Л.Карлсон [L.Karlsson]

Переводится по статье из журнала 
"The Review of Scientific Instruments
[Обзор научных инструментов], 
номер 3 (43), март 1972 г., стр. 458-463.

 

Автор статьи работает в лаборатории физики Королевского ветеринарного и сельскохозяйственного университета города Копенгаген, Дания. В данной статье представлена аппаратура для измерения биоэлектрических сигналов растений. Рассматриваются проблемы изменения и усиления измеряемых токов. Показаны экспериментальные данные по регистрации биотоков каучукового комнатного фикуса (Ficus elastica).

Введение

Основным источником всех биотоков являются клетки. Согласно установившимся представлениям, клеточным биопотенциалом или трансмембранным потенциалом называют разницу потенциалов между внутренней и внешней стороной мембраны клетки. Для того чтобы измерять электрические явления в тканях растений необходимо преобразовать ионную проводимость в электронную, которая принята в электротехнике.

Существуют два различных способа измерения биоэлектричества. Внутриклеточный активный электропотенциал будет измерен, если один электрод (рабочий) поместить внутри клетки, а другой электрод (референтный) за её пределами. Активный электропотенциал большой группы клеток, т.е. растительной ткани, измеряется путём контакта электродов с разными точками растения, между которыми измеряется биоэлектричество. В последнем случае наблюдаемый сигнал происходит из-за клеточной поляризации-деполязации. Благодаря клеточному мембранному импедансу, измеряемый активный потенциал приблизительно равен математической производной времени трансмембранного потенциала. Много опытных измерений было получено по этим двум способам измерений биоэлектричества в области электрофизиологии животных. Такие хорошо известные методы как электрокардиограмма (ЕКГ) и электроэнцефалограмма (ЭЭГ) базируются на измерении биоэлектрической деятельности большой группы клеток.

Аппаратура, описанная ниже, была сделана для измерения биоэлектричества у растений. Большая часть технических решений была взята из уже используемых на практике кардиографических и электроэнцефалографических приборов. Рассматриваются практическое применение представленных приборов на примере регистрации биотоков каучукового комнатного фикуса.

Почти во всех электрофизиологических ситуациях встречается два вида токов - замеряемый сигнал и посторонние шумы. Внешние посторонние шумы могут иметь электростатический или электромагнитный характер. Эти шумы могут намного превышать собственные токи растения. Использование фильтров сигнала недопустимо, т.к. это может привести к искажению замеряемых сигналов растения. При помощи подавления однофазного сигнала (common mode rejection ratio, CMRR) возможно добиться более-менее надёжной фильтрации посторонних частот. Но и в этом случае необходимо отличать шумовые частоты от частот, в которых возможно получение сигнала от растения. В данной статье рассматриваются замеры биотоков, которые были сделаны сразу на двух каналах. При таком параллельном измерительном процессе возможно лёгкое сопоставление результатов на предмет внешних шумов и собственной реакций растений.

Метод

Экспериментальная установка, рассчитанная на один канал, состоит из четырёх основных компонентов: 1) предварительного усилителя с коэффициентом 50, 2) линейного полосно-пропускного усилителя с переменным коэффициентом, 3) самописца, 4) осциллографа с функцией запоминания. Предусилители работают с токами, которые проходят через ткани растения. Чтобы исследовать эти токи были сделаны три типа усилителей - типа A, B и C. Тип А работал с током в 300 наноампер; тип B с током в 30 наноампер; тип С был сделан с FET-входом, и он работал в диапазоне от 5 до 200 пикоампер. Чтобы обеспечить стабилизацию напряжения между электродами и тканью растений, были вставлены два мегаомных сопротивления. Общее сопротивление каждого из входов предусилителей составляло около 1000 мегаом.

Функция линейного полосно-пропускного усилителя состоит в том, чтобы только усилить измеряемый сигнал, увеличивая тем самым разницу между измеряемым сигналом и шумами. Для этих целей использовались простые RC- и CR-фильтра с коэффициентом передачи в 6 децибел, т.е. в два раза. Усилитель имел переменное усиление от 1 до 500, что было необходимо для изменения диапазона чувствительности используемых самописцев типа W+W 2011. Для исследования сигналов растения в области высоких частот использовался осциллограф с режимом запоминания марки Tektronix 549. Для обнаружения атмосферных и радиопомех в AM- и FM-диапазонах использовались радиоприёмные устройства.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки аппаратуры для измерения биоэлектрических сигналов растений

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

На рис. 1 показана схема опыта, в которой участвуют сразу два усилителя, измеряющих биотоки в разных частях растения. Благодаря этому двойному замеру исключаются всякие ошибки. Предусилители питались от одного 15-вольтового выпрямителя. Если бы причиной сигнала стал бы источник питания, то это сразу бы стало видно по одновременной регистрации сигнала. Аналогичным образом обеспечивалось питание двух линейных усилителей. <…>

Описание схемы

На рис. 2. показана схема усилителя. Номера выходов, показанные на микросхемах IC1, IC2 и IC3 соответствуют предусилителям типа C где IC1=IC2=Amelco2741CF и IC3=MC1741CG, N5556T, microA741, или MC1456CG. Все конденсаторы дискового типа с низкой индуктивностью. В предусилителе типа А применялись следующие микросхемы: IC1=IC2=IC3=MC174lCG, а в типе B: IC1=IC2=N5556T и IC3=MC1741CG.

Рис. 2. Схема усилителя аппаратуры для измерения биоэлектрических сигналов растений

Рис. 2. Схема усилителя.

Интегральные микросхемы IC1 и IC2 соединены последовательно. Эта схема имеет очень высокий входной импеданс. Вход экранированных кабелей сделан таким образом, чтобы предотвратить увеличение входной ёмкости. Этот метод обычно используется в измерениях электроэнцефалограммы и кардиограммы.

Интегральная схема IC3 имеет отдельный вход и усиление в 50 раз. Полная общая способность отклонения способа предусилителя главным образом определена четырьмя факторами: исходным отсутствием равновесия импеданса, отсутствие равновесия усиления в IC1 и IC2, нехватка симметрии увеличения, устанавливающей сеть резистора, и различия выгоды в неинвертировании и дорожке усиления инвертирования в IC1. Исходное отсутствие равновесия импеданса было доминантным признаком этих факторов.

Рис. 3. Схема линейного полосно-пропускающего фильтра аппаратуры для измерения биоэлектрических сигналов растений.

Рис. 3. Схема линейного полосно-пропускающего фильтра.

На рис. 3 приведена схема линейного полосно-пропускающего фильтра, где IC4=IC5=IC6=MC174lCG или microA741. Изоляция входа фильтра получена эксплуатационным усилителем IC4, который соединен последовательно. Микросхемы IC4, IC5, и IC6 - эксплуатационные усилители типа microA741. Переменное увеличение усиления выполняется IC5.

Следующие более низкие частоты выбираются переключателем S2: 0; 1,6; 16 и 160 Гц, а также 1,6 и 16 кГц. Верхние частоты включаются переключателем S4: 10 Гц, 100 Гц, 1, 10, и 100 кГц, и 1 МГц. Полная характеристика полосы пропускания линейного усилителя также определена способностями частотной характеристики microA741 усилителей, в особенности микросхемой IC5. Границы частот для этого усилителя microA741 лежат в пределах от 10 Гц до 5 кГц.

Электроды

Опыты были выполнены с двумя типами электродов: одни из золота, другие из нержавеющей стали. Металлические электроды использовались из-за их простоты и низкого шумового фона. Относительно шумовых помех и стабильности потенциалов золотые электроды были найдены лучше, чем электроды из нержавеющей стали. Вероятно, должен быть более подходящий материал, чем золото, но в ходе данного исследования изучить эту проблему не было возможностей. Золотые электроды с входными FET-усилителями через 1-2 часа после подключения к тканям растения показывали устойчивый ток. После этой стабилизации изменение потенциала шумового фона составляло меньше чем 1 милливольта в день, а разовая амплитуда шумового сигнала меньше чем 4 микровольта в полосе пропускания фильтра 1-50 Гц и токами в 100 пикоампер.

Рис. 4. Связь электродов с коаксиальным кабелем аппаратуры для измерения биоэлектрических сигналов растений

Рис. 4. Связь электродов с коаксиальным кабелем.

На рис. 4 показано соединение электродов с коаксиальным кабелем. Маленькие витки медного провода кабеля, сделанные в виде пружины, служат для предотвращения механических толчков электродов со стороны установки.

Конструкция

Предусилители были вмонтированы в металлические корпуса с размерами 14х7х4 см. Использовалась двухсторонняя печать плат схем, с одной стороной как основанием. Это позволяло избежать риска нестабильных контактов. Входные кабеля были изолированы от корпуса нейлоновыми втулками. На рис. 2 видна защита входного сигнала от посторонних помех.

Экспериментальные данные

На рис. 5 приводятся данные, полученные на установке, показанной на рис. 1. Сигналы токов по каналам Ib1, Ib2, Ib3, и Ib4 были меньше чем 100 пикоампер.

Рис. 5. Запись сигналов установки, показанной на рис. 1. На ленте самописца видны два отдельных канала с вертикальной чувствительностью 80 microV/div. Обратите внимание на независимую работу двух каналов.

Рис. 5. Запись сигналов установки, показанной на рис. 1. На ленте самописца видны два отдельных канала с вертикальной чувствительностью 80 microV/div. Обратите внимание на независимую работу двух каналов.

На рис. 6 показана схема проверки предусилителя CMRR. Резистор Ru был специально вставлен в качество отсутствие равновесия импеданса, которое может наступить в тканях растения. <…>

Рис. 6. Упрощённая схема проверки работы прибора подавления однофазного сигнала (CMRR), который описан в тексте. Резистор Ru представляет исходное отсутствие равновесия импеданса.

Рис. 6. Упрощённая схема проверки работы прибора подавления однофазного сигнала (CMRR), который описан в тексте. Резистор Ru представляет исходное отсутствие равновесия импеданса.