DE3144003A1

DE3144003A1 - Messanordnung fuer extrem kleine stroeme

Info

Publication number: DE3144003A1
Application number: DE19813144003
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. 3400 Göttingen Neher
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1981-11-04
Filing date: 1981-11-04
Publication date: 1983-05-19
Also published as: US4510442A; DE3144003C2

Description

3U4003

Meßanordnung für extrem kleine Ströme

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Messen der nur wenige pA großen, z. B. bis 100 ms dauernden Impulsströme in den einzelnen Ionenkanälen von biologischen Membranen, z. B. von Muskelfasern, drückt man bekanntlich eine Pipette so gegen die Membran, daß eine Abdichtung mit möglichst hohem elektrischen Widerstand entsteht und dadurch der in dem betreffenden Bereich hervorgerufene Strom größtenteils in eine in der Pipette enthaltene Elektrode fließt (Pflügers Archiv 375/European Journal of Physiology, 1978, S. 219-228). Das Referenzpotential, auf dem die Membran und das Innere der Pipette liegen, kann durch gesonderte Elektroden auf Masse oder einen anderen gewünschten Potentialwert geklemmt werden. Der Strom wird durch eine Konverter- und Verstärkerschaltung gemessen, bei der es v. a.' auf die Überwindung von Rauschproblemen ankommt, wovon die erreichbare Stromauflösung innerhalb einer gewünschten Bandbreite abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung anzugeben, die unerwünschte Eingangsströme vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Meßanordnung gelöst.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der Meßanordnung.

An die Elektrode 1 der Pipette 2, deren Spitze an der Membran 3 anliegt, ist in bekannter Weise ein Strom-Spannungs-Konverter 4 angeschlossen, der aus einem Differenzverstärker A₁ mit einem hochohmigen Rückkopplungs-Meßwiderstand R_f

rf*

etc

besteht. Der eine Eingang des Verstärkers A₁ ist mit der Pipette verbunden, der andere Eingang mit einem Referenzpotential, das von einem Verstärker A. in noch zu erläuternder Weise erzeugt wird und darstellungsgemäß auch an dem (massefreien} Gehäuse des Konverters 4 liegen kann. Der Meßwiderstand Rp kann gemäß dem dargestellten Beispiel einen Wert in der Größenordnung von 10 Gigaohm haben. Während bisher der Abdichtungswiderstand zwischen der Membran und der gegen sie gedrückten Pipette bis höchstens 200 Megaohm betrug, kann dieser Widerstand durch Einsaugen der Membran 3 in die Pipette 2, wie dies bei 5 angedeutet ist, sowie durch besondere Reinigungsmaßnahmen auf Werte von 10 bis 100 Gigaohm erhöht werden, wodurch eine Stromauflösung bis zu 0,5 pA ermöglicht wird. Zweckmäßig ist auch eine Beschichtung der Pipette mit Sylgard zur Rauschminderung.

Der Ausgang des Konverters 4 ist mit dem einen Eingang eines weiteren Differenzverstärkers A„ verbunden, dessen zweiter Eingang ebenfalls an dem Referenzpotential liegt, und dessen Ausgang an den ersten Eingang eines Operationsverstärkers A_ geschaltet ist, der eine Schaltung zur Korrektur des Frequenzgangs bildet. An dem zweiten oder Referenzeingang des Verstärkers A₃ liegt ein verstellbarer Rückkopplungswiderstand. Bei den dargestellten Widerstands- bzw. Kapazitätswerten am Eingang des Verstärkers A- kann diese Schaltung die durch den Meßwiderstand R_ und dessen Eigenkapazität C,- bedingte Zeitkonstante bis 2,5 ms kompensieren, wodurch eine Bandbreite bis zu 10 kHz erreichbar ist.

Der Verstärker A , bei dem es sich in der Praxis um einen weiteren Operationsverstärker handeln kann, dient auch zum Anlegen einer Befehlsspannung an die Pipette, etwa eines SpannungsSprungs zur Aktivierung des Ionenkanals. Da eine sprunghafte Änderung des Pipettenpotentials relativ große Ströme zum Umladen der verschiedenen am Eingang vorhandenen Kapazitäten C bzw. C zur Folge haben kann, ist es zweckmäßig, die Befehlsspannung "abzurunden". Aus demselben Grund ist eine übergangskompensationsschaltung mit

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einem Verstärker A₅ vorgesehen, der über einen kleinen Kondensator 6 einen richtig bemessenen, der verstärkten und geformten Befehlsspannung entsprechenden Ladestrom direkt in die Pipette injiziert, so daß der Koverter 4 während des Spannungssprungs nur einen kleinen Fehlerstrom liefern muß. Die Befehlsspannung wird über den dargestellten RC-Kreis an den ersten Eingang des Verstärkers A₅ gelegt, über den Kondensator 6 können auch Ströme zu Testzwecken injiziert werden; Testsignale werden an den zweiten Eingang des Verstärkers A₁. gelegt.

Erfindungsgemäß ist zwischen den Ausgang der die Verstärker A„ und A-. enthaltenden Verstärkerschaltung und den Befehlseingang des Verstärkers A₄ über einen Widerstand R ein Operationsverstärker A, geschaltet. Parallel zu dem Verstärker A_fi liegt in Reihe mit dem Widerstand R die Serienschaltung aus einem ersten Kondensator C. relativ großer Kapazität (z.B. 3pF) und einem zweiten Kondensator C- relativ kleiner Kapazität (z.B. 3nF), der durch einen Schalter 7 überbrückt ist. Der Verstärker A, bildet mit dem Widerstand R und den Kondensatoren C , C₂ einen Integrator 8. Das Stromausgangssignal des Verstärkers A_ wird also integriert und über den Verstärker A₄ auf das Referenzpotential der Pipette 2 rückgekoppelt. Dadurch kann das Pipettenpotential so gesteuert werden, daß im Langzeitmittel kein Pipettenstrom fließt. Die Zeitkonstante des so gebildeten Regelkreises wird durch die Werte des Widerstands R und der Kondensatoren C₁, C„ bestimmt und kann mit Hilfe des Schalters 7 zwischen "langsam" (z.B.

10 sek.) und "schnell" (z.B. 1 msec, oder kürzer) umgeschaltet werden.

Die Rückkopplung erfüllt einen doppelten Zweck: bei Wahl der langen Zeitkonstante wird selbsttätig das Potential eingestellt, bei dem die Pipette im offenen Zustand stromlos ist. Andernfalls würden bei offener Pipette (vor dem

β «κ

r ν C · t

" " 31U003

Aufsetzen der Pipette auf die Zelle) geringste Potentialschwankungen, große Ströme verursachen, die u.a. den Verstärker in Sättig ng bringen würden. Bei Einstellen des langsamen Wertes wird im übrigen bei Änderungen des Eingangs-Elektrodenpotentials stets die Spur eines zum Beobachten des Eingangssign. Is verwendeten Oszillographen im gewünschten Bereich zentriert.

Bei Wahl der kurzen Zeitkonstante ist dagegen eine stromlose Spannungsmessung des sich an der Pipettenspitze bzw. an der eingesogenen Membran 3 entwickelnden Potentials möglich, ohne daß der Verstärkereingang an der Pipette umgeschaltet werden muß. In manchen Fällen ist diese Spannungsmessung im Gegensatz zu der normalen Betriebsweise der Strommessung bei vorgegebener Spannung erwünscht. Insbesondere erlaubt der hier beschriebene Rückkopplungskreis die Potentialmessung von ganzen Zellen, wenn die Pipette nach Durchbrechung der Membran unter Beibehaltung ihrer Abdichtung Zugang in das Innere der Zelle hat.

Von dem Netzwerk am Eingang des Verstärkers A. wird das Ausgangssignal des Integrators 8 gegebenenfalls mit der erwähnten Befehlsspannung summiert. Die Ausgangsspannung des Verstärkers A. bildet das gewünschte Referenzpotential am Eingang des Verstärkers A₁.

Der dargestellte Integrator mit relativ großer Kapazität ist für den erwähnten langsamen Ausgleich von Potentialschwankungen am Eingang zweckmäßig. Statt des Integrators 8 kann man aber in anderen Fällen auch einen beliebigen anderen Rückkopplungsverstärker z.B. mit Tiefpaßverhalten vorsehen.

Claims

PATENTANWÄLTE

DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARIA-THERESIA-STRASSE 22
POSTFACH 86 02 60

D-8OOO MUENCHEN 86

3H4003

ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATA1RES EN BREVETS EUROPEENS

TELEFON 089/4 70 60 06 TELEX 532 638 TELEGRAMM SOMBEZ

15

11049/H/Lö

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Max-Plack-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften E. V., Göttingen

Meßanordnung für extrem kleine Ströme

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Patentansprüche

y Meßanordnung für extrem kleine Ströme, insbesondere zum Messen der Ströme einzelner Ionenkanäle in biologischen Membranen, mit einer Pipette, die mit ihrer Spitze gegen die Membran oder dergleichen gedrückt wird, an einem Referenzpotential liegt und eine Elektrode zum Ableiten des zu messenden Stromes enthält, mit einem Strom-Spannungs-Konverter, der mit Hilfe eines hochohmigen Meßwiderstandes eine dem Strom entsprechende Spannung erzeugt, und mit einer auf den Spannungsabfall an dem Meßwiderstand ansprechenden Verstärkerschaltung, dadurch g e -

daß an den Ausgang der Verstär-

A₃) ein Rückkopplungsverstärker (z.B.

kennzeichnet

kerschaltung* (A

Integrator 8) geschaltet ist, der mit seinem Ausgang das Referenzpotential der Pipette (2) im Sinne einer Herabsetzung des zeitlich gemittelten Pipettenstroms auf Null steuert.
2. Meßanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Regelungszeitkonstante des Rückkopplungskreises zwischen mindestens zwei Zeitwer ten umschaltbar ist.
3. Maßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Rückkopplungskreis über einen Verstärker (A₄) mit dem Referenzeingang eines in dem Strom-Spannungs-Konverter (4) enthaltenden Differenzverstärkers (A₁) verbunden ist.
4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungsverstärker einen Integrator (8) bildet.