基于蓝牙的水平程控微电极拉制仪的研制

摘要

近年来随着生命科学技术的不断发展,膜片钳技术(patch clamp)已经成为细胞电生理学研究的重要手段之一,其研究工作在我国一些高校和生物研究所实验室陆续开展起来。膜片钳实验需要二步拉制的玻璃电极,实验成败的关键在于膜片钳系统探头通过玻璃微电极与细胞膜的封接(seal),除了实验细胞的培养要合理以外,玻璃微电极的外形、端口直径、阻抗大小及其尖端的光滑度也是非常重要的。而微电极拉制仪是制作玻璃电极的仪器,对电极性能的影响起着决定性作用。一台功能强大、性能可靠、操作简单的拉制仪对于膜片钳实验工作的开展有着很好的促进作用。
　　目前国内的拉制仪生产厂商很少,起步较晚,产品需求几乎全部依赖于国外进口。为了制作出符合膜片钳实验要求的玻璃电极,我们参照美国Sutter公司的P-97水平程控微电极拉制仪(P-97 Flaming/Brown Micropipette Puller),成功研制出一款二步式微电极拉制仪,我们对其制作的玻璃电极经过大量的性能测试实验,总结出制作膜片钳实验电极所需的最优参数。新拉制仪系统操作简单,拉制参数设置和保存容易,一次拉制出两根对称电极,已投入武汉大学医学院膜片钳实验使用。
　　本文首先简单介绍了水平拉制仪的机械结构和拉制原理,详细说明了整个系统的电气控制硬件电路设计和软件设计:采用带有模拟 PID调节器的恒功率加热模式;利用位移测量电路配合电磁铁控制电路既实现了拉制仪二步加热模式,又达到了对玻璃管第一步加热拉制长度的精确控制;还有一些环境温度测量模块和显示模块电路使拉制仪系统的工作环境和工作状况清晰地显示在实验操作员面前。
　　本系统使用PC作为拉制仪上位机数据收发终端,单片机控制板作为下位机终端,两者之间采用蓝牙实现无线通信。所以本文接着对蓝牙的原理、通信协议做了简单介绍,并详细阐述了拉制仪的蓝牙无线通信系统的设计方法:采用一款BlueCore4-External模块(简称BC4模块)作为蓝牙从设备,利用单片机UART0向BC4模块发送特定的AT指令完成蓝牙模块工作参数的初始化以实现与PC终端之间的数据无线交换。
　　接着本文简要叙述了 LabVIEW设计应用软件的方法,说明了虚拟仪器 VI图形化编程(G语言)和传统的文本编程方法的区别及各自的优点;简单介绍了拉制仪系统PC软件界面实现的功能、其前面板设计和部分程序框图等。
　　然后详细讲述了对拉制仪系统制作的玻璃电极进行的性能测试实验,得到了大量实验数据。找出了玻璃电极外形、端口外径和阻抗大小与设定的拉制参数之间的关系,列举出在三个不同的拉制长度下的电极测试结果表,绘制出相应的关系曲线。得出了拉制仪系统制作膜片钳实验电极的最优参数:第一步加热功率50％,拉制长度2.45mm,冷却延时时间10秒,第二步加热功率36%。
　　最后总结了当前拉制仪的不足和后期改进的方法。

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第1章 绪 论

1.1课题研究意义

1.2拉制仪国内外研究现状

1.3蓝牙技术

第2章 拉制仪机械结构和硬件控制系统设计

2.1水平拉制仪机械结构设计

2.2拉制仪硬件控制系统设计

2.3拉制仪单片机软件控制流程

2.4本章小结

第3章 蓝牙无线通信技术的应用

3.1蓝牙技术简介

3.2拉制仪蓝牙无线通信系统的设计

3.3本章小结

第4章 LabVIEW人机界面的设计

4.1 LabVIEW概述

4.2拉制仪应用软件设计

4.3本章小结

第5章 电极的制作及其性能分析

5.1拉制仪系统的电极制作

5.2拉制电极外形和阻抗分析

5.3本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文