膜片鉗技術基本原理與特點

           膜片鉗技術本質上也屬于電壓鉗范疇，兩者的區(qū)別關鍵在于：①膜電位固定的方法不同；②電位固定的細胞膜面積不同，進而所研究的離子通道數(shù)目不同。電壓鉗技術主要是通過保持細胞跨膜電位不變，并迅速控制其數(shù)值，以觀察在不同膜電位條件下膜電流情況。因此只能用來研究整個細胞膜或一大塊細胞膜上所有離子通道活動。

       目前電壓鉗主要用于巨大細胞的全性能電流的研究，特別在分子克隆的卵母細胞表達電流的鑒定中發(fā)揮著其他技術不能替代的作用。該技術的主要缺陷是必須在細胞內(nèi)插入兩個電極，對細胞損傷很大，在小細胞如中樞神經(jīng)元，就難以實現(xiàn)，又因細胞形態(tài)復雜，很難保持細胞膜各處生物特性的一致。

       膜片鉗的基本原理則是利用負反饋電子線路，將微電極尖端所吸附的一個至幾個平方微米的細胞膜的電位固定在一定水平上，對通過通道的微小離子電流作動態(tài)或靜態(tài)觀察，從而研究其功能。膜片鉗技術實現(xiàn)膜電流固定的關鍵步驟是在玻璃微電極尖端邊緣與細胞膜之間形成高阻密封，其阻抗數(shù)值可達10～100 GΩ(此密封電阻是指微電極內(nèi)與細胞外液之間的電阻)。由于此阻值如此之高，故基本上可看成絕緣，其上之電流可看成零，形成高阻密封的力主要有氫健、范德華力、鹽鍵等。此密封不僅電學上近乎絕緣，在機械上也是較牢固的。又由于玻璃微電極尖端管徑很小，其下膜面積僅約1 μm2，在這么小的面積上離子通道數(shù)量很少，一般只有一個或幾個通道，經(jīng)這一個或幾個通道流出的離子數(shù)量相對于整個細胞來講很少，可以忽略，也就是說電極下的離子電流對整個細胞的靜息電位的影響可以忽略，那么，只要保持電極內(nèi)電位不變，則電極下的一小片細胞膜兩側的電位差就不變，從而實現(xiàn)電位固定。

       另外，膜片鉗高阻封接技術還大大降低了電流記錄的背景噪聲，從而戲劇性地提高了時間、空間及電流分辨率，如時間分辨率可達10 μs、空間分辨率可達1平方微米及電流分辨率可達10-12 A。影響電流記錄分辨率的背景噪聲除了來自于膜片鉗本身外，最主要還是信號源的熱噪聲。信號源如同一個簡單的電阻，其熱噪聲為

　σn=4Kt△f/R

       式中σn為電流的均方差根，K為波爾茲曼常數(shù)，t為絕對溫度，△f為測量帶寬，R為電阻值?？梢姡てQ要得到低噪聲的電流記錄，信號源的內(nèi)阻必需非常高。如在1kHz帶寬，10%精度的條件下，記錄1pA的電流，信號源內(nèi)阻應為2 GΩ以上。電壓鉗技術只能測量內(nèi)阻通常達100 kΩ～50 MΩ的大細胞的電流，從而不能用常規(guī)的技術和制備達到所要求的分辨率。