膜片钳噪声与干扰及其排除方法（一）（二）

   噪声是一个广义的物理概念，它指任何干扰有用信号检测的不必要信号。在膜片钳实验中，除了目标电学信号（如通道电流）之外的所有电学信号均被视为噪声。这些噪声可以进一步细分为内部噪声和外部噪声。内部噪声主要源自放大器电路、电极夹持器、细胞膜等膜片钳系统内部组件以及信号的数字化处理过程；而外部噪声则主要由系统外部的交变电场或磁场引起，包括常见的工频干扰和电磁感应。通常，“噪声”这一术语涵盖了“干扰”，但人们也常用其狭义概念，特指内部噪声，与外部噪声（即干扰）相区分。 

  一、膜片钳系统内部噪声分析

（一）均方根作为噪声测量指标

   噪声信号具有随机性，难以预测其在特定时刻的确切值，但大多数噪声分布呈现高斯特性，即围绕零点分布较为集中。为了量化噪声水平，常用均方根（RMS）作为指标，它代表产生相同热量的直流电幅值，类似于正弦交流电信号的有效值。尽管峰-峰值也能直观反映噪声幅度，但其在评估噪声水平时不如RMS有意义。在工程学上做估算时,常认为噪声的峰-峰值是均方根的6倍,而实际上,这个倍数可能是4~8的任何值。例如,对于白噪声而言,峰-峰值是均方根的8倍。对于几个互不相关的噪声源,它们产生的总噪声的RMS_t值的平方(即噪声的均方值,下标t表示 total)等于各个噪声源产生的噪声的RMS值(以三个噪声源为例,假设分别为RMS₁，RMS₂，RMS₃）的平方之和,即RMS_t=RMS₁²+RMS₂²+RMS₃²)^1/2
   
  在电生理学实验中，RMS的单位根据测量信号的不同而变化，如纳安(nA)皮安(pA)或毫伏(mV)、微伏(μV)等。从上述关系可知，总噪声水平主要由最大的噪声源决定，因此降低主要噪声源能显著减少整体噪声。例如,在记录单通道电流时,若RMS₁，RMS₂，RMS₃分别为0.5pA、0.2pA、0.1pA，RMS_t则为0.55pA；若RMS₁降为0.4pA（降低0.1pA），RMS_t变为0.46pA（降低0.09pA）；若RMS₂降为0.1pA（同样降低0.1pA），RMS_t变为0.52pA（仅降低0.03pA）。
   
  噪声信号包含多个频率成分，从直流到高频不等。通过调节滤波器设置合适的通频带，可以有效减少噪声对目标信号的影响。在讨论噪声问题时，明确滤波器设置和类型对准确评估噪声水平至关重要。

  （二）膜片钳噪声的种类

  1.热噪声(thermal noise)
  
  热噪声其根源在于所有处于绝对零度以上温度的电阻材料中，载流子的无规则热运动。这种无规则性体现在，无论是何种类型的电阻——无论是传统的电阻器、三极管内部的体电阻，还是场效应管中的沟道电阻——其内部的载流子在每个时刻的随机运动方向上并不总是平衡的。也就是说，某一瞬间，向某一方向运动的载流子数量可能与向相反方向运动的数量不相等。这种不平衡导致了在电阻两端，即使处于开路状态，也会瞬间产生电压的波动，这种由载流子随机运动引起的电压波动，就被称为热噪声电压。

  基于电阻的不同表现形式，其热噪声特性可分为纯电阻热噪声、阻-容耦合噪声（常称RC噪声）以及介电噪声三大类。
   
  1）纯电阻热噪声
       
   指电阻在无其他元件耦合作用下独立产生的热噪声，又称为Johnson噪声或Nyquist噪声。针对此类型的热噪声，其功率谱密度展现出与频率无关的特性，意味着噪声能量在所有频率上均匀分布，无论是0-1kHz，还是10-11kHz，噪声功率均保持一致。这一特性与白光中包含各波长光的混合类似，因此，纯电阻热噪声被归类为白噪声。
     
   在膜片钳实验中，实验人员通常更关注电流噪声的影响。特别是，封接质量对膜片钳实验，尤其是单通道记录至关重要，因为封接电阻会引入Johnson噪声。根据相关公式，封接电阻的增大实际上会降低Johnson电流噪声的水平。同理，减小受检膜片的尺寸也能达到降低Johnson电流噪声的效果。此外，反馈电阻的选择也需谨慎，采用高阻反馈电阻（例如50GΩ）不仅能提升单通道电流测量的灵敏度，还能有效减少电流热噪声的干扰。
  
  2) 阻-容（RC）噪声
      
  阻-容噪声（RC噪声），源自电阻（R）与电容（C）串联连接时所产生的干扰信号。在此组合中，热噪声仅仅由电阻产生，电容（在理想状态下）则主要参与构成噪声源的阻抗特性，自身不直接产生热噪声。
       
  阻-容（RC）噪声具有显著的频率依赖性，其功率谱密度与频率的平方成正比。在膜片钳实验系统中，RC噪声源主要包括以下几种情况：

  1.放大器输入端的RC噪声源：由场效应管的电阻及其输入端总电容（约15pF，包含栅-源极、栅-漏极电容、补偿电容、反馈电容、电极电容、电极夹持器电容及杂散电容等）共同构成。其中，电极电容是调控以降低噪声的关键因素。

  2. 电极的分布RC噪声源（distributed RC noise source）：涉及电极内部的微小电阻和跨壁微电容，形成类似神经纤维电缆模型的复杂梯形网络。此噪声在常规条件下较小，在使用石英玻璃电极或高频的情况下，此噪声可能成为电极的主要噪声源。

  3.液膜RC噪声源：由于电极外壁或内壁液体附着形成的液膜带来的分布电阻与跨壁电容组成产生RC噪声。

  4.电极电阻与小膜片RC噪声源：此噪声源特定于单通道记录模式，由电极电阻与尖端膜片电容构成，二者相互关联，电极电阻越小，膜片电容往往越大。此噪声源对总噪声贡献较小，但在大膜片检测时也可能变成重要的噪声源。

  5.串联电阻与全细胞大膜片RC噪声源：在全细胞记录模式下，这是最为关键的噪声源，由串联电阻与全细胞大膜片电容共同造成。

  ​3）介电噪声

  在实际应用中，电容器并非理想的无损元件，其内部的介电材料具备一定的交流电导特性，这意味着电容器可以视为一个理想电容与电阻的并联组合。因此，当交流电通过时，会产生介电损耗，这种损耗的大小通过耗损因数（Dissipation Factor 或 Loss Factor）来衡量，用符号D表示。耗损因数的计算公式为D = (1/R) / (2πfC) = 1 / (2πfRC)，它实际上是耗损电导（Loss Conductance）1/R与电容容抗（Capacitive Reactance）1/(2πfC)的倒数的比值。当具有热噪声的耗损电阻与电容C并联时，这一组合便构成了介电噪声（Dielectric Noise）的源头。介电噪声的功率谱密度与频率成线性增长关系，即随着频率的增加而增大。

  在膜片钳实验过程中，介电噪声的主要源头可归咎于玻璃电极及电极夹持器。这种噪声通常被视为玻璃电极所固有的主要干扰因素，特别是在单通道记录实验中，使用石英玻璃电极以及石英材质的电极夹持器可以减少其影响。值得注意的是，当采用厚壁硅硼玻璃拉制的电极进行实验，且实验频率带宽设定在较高范围（例如20kHz）时，电极的RC噪声会显著超过介电噪声成为主导。然而，在较低带宽条件下（小于5kHz），介电噪声与RC噪声的水平相近，甚至可能超过后者。

  此外，放大器的介电噪声贡献亦不容忽视，其电容补偿所使用的电流注射电容器，以及电容反馈式I-V转换器中的反馈电容器，它们均会引入一定程度的介电噪声。

  2.散粒噪声（又称散弹噪声）

  散粒噪声，或称为shot noise，源自于载流子在穿越即电位差区域过程中所产生的随机性干扰。当电流I流经此类电位差区域时，由于载流子密度的瞬时变化，其值围绕一个平均值呈现出无规律的波动，这种分布形态类似于射击练习中靶面上的弹孔分布，故而得名。

  从频谱特性上看，散粒噪声的功率谱密度在各频段内保持相对恒定，这一特性使其归类为白噪声范畴，与热噪声在某些方面展现出相似性。然而，两者之间存在显著区别：首先，散粒噪声的强度与温度无直接关联，而热噪声则随着温度的升高而增强；其次，散粒噪声的功率谱密度与电流的平均值呈正比关系，意味着电流越大，散粒噪声越显著；相反，热噪声的强弱并不直接受通过电流大小的影响，即便在无电流状态下，其功率谱密度也保持不变。

  在膜片钳实验仪器的电路系统中，场效应管的栅极电流（即偏置电流）是散粒噪声的一个潜在来源，尽管其产生的噪声水平通常很低，且不易被实验者直接把控。此外，玻璃电极与细胞膜交界处的边缘漏电流也可能引发散粒噪声，但通过优化封接质量，可以有效降低此类噪声的影响。值得注意的是，在单通道记录实验中，减小受检膜片的面积有助于减少细胞膜内在电荷转位活动，从而降低背景电流信号来减小散粒噪声。

  3.过剩噪声（或闪烁噪声）

  过剩噪声，亦称闪烁噪声，其产生的根源至今尚未完全确定。这一现象可能源于导体或半导体材料内部的结构非连续性、制造工艺的差异性以及表面特性的不规则性，导致电阻率分布不均。当电流通过这些材料时，会因电阻率的不一致性而产生不均匀的电流流动，进而引发噪声。该噪声在低频区域（大致低于1kHz）尤为显著，且其强度随着频率的下降而增强。这种噪声的特性表现为其功率谱密度与频率的倒数成正比，因此也被称作1/f噪声、低频噪声，或类比于粉色光中低频成分丰富的特性而命名的粉色噪声。

  值得注意的是，过剩噪声作为一种基本的电噪声源，普遍存在于各类电学元件之中。对于纯电阻元件而言，其产生的过剩噪声幅度与通过该电阻的直流电流幅度直接相关，呈现出正比关系。此外，即便在相同条件下，不同类型的电阻所展现出的1/f噪声水平也不尽相同。具体而言，绕线电阻因其特殊结构，通常表现出最低的1/f噪声水平，而金属膜电阻则次之。鉴于这两类电阻在抑制低频噪声方面的优势，它们被选用在膜片钳放大器电路中。

  过剩噪声的功率谱密度展现出显著的频率依赖性特性。膜片钳放大器的电阻反馈中，频率范围介于10Hz-1kHz时，其主要噪声贡献近乎仅限于热噪声，这使得此频段内的噪声水平有望达到最低。然而，当频率降至该范围以下时，过剩噪声逐渐凸显。若频率提高，则出现其他随频率增加而增强的噪声。

  在膜片钳系统中，低频噪声的一个主要来源是电极及电极夹持器。此外，I-V转换器中的反馈电阻和封接电阻也是低频噪声的重要贡献者。为了有效减少这类噪声，在使用如dPatch 、Axopatch 200B等放大器进行单通道记录时，将I-V转换器的工作模式切换至电容反馈，这样可以消除低频噪声（另一优势在于电容相比电阻产生的热噪声更低），还优化了整体信号质量。

  此外，实验过程中浴液流速的不稳定同样会引入低频噪声，对记录结果产生干扰。综上所述，当膜片钳记录系统工作在低频区域（覆盖从零至数百赫兹的频段）时，低频噪声成为了不可忽视的主要噪声源。

———膜片钳实验技术分享系列———
   环岛生物科技（武汉）有限公司，由专业的基础实验外包企业发展而来的一家创新的科技公司，致力于研发和生产高品质的生物仪器和实验设备。我们的目标是为生命科学领域的研究人员和医学专业人员提供先进、可靠的工具，帮助他们在生物医学研究、新药开发和临床诊断中取得突破性的成就。