噪聲是一個廣義的物理概念，它指任何干擾有用信號檢測的不必要信號。在膜片鉗實驗中，除了目標(biāo)電學(xué)信號（如通道電流）之外的所有電學(xué)信號均被視為噪聲。這些噪聲可以進(jìn)一步細(xì)分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲主要源自放大器電路、電極夾持器、細(xì)胞膜等膜片鉗系統(tǒng)內(nèi)部組件以及信號的數(shù)字化處理過程；而外部噪聲則主要由系統(tǒng)外部的交變電場或磁場引起，包括常見的工頻干擾和電磁感應(yīng)。通常，“噪聲”這一術(shù)語涵蓋了“干擾”，但人們也常用其狹義概念，特指內(nèi)部噪聲，與外部噪聲（即干擾）相區(qū)分。 

  一、膜片鉗系統(tǒng)內(nèi)部噪聲分析

（一）均方根作為噪聲測量指標(biāo)

   噪聲信號具有隨機性，難以預(yù)測其在特定時刻的確切值，但大多數(shù)噪聲分布呈現(xiàn)高斯特性，即圍繞零點分布較為集中。為了量化噪聲水平，常用均方根（RMS）作為指標(biāo)，它代表產(chǎn)生相同熱量的直流電幅值，類似于正弦交流電信號的有效值。盡管峰-峰值也能直觀反映噪聲幅度，但其在評估噪聲水平時不如RMS有意義。在工程學(xué)上做估算時,常認(rèn)為噪聲的峰-峰值是均方根的6倍,而實際上,這個倍數(shù)可能是4~8的任何值。例如,對于白噪聲而言,峰-峰值是均方根的8倍。對于幾個互不相關(guān)的噪聲源,它們產(chǎn)生的總噪聲的RMS_t值的平方(即噪聲的均方值,下標(biāo)t表示 total)等于各個噪聲源產(chǎn)生的噪聲的RMS值(以三個噪聲源為例,假設(shè)分別為RMS₁，RMS₂，RMS₃）的平方之和,即RMS_t=RMS₁²+RMS₂²+RMS₃²)^1/2
   
  在電生理學(xué)實驗中，RMS的單位根據(jù)測量信號的不同而變化，如納安(nA)皮安(pA)或毫伏(mV)、微伏(μV)等。從上述關(guān)系可知，總噪聲水平主要由最大的噪聲源決定，因此降低主要噪聲源能顯著減少整體噪聲。例如,在記錄單通道電流時,若RMS₁，RMS₂，RMS₃分別為0.5pA、0.2pA、0.1pA，RMS_t則為0.55pA；若RMS₁降為0.4pA（降低0.1pA），RMS_t變?yōu)?.46pA（降低0.09pA）；若RMS₂降為0.1pA（同樣降低0.1pA），RMS_t變?yōu)?.52pA（僅降低0.03pA）。
   
  噪聲信號包含多個頻率成分，從直流到高頻不等。通過調(diào)節(jié)濾波器設(shè)置合適的通頻帶，可以有效減少噪聲對目標(biāo)信號的影響。在討論噪聲問題時，明確濾波器設(shè)置和類型對準(zhǔn)確評估噪聲水平至關(guān)重要。

  （二）膜片鉗噪聲的種類

  1.熱噪聲(thermal noise)
  
  熱噪聲其根源在于所有處于絕對零度以上溫度的電阻材料中，載流子的無規(guī)則熱運動。這種無規(guī)則性體現(xiàn)在，無論是何種類型的電阻——無論是傳統(tǒng)的電阻器、三極管內(nèi)部的體電阻，還是場效應(yīng)管中的溝道電阻——其內(nèi)部的載流子在每個時刻的隨機運動方向上并不總是平衡的。也就是說，某一瞬間，向某一方向運動的載流子數(shù)量可能與向相反方向運動的數(shù)量不相等。這種不平衡導(dǎo)致了在電阻兩端，即使處于開路狀態(tài)，也會瞬間產(chǎn)生電壓的波動，這種由載流子隨機運動引起的電壓波動，就被稱為熱噪聲電壓。

  基于電阻的不同表現(xiàn)形式，其熱噪聲特性可分為純電阻熱噪聲、阻-容耦合噪聲（常稱RC噪聲）以及介電噪聲三大類。
   
  1）純電阻熱噪聲
       
   指電阻在無其他元件耦合作用下獨立產(chǎn)生的熱噪聲，又稱為Johnson噪聲或Nyquist噪聲。針對此類型的熱噪聲，其功率譜密度展現(xiàn)出與頻率無關(guān)的特性，意味著噪聲能量在所有頻率上均勻分布，無論是0-1kHz，還是10-11kHz，噪聲功率均保持一致。這一特性與白光中包含各波長光的混合類似，因此，純電阻熱噪聲被歸類為白噪聲。
     
   在膜片鉗實驗中，實驗人員通常更關(guān)注電流噪聲的影響。特別是，封接質(zhì)量對膜片鉗實驗，尤其是單通道記錄至關(guān)重要，因為封接電阻會引入Johnson噪聲。根據(jù)相關(guān)公式，封接電阻的增大實際上會降低Johnson電流噪聲的水平。同理，減小受檢膜片的尺寸也能達(dá)到降低Johnson電流噪聲的效果。此外，反饋電阻的選擇也需謹(jǐn)慎，采用高阻反饋電阻（例如50GΩ）不僅能提升單通道電流測量的靈敏度，還能有效減少電流熱噪聲的干擾。
  
  2) 阻-容（RC）噪聲
      
  阻-容噪聲（RC噪聲），源自電阻（R）與電容（C）串聯(lián)連接時所產(chǎn)生的干擾信號。在此組合中，熱噪聲僅僅由電阻產(chǎn)生，電容（在理想狀態(tài)下）則主要參與構(gòu)成噪聲源的阻抗特性，自身不直接產(chǎn)生熱噪聲。
       
  阻-容（RC）噪聲具有顯著的頻率依賴性，其功率譜密度與頻率的平方成正比。在膜片鉗實驗系統(tǒng)中，RC噪聲源主要包括以下幾種情況：

  1.放大器輸入端的RC噪聲源：由場效應(yīng)管的電阻及其輸入端總電容（約15pF，包含柵-源極、柵-漏極電容、補償電容、反饋電容、電極電容、電極夾持器電容及雜散電容等）共同構(gòu)成。其中，電極電容是調(diào)控以降低噪聲的關(guān)鍵因素。

  2. 電極的分布RC噪聲源（distributed RC noise source）：涉及電極內(nèi)部的微小電阻和跨壁微電容，形成類似神經(jīng)纖維電纜模型的復(fù)雜梯形網(wǎng)絡(luò)。此噪聲在常規(guī)條件下較小，在使用石英玻璃電極或高頻的情況下，此噪聲可能成為電極的主要噪聲源。

  3.液膜RC噪聲源：由于電極外壁或內(nèi)壁液體附著形成的液膜帶來的分布電阻與跨壁電容組成產(chǎn)生RC噪聲。

  4.電極電阻與小膜片RC噪聲源：此噪聲源特定于單通道記錄模式，由電極電阻與尖端膜片電容構(gòu)成，二者相互關(guān)聯(lián)，電極電阻越小，膜片電容往往越大。此噪聲源對總噪聲貢獻(xiàn)較小，但在大膜片檢測時也可能變成重要的噪聲源。

  5.串聯(lián)電阻與全細(xì)胞大膜片RC噪聲源：在全細(xì)胞記錄模式下，這是最為關(guān)鍵的噪聲源，由串聯(lián)電阻與全細(xì)胞大膜片電容共同造成。

  ​3）介電噪聲

  在實際應(yīng)用中，電容器并非理想的無損元件，其內(nèi)部的介電材料具備一定的交流電導(dǎo)特性，這意味著電容器可以視為一個理想電容與電阻的并聯(lián)組合。因此，當(dāng)交流電通過時，會產(chǎn)生介電損耗，這種損耗的大小通過耗損因數(shù)（Dissipation Factor 或 Loss Factor）來衡量，用符號D表示。耗損因數(shù)的計算公式為D = (1/R) / (2πfC) = 1 / (2πfRC)，它實際上是耗損電導(dǎo)（Loss Conductance）1/R與電容容抗（Capacitive Reactance）1/(2πfC)的倒數(shù)的比值。當(dāng)具有熱噪聲的耗損電阻與電容C并聯(lián)時，這一組合便構(gòu)成了介電噪聲（Dielectric Noise）的源頭。介電噪聲的功率譜密度與頻率成線性增長關(guān)系，即隨著頻率的增加而增大。

  在膜片鉗實驗過程中，介電噪聲的主要源頭可歸咎于玻璃電極及電極夾持器。這種噪聲通常被視為玻璃電極所固有的主要干擾因素，特別是在單通道記錄實驗中，使用石英玻璃電極以及石英材質(zhì)的電極夾持器可以減少其影響。值得注意的是，當(dāng)采用厚壁硅硼玻璃拉制的電極進(jìn)行實驗，且實驗頻率帶寬設(shè)定在較高范圍（例如20kHz）時，電極的RC噪聲會顯著超過介電噪聲成為主導(dǎo)。然而，在較低帶寬條件下（小于5kHz），介電噪聲與RC噪聲的水平相近，甚至可能超過后者。

  此外，放大器的介電噪聲貢獻(xiàn)亦不容忽視，其電容補償所使用的電流注射電容器，以及電容反饋式I-V轉(zhuǎn)換器中的反饋電容器，它們均會引入一定程度的介電噪聲。

  2.散粒噪聲（又稱散彈噪聲）

  散粒噪聲，或稱為shot noise，源自于載流子在穿越即電位差區(qū)域過程中所產(chǎn)生的隨機性干擾。當(dāng)電流I流經(jīng)此類電位差區(qū)域時，由于載流子密度的瞬時變化，其值圍繞一個平均值呈現(xiàn)出無規(guī)律的波動，這種分布形態(tài)類似于射擊練習(xí)中靶面上的彈孔分布，故而得名。

  從頻譜特性上看，散粒噪聲的功率譜密度在各頻段內(nèi)保持相對恒定，這一特性使其歸類為白噪聲范疇，與熱噪聲在某些方面展現(xiàn)出相似性。然而，兩者之間存在顯著區(qū)別：首先，散粒噪聲的強度與溫度無直接關(guān)聯(lián)，而熱噪聲則隨著溫度的升高而增強；其次，散粒噪聲的功率譜密度與電流的平均值呈正比關(guān)系，意味著電流越大，散粒噪聲越顯著；相反，熱噪聲的強弱并不直接受通過電流大小的影響，即便在無電流狀態(tài)下，其功率譜密度也保持不變。

  在膜片鉗實驗儀器的電路系統(tǒng)中，場效應(yīng)管的柵極電流（即偏置電流）是散粒噪聲的一個潛在來源，盡管其產(chǎn)生的噪聲水平通常很低，且不易被實驗者直接把控。此外，玻璃電極與細(xì)胞膜交界處的邊緣漏電流也可能引發(fā)散粒噪聲，但通過優(yōu)化封接質(zhì)量，可以有效降低此類噪聲的影響。值得注意的是，在單通道記錄實驗中，減小受檢膜片的面積有助于減少細(xì)胞膜內(nèi)在電荷轉(zhuǎn)位活動，從而降低背景電流信號來減小散粒噪聲。

  3.過剩噪聲（或閃爍噪聲）

  過剩噪聲，亦稱閃爍噪聲，其產(chǎn)生的根源至今尚未完全確定。這一現(xiàn)象可能源于導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)非連續(xù)性、制造工藝的差異性以及表面特性的不規(guī)則性，導(dǎo)致電阻率分布不均。當(dāng)電流通過這些材料時，會因電阻率的不一致性而產(chǎn)生不均勻的電流流動，進(jìn)而引發(fā)噪聲。該噪聲在低頻區(qū)域（大致低于1kHz）尤為顯著，且其強度隨著頻率的下降而增強。這種噪聲的特性表現(xiàn)為其功率譜密度與頻率的倒數(shù)成正比，因此也被稱作1/f噪聲、低頻噪聲，或類比于粉色光中低頻成分豐富的特性而命名的粉色噪聲。

  值得注意的是，過剩噪聲作為一種基本的電噪聲源，普遍存在于各類電學(xué)元件之中。對于純電阻元件而言，其產(chǎn)生的過剩噪聲幅度與通過該電阻的直流電流幅度直接相關(guān)，呈現(xiàn)出正比關(guān)系。此外，即便在相同條件下，不同類型的電阻所展現(xiàn)出的1/f噪聲水平也不盡相同。具體而言，繞線電阻因其特殊結(jié)構(gòu)，通常表現(xiàn)出最低的1/f噪聲水平，而金屬膜電阻則次之。鑒于這兩類電阻在抑制低頻噪聲方面的優(yōu)勢，它們被選用在膜片鉗放大器電路中。

  過剩噪聲的功率譜密度展現(xiàn)出顯著的頻率依賴性特性。膜片鉗放大器的電阻反饋中，頻率范圍介于10Hz-1kHz時，其主要噪聲貢獻(xiàn)近乎僅限于熱噪聲，這使得此頻段內(nèi)的噪聲水平有望達(dá)到最低。然而，當(dāng)頻率降至該范圍以下時，過剩噪聲逐漸凸顯。若頻率提高，則出現(xiàn)其他隨頻率增加而增強的噪聲。

  在膜片鉗系統(tǒng)中，低頻噪聲的一個主要來源是電極及電極夾持器。此外，I-V轉(zhuǎn)換器中的反饋電阻和封接電阻也是低頻噪聲的重要貢獻(xiàn)者。為了有效減少這類噪聲，在使用如dPatch 、Axopatch 200B等放大器進(jìn)行單通道記錄時，將I-V轉(zhuǎn)換器的工作模式切換至電容反饋，這樣可以消除低頻噪聲（另一優(yōu)勢在于電容相比電阻產(chǎn)生的熱噪聲更低），還優(yōu)化了整體信號質(zhì)量。

  此外，實驗過程中浴液流速的不穩(wěn)定同樣會引入低頻噪聲，對記錄結(jié)果產(chǎn)生干擾。綜上所述，當(dāng)膜片鉗記錄系統(tǒng)工作在低頻區(qū)域（覆蓋從零至數(shù)百赫茲的頻段）時，低頻噪聲成為了不可忽視的主要噪聲源。

———膜片鉗實驗技術(shù)分享系列———
   環(huán)島生物科技（武漢）有限公司，由專業(yè)的基礎(chǔ)實驗外包企業(yè)發(fā)展而來的一家創(chuàng)新的科技公司，致力于研發(fā)和生產(chǎn)高品質(zhì)的生物儀器和實驗設(shè)備。我們的目標(biāo)是為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究人員和醫(yī)學(xué)專業(yè)人員提供先進(jìn)、可靠的工具，幫助他們在生物醫(yī)學(xué)研究、新藥開發(fā)和臨床診斷中取得突破性的成就。