Alkuun
Edellinen sivu


2. Laitteisto

2.1 Toimintaperiaate

Jännitelukitus on menetelmä solukalvon ionivirtojen tutkimiseksi.
Jännitelukituslaitteiston periaate on yksinkertainen: Solukalvon yli
oleva jännite eli kalvojännite mitataan kalvon molemmin puolin ole-
villa mittaelektrodeilla. Mitatun kalvojännitteen ja solukalvon yli ha-
luttavan jännitteen eli ohjausjännitteen erotus määrää mitattavassa
kohteessa olevaan ohjaus- tai takaisinsyöttöelektrodiin syötettävän
virran. Näin ohjauselektrodilla korjataan mitatun ja halutun jännit-
teen välinen jännitevirhe.

Periaatetta selventävä esimerkkilaitteisto on esitetty kuvassa 2.
Laitteiston ytimenä on lukitusvahvistimena toimiva operaatiovahvis-
tin. Sen positiiviseen ottoon syötetään ohjausjännite E, joka saadaan
yleensä ohjattavasta jännitelähteestä, kun maajännitteeksi valitaan
solukalvon ensimmäiseltä puolelta mitattu jännite (yleensä solun ul-
kopuolelta mitattu jännite). Lukitusvahvistimen negatiiviseen ottoon
syötetään solukalvon toiselta puolelta jänniteseuraavan kautta mitat-
tu jännite, joka on suoraan kalvojännite Vm. Vastus Ra kuvaa ohjaus-
elektrodin resistanssia sekä solun sytoplasman aiheuttamaa resistans-
sia. Vastus Rs kuvaa sarjaresistanssia.

Kuva 2. Jännitteenlukituslaitteisto.

2.2. Lukitusvahvistus

Jännite V0 määräytyy tulojen ja vahvistuskertoimen mukaan

(2)

Kalvojännite Vm saadaan laskettua V0:sta Ra:ssa tapahtuvan jännite-
häviön avulla

(3)

Sijoittamalla kaava (2) kaavaan (3) saadaan

Ratkaisemalla tästä Vm saadaan .

Tästä nähdään, että ensimmäinen termi lähestyy ohjauspotentiaalia E,
kun lukitusvahvistimen vahvistuskerrointa kasvatetaan, ja toinen termi
pienenee vahvistuskerrointa kasvatettaessa. Koska järkevillä vahvistus-
arvoilla (A>1) ensimmäinen termi lähestyy ohjauspotentiaalia alhaalta-
päin ja toinen termi on negatiivinen, koko lauseke lähestyy ohjauspoten-
tiaalia E, kun vahvistuskerrointa kasvatetaan.

Haluttu kalvojännite siis saavutetaan nopeammin ja tarkemmin lisäämällä
lukitusvahvistimen vahvistuskerrointa. Käytännössä rajaksi tulee solukal-
von ja mittauselektroniikan kapasitanssi, joka liian suurella vahvistusker-
toimella aiheuttaa viiveen ja jännitteen liian suuren ohjauksen, mistä seu-
rauksena on kalvojännitteelle aiheutuva värähtely.

Mittauselektroniikan kapasitanssia voidaan vähentää käyttämällä kapasi-
tanssikompensaatiota jännitteenseuraajassa ja, jos mittauksessa käytetään
mikroelektrodeja, mittauksen sarjaresistanssin Rs vaikutusta voidaan vä-
hentää virran takaisinsyötöllä. Katz ja Schwarz (1974) ovat analysoineet

kriittisen vaimennuksen ehtoja ja todenneet, että suurella vahvistuskertoi-
mella sen saavuttamiseksi täytyy solukalvon, solunesteen ja elektrodien

aiheuttaman aiheuttaman kuorman aikavakion t L olla huomattavasti suu-
rempi tai pienempi kuin vahvistimen aikavakion t . Yleisinä ohjeina voidaan

pitää, että pieniresistanssisille mittaussysteemeille, kuten aksiaalisille johdin-
elektrodeille, pätee yleensä t ³ t L. Mikroelektrodeilla taas pätee yleensä

t L³ t .

2.3. Resistanssi mittaussysteemissä

Jännitteen mittaavien elektronien ja mitattavan solukalvon välillä on näiden
välisen soluliman aiheuttama resistanssi, jota kuvassa 2 on merkitty Rs. Tä-
mä resistanssi aiheuttaa virheen todellisen kalvopotentiaalin Vm ja lukitus-
vahvistinta ohjaavan mitatun potentiaalin Vm välille. Se onko virhe merkit-
tävä saadaan selville mittaamalla vastus Rs ja laskemalla jännitevirhe Ve=IRs.

Resistanssi Rs voidaan mitata muuttamalla virtaa I, jolloin jännitevasteessa
tapahtuu muutos, jonka suuruus on IRs, ja josta Rs saadaan selville. Virran
muutoksesta aiheutuvaan jännitevasteen hyppyyn sekoittuu kuitenkin käy-
tännössä solukalvon kapasitanssin aiheuttama jännitemuutos, erityisesti kos-
ka virta-askeleen nousuaika on äärellinen.

Jos resistanssista aiheutuu merkittävä virhe, voidaan sitä kompensoida esi-
merkiksi lisäämällä lukitusvahvistimen ohjaussignaaliin kalvovirtaan verran-
nollinen, sopivasti skaalattu signaali. Useimmissa kaupallisissa jännitelukitus-
vahvistimassa on potentiometrillä säädettävä kompensaatiopiiri, jolla suurin
osa mittausresistanssin vaikutuksesta saadaan poistettua. Kaikkein hankalim-
missa tapauksissa voidaan kuitenkin joutua käyttämään erillistä mittaelektro-
dia todellisen kalvopotentiaalin mittaamiseksi.

2.4. Potentiaalin tasaisuus

Solukalvon yli asetettava jännite pitäisi saada mahdollisuuksien mukaan va-
kioksi koko sillä solukalvopinnan alueella, jonka läpi kulkevaa virtaa mitataan.
Tämä saadaan valitsemalla oikeanlainen mittauslaitteisto kuhunkin mittausgeo-
metriaan:

Jännitelukituksessa kaikkia solun ulokkeita, kuten aksonit ja dendriitit, ei saada
tasajännitteisiksi ja solujen geometriasta aiheutuu, ettei vakiojännite vallitse kaik-
kialla solukalvon pinnalla. Näistä alueista, joissa jännitelukitus ei vaikuta, tulevat
virrat voidaan erottaa erillisinä sisäänpäin kulkevan virran nytkähdyksinä, jotka
ilmaantuvat usein suhteellisen pitkän ajan kuluttua varsinaisista jännitemuutoksis-
ta ja vastaavat virta-jännite-suhteen äkillisiä nousuja.


Seuraava sivu

Copyright © 1998, 1999 Mika Letonsaari