了一种自耗电极的选择方案，其包含提供一种通过对水力流有高度阻抗的电解液桥而连接小室的外部电极。其可以是一个小管道，与提供EOF泵的管道类似，但是其表面的荷电部位密度较低(低捷塔电位)或者其表面具有与EOF泵管道极性相反的电荷。在后一种情况中，反电极的低流动传导率管道有利于EOF的泵激。大多数壁材料，象玻璃或二氧化硅，在与中性pH溶液接触时倾向于带负电。然而也有可能发现带正电荷的材料。铝基陶瓷可能适合，特别是如果溶液处于比中性pH低的一侧时。选择性地，聚合物或凝胶材料，如琼脂糖、聚丙烯酰胺、Nafion、醋酸纤维素或其它透析膜类型的材料，可以产生对水力流抗性高的桥。优选地，它们应该具有较低表面电荷密度或者具有与EOF泵管道相反的极性。

在下文中将对三种可能实现的EOF泵几何形状进行说明，并对它们的性能进行比较。

在平行板EOF泵中，如图5A和B所示，插入两个具有二氧化硅或玻璃表面的平板之间的薄垫片限定了泵管道。泵管道的宽度为W，长度为L且高为h(即两板之间的距离)。溶液的电导率为σ(150mM的氯化钠水溶液大约为0.014Scm^-1)。可能实现的泵构形如图5A和B所示。管道的宽度应该远远大于高度和长度。这种泵的几何结构较容易用安装于层状聚合物固定器中的玻璃板实现，固定器的间隔用聚合物隔离球或者通过在SU-8抗蚀剂中用光学蚀刻加工成一定形状的隔离物维持。下面列出了关键的泵参数。其它的参数可以较容易地由等式1-5计算而得。

苛宾诺盘状EOF泵如图6A和B所示，和平行板构形一样，它也是基于具有被垫片分开的二氧化硅或玻璃表面的平板。但是，在这种结构中，平板的形状为环形，而中心有一个漏，流动是辐射的。平板间的距离h同样比环面的内径(r_in)和外径(r_out)都要小。这种泵构形特别适合于集成到吸管井孔中去。其关键参数在下面给出：

筛网EOF泵与上面的两种例子有本质的不同。此处，泵的流动管道确定为二氧化硅或玻璃膜上的N个小孔。通过使用流过多孔材料形成流体ξ电位的电流可以获得类似的效果。这种泵可以通过使用与制造用于封接细胞的通路相同的微制造过程而制造。在膜中要制造出一系列的孔，而并非只有一个孔。然而，这种构形的关键参数并不象先前的例子一样容易分析计算，且对于单一通路K_passage必须依赖于实验确定的流动传导率和用来说明有效管道长度的几何因数F_geometry，其在具有与膜厚度t_m相当的孔径d的例子中，应该设定得比实际膜厚度稍长。图7A和B展示了这种泵构形的原理。如果需要使用占用空间小而紧凑的泵的话，则筛网构形特别地切实可行。该构形的缺点是其结构所固有的散热(热沉)困难。下面列出了关键参数：

下面给出了实际选择泵尺寸时的关键参数。涉及电生理设备微射流技术应用的合理的泵尺寸应该是：

——平行板泵W＝0.5cm，L＝0.5cm，h＝0.5μm。

——苛宾诺盘状泵r_out＝0.25cm，r_int＝0.1cm，h＝0.5μm。

——筛网泵t_m＝1μm，d＝1μm，N＝10，F_geometry＝2。

这些计算结果是基于与电生理设备相关的条件，该设备中使用的流体是生理缓冲溶液。然而，对于大多数的用途，对应于150mM NaCl溶液的数据是具有代表性的。预设的电导率是σ＝0.014Scm^-1和粘度η＝8.94×10^-4kgm^-1s^-1。计算结果基于U＝100V的电压驱动，和保守选择的ξ＝15mV的捷塔电位。对大量孔径实验性确定细胞受体通路传导率，细胞受体通过被认为是EOF泵最重要的负载，如图4B所示。

在计算中，采用了基本上对应于与直径为1μm的孔的K_passage＝3pl·s^-1·mbar^-1的流动传导率。

参数	平行板	盘状苛宾诺	筛网
				泵管道流动传导率Kchannel[pl·s-1·mbar-1]	1.17	7.99	30.0
最大体流速率Imax[nl·s-1]	0.58	4.00	4.58
				最大压力Δpmax[mbar]	500.7	500.7	152.7
性能功率ΔpmaxImax[nW]	29.2	200	70.0
				跨负载压力差Δppassage[mbar]	140.1	364.0	138.9
负载中体流速率Ipassage[nl·s-1]	0.42	1.09	0.42
				泵管道电导率Gcanal[μS]	0.70	4.80	11.0
通过泵管道的电流Ig[μA]	70.0	480	1100
				泵内功率消耗UIq[mW]	7.0	48	110
维持温升低于20℃所需要的散热的最大热阻抗[℃W-1]	2857	416.7	181.9
				AgCl电极损耗速率ΔVΔt[μm3·S-1]	18610	127800	292400

填注(priming)被理解为是其需要在操作之前用液体首次填充要研究的设备的过程。电渗流驱动力要求在获得流动之前两个电极都浸没在液体中。所推荐的不同EOF泵构形可以借助于狭窄流动管道内的毛细管驱动力而实现一定程度的自发填注。然而，借助毛细管驱动力不可能填充整个各自包含两个电极的泵室。考虑到AgCl电极的消耗速率，沉积于玻璃板之间的薄膜电极似乎不可能忍耐设备的整个操作周期。对于筛网构形情况可能更糟。尽管所考虑的设备都认为是可以任意选择的，但体电极是优先考虑的。对于此问题，一个可行的解决方法是使用只用于填注含有体电极泵室的适当定位的薄膜电极。填注过程之后，体电极能够被取代。另一种可能的解决方法是采用在适当的操作之前施加于泵和吸管端口上的气压驱动来填注整个设备。即使对于具有许多平行测量部位的设备，通过将液体吸取到所有的部位上并用同时施加到所有部位上的气压填注的方法，也能够较容易地填注所有的平行部位。

在一个可能的细胞定位过程中，无论是通路前侧还是后侧的流动管道都集成到设备之中。前侧是指装载细胞的一侧，并且安装有用于电渗流测量的附加细胞参照电极，而后侧是指用吸管将细胞拖至通路上的一侧，并且安装有胞内电极。前侧流动管道通过于通路之上，并且一端与泵(EOF泵或者其它任何具有相似性能的泵)相连，另一端与吸取井相连。前侧流动管道的体积应该足够地小以保证一旦细胞进入管道时，后侧泵维持的通向通路的流动能够，在短时间内，将细胞拖动到通路部位以建立吉欧姆封接。狭窄的前侧流动管道能够使用与库特氏(Coulter)计数器相同的原理探测通过管道的细胞。该探测可以通过两个电极每个各位于一端来电测量管道电阻而实现。当细胞进入流动管道时，会排出一定体积的缓冲溶液，结果其不能够再促进电导。因此电阻的相对变化便通过细胞体积与管道体积的比而给出。此外预期一个扩散电阻分布。然而，如果细胞的横截面面积与流动管道的横截面面积相比较小的话，它也较小。该管道电阻的改变量可以如下计算： $\mathrm{\ΔR}=R_c\frac{V_{\mathrm{cell}}}{V_e}{F}_s---\left(7\right)$

其中V_cell和V_c分别是细胞和管道的体积。R_c是管道的电阻，而F_s是几何因子，其表征当细胞结合于管道内部时的扩散电阻。F_s是一个稍大于1的数字，且取决于细胞和流动管道的相对横截面积。如果管道的宽度与细胞尺寸相当(相比拟)，那么几何因子可以相当地大，相应于扩散电阻大于缓冲剂体积变化效应时的情况。后侧流动管道不需要非常狭窄，而且应该或者在一端装备一个泵端口并且另一端直接与通路相连，或者选择地装备有两个泵端口，每一个位于一端，而通路位于管道的中部。如果希望在设备操作期间交换细胞内缓冲液，那么应该选择两个泵端口的方案。可以采用统计方法以估算在装载到连接流动管道前侧的吸取井上的细胞一定的几率通过管道之前所需要的等待时间。该几率主要取决于悬浮液中的细胞浓度C_c，流动管道前侧内的平均流速U_c和流动管道的横截面面积A_f。时间t内通过管道的细胞平均数目可以如下得出：

β(t)＝C_cA_fu_ct (8)

那么，在时间t内至少一个细胞通过管道的几率p(t)能够由泊松分布给出： $p\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\β}\left(t\right)}^n\exp (-\mathrm{\β}\left(t\right))}{n!}---\left(9\right)$ 要说明这种定位方案，可以通过假定圆形横截面半径r_c＝25μm，长度L_c＝0.25mm简单计算而得。该流动管道的体积和流动传导率分别由V_c＝0.5nl和K_c＝πr_c ⁴/8ηL＝69nl·s^-1·mbar^-1给出。压力驱动Poiseuille流的平均流速是35mm·s^-1/mbar驱动压力差。对于典型的细胞半径r_cell＝6μm，等式7给出的阻抗改变量大约为177Ω每90.9kΩ的总管道电阻，也就是相对改变量为0.19％。此时，表征扩散电阻的几何因子假定为1.06。在前侧驱动压力差仅为1mbar的情况下，平均2秒内有4.1个细胞通过管道，则至少一个细胞通过的几率为98.4％。这种定位方案依赖于细胞一进入管道就停止前侧流的能力。这需要快速的电子设备，避免这种情况的方法是连续施加低压脉冲到流动管道前侧，直到库特氏计数器探测到管道内存在细胞为止。考虑到流动管道前侧的体积很小，任何推荐的安装在流动管道后侧上的EOF泵类型都能够在不到一秒的时间内将细胞吸取到通路的部位上。库特氏计数器的细胞探测电子设备能够制成与离子通道反应电生理测量所需要的相同的类型。

图5A和B展示了一个集成有细胞测量部位的平行板EOF泵实施例。图5A展示了装置的侧视图而图5B展示的是顶视图。此图只考虑了含有胞内缓冲溶液的后侧液体处理系统。外罩60包含两个具有玻璃或二氧化硅表面的平行板61和62。当电离子流在电极63和64之间拉出时，泵吸活动便发生于这些表面之间的液体填充区内。凝胶材料65的区域包含电极63周围的具有高水力流阻的桥。含有这些子单元的EOF泵控制着通过细胞测量部位66通路的电流。附加测量电极67为测量部位提供了低阻抗电流路径。垫片68插在平行板61和62之间以在它们之间维持亚微米的距离。

图6A和B展示了集成在吸取井中的苛宾诺盘状EOF泵实施例。图6A展示的是设备的侧视图而6B则展示了顶视图。两个具有玻璃或二氧化硅表面的平行板61和62用密封粘合剂71固定在吸取井69的底部，两平行板之间插有垫块68以在它们之间维持亚微米的距离。当电离子流在电极63和64之间流动时，泵吸活动便发生于相距很近的板61和62之间的液体填充区内。上电极63可以或者集成到吸取井内(如图所示)或者从上面的装置固定器插入到孔内。箭头73表示的是与设备其它部分的流体连接。要填注EOF泵，需要将液体吸取到位于平行板上方的孔内。为了克服毛细管阻力，应该在孔的顶部提供气压以迫使液体从板之间的空间流下来，并进入到靠下的电极64。液体一接触电极63和64，EOF泵就开始工作，进行泵吸。

图7A和B展示了基于筛网的EOF泵实施例。图7A展示的是设备的侧视图而图7B展示的是顶视图。外罩60含有在其顶部表面具有薄膜75的微结构单位74。微结构用密封粘合剂69固定在外罩内。膜的表面含有二氧化硅或玻璃。一系列直径小于一毫米的孔洞76贯穿微结构中心的自立膜。当电离子流在电极63和64之间流动时，泵吸活动便发生于紧密相邻的孔内。箭头表示的是液体流动路径。

图8展示了根据本发明制造的基片的实施例，其具有细胞捕获部位以及液体流管道和三个EOF泵部位。外罩60含有被微结构单位74分开的液体管道77和78，微结构单位支撑着其顶部表面上的膜75。膜75内的通路用于固定细胞2和形成测量部位14。流体系统含有两个分开的流动系统。第一个流动系统含有容纳细胞溶液的管道77。管道77与膜75的靠上部分接触，有用于添加细胞溶液的入口78，和具有用于产生和控制管道77内细胞溶液流动的苛宾诺EOF泵的出口80(电极没有显示出，但可以如图6A和6B放置)。第二流动系统含有容纳细胞内缓冲溶液的管道78。管道78与膜75的上部接触，具有用于产生和控制管道78内细胞溶液流动的苛宾诺EOF泵的入口79和出口81(电极没有显示出，但可以如图6A和B放置)。细胞2被引导通过起吸取井作用的入口78，并通过流体系统传导到测量部位14。细胞捕获部位14附近的管道变窄从而能够用库特氏计数器原理对细胞进行探测。

对细胞进行探测之后，细胞必须移去，而基片则可以清洗以便再次使用或者进行处理。在另一个实例中，所有的细胞和化合物痕迹都要适当地清除掉。细胞可以移去，而管道和通路能够用电渗流冲洗。出于这一目的，流动典型地要尽可能地高。

在电泳中，电场对荷电粒子产生驱动力，驱动力的方向取决于电场的方向和粒子的电荷(正性或负性)。通过设计工作和参照电极提供电场线会聚于某一部位的电场，荷电粒子例如细胞和囊泡能够被电泳引导到该部位。在进行电泳时，电场对单个粒子或细胞的作用很重要，借此在电渗中，电场在体介质中产生了电流。因此，电场的细节形状在电泳中比在电渗中起的作用更加重要。

在图1B，2B和3B中说明的实施例中，参照电极8至少部分地围绕部位和/或工作电极。现在参考图9A和B给出电泳的详细说明。

图9A和B展示的是基片12的侧视图，其具有至少部分被参照电极8包围的工作电极16。工作电极放置于位于井底部的通路30的内部或下方。优选地，围绕工作电极的部位区域涂覆有疏水材料26从而使细胞不会粘着在这些区域上。

当电势差施加到电极16和8之间时，便形成了电场线90会聚于工作电极16的电场，如图9A-B所示。由于参照电极8围绕通路30或工作电极16部位的几何形状，所有从参照电极出来的电场线将向着工作电极16或者选择的通路30延伸。此外，在参照电极8圆周的任何部位，电场线密度从而以及电场强度沿着工作电极16或者选择通路30的方向上升。为了使图1A-B，2A-C和3A-C实施例中向着通路30延伸，工作电极16应该放置于通路30附近或者内部。

在图1B，2B和3B中说明的实施例中，所提供的细胞可以通过在电极16和8之间施加电势差而放置于工作电极16或者选择地放置于通路30。电泳所需的电势典型地大于电渗所需的电势，并且处于几伏的量级，其取决于电极16和8之间的距离。参照电极8典型地比细胞要大，典型地，这意味着其直径为10μm-5mm，优选地为100μm-1000μm。

在优选实施例中，优选地通过结合上述不同的描述而进行定位。

为了探测部位是否对细胞建立了吉欧姆封接，对工作和参照电极之间的泄漏电流进行测量。即使检测界限含有许多电极，寻找被吉欧姆封接隔离的电极也是一项简单的任务，该工作很适合于用计算机完成。图11和12提出了探测吉欧姆封接部位的方案。后面将给出执行此方案的电系统实施例的详细说明。

图11中，大量的部位形成了n×m的矩阵(此处是3×3)。电极连接18通向基片的一列触点20(No.1-9)，其能够通过测量电流的手段而被计算机逐一寻址。吉欧姆封接电极列表能够用图12所示流程图简单方法造出。首先(1)，建立起两个循环以检查所有的电极矩阵入口。在(2)中，展开矩阵的n×m阵列以提供与编号为N(No.1-9)的电极触点相接触的各个电极地址(3)。阶跃函数电压施加到触点N与参照电极8、触点No.0之间，测量结果电流信号(4)，并且封接的特征(也就是其是否是吉欧姆封接)能够通过结果电流的大小而确定，因为如果没有吉欧姆封接将产生较大的泄漏电流，I_NO＞I_threshold，然而如果建立起吉欧姆封接的话，将只会拉出很小的电流。如果探测到了吉欧姆封接，触点编号便添加到适当的电极列表上(6)，工作电极即从中选出(7)。这一方案带来了一些关于适当电极相对位置n，m的信息。该信息能够用于从(7)选择出最佳的工作电极，但是可以省略，使得每一个电极通过其触点编号而完全可知。典型地，每个检测界限只会选择出一个电极。

在单通道记录(细胞上记录)中能够对这些通道的活动进行电测量或者破裂膜片以允许对整个细胞膜的通道活动进行电测量(全细胞记录)。用于执行全细胞测量的进入胞内高传导性方法至少能够用3种不同的方法获得：

a)在图1A-B，2A-C，3A-C和8中说明的基片实施例中，膜能够通过从基片后部吸入而破裂。负流体静压力以强度增加的脉冲或者渐增或者阶跃增加的短脉冲而施加。所施加的压力应该为10-200mBar。膜的破裂通过响应给定电压检测脉冲的且电容高速增加的电流尖峰(反映了整个细胞膜的电容)而探测。吸取可以通过与细胞定位吸取相同的方法，或者它们的任意组合而提供。

b)用所给电压脉冲轰击膜。电压脉冲以强度(200mV-1V)和持续时间(10μsec-1sec)递增的短脉冲，其递增或者是斜波的或者是阶跃的，而施加到电极之间。典型细胞的脂膜会受到由电压脉冲产生的大电场强度的影响，借此，电极附近的膜发生碎裂。膜的破裂可以通过响应给定电压检测脉冲的且电容高速增加的电流峰而探测。对施加该斜波脉冲的电系统实施例的详细说明将在后面给出。

c)膜的渗透性。微孔形成化合物(例如抗生素如制霉菌素或两性霉素B)的应用，其是通过例如在部位处预先沉积它们的方法而形成的。膜阻抗选择性地通过结合渗透性分子而降低，而不是破裂膜，结果导致通过电极对产生有效的电压控制。该结合随后伴随着整体阻抗的递减和电容的递增。

电生理测量通过使用本发明的系统而进行，包括在两个浸没于液体内的电极之间传递电流，涉及每个电极处的电解反应。在设计该系统时，会产生一系列问题，其主要是因为单一检测界限的规模很小。

根据本发明，固定测量部位的基片和电极都是微结构，因此电极的尺寸也能够最小化。在考虑到电极时，一个重要的方面是确定电极所需的尺寸。在电极反应中，某一个电极的金属缓慢地溶解，结果最终该电极完全溶解掉。这一问题在现有技术中还没有涉及，因为电极对于引起显著效应而言总是过于地大，除非执行很长的一段时间。此外，因为根据本发明而设计的基片优选地是可处理性的物质产品，材料成本以及处理后的潜在污染应该维持在最低。

在长时间的实验中，实验员执行例如用10nA电流维持10分钟的实验，电极必须保持一定数量的AgCl以便能够运转电极处理过程：

               

通过法拉第常数(96485.3C·mol^-1)，我们获得了一定摩尔量n的AgCl，其相当于1秒10nA的电流，因为安培的定义为C·s^-1：

        n＝10^-8C·mol/96485.3C·s^-1＝1.0364×10^-13mol·s^-1，

其意味着运行该实验10分钟所需的摩尔量N为：

        N＝600s×1.0364×10^-13mol s^-1＝6.22×10^-11mol

AgCl的密度为5.589g/cm³，摩尔质量为143.321g/mol。因此可以得出，6.22×10^-11mol相当于(143.321g/mol·6.22·10^-11mol)＝8.91.10^-9g的AgCl。这一数量的体积为：

        V＝8.91·10^-9/5.589g/cm³＝1.595·10^-9cm³=1595μm³

更概括地讲，这意味着我们需要15.95μm³AgCl每nA每分钟电流。

在电流以相反方向流动的情况下，我们有如下的电极反应：

，

其表明了Ag转化为AgCl的过程，因此电极必须含有Ag，否则电流不能够沿相反方向流动并可能会得到有害的电极反应：

另一个可能的反应，其伴随着pH的变化：

Ag的密度为10.3g/cm³，摩尔质量为107.9g/mol。使用10nA的电流维持10分钟的例子，可以获得(107.9g/mol·6.22·10^-11mol)＝6.71·10^-9g的Ag。这一数量的体积为650μm³。

因此，用于电流测量极端例子的Ag/AgCl电极的总体积为：

      V_total＝650+1590＝2240μm³。

概括地讲，这意味着我们需要22.4μm³Ag/AgCl每nA每分钟电流。

如上所述，长时间测量只在研究缓慢钝化电流时才需要，如Smith和Ashfor所描述的，电流钝化达几分钟。在大多数的研究中，电极需要的Ag/AgCl沉积范围为1-20μm³。电极的一个可能构形如图13所示，其中KCl和Ag/AgCl沉积在井的侧壁形成。Ag/AgCl电极应该存放于0.9％的NaCl中以获得最小的漂移。

参考文献：Smith MA，Ashford ML，Inactivation oflarge-conductance，calcium-activated potassium channels in ratcortical neurones.Neruoscience 2000；95(1)：33-50.

有一点很重要，即Cl-的活动在两个Ag/AgCl电极上都相同，否则会导致两个电极之间流动的电流大幅偏移。一种维持Cl持久性活动的方法是将Ag/AgCl从具有高摩尔浓度KCl桥的记录浴液中分离。消除Cl会导致电极的整体极化，形成内在电势引起其它的有害电极反应，例如形成有毒气体和pH改变。

参考文献：Raynauld JP，Laviolette JR，The silver-silver chlorideelectrode：a possible generatior of offset voltages and currents.JNeurosol Methods 1987 Mar；19(3)：249-55.

Ag/AgCl电极能够导致生物样品被Ag污染，因此应该避免使生物样品与Ag/AgCl电极直接接触。这可以通过在Ag/AgCl和含有生物样品的室之间使用高摩尔浓度KCl桥而实现。该桥可以通过先用Ag/AgCl涂覆基片材料，再用KCl晶体涂覆，然后用聚合物包封而建立。聚合物在特定部位用激光或者使用光蚀刻方法破裂，从而允许与含有生物样品的室电接触。

当没有电流流过电极时，测量某一电极相对于参照电极的电势。换言之，测量含有所关心电极和参照电极的电化学小室的电动力。也可参见平衡和标准电极电位。平衡电位的概念可能最容易用简单的金属/金属离子电极系统说明。当某种金属(例如银)浸没于含有其离子(例如硝酸银溶液)的溶液中时，金属离子将通过金属/溶液界面。它们从离子“化学能”高的相进入到离子“化学能”较低的相。其能够沿两个方向发生，这取决于系统。然而，只有带正电荷的阳离子(例如银)能够通过界面。带负电的电子不能够通过进入到溶液中，阴离子(例如硝酸根)也不能进入到金属。

当离子溶液中含有电极时，将发生大量的极化效应：

1.在含Cl的溶液中可以忽略活化极化作用(在Ag/AgCl电极的电极界面上发现的)，但是在无Cl的溶液中其会成为一个相当大的问题。这影响电极的活化电位，但是通过使用在有关污染中描述过的KCl桥其是能够避免的。

2.浓度极化(发现于达几百微米的耗尽区)。其由于电极离子的耗尽而引入了液体污染。电极必须定位于离主体溶液足够远的地方以避免引起体浓度分布的干扰，典型地，200μm量级的距离便足够了。

3.欧姆极化(反映了整个电化学室的电阻)并产生IR降落。这在依赖电流的测量电路中引入了额外的阻抗，并因此引入了测量误差，这需要加以校正。为了使该效应最小化，工作电极与参照电极之间的距离应该最小化。加之电极双层的电容，这便规定了电极反应的时间常数。这因此而确定了在给定条件下能够用电极记录的最大频率。

参考文献：Tassinary LG，Geen TR，Cacioppo JT，Edelberg R，Issues in biometrics：offset potentials and the electrical stability ofAg/AgCl electrodes.Psychophysiology 1990 Mar；27(2)：236-42.

建立起可用的测量构形之后，吉欧姆封接室构成了电系统的一部分。图14是测量构形的近视图，其展示了整个的电阻R_series和含有细胞2的测量构形的快、慢电容，C_fast和C_slow，以及具有通路30的基片12。

电系统

测量基片上膜的电性能的电系统，下文称为主电路，包含一个或多个存在于每一个测量部位的工作电极和与每一个部位接触的参照电极。每一对工作-参照电极均与一个或多个放大器和低噪音电流-电压转换器相连。因为根据本发明，基片包含大量的测量部位，放大器输出端(典型地以8个或更多的为一组)通向多路复用器，多路复用器依次将每一个信号通过模拟-数字转换器(A/D)传递到数字信号处理器(DSP)。DSP对信号进行预分析并与计算机连接。DSP还对输入信号进行处理并能够用于快速多项式以及傅立叶系数计算，从而简化信号的数学描述。进一步的数据处理典型地由计算机执行。主电路也能够产生每个部位的电压钳制信号和检测信号。

在随后的部分中，主电路参考图15进行说明，其展示了主电路的概观。之后，主电路不同部分的详细描述将参考图16-20进行说明。

为了测量电压钳制构形中从给定细胞101传出的电流信号，工作电极与参照电极之间的电压应该能够用模拟开关103开启/关闭。之后，不同细胞/部位便能够用激活网络110上的激活针D1-D4的寻址。工作电极的电流信号在电流-电压(I-V)转换器102中直接转化成电压信号。

I-V转换器功能分为两个部分，102和104。模拟开关103和I-V转换器102能够物理地放置在基片上。I-V转换器104及其前的(forward)优选地放置于第二基片上。在所说明的实施例中，一个井包含4组模拟开关103和I-V转换器102，每一个均与井外部的I-V转换器104相连。每次激活网络110的激活针D1-D4只选择出一组。

输出信号经过I-V转换通过微分放大器105和低通滤波器106从而以超过10kHz的频率切断任何的信号。滤波器信号供给到相应于激活针D1-D4的采样逻辑电路107和反馈网络108。

对于钳制细胞101，每一组I-V转换器必须有一个反馈网络108以维持V_ref电压的稳定。反馈网络108包含I-V转换反馈，固定系列电阻补偿电路，和保持及激励电压V_stim。所有这些都由信号针V_ref反馈回来。反馈网络108由激活针D1-D4上的激活网络110控制。

此外在图15中，模拟开关109保证了将正确的V_ref提供到微分放大器105，其是通过受激活网络110控制的激活针D1-D4实现的。

图15主电路所示的采样逻辑电路107将经放大和滤波的模拟信号转化为数字信号。数字信号通过数据总线120传递到处理器DSP/CPU 109。在DSP/CUP109中，数字信号/数据转化成多项式表达。从DSP/CPU 109，数据通过PC界面123传递到计算。DSP/CPU 109持续跟踪所选择的其地址经过寻址总线122传递到激活网络110的管道和井。该地址在激活网络110内解码，而所选择的管道则在针D1-D4和激活针E上选取。DSP/CPU109也可以通过发送数字信号经过数据总线121到激活信号发生器111而将模拟信号提供给每一个I-V转换器102。激活信号发生器111将数字信号转化成模拟信号。

图16和20展示了图15主电路I-V转换器部分不同的实施例，102和104。图16和20图解的是有两个测量部位的电电路，然而，事实上能够平行提供大量的I-V转换器部分。

在图16中，从选择模拟开关103传出的测量电流信号发送到双FET U430 112的其中一个输入端。双FET U430 112起预微分放大器的作用，其输出被常规的运算放大器(op-amp)NE5534 113进一步放大。双FET U430 112的第二输入端用于接收V_ref反馈。V_ref是由反馈网络108组成的信号。V_ref由很多不同信号组成，如V_stim、反馈电压和固定R_series补偿电压。微分预放大器V_ref上的强迫电压水平将迫使微分预放大器另一输入端的水平保持相等，从而维护正确的细胞钳制电压。

晶体管网络115为“恒流”构形。它维持位于适当部位的微分预放大器的DC工作电压，其次但不是最不重要的，它改善了微分预放大器的共模抑制。双FET U430 112起微分预放大器的作用，且op-ampNE5534 113可以看作“超op-amp”作为电流-电压转换器。该转换通过反馈电阻器114根据公式V_p＝I_p*R_f执行，其中R_f是反馈电阻器114的电阻，典型地处于0.5GΩ的量级。微分放大器115用于读取电压差。

该电路的主要优点在于双FET U430 112和模拟开关103可以植入到基片的后部，事实上FET可以之间在硅层上制造。该电路的另一个优点是，在使用所描述过的部件时，有可能获得更好的规格。

先前部分说明的电路示意图只是如何构建I-V转换器的一个例子。另一个例子在图17中图解。此处，双FET U430 112和NE5534 113都用一个op-amp AD 734 131交换，且I-V转换器和模拟开关103以相反次序放置。该电路主要的优点是它使用了更少的部件，及允许使用“倒装晶片”安装技术。

图18展示了图15主电路采样逻辑电路部分107的实施例。

从前端放大器116传来的信号，如从图15的102-106部分提供的信号，在MUX 117中多路传输到模拟-数字转换器118。

模拟-数字转换器118的采样速率必须至少比输入信号的最大频率高2倍(用以满足尼奎斯特“采样法则”)。在此例中，模拟信号通过10kHz低通滤波器，因此采样速率必须至少为10kHz或者更好为30kHz，以获取正确的数字信号信息。此外，采样速率会随每个MUX117的输入端数目而增大。模拟信号转化为数字信号之后，DSP/CPU109可以进行额外的信号处理，例如将数据转化为多项式。

每一个多路复用器117都由激活网络110在E针上激活。“MUXREADY”接线119从MUX 117连接到A/D转换器118的“A/D转换开始”上。数字信号通过数据总线120从A/D转换器传输到DSP/CPU109。

图19和20展示了图15主电路激励信号发生器部分不同的实施例。

在图19所示的电路中，DSP/CPU 109能够通过发送数字信号经过数据总线121到激励信号放生器的数字-模拟(D-A)转换器124上而提供模拟信号到每一个I-V转换器116(V_ref)。该模拟信号是在DSP/CPU 109的预程序化协议之后检测和破裂碎片细胞101所必需的。该模拟信号可以看作激励细胞101的斜波(ramp)。尽管只显示了两个斜波发生电路，但图19电路的数据总线121允许该协议检测4个平行的单个细胞101。要产生斜波模拟信号，需要有一系列不同的模拟信号，但是出于细胞101的缘故，这些信号必须实时施加。

数字-模拟转换器124一次能够产生一个信号，为了限制数字-模拟转换器124的数目，模拟信号通过多路复用器单元125到采样和保持电路126。采样和保持电路126如下文所述进行工作：首先对从多路复用器单元125传来的信号进行“采样”-电压测量，然后“保持”该“采样”-电压测量，同时多路复用器单元125提供另一个模拟信号到另一个采样和保持电路126，等等。当转换完成时，数字-模拟转换器124发送“ready”信号127到多路复用器单元125，其后信号以斜波序列释放。选择网络128持续跟踪哪一个采样和保持电路126多路复用器单元125发送给模拟信号。

另一个同时提供多个不同实时模拟信号的方法，是使每一个不同类型的模拟信号都具有由一个锁存器129和一个或多个D-A转换器124构成的系列。其如图20所示。当在激活网络110的激活针E上激活时，锁存器129将从数据总线121传来的数字信号数据传递到D-A转换器上，并且保持该信号直到新的数字信号通过为止。当数字数据准备进行转化时，锁存器129发送“ready”信号130到数字-模拟转换器124。如果所有的模拟信号看上去都相同，如果所有的细胞101都暴露于相同的测试信号的话便会发生这种情况，则只需要一个模拟转换器124。

图21展示了根据本发明的系统的概图。在随后的图表中，将通过参考图21给出该系统的简要描述：

300	通讯和数据采集服务器PC	334	化合物存储和注册单元
				302	数据获取和分析工作站PC	336	输入和输出槽口
304	设备控制工作站PC	340	吸取面板
				306	高速通讯网络	342	吸取部位
310	机器手导轨	350	细胞采用和定位单元
				320	吸取机器手	352	输入和输出槽口
322	平板控制机器手	360	化合物采用和电信号测量单元
				324	移液管阵列	362	化合物平板输入和输出槽口
330	细胞培育单元(温度和CO2控制)	364	“基片”平板输入和输出槽口
				332	可处理性存储单元

图21展示了HTS系统必需的用于携带细胞、化合物和任意选择操作，以及特殊HTS膜片钳应用所必需的数据采集、分析和存储方法的几种可能解决方法中的一种。

在图21中，服务器PC用于存储由一个或多个数据获取和分析工作站PC 302收集和发送的实验数据，并用于转递在不同PC 300、302和304上运行的不同软件部件之间的中间处理信息和同步信息。数据和信息通过高速通讯网络306发送。

一个或多个设备控制工作站304用于控制机器手320和322、细胞培育单元330、可处理性存储单元332、化合物存储单元334和细胞采用与定位单元350。吸取面板340、吸取部位342和机器手导轨310可视为为任何商业上可获得HTS吸取系统的核心。机器人吸取臂320用于吸取液体并可以安装有永久的或可处理性的吸管324。

机器人平板控制器用来从可处理性存储单元332取出和携带可处理性部件(化合物携带平板和实验平板(基片))；用于从细胞培育单元330取出和携带含细胞平板；以及用于从化合物存储单元334取出和携带含化合物平板--所有这些都通过适当的相应平板部位342输入和输出槽口336和输入和输出槽口352、362和364。

在细胞采用和定位单元350中，细胞施加到实验平板(基片)的检测部位并进一步用一种其它地方描述的手段进行定位。当细胞被施加和定位时，实验平板(基片)被携带到化合物采用和测量单元360，在其中进行实验。

细胞采用和定位单元350，或者其功能，能够优化地集成在化合物采用和测量单元360内，这取决于所使用的细胞定位方法。

细胞可以存储于培育室的悬浮液中从而可以优化存储条件(温度和CO₂水平)。细胞可以从培育室中取出并注入到基片电流系统中，可以使用与即将参考图22-24进行说明的化合物采集设备相同的采集设备。细胞定位装置与基片部分所描述的相同。

细胞也可以直接在基片上培养，同时浸没在生长介质中。在优化情况中，除了故意用不适合细胞生长的材料制成的表面部分以外，细胞在整个表面上都形成了均匀的单层(取决于欲生长细胞的类型)。细胞在基片上的成功培养强烈依赖于基片材料。

此外，结合有离子通道的人工膜也能够用于取代细胞。这种人工膜可以用脂类饱和溶液生成，其是通过将小块脂质放置在通路上而实现的。该技术在例如Christopher Miller的”Ion ChannelReconstitution”，Plenum 1986，P.577中有详细的描述。如果通路尺寸适当，极性液体如水便会存在于通路的两侧，脂质双层便在通路上形成了。下一步是结合蛋白质离子通道到双层中。这可以通过将集成有离子通道的脂质囊泡提供到双层的一侧而实现。该囊泡可以通过例如梯度渗透而牵引融合到上层中，借此，离子通道便集成到了双层内。

基片交换可以通过使用尺寸与标准微滴定板的尺寸相配的晶片而实现，微滴定板而后能够安装在与标准微滴定板尺寸相同的固定装置内，以允许使用现有的机器人技术。选择地，也可以使用基于现有晶片检查技术的装载设备(典型地与显微设备相连)。

欲检测的化合物存储在现有的能够与标准机器人技术设备相联系的“客栈”中。平板和化合物登记能够使用现有的条码阅读设备而实现。

在下文中，将对许多不同化合物采用设备的方案进行描述。

图22图解的是使用可处理性吸取端头直接采集载体和化合物的无污染吸取方法。吸取系统以装载于微滴定板70顶盖上的可处理性(因此无污染)吸管72二维阵列为基础。在与此设备相配的物理尺寸下，每一个吸管72(优选地用硬塑料制成并可处理性使用)的裂缝都起到了毛细管道的作用，当降低到微滴定板充满液体的井孔内时会自身充满液体52或36。

然后，该吸管72吸取的部分液体能够转移到含有被疏水区域26分离的亲水区域56的载体平板54上(间接采集化合物)。

选择地，吸取可以通过的具有平末端的吸管而执行，在平末端上，随着吸管离开液体便会形成小液滴52或36。吸管顶端保留的液体数量由顶端的面积和亲水性确定，它们都可以在制造过程中加以控制。

另一种选择是使用基本上是毛细管道的吸取末端，这种装置将在后面参考图24A-C加以说明。

如果优先采用直接化合物采集，吸管72能够用于直接携带化合物52或36到检测界限中。细节请参考图24A-C。

图23A和B图解的是使用化合物载体平板的间接化合物采集实施例。此处，化合物首先沉积在载体平板54上，如参考图22描述的直接化合物采集所述。

而后，图23A中具有化合物小液滴52的载体平板54定位在含有存在于载体小液滴52内的细胞2的基片上方或者下方。当检测界限15处的液滴被携带并与如图23B所示载体平板54上的小液滴52相接触时，便会发生液体交换。为了使细胞2周围足够数量的液体发生交换，载体平板54上的小液滴52的体积假定比检测界限15的体积大。在检测界限15周围的区域内，基片12的厚度减低从而使载体平板54上的小液滴52不会与基片12接触，除了检测界限15的位置以外。

图23A和B中，载体平板54定位在基片12的下方。其相对位置同样有效，其中载体平板54和基片12进行翻转以便使小液滴从上部施加到检测界限15中。

图24A-C图解的是使用吸管尖端或不同长度的毛细管道直接采集化合物的原理。

图24A和B图解了通过毛细管60和62进行液体交换的用法，两毛细管连带地安装(理想地安装于微滴定板的顶盖内，如图22A和B示)以便直接采集化合物。毛细管长度不等并应该与在检测界限15周围具有通路58的特殊基片一起使用，如图24C所示。比携带新化合物的管道更长的空毛细管道60，用于通过降低支架使毛细管道60与要移除的液体接触而将液体移除。化合物携带毛细管道62比空毛细管道60短，这样填充管道顶端的液体便不会与基片接触。为了将新化合物携带到检测界限，需要移动支架从而使填充毛细管位于检测界限15的上方。通过降低支架，填充毛细管道62内的液体将沉积在部位处。此时，更长的毛细管道60降低到通路58内，如图24C所示。

图24B是毛细管60和62的侧视图，其理想地安装在微滴定板的顶盖中(如图22A和B所述)。图24C是包含检测界限15、放大器电子设备触点20和穿孔58的完成检测部位的顶视图。

如上所述的化合物采集能够或者通过使用HTS系统标准机器人设备，或者通过使用基于已有技术，如油墨喷射或如可在打印头内发现的气泡喷射阀的专门构建采集系统而执行。

选择地，可以使用常规设计的含有集成吸管的微滴定板顶盖或者进行直接吸取，或者进行直接化合物采集——这将保证无污染吸取。然而另一个选择是使用用芯片技术设计的新采集系统。

使用前述的化合物采集系统，检测化合物可以或者作为液体流，小液滴或者喷雾而施加。最初的两个方法相对于后面的优势在于施加的化合物(参照或检测)在施加不同化合物之前能够很大程度上去除。

如果检测界限可从上方到达，那么支持液小液滴和细胞便能够通过如先前部分说明的分配或吸取系统而提供到每一个检测界限中。选择地，可以使用如油墨喷射打印头或气泡喷射打印头系统。另一个可能的选择是nQUAD吸气分配器或者任何其它适合吸取少量液体的分配/吸取设备。选择地，支持液和细胞施加到整个基片上(例如通过将含细胞的支持液倾注到基片上或者将基片浸没在其中)，由此而将支持液和细胞提供到每一个检测界限。因为支持液和后面的检测化合物的体积仅为几纳升，水汽化会存在问题。因此，取决于特定的体积，处理基片上的液体优选地应该在高湿度气氛中进行。

在随后的部分中，根据本发明的优选系统通过参考先前系统单一部分的实施例的描述而加以说明。该描述将以建立可行的测量构形的过程而给出。

该过程根据参考图2A-C所描述的实施例提供了基片，该基片含有多个等价的部位，然而，本说明中将只给出一个部位。

液体装载

将一小滴含有离子的液体放置于入口44的顶部。入口44上的小液滴立刻由于毛细管力或者外部压力而流过管道32到出口46，从而在工作电极16和电极6之间建立起电接触(通过含离子液体)。然后，在工作电极16和电极6之间施加电压，从而在通路30的底部产生流动和/或正压力，这样便推动少量的液体通过通路30到井的底部。立刻将一小滴含有离子的液体(信号器)放置于井内。当井内液体到达井的底部时，井内液体与管道32内液体之间的液体触点便建立起来。该液体触点在参照电极8和工作电极16之间建立起了电接触(通过含离子液体)。

选择地，首先将一小滴含有离子的液体(信号器)放置于井内。然后将一小滴含有离子的液体放置于入口44的顶部。入口44顶部的小液滴立刻由于毛细管力或者外部压力而流过管道32到出口46，从而在工作电极16和电极6之间建立起电接触(通过含离子液体)。在流过管道32时，液体流在通路30底部产生了负压(吸取)，这样便辅助在井内液体和管道内液体之间建立起了液体接触。该液体接触在参照电极8和工作电极16之间建立起了电接触(通过含离子液体)。如果液体接触不能自发建立，可以在工作电极16和电极6之间施加电压从而在通路30的底部产生流动和/或压力，这样便拖动少量液体通过通路30，由此而建立起井内液体与管道32内液体的接触。

液体吸取(通过电渗的流动)

当电场施加到工作电极16和电极6之间时，电渗流和/或压力会在管道32的液体内产生。管内液体的流动和/或压力由工作电极16和电极6之间的电压控制，这样液体通过通路30的底部在通路30内部或者上部的液体上或者移动(流动)或者产生吸取(压力)。

跨孔电流测量

当电势差施加到参照电极8和工作电极16之间时，通过通路30的结果电流通过工作电极16进行测量。在此过程发生的同时，电极6在高阻抗条件下必须“禁用”以避免引入电噪音。

细胞定位

通过通路30的液体流，其需要用来引导细胞移向该通路，由因为如上所述的管道32内液体流动和/或吸取所导致的液体吸取而产生，其中细胞定位在通路的顶部。

细胞粘着和封接

将细胞粘着到通路30的顶部边缘和在通路周围建立高阻抗细胞膜封接，可以通过在上述通路30的部分细胞膜上施加负压(吸取)而加以辅助。通路下方的吸取是通过当参照电极8处于高阻抗状态时，在工作电极16和电极6之间施加电压所引起的电渗流而产生的。

全细胞构形的建立

全细胞测量构形，其中细胞膜在通路30处碎裂，可以通过在通路30内施加递增的吸取而建立。这可以通过当参照电极处于高阻抗状态时，在工作电极16和电极6之间施加电压产生电渗流而实现。另一个在通路30破碎细胞膜的方法是在参照电极8和工作电极16之间施加一个或多个电压脉冲，直到膜破裂(轰击)为止。大小为0.5-1.0V、持续时间为10毫秒-1秒的电压脉冲对于任何的细胞类型都作用良好。一个优选的方法是对每一个并发脉冲都或者提高电压，或者提高脉冲时间，或者两者都提高，直到在记录电流中产生出足够能代表细胞膜已经破碎的峰值为止。在整个过程或者至少在单个电压脉冲之间的时间内，在穿过通路30的细胞膜上施加适度的负压从而避免破碎细胞重新封接，并保证细胞不会发生泄漏，这通常是有利的。当电极6处于高阻抗状态时，在工作电极16和参照电极8之间施加跨膜电势。通路下方的吸取便通过在参照电极8处于高阻抗状态的条件下，在工作电极16和电极6之间施加电压所引起的电渗流而产生。

化合物交换

化合物可以通过其它部分描述过的小液滴或“吸管”的方法而施加。

在本阶段，提供了具有一些电极，每一个都固定一个细胞的基片，所选择的细胞在其对应的电极周围形成了吉欧姆封接，从而允许电极测量细胞膜中离子转移通道的电生理性能。这代表了本发明的主要方面，即使制备多个用于进行电生理实验的样品细胞成为可能。此外，每一个细胞都被加以限界从而允许对细胞进行单独检测。本说明的其余部分将着重于制备好的基片的应用。

检测化合物必须分别添加到每一个检测界限中，每一个检测界限添加不同的检测化合物。这可以通过使用施加支持液的方法执行，但不包括将支持液施加到整个基片上的方法。

以一定测量构形定位好细胞之后，可以对多个电生理性能加以测量，如通过离子通道的电流(电压钳)，跨离子通道的电压降(电流钳)，或者含离子通道膜的电容。无论如何，都应当提供专门的电测量电路。其中一个这种可能的电压钳测量电路已经在先前的技术中参考图15-20进行说明了。

在电压钳测量实例中，由细胞膜内离子传递通道传送的电流I_mem会引起从溶液(参照电极)到工作电极的电荷转移，典型地处于pA-μA(皮安培--10^-12A)的量级。测量构形的跨膜电压降为V_mem。

下面是根据本发明，制备和执行膜片钳实验优选过程的简要说明。

1.检测介质制备

从存储中获取(并填充生理缓冲溶液)。

2.吸管制备

使用可处理性阵列吸管：从存储中获取可处理性阵列吸管和小液滴载体。

不使用可处理性阵列吸管：冲洗阵列吸管。

3.化合物制备

从存储中获取化合物(微滴定板内)。

使用直接吸取：装载含检测化合物的吸管。

使用间接吸取：执行将检测-、冲洗-、控制化合物吸取到载体的过程。

4.细胞悬液

从控制CO₂和温度的培育室中获取。

5.细胞分选通过电磁或机械过滤器。

6.细胞采集

在新鲜的检测介质上(含有生理缓冲溶液)。

7.细胞定位

所有可以与适当几何涂覆相结合的电渗流、对流、重力、液体流(由电渗、毛细作用或渗透产生)。

8.细胞粘着

如同细胞定位，可以与脂质触点结合。

9.细胞吉欧姆封接(通过R_men＝V_mem/I_men)

如同细胞粘着。

10.全细胞建立(通过I_mem上的电容峰)

吸取(由电渗产生)，轰击，或微孔形成化合物。

11.基线检查(通过设定V_mem，分析I_mem相对于时间的迹线)

对操作运行进行控制。

12.检测化合物采集

使用小液滴或通过集成于检测介质内的管道直接或间接吸取。

13.电压钳记录(通过设定V_mem，记录I_mem对时间的迹线)

14.化合物洗脱

如同检测化合物采集。

15.参照化合物采集

如同检测化合物采集。

16.电压钳记录(用于控制目的)

17.检测介质的处理

18.下一实验

下面是参考执行该过程每一步的细节，括弧[]的是图21所示系统概图的参考标号。

步骤1-3可以有利地通过使用商业上可获得的优化普通HTS的机器人系统而执行。其中一种比较适合的系统是Tecan Genesis RMP(机器人微孔板处理器)系统，例如Tecan Genesis RMP300[304，310，340，342]，或者基于其中之一的较大工作站系统，其装备有用于将检测介质、可处理性吸管、微孔板和试剂架转移到RMP所有部位的液体操纵臂[320，324](用于吸取)和机器人操纵臂(RoMa)[322]。连接有机器手的Tecan Genesis GMP可以由Tecan的GEMINI软件控制。

如果使用非可处理性吸管(单一或阵列的)，Tecan Genesis RMP可以装备冲洗系统，且在吸管阵列的例子中，吸管系统可以是能够进行500nl-200ml吸取的Tecan Genesis RWS多通道吸取选样机。在吸取系统1-8的例子中，可以使用能够进行10nl-5ml吸取的TecanGenesis NPS纳升吸取系统。

对于化合物存储，可以集成一个或多个Tecan Mol Bank[334]，需要时每一个可根据命令登记(使用条形码)、存储和检索最多2500个含检测化合物的微量滴定板。可以用Tecan的FACTS软件控制一个或多个Mol Bank单元。

步骤4-5可以通过使用一个或多个常规构建的设备，或者选择地通过使用商业上可获得的设备而执行。

Tecan培育器/振荡器可以用于在控制CO₂和温度的环境下培养细胞。Tecan Te-MagS磁珠分离单元可以集成到该系统中用于细胞分离。Te-MagS可以由Tecan的GEMINI软件控制。

6-8可以通过使用客户构建的设备[350]执行。

9-17在客户构建的集成有固定装置的设备[360]中执行，该固定装置用于固定检测介质、激励和记录电子设备及在间接化合物采集实例中用于化合物采集的装置。

选择地，如果采用用吸管阵列系统进行直接化合物采集，客户构建的设备将含有一个或多个开口，通过它检测-、冲洗-控制化合物可以通过外设吸管系统加以提供。

如果每个细胞有多于一种检测化合物要检测的话， 12-14可以重复许多次。

系统的处理量取决于吉欧姆封接细胞能够使用不同化合物的次数。

每个细胞系统一种化合物：

●介质交换和初始装载                        大约2min

●细胞定位、吉欧姆封接、全细胞构形的建立、基线检查

                                            大约5min

●检测化合物采集和数据收集                  大约2min

●检测化合物洗脱                            大约1min

●参照化合物采集和数据收集                  大约1min

完成周期时间                                大约11min

假定50％的连续速率，这便给出了每个“检测部位”每天大约60种化合物的检测能力。同时处理96个“检测部位”每天允许检测大约5,000种化合物。同时处理384个“检测部位”每天允许检测大约20,000种化合物。

每个细胞系统4种化合物：

●介质交换和初始装载                        大约2min

●细胞定位、吉欧姆封接、全细胞构形的建立、基线检查

                                            大约5min

●4次采集检测化合物和数据收集               大约8min

●4次检测化合物洗脱                         大约4min

●参照化合物采集和数据收集                  大约1min

完成周期时间                                大约20min

假定50％的连续速率，这便给出了大约每个“检测部位”每天144种化合物的检测能力。同时处理96个“检测部位”每天允许检测大约12,500种化合物。同时处理384个“检测部位”每天允许检测大约50,000种化合物。

Claims (32)

1.一种用于确定和/或监测含离子通道脂膜的离子通道电生理性能的基片，该基片包含：

用于固定含离子通道脂膜的第一部位，该部位包括基片中的一个通路，与基片第一上表面部分第一畴相接触的通路第一末端和与一个第一管道中第二畴相接触的通路的第二末端，

与第一畴电连接的参照电极，

与第二畴电连接的工作电极，

一个或多个用于在第一管道中产生第一电场的电极，附加的电极具有的尺寸和位置使得第一电场在保持于第一管道中的离子溶液中诱导产生流动，该通路的第二末端和第一管道具有的尺寸使得第一管道内的离子溶液流能够产生通过通路从第一畴到第二畴或者相反的流动，以及

适用于以固定于部位处的含离子通道脂膜形成封接的通路第一末端部分，由此，基片、封接和脂膜将该部位的第一畴与第二畴分开，从而能够通过确定和/或监测参照电极与工作电极之间的电信号而确定和/或监测该膜的一种或多种电性能。

2.根据权利要求1的基片，还包含至第一管道的第一末端部分用于引导第一管道中的离子溶液，第一管道与第一管道的第一末端部分的尺寸以及附加电极的尺寸和位置适合于使得通过第一末端部分引导的离子溶液与至少一个附加电极形成电接触。

3.根据前面任何一个权利要求的基片，其中至少一部分第一管道的侧壁由有效截塔(ξ)电位大于或等于10mV的材料形成。

4.根据权利要求2的基片，还包含至第一管道的第二末端部分，其中至第一管道的第一和第二末端部分构成了位于基片第二上表面部分上的至第一管道的入口和出口。

5.根据权利要求2的基片，还包含至第一管道的第二末端部分，其中至第一管道的第一末端部分构成了位于基片第二上表面部分上的至第一管道的入口或出口，其中至第一管道的第二末端部分由通路构成。

6.根据前面任何一个权利要求的基片，还包含一个或多个亲水或疏水材料的区域，相对于第一管道排列成辅助引导离子溶液到第一管道中。

7. 根据前面任何一个权利要求的基片，其中工作电极定位于或者通路内或者通路的第二末端，且其中参照电极成形为使得至少部分地包围与含通路的基片部分平行的平面中的所述通路。

8.根据前面任何一个权利要求的基片，其中参照电极和工作电极与用于确定电流、电压或参照电极与工作电极之间的阻抗的一个电路相连。

9.根据前面任何一个权利要求的基片，其中通路的横断面尺寸最大为10μm。

10.根据权利要求9的基片，其中通路的横断面尺寸为0.5-5μm。

11.根据前面任何一个权利要求的基片，其中至少由第一部位的通路所限定的内表面携带一种物质，该物质将促使牵引在通路的第一或第二末端与基片接触的水成液进入和通过该通路。

12.根据权利要求11的基片，其中该物质为氯化钠。

13.根据前面任何一个权利要求的基片，其中所述通路第一末端部分的尺寸和材料组成适于在固定于该部位处的含离子通道脂膜与基片之间提供高电阻封接。

14.根据前面任何一个权利要求的基片，该基片含有：与第一畴和通路上端部分接触的第二管道，该第二管道具有第一和第二末端，

用于在第二管道中产生第一电场的两个或更多的电极，附加的电极具有的尺寸和位置使得第一电场在保持于第二管道中的离子溶液中诱导产生流动，该部位和第二管道制成尺寸使得第二管道中的离子溶液流动能够产生从第二管道第一末端经过该部位向第二末端的流动。

15.根据权利要求14的基片，还包含用于确定何时第二管道离子溶液中的含离子通道脂膜位于该部位附近的探测装置，和用于响应从该探测装置所发出信号控制第二管道中的流动的装置。

16.一种用于建立测量含离子通道脂膜中离子通道电生理性能的测量构形的方法。该方法包括的步骤有：

提供具有用于固定含离子通道脂膜的第一部位的基片，该部位包含基片中的通路，在基片第一上表面部分与第一畴相接触的通路的第一末端，和与位于该基片第一上表面部分下方的第一管道中的第二畴相接触的通路的第二末端，

在基片的第一上表面部分提供参照电极，该参照电极与第一畴电接触，

提供两个或更多的与第二畴电接触的电极，其中之一为工作电极，

在第一畴内提供载体液体，

在第二畴内提供离子溶液，该离子溶液与至少一个电极电接触，和

通过在至少两个与第二畴电接触的电极之间施加电势差在第一管道中形成电场，该电场穿过第二畴从而在第一管道的离子溶液中产生流动，由此产生从第一畴流入第二畴，或者从第二畴流入第一畴的液体流。

17.根据权利要求16的方法，其中载体液供应到含有一个或多个含离子通道脂膜的第一畴中，且其中电场产生了从第一畴进入第二畴的液体流，直到含离子通道脂膜封接通路第一末端并将该部位的第一畴与第二畴分开。

18.根据权利要求16或17的方法，其中含离子通道脂膜以通路第一末端形成了高电阻封接，从而能够通过确定和/或监测工作电极与参照电极之间的电信号而确定和/或监测膜的一个或者多个电性能。

19.根据权利要求16-18中任何一个的方法，该方法还包括步骤：

提供与第一畴和通路上端部分相接触的第二管道，该第二管道具有第一和第二末端，

在第二管道内产生第一电场以引导在保持于第二管道内的离子溶液中电流从第二管道第一末端经过该部位到第二末端。

20.根据权利要求19的方法，还包括步骤：确定何时第二管道的离子溶液中含有的含离子通道脂膜位于该部位的附近，和响应该确定控制第二管道中的流动。

21.根据权利要求16-20中任何一个的方法，还包括步骤：建立起高电阻封接之后，通过在工作电极与参照电极之间连续施加第一电势差检查固定于该部位处的含离子通道膜与通路第一末端之间的高电阻封接，监测该工作电极与该参照电极之间的第一电流，并将该第一电流与预先确定的阈值电流相比较，以及，如果第一电流小于或等于预先确定的阈值电流，那么证明该部位在含离子通道结构与该部位表面部分之间具有可以接受的封接。

22.根据权利要求16-21中任何一个的方法，还包括步骤：建立起高电阻封接之后，通过在工作电极与参照电极之间施加一系列的第二电势差脉冲，破裂部分与工作电极最接近的含离子通道膜而建立全细胞构形，监测流过工作电极与参照电极之间的第二电流，和当该第二电流超过预先确定的阈值时中断该系列第二电势差脉冲。

23.根据权利要求16-21中任何一个的方法，还包括步骤：在建立起高电阻封接之后，通过在第二畴的电极之间施加电势差在通路中形成负压而破裂部分与工作电极最接近的含离子通道膜从而建立全细胞构形，该电场通过第二畴以便在第一管道的离子溶液中产生流动，由此产生一部分含离子通道脂膜覆盖通路第一末端的吸取，直到该部分含离子通道脂膜破裂为止。

24.根据权利要求16-21中任何一个的方法，还包括步骤：在通路中提供微孔形成化合物，并且其中，在建立起高电阻封接之后，该微孔形成化合物通过使从通路中不可达到的含离子通道膜的一部分可渗透而建立全细胞构形。

25.一种用于确定和/或监测含离子通道脂膜离子通道电生理性能的系统，该系统包含含有多个用于固定含离子通道脂膜的部位的基片，多个工作电极(6)，在每一个部位处放置一个工作电极，以及一个或多个参照电极(8)，参照电极放置得使每一个部位与至少一个参照电极电接触，每一个部位均适用于固定含离子通道脂膜从而使一个部位的工作电极与参照电极之间拉出的电流I_men通过含离子通道脂膜的离子通道而传输，该系统还包含用于对固定于该部位处的含离子通道脂膜执行电压钳测量的主电路，该主电路包含：

多个电流-电压(I-V)转换器(102+104)，每一个都具有第一和第二输入端和一个输出端，第一输入端与工作电极电连接而第二输入端接收参照电压V_ref，每一个I-V转换器适用于一旦接收到参照电压V_ref，便拉出参照电极与工作电极之间的电流I_mem直到第一输入端上的电位至少基本上与V_ref相等，每一个I-V转换器还适用于在其输出端提供对应I_mem的第一电压信号，

具有多个输入端的第一多路复用器(107，117)，该输入端用于从两个或更多个I-V转换器接收第一电压信号并以受控模式将所选择的第一电压信号分别馈给第一A/D转换器(107，118)，该第一A/D转换器产生出相应于第一电压信号的数字信号，

多个单独可控的开关(103)，每一个都与工作电极和多路复用器操作性连接，用于将到达多路复用器的第一电压信号切换为开启或关闭，

用于接收和处理数字信号的数字处理装置(109)，该数字处理装置适用于管理和产生涉及激励或检测含离子通道脂膜的第一类型数字信号，该数字处理装置还适用于管理和产生控制主电路中单独可控部件的第二类型数字信号，

用于接收第一类型数字信号和产生添加到每一个V_ref上的模拟激励或检测信号V_stim的装置(111)，

用于提供V_ref到每一个I-V转换器的装置，每一个V_ref均单独可控，该装置还适用于接收V_stim和将V_stim加到一个或多个选择的_Vref上，以及

用于从数字处理装置接收第二类型数字信号的激活网络(110)，其响应第二类型数字信号而控制：

——多个单独可控的开关，

——在多路复用器中多个第一电压信号的选择，

——单个V_ref的数值，其是通过控制提供V_ref的装置实现的。

26.根据权利要求25的系统，其中单个可控的开关集成在基片上。

27.根据权利要求25或26的系统，其中每个I-V转换器至少部分集成在基片上。

28.根据权利要求25-27中任一项的系统，其中I-V转换器包含运算放大器。

29.根据权利要求28的系统，其中I-V转换器还包含双FET。

30.根据权利要求27-29中任一项的系统，其中用于产生V_stim的装置还包含多个数字-模拟(D-A)转换器(124)，用于接收第一类型数字信号和提供相应的模拟信号V_stim。

31.根据权利要求30的系统，其中用于产生V_stim的装置还包含多个多路复用器(125)，每个均与D/A转换器连接以接收第一类型模拟信号，和多个单独可控采样和保持电路(126)，其中两个或更多的采样和保持电路(126)与每个多路复用器的不同输出端连接，用于产生V_stim的装置适用于提供包含两个或更多部分的实时倾斜V_stim信号，每个部分均对应一个第一类型数字信号，其中D/A转换器适用于产生响应于第一类型第一数字信号的第一模拟信号，和响应于第一类型第二数字信号的第二模拟信号，多路复用器适用于在第一输出端上提供第一模拟信号及在第二输出端上提供第二模拟信号，单独可控的采样和保持电路适用于接收和保持所述第一和第二模拟信号直到受控地随后释放模拟信号以形成倾斜V_stim信号的不同部分。

32.用于确定和/或监测细胞中离子通道的电生理性能的系统，该系统包含：细胞培养单元(330)，

化合物存储单元(334)，

一个或多个根据任意权利要求1的基片，

基片存储单元(332)，

用于接收基片的细胞定位和测量单元(350+360)，该细胞定位和测量单元包含用于提供含液体细胞到基片每一个部位上的装置，用于施加预确定电势差到基片每一部位预先确定的一组电极之间从而将细胞定位于该部位的预定位置的装置，以及根据权利要求25的用于执行检测和测量定位细胞的主电路，

用于将基片从基片存储单元传送到细胞定位和测量单元的传送装置(322)，该传送装置还适用于将细胞从细胞培养单元传送到细胞定位和测量单元，

用于将化合物从化合物存储单元吸取到细胞定位和测量单元所固定的基片上的吸取系统(320，324，340，342)，

用于控制执行确定和/或检测及存储实验数据的主计算机系统，该主计算机系统操作性连接于：

——一个或多个用于数据采集和分析的电子处理器，该一个或多个电子处理器操作性地与细胞定位和测量单元主电路的数字处理装置(109)相连，

——用于控制传送装置的电子处理器，

——用于控制吸取系统的电子处理器。

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