膜片钳技术讲座幻灯
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膜片钳技术讲座
2002年11月20日
第一部分 膜片钳技术基本概念
第二部分
离子通道基本知识
第一部分
膜片钳技术的基本概念
主要内容
1. 膜片钳技术简介
2. 膜片钳系统中的电位（电压）与电流
3. 膜片钳系统中的电阻
4. 膜片钳系统中的电容
5. 膜片钳系统中的串联电阻和电容补偿 6. 膜片钳系统中的漏减功能 7. 膜片钳系统中的信号滤波
ρ l ρ cot(φ /2) Rp ＝Rshank＋Rtip＝ ＋ （ 1 － 1） π rs2 π rt rs
ρ为电极内液的电阻率，l为杆部长度；rs 为圆锥形的 起始半径（μm）；rt为电极尖端半径（μm）；φ为电 极尖端圆锥形的角度。
串联电阻（Series resistance, Rs）和 通路电阻（接触电阻）（Access resistance, Ra）
漏电阻（Leak risistance, RL） 又叫被动反应电阻（Passive resistance），亦即 稳态电阻（Steady-state resistance）。是指细胞膜在 某一钳制电位下离子通道恒定开启时细胞膜的阻抗。 在不同的钳位电压下， RL是不同的。计算公式为：
RL = ΔV/kΔI = ΔW/kΔD
膜片钳记录技术创立以来，记录方式的变化
经典记录模式： 贴附式（Cell-attached 或 on cell) 内膜向外式(Inside-out) 外膜向外式(Outside-out) 全细胞记录方式(Whole-cell recording) 发展记录模式： 穿孔膜记录方式（Perforated patches） 穿孔囊泡记录方式（Perforated vesicles） 高阻封接巨膜片记录方式（Gigaseal-Macropatch） 松散封接记录方式 (Loose patch clamp) 细胞内灌流记录方式(Intracellular perfusion patch) 巨大切割膜片钳记录方式（Giant excised patches）
液界（接）电位（Liquid junction potential）
主要成分： 1. 液体--金属：Pt电极、AgCl电极与电极内液，又称 电极电位；
2. 电极内液--细胞外液；
3. 电极内液--细胞内液（细胞较小、电极开口较大时， 此值较小，破膜后，等待一定时间即可消除）。 范围：可达几百mV。 补偿方法：“Track”，“Offset”。
3. Electrode与pipette的区别
Electrode 指Ag/AgCl电极和Pt电极，在膜片钳技术中，由 于记录电极外被玻璃管，而参比电极（浴液电极）是 裸露的，因此常指参比电极。 Pipette 指膜片钳电极，为拉制出的玻璃管，它不是真正 意义上的电极，而是真正电极的依托。 Microelectrode 指细胞外记录电极。 Micropipette 指细胞内记录电极（包括全细胞记录电极）。
电极（Electrode） 最常用的是Ag/AgClБайду номын сангаас极和Pt电极。
1. Ag/AgCl电极 Ag + ClAgCl + e- （记录电极接受电子） 特点： ① 可逆性； ② 消耗性； ③ 适用于浴液中含有Cl-的情况； ④ 使用不当时，Ag+可进入浴液影响蛋白活性。
2. Pt电极 2H2O + 2e- → 2OH- + H2 ↑ 2H2O - 2e- → 4H+ + O2↑ 特点： ① 不可逆性（不同电流方向化学反应不同）； ② 不消耗性； ③ 液体与Pt之间的液界电位较大； ④ 可导致局部pH发生变化。
Ra是指有效电信号整个电路上的电阻。 Rs是指 流过电极尖端的电流所遇到的任何电阻。当将电极放 入浴液中或在形成高阻封接时， Rs主要是电极电阻； 全细胞记录模式形成后， Rs包括电极电阻Rp 、破裂 膜的残余膜片电阻、细胞内部电阻。后两者统称为通 路电阻Ra ，破裂膜的残余膜片电阻占Ra的主要成分。 由于这些电阻在电学上是串联在一起的，故称串联电 阻。 Rs和Ra有时也互相通用。
4.盲法 （Blind 法）
1．脑片撕裂法（Slice rending method） 2．表面清洁法 3. 红外微分干涉相差显 （Surface cleaning 法） 微镜法（IR-DIC法 ）
a
10μM
b
10μM
（引自：Ascher P, 1989）
（引自： Stuart et al., 1993）
Cm=πd2 / 100 (pF) d 为 细 胞 直 径 （ μm ） 。 实 际 上 由 于 有 细 胞 膜 内 折 （Infolding）的存在，Cm 要比这大1.5-3倍。一般情 况下，生物膜的电容大体都是1μF/cm2。
跨壁电容（Transmural capacitance, Ct）
内尔(Neher) （1944-） （德国细胞生理学家）
萨克曼(Sakmann) （1942-） （德国细胞生理学家）
合作发明了膜片箝技术，并应用这一技术首次证实了细胞膜上 存在离子通道。这一成果对于研究细胞功能的调控至关重要， 可揭示神经系统、肌肉系统、心血管系统及糖尿病等多种疾病 的发病机理，并提供治疗的新途径。 二人共获1991年诺贝尔奖。
在下列情况下，浴液电阻Rb会发生变化，导致记录的 信号出现偏差： 1. 浴液中Cl-浓度发生大的变化；（AgCl直流漂移） 2. 浴液温度浓度发生大的变化；（ρ） 3. 钳制大细胞如卵母细胞时（钳制电流较大）。 减小Rb的方法： 1. 去除琼脂/KCl盐桥 盐桥的优点：解决AgCl直流漂移，防止Ag、Pt进 入浴液； 盐桥的缺点：盐桥电阻，KCl扩散 2. 增大参比电极与浴液的接触面积 其它控制Vb的方法：钳制、去除
使用的标本
从肌细胞（心肌、平滑肌、骨骼肌）、神经 元发展到卵母细胞、内分泌细胞、血细胞、肝 细胞等其它多种细胞； 从急性分散细胞和培养细胞（包括细胞株） 发展到脑片或组织块乃至整体动物。从蜗牛、 青蛙、蝾螈、爪蟾卵母细胞发展到大鼠、人等 等。
卵母细胞膜片钳技术、脑片膜片钳技术
脑片膜片钳技术
（引自：The Axon Guide》，1993。 有改动）
2. 膜片钳系统中的电位（电压）与电流
钳制电位（Holding potential, Vh）
人为地将细胞膜内外电压差固定在某一数值，这 一数值即为钳制电压或钳位电压。实施这一行为的 技术为电压钳技术（Voltage clamp）。 命令电压（Command voltage, Vcmp） 通过放大器或计算机发出的电压指令，用于钳制 细胞膜电位。
电极浸液部分的内外液之间形成的电容，跨壁电 容的介质为玻璃电极壁，因此，其为对细胞外液（浴 液）电容。在膜片钳实验中其值可能很大，一般电极 浸液深1mm会产生1pF或更大一些的电容。 减小跨壁电容的方法： 1. 加厚电极管壁：采用厚壁玻璃毛坯拉制电极， 或在电极浸液部分外部涂以硅胶树脂（Sylgard）等 疏水性物质。 2. 减小电极浸液深度：浸液部分越大，Ct越大。 3. 补偿电路：即使采取了以上机械物理上的措施， 仍会有残余的跨壁电容存在。因此可进一步采用膜片 钳放大器内设的电容补偿电路进行补偿。
ΔW是钳位电压与初始电压差，ΔD为上述情况的电流 差。k为转换因子。
4. 膜片钳系统中的电容
膜电容（Membrane capacitance, Cm） 细胞膜的脂质双分子层是电的不良导体，因而由 细胞外液-脂质双分子层-细胞内液就构成了细胞膜电 容。Cm 的大小与细胞膜表面积（包括内陷折叠部分） 成正比，与脂质双分子层的厚度成反比。对于一个球 形细胞，膜电容的计算公式为：
输入漏电流（Input leakage current）
理论上讲，不施加外部命令时，通过放大器探头的 电流应该为0，如果由于放大器本身的原因产生了电 流，这就是漏电流。由于放大器的控制电流漂移的质 量很高，一般漏电流都很小，几个pA。 漏（减）电流（Leak current） 细胞膜的被动反应电流，为线性电流。 封接电流（Seal current） 由于封接质量不高（没有形成良好的高阻封接）， 从封接处产生的电流。成为噪声。
离子通道电流（Ion channel current）
指离子通道开启时离子跨膜流动产生的电流。离子 流动方向取决于细胞膜内外离子浓度差和电学梯度。 通道型受体通道开放时为受体电流，全细胞记录时为 全细胞电流，单通道记录时为单通道电导 （Conductance），单位是西门子（S）,常用pS，符 号为G。 Na-K泵产生的电流为泵电流，Na-Ca交换体电流为 交换电流。
电极电压降（Pipette voltage drop，Vp）
由于有电极电阻（Rp ）的存在，命令电压通过时就
会产生电压降：Vp =I Rp， 而信号电压在被摄取时也会经过电极电阻，同样会 产生电压降，产生误差。 补偿方法：串联电阻的补偿。
因此细胞接受的钳位电压为Vh=Vcmp-Vp。误差产生。
内向电流（Inward current） 从细胞外进入细胞内的正离子（如Na+ ）电流或从
细胞内流向细胞外的负离子（如Cl-）电流。
外向电流（Outward current）
从细胞内流向细胞外的正离子（如K+）电流或从细
胞外流向细胞内的负离子（如Cl-）电流。
3. 膜片钳系统中的电阻
膜电阻（Membrane resistance, Rm） 指脂质双分子层的跨膜电阻，反映离子是否容易 穿透细胞膜。在细胞膜离子通道关闭时， Rm很大， 可达几百MΩ。不同于膜电容， 各种细胞的Rm 变异 较大。 膜输入阻抗（Membrane input resistance, Rin） 对 Rm 的测量是通过对膜输入阻抗的测量间接得到 的。给细胞膜施加一系列刺激方波，测定跨膜电流， 根据欧姆定律即可求出Rin 。注意要在形成全细胞记 录时测定，在形成高阻封接时， Rin =Rseal。
封接电阻（Seal resistance, Rseal） 形成高阻封接时的电极电阻。高阻封接叫做 “Gigaseal”，为1GΩ及以上的电阻，如果封接不良， 则会产生封接电流。 1KΩ=1,000Ω, 1MΩ=1,000KΩ, 1GΩ=1,000MΩ. 1GΩ=109Ω. 电极电阻（Pipette resistance, Rp） 电极由两部分组成，即圆桶形的杆部和圆锥形的尖 端部。总的电极电阻可用下式表示：
1. 膜片钳技术简介
1976 年 德 国 马 普 生 物 物 理 化 学 研 究 所 Neher 和 Sakmann首次在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电 位的同时，记录到乙酰胆碱（Acetylcholine, ACh） 激活的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术 （patch clamp techniques）。 1980 年 Sigworth 等 获 得 10-100GΩ 的 高 阻 封 接 （Giga-seal），1981年Hamill和Neher等对该技术 进行了改进，引进了全细胞记录技术，从而使该 技 术 更 趋 完 善 ， 1983 年 10 月 ， 《Single-Channel Recording》一书的问世，奠定了膜片钳技术的里 程碑。
浴液电位（Bath potential, Vb）
一般情况下，浴液通过参比电极接入工作地，所有 测量的电信号均为相对于此工作地的电位或电流。为真 实地反映测量信号V，理论上要求Vb为0 。 V=Vtotal-Vb， Vb =I Rb， V为测量信号，I为钳制电流。 Vb的存在主要是因为浴液电阻Rb的存在。减小Rb 就可降低Vb 。要减小Rb就必须知道Rb的来源。
Rb大体上有三个来源： 1. 细胞膜表面与参比电极之间的浴液通路电阻 Ra=ρ/4πr(mm)，r为细胞半径。一般为几百Ω。 2. 琼脂盐桥电阻 Ragar=ρL(cm)/S(cm2)，浴液与KCl液。 长1cm，直径2mm的盐桥， Ragar =130Ω(KCl液), Ragar =2600Ω(Ringer液) 3. 参比电极电阻 与接触面积有关（越大越好），一般上 kΩ。 总电阻大于1kΩ。
2002年11月20日
第一部分 膜片钳技术基本概念
第二部分
离子通道基本知识
第一部分
膜片钳技术的基本概念
主要内容
1. 膜片钳技术简介
2. 膜片钳系统中的电位（电压）与电流
3. 膜片钳系统中的电阻
4. 膜片钳系统中的电容
5. 膜片钳系统中的串联电阻和电容补偿 6. 膜片钳系统中的漏减功能 7. 膜片钳系统中的信号滤波
ρ l ρ cot(φ /2) Rp ＝Rshank＋Rtip＝ ＋ （ 1 － 1） π rs2 π rt rs
ρ为电极内液的电阻率，l为杆部长度；rs 为圆锥形的 起始半径（μm）；rt为电极尖端半径（μm）；φ为电 极尖端圆锥形的角度。
串联电阻（Series resistance, Rs）和 通路电阻（接触电阻）（Access resistance, Ra）
漏电阻（Leak risistance, RL） 又叫被动反应电阻（Passive resistance），亦即 稳态电阻（Steady-state resistance）。是指细胞膜在 某一钳制电位下离子通道恒定开启时细胞膜的阻抗。 在不同的钳位电压下， RL是不同的。计算公式为：
RL = ΔV/kΔI = ΔW/kΔD
膜片钳记录技术创立以来，记录方式的变化
经典记录模式： 贴附式（Cell-attached 或 on cell) 内膜向外式(Inside-out) 外膜向外式(Outside-out) 全细胞记录方式(Whole-cell recording) 发展记录模式： 穿孔膜记录方式（Perforated patches） 穿孔囊泡记录方式（Perforated vesicles） 高阻封接巨膜片记录方式（Gigaseal-Macropatch） 松散封接记录方式 (Loose patch clamp) 细胞内灌流记录方式(Intracellular perfusion patch) 巨大切割膜片钳记录方式（Giant excised patches）
液界（接）电位（Liquid junction potential）
主要成分： 1. 液体--金属：Pt电极、AgCl电极与电极内液，又称 电极电位；
2. 电极内液--细胞外液；
3. 电极内液--细胞内液（细胞较小、电极开口较大时， 此值较小，破膜后，等待一定时间即可消除）。 范围：可达几百mV。 补偿方法：“Track”，“Offset”。
3. Electrode与pipette的区别
Electrode 指Ag/AgCl电极和Pt电极，在膜片钳技术中，由 于记录电极外被玻璃管，而参比电极（浴液电极）是 裸露的，因此常指参比电极。 Pipette 指膜片钳电极，为拉制出的玻璃管，它不是真正 意义上的电极，而是真正电极的依托。 Microelectrode 指细胞外记录电极。 Micropipette 指细胞内记录电极（包括全细胞记录电极）。
电极（Electrode） 最常用的是Ag/AgClБайду номын сангаас极和Pt电极。
1. Ag/AgCl电极 Ag + ClAgCl + e- （记录电极接受电子） 特点： ① 可逆性； ② 消耗性； ③ 适用于浴液中含有Cl-的情况； ④ 使用不当时，Ag+可进入浴液影响蛋白活性。
2. Pt电极 2H2O + 2e- → 2OH- + H2 ↑ 2H2O - 2e- → 4H+ + O2↑ 特点： ① 不可逆性（不同电流方向化学反应不同）； ② 不消耗性； ③ 液体与Pt之间的液界电位较大； ④ 可导致局部pH发生变化。
Ra是指有效电信号整个电路上的电阻。 Rs是指 流过电极尖端的电流所遇到的任何电阻。当将电极放 入浴液中或在形成高阻封接时， Rs主要是电极电阻； 全细胞记录模式形成后， Rs包括电极电阻Rp 、破裂 膜的残余膜片电阻、细胞内部电阻。后两者统称为通 路电阻Ra ，破裂膜的残余膜片电阻占Ra的主要成分。 由于这些电阻在电学上是串联在一起的，故称串联电 阻。 Rs和Ra有时也互相通用。
4.盲法 （Blind 法）
1．脑片撕裂法（Slice rending method） 2．表面清洁法 3. 红外微分干涉相差显 （Surface cleaning 法） 微镜法（IR-DIC法 ）
a
10μM
b
10μM
（引自：Ascher P, 1989）
（引自： Stuart et al., 1993）
Cm=πd2 / 100 (pF) d 为 细 胞 直 径 （ μm ） 。 实 际 上 由 于 有 细 胞 膜 内 折 （Infolding）的存在，Cm 要比这大1.5-3倍。一般情 况下，生物膜的电容大体都是1μF/cm2。
跨壁电容（Transmural capacitance, Ct）
内尔(Neher) （1944-） （德国细胞生理学家）
萨克曼(Sakmann) （1942-） （德国细胞生理学家）
合作发明了膜片箝技术，并应用这一技术首次证实了细胞膜上 存在离子通道。这一成果对于研究细胞功能的调控至关重要， 可揭示神经系统、肌肉系统、心血管系统及糖尿病等多种疾病 的发病机理，并提供治疗的新途径。 二人共获1991年诺贝尔奖。
在下列情况下，浴液电阻Rb会发生变化，导致记录的 信号出现偏差： 1. 浴液中Cl-浓度发生大的变化；（AgCl直流漂移） 2. 浴液温度浓度发生大的变化；（ρ） 3. 钳制大细胞如卵母细胞时（钳制电流较大）。 减小Rb的方法： 1. 去除琼脂/KCl盐桥 盐桥的优点：解决AgCl直流漂移，防止Ag、Pt进 入浴液； 盐桥的缺点：盐桥电阻，KCl扩散 2. 增大参比电极与浴液的接触面积 其它控制Vb的方法：钳制、去除
使用的标本
从肌细胞（心肌、平滑肌、骨骼肌）、神经 元发展到卵母细胞、内分泌细胞、血细胞、肝 细胞等其它多种细胞； 从急性分散细胞和培养细胞（包括细胞株） 发展到脑片或组织块乃至整体动物。从蜗牛、 青蛙、蝾螈、爪蟾卵母细胞发展到大鼠、人等 等。
卵母细胞膜片钳技术、脑片膜片钳技术
脑片膜片钳技术
（引自：The Axon Guide》，1993。 有改动）
2. 膜片钳系统中的电位（电压）与电流
钳制电位（Holding potential, Vh）
人为地将细胞膜内外电压差固定在某一数值，这 一数值即为钳制电压或钳位电压。实施这一行为的 技术为电压钳技术（Voltage clamp）。 命令电压（Command voltage, Vcmp） 通过放大器或计算机发出的电压指令，用于钳制 细胞膜电位。
电极浸液部分的内外液之间形成的电容，跨壁电 容的介质为玻璃电极壁，因此，其为对细胞外液（浴 液）电容。在膜片钳实验中其值可能很大，一般电极 浸液深1mm会产生1pF或更大一些的电容。 减小跨壁电容的方法： 1. 加厚电极管壁：采用厚壁玻璃毛坯拉制电极， 或在电极浸液部分外部涂以硅胶树脂（Sylgard）等 疏水性物质。 2. 减小电极浸液深度：浸液部分越大，Ct越大。 3. 补偿电路：即使采取了以上机械物理上的措施， 仍会有残余的跨壁电容存在。因此可进一步采用膜片 钳放大器内设的电容补偿电路进行补偿。
ΔW是钳位电压与初始电压差，ΔD为上述情况的电流 差。k为转换因子。
4. 膜片钳系统中的电容
膜电容（Membrane capacitance, Cm） 细胞膜的脂质双分子层是电的不良导体，因而由 细胞外液-脂质双分子层-细胞内液就构成了细胞膜电 容。Cm 的大小与细胞膜表面积（包括内陷折叠部分） 成正比，与脂质双分子层的厚度成反比。对于一个球 形细胞，膜电容的计算公式为：
输入漏电流（Input leakage current）
理论上讲，不施加外部命令时，通过放大器探头的 电流应该为0，如果由于放大器本身的原因产生了电 流，这就是漏电流。由于放大器的控制电流漂移的质 量很高，一般漏电流都很小，几个pA。 漏（减）电流（Leak current） 细胞膜的被动反应电流，为线性电流。 封接电流（Seal current） 由于封接质量不高（没有形成良好的高阻封接）， 从封接处产生的电流。成为噪声。
离子通道电流（Ion channel current）
指离子通道开启时离子跨膜流动产生的电流。离子 流动方向取决于细胞膜内外离子浓度差和电学梯度。 通道型受体通道开放时为受体电流，全细胞记录时为 全细胞电流，单通道记录时为单通道电导 （Conductance），单位是西门子（S）,常用pS，符 号为G。 Na-K泵产生的电流为泵电流，Na-Ca交换体电流为 交换电流。
电极电压降（Pipette voltage drop，Vp）
由于有电极电阻（Rp ）的存在，命令电压通过时就
会产生电压降：Vp =I Rp， 而信号电压在被摄取时也会经过电极电阻，同样会 产生电压降，产生误差。 补偿方法：串联电阻的补偿。
因此细胞接受的钳位电压为Vh=Vcmp-Vp。误差产生。
内向电流（Inward current） 从细胞外进入细胞内的正离子（如Na+ ）电流或从
细胞内流向细胞外的负离子（如Cl-）电流。
外向电流（Outward current）
从细胞内流向细胞外的正离子（如K+）电流或从细
胞外流向细胞内的负离子（如Cl-）电流。
3. 膜片钳系统中的电阻
膜电阻（Membrane resistance, Rm） 指脂质双分子层的跨膜电阻，反映离子是否容易 穿透细胞膜。在细胞膜离子通道关闭时， Rm很大， 可达几百MΩ。不同于膜电容， 各种细胞的Rm 变异 较大。 膜输入阻抗（Membrane input resistance, Rin） 对 Rm 的测量是通过对膜输入阻抗的测量间接得到 的。给细胞膜施加一系列刺激方波，测定跨膜电流， 根据欧姆定律即可求出Rin 。注意要在形成全细胞记 录时测定，在形成高阻封接时， Rin =Rseal。
封接电阻（Seal resistance, Rseal） 形成高阻封接时的电极电阻。高阻封接叫做 “Gigaseal”，为1GΩ及以上的电阻，如果封接不良， 则会产生封接电流。 1KΩ=1,000Ω, 1MΩ=1,000KΩ, 1GΩ=1,000MΩ. 1GΩ=109Ω. 电极电阻（Pipette resistance, Rp） 电极由两部分组成，即圆桶形的杆部和圆锥形的尖 端部。总的电极电阻可用下式表示：
1. 膜片钳技术简介
1976 年 德 国 马 普 生 物 物 理 化 学 研 究 所 Neher 和 Sakmann首次在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电 位的同时，记录到乙酰胆碱（Acetylcholine, ACh） 激活的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术 （patch clamp techniques）。 1980 年 Sigworth 等 获 得 10-100GΩ 的 高 阻 封 接 （Giga-seal），1981年Hamill和Neher等对该技术 进行了改进，引进了全细胞记录技术，从而使该 技 术 更 趋 完 善 ， 1983 年 10 月 ， 《Single-Channel Recording》一书的问世，奠定了膜片钳技术的里 程碑。
浴液电位（Bath potential, Vb）
一般情况下，浴液通过参比电极接入工作地，所有 测量的电信号均为相对于此工作地的电位或电流。为真 实地反映测量信号V，理论上要求Vb为0 。 V=Vtotal-Vb， Vb =I Rb， V为测量信号，I为钳制电流。 Vb的存在主要是因为浴液电阻Rb的存在。减小Rb 就可降低Vb 。要减小Rb就必须知道Rb的来源。
Rb大体上有三个来源： 1. 细胞膜表面与参比电极之间的浴液通路电阻 Ra=ρ/4πr(mm)，r为细胞半径。一般为几百Ω。 2. 琼脂盐桥电阻 Ragar=ρL(cm)/S(cm2)，浴液与KCl液。 长1cm，直径2mm的盐桥， Ragar =130Ω(KCl液), Ragar =2600Ω(Ringer液) 3. 参比电极电阻 与接触面积有关（越大越好），一般上 kΩ。 总电阻大于1kΩ。