一文详解SMU数字源表

数字源表定义：
源表，SMU(SourceMeasureUnit)电源/测量单元，“源”为电压源和电流源，“表”为测量表，“源表”即指一种可作为四象限的电压源或电流源提供精确的电压或电流，同时可同步测量电流值或电压值的测量仪表；当电源时可作为可编程电压源或可编程电流源；当万用表时可作为数字电压表(电流源,输出电流为0,测电压)或数字电流表(电压源,输出电压为0,测电流)或数字欧姆表(电流源,输出电流为一定值,测电压)；当电子负载时可作为可编程恒压负载或可编程恒流负载；当电源/测量表组合（SMU）时给电压测量电流或给电流测量电压；
 
源表突出特点：使用一台仪器进行多种测量；

数字源表功能：
①集合电压源、电流源、电压表、电流表、电子负载的功能于一身，广泛用于各类精密器件的测量。
②四象限工作，可作为源或负载

数字源表应用领域：
分立器件特性测试：电阻、二极管、发光二极管、齐纳二极管、PIN二极管、BJT三极管、MOSFET、SiC、GaN等器件；
能量与效率特性测试：LED/AMOLED、太阳能、电池、DC/DC转换器；
传感器特性测试：电阻率、霍尔效应等；
有机材料特性测试：电子墨水、印刷电子技术等；
纳米材料特性测试：石墨烯、纳米线等；
激光器特性测试：窄脉冲LIV测试系统；
功率器件：静态测试系统；
电流传感器：动静态参数测试系统；

数字源表与万用表的区别：
源表相对传统电源的优势：传统电源过零时需要改变线连接方式，增加需要反复切换的机械开关，降低了设备的可靠性；且电源电压电流限制精度有限，电压1%，电流10mA；
源表相对电源结合万用表组合的优势：万用表电源组合需要编程实现设备控制及同步，复杂连线且要编程开发；电源限压限流性能差，限压限流精度低，瞬态特性也无法保证；

数字源表常见术语解答
1、四象限：电源象限是指以电源输出电压为X轴、输出电流为Y轴形成的象限图。D一、三象限即电压电流同相，设备对其它设备供电，称为源模式；第二、四象限即电压电流反向，其它设备对设备放电，被动吸收流入的电流，且可为电流提供返回路径，称为阱模式。
2、分辨率：能导致输出信号发生变化的输入信号的最小变化量。测量数值中可以直接读取的最小值；
3、源限度：电压或者电流的限制范围。由于源表象限功率有限，在高电压档或大电流档时其Z大输出电流或Z大输出电压会受限制。
4、通道：一组完整功能的源表为一个通道，目前普赛斯仪表台式源表仅提供单通道。多通道可选CS系列插卡式源表。
5、精确度：实际输出信号与理想输出之间的偏差。一般用增益误差+偏移误差的方式表示。
6、噪声：直流电源输出的交流杂散成分被称为纹波和噪声。输出中的交流周期信号是纹波，噪声是随机的。对比参数时注意带宽、峰峰值、有效值等关键字。   
7、输出建立时间：输出信号到达预期稳定值所需时间。
8、容性负载稳定性：DUT为容性负载时设备的稳定性。
9、量程变化过冲：量程切换瞬间输出值偏离理想值幅度。    

S型源表常见问题

1、S型数字源表的四象限，是如何工作？典型应用是哪些？

①、电源象限图是指以电源输出电压为X轴、输出电流为Y轴形成的象限图。

②、D一、三象限即电压电流同相，设备对其它设备供电，称为源模式；作为正或者负恒压或恒流电源即为该模式；

③、第二、四象限即电压电流反向，其它设备对设备放电，被动吸收流入的电流，且可为电流提供返回路径，称为肼模式；太阳能电池板、锂电池放电实验时均为该模式；

2、S型数字源表，与万用表，单独电压源、电流源、电流表、电压表和电子负载的搭配一起工作，有什么优点？

①、源表，SMU(Source  Measure Unit)电源/测量单元；

②、源表突出特点：使用一台仪器进行多种测量 ；

③、SMU是可以当电源,万用表或电源/测量组合，当电源时可作为可编程电压源或可编程电流源；

④、当万用表时可作为数字电压表(电流源,输出电流为0,测电压)或数字电流表(电压源,输出电压为0,测电流)或数字欧姆表(电流源,输出电流为一定值,测电压)；

⑤、当电子负载时可作为可编程恒压负载或可编程恒流负载；

⑥、当电源/测量表组合（SMU）时给电压测量电流或给电流测量电压；

⑦、与传统电源比，电源过零时需要改变线连接方式，增加需要反复切换的机械开关，降低了设备可靠性；电源电压电流限制精度有限，电压1%，电流10mA；

⑧、与电源结合万用表组合比，万用表电源组合需要编程实现设备控制及同步，复杂连线且要编程开发；电源限压限流性能差，限压限流精度低，瞬态特性也无法保证；

3、S型数字源表与2400、2450，以及B2900比较，有哪些不同？

①、2400为吉时利D一代数字源表，单通道，不支持脉冲输出，纯按键操作，数码管显示，支持串口及GPIB通信，不支持以太网通信；

②、2450为泰克收购吉时利后推出的新一代数字源表，单通道，不支持脉冲输出，触摸屏操作，支持串口、以太网及GPIB通信；

③、B2900系列为是德推出的数字源表，有单通道和双通道版本，支持脉冲输出，彩色液晶显示屏，按键操作，支持串口、以太网及GPIB通信；

④、S型数字源表国产自主研发，单通道，不支持脉冲输出，触摸屏操作，支持多种通讯方式，RS-232、GPIB及以太网；Z大输出电压达300V，最小测试电流达100pA，支持USB存储，一键导出数据报告，S系列源表价格优势明显；

 具体参数对比如下：

4、S型数字源表的精度、噪声等指标？

①、精确度：实际输出信号与理想输出之间的偏差。一般用增益误差+偏移误差的方式表示。S型源表电压及电流输出和测量时精度均为0.1%，偏移误差见规格书；

②、噪声：直流电源输出的交流杂散成分被称为纹波和噪声。输出中的交流周期信号是纹波，噪声是随机的。噪声一般用一定带宽下的峰峰值或有效值表示。S型源表在10Hz~20MHz带宽内，有效值为2mV，峰峰值为20mV；          

5、S型源表的可靠性情况？是如何保障的？

①、普赛斯仪表出厂前，都会做连续2个月的拷机运行测试；

②、每台出厂的机器我们普赛斯仪表均对其相关性能做了详细测试；

6、有没有双通道直流源表呢？

S型源表只有单通道的，CS系列插卡式源表可实现多通道；

7、插卡式源表的通信接口LVDS速率可以达到多少？与PCI、PCIE等有哪些优缺点？为什么不使用PCIE？

①、插卡式源表设备内部使用自定义的通信总线结构，物理层使用数据速率高达1Gbps的LVDS差分信号，总线内部3对数据线，即物理链路数据速率3Gbps；使用自定义总线可以在成本较低、软件开发难度适中的情况下快速实现整个系统。

②、PCI、PCIE等总线常见于X86处理器系统中，PCI由于比较老通信速率比较低，PCIE通信速率可达32      Gbps，PCIE速率非常高，但是X86控制器成本较高，主机价格贵，同时PCIE对驱动程序的稳定性要求很高，做稳定不易；

8、插卡式源表相比于S型源表有什么不同？

①、CS系列插卡式直流源表拥有更丰富的触发资源，多台设备间相互触发协同效率更高；

②、插CS系列插卡式直流源表内部通信总线速率更高，扫描速度更快；

9、S型源表最小输出及可测量电压、最小输出及可测量电流是多少？

最小输出及可测量电压为300uV；最小输出及可测量电流为10pA；

10、S型源表能否直接进行四探针测试？对线缆要求？

①、可以的，使用其四线测量模式；

②、四探针测试时一般是恒流测电压，而所加的电流一般在mA级，所以对线缆基本没有要求；

11、测试二极管需要几台源表？搭建方案示意图？

①、如果客户二极管最高测试电压低于300V，使用一台S型源表即可；

②、如果客户二极管Z高测试电压高于300V，则需要使用高压程控电源（需向第三方购买）、过压保护模块、S型源表进行该测试；

12、测试三极管或者MOS管需要几台源表？搭建方案示意图？

①、三极管测试时一台加在基极与发射极之间，一台加在集电极与发射极之间；MOS管测试时一台加在栅极与源极之间，一台加在漏极与源极之间；需要使用两台直流源表同步触发使用，或使用插卡式直流源表；

②、三极管的基极及MOS管的栅极一般耐压值较低于30V，基于Z高性价比考虑，其中一台使用S100即可，另一台根据三极管的集电极或MOS管的漏极耐压而定；

13、激光器LIV测试时需要几台源表？

①、激光器LIV测试时需要：一台用作电流驱动源、一台测试背光电流、一台测试前光功率，三台设备同步触发测试。如果用户有光功率计也可以将前光功率的测试仪表直接使用光功率计，前提是该光功率支持触发扫描；

②、常规激光器LIV测试使用S100就够用，后续如需APD测试，请选择S200型源表；

14、测试PIN管或者APD需要几台源表？

常规PIN管或者APD测试只需要单台源表即可，测试PIN管S100即可满足要求；常规测试APD其耐压值基本小于80V推荐S200即可；单光子APD耐压值接近250V推荐S300；

15、S型源表对外有哪些通信接口？能否提供DLL驱动？是否有提供SCPI指令集？

①、S型源表所有设备均支持串口、GPIB及以太网；

②、S型源表已能提供C++及Labview的各通信接口驱动；

③、SCPI指令是仪表行业通用的指令格式，它约束了指令的语法结构，但是每家的SCPI指令集基本不相同，我司对外提供设备SCPI指令集；

16、目前S型源表上位机软件已实现了哪些功能？

①、I-t、V-t、R-t测试；

②、序列扫描；

③、自定义序列扫描；

④、BJT扫描；

⑤、MOS扫描；

⑥、LIV测试；

相关功能均具有绘图及数据保存功能；

吉时利数字源表2450使用直观的触摸屏控制和图标化操作界面，令新用户通过简单操作快速获取测试结果，大大缩减学习仪器操作的时间，显著提高工作效率，同时将更多时间用于科研领域的发明和创新。

吉时利Z新一代2450型数字源表的设计，基于“Touch, Test, Invent”（触摸、测试、创新）的设计理念，为用户提供测试测量仪器的崭新互动方式。

该崭新的设计理念反映了Z近的市场变化-更短的设计/研发周期和更少的测试专业技术人员需求。同时，仪器用户的背景也在不断的变化。测试测量仪器的用户除了电气工程师，出现越来越多非电子工程专业的技术人员，如电化学家、物理学家、材料科学家等，这些用户都需要快速得到测量数据，但缺少电气测量方面的基础和知识。另外，年轻的用户群体更倾向于使用便捷的操作界面和软件系统。为适应这些市场需求，2450型数字源表的易于使用的特性，使用户更快速地获得测试结果，这些特性包括：快速帮助功能；“Quickset”（快速设置）模式；快速绘图功能。

2450型数字源表结合2400系列数字源表（自1995年推出后即成为业内标准）和2600B系列数字源表的产品设计优势和测量jing准度。2450型数字源表在一个半机架 (half-rack) 尺寸的仪器中结合了电压源、电流源、6-1/2位数字多用表、电子负载及触发控制器的功能。这些测试功能，令2450型触摸屏数字源表具有I-V特性测试系统、曲线追踪仪和半导体分析仪的各种测试能力，而成本更低廉。

吉时利数字源表2450优势：

2450型数字源表的特性有助于加快和简化实验室/工作台的测试工作：

●全彩5英寸触摸屏用户界面：全彩显示屏和大屏幕字符易于读取。简洁的图标化菜单结构只需轻轻一触即可快速设置。

●拓展的测量范围和出色的低电流测量能力：低电流(100nA, 10nA)和低电压(20mV)测试范围拓展了低电平测试能力。后面板上拓展的三同轴连接端口不需要昂贵的电缆适配器就能确保低电平测量的准确性。

●内置快速帮助功能：帮助信息出现在有操作疑问的任何地方，勿需查阅厚重的使用手册。

●错误和事件日志记录：错误消息和事件日志，帮助用户快速诊断错误，提高工作效率。

●KickStart软件：该软件能快速完成电学信号测试，数据采集和绘图的任务。如需更复杂的测试数据分析，可以将数据存储到磁盘，导入Microsoft Excel或其他软件进行分析。

系统级应用优势

2450型数字源表的功能有助于将2450型源表集成到自动测试系统中：

●嵌入式测试脚本处理器 (TSP)：嵌入式式测试脚本处理器将完整的测度程序加载到仪器的非易失性存储器，无需依赖外部PC控制器通过常见的GPIB通讯执行测试程序，产能更高。

●TSP-Link通信总线：TSP-Link技术支持测试系统扩展，实现多台2450仪器和其他基于TSP技术的仪器（包括吉时利2600B数字源表系列产品和3706A开关/数字多用笔系列产品）的系统拓展，拓展的测试系统Z多可连接32台2450，在一台主仪器的TSP控制下进行多点或多通道并行测试。

●兼容的2400工作模式：除了本身的2450 SCPI工作模式， 2450还支持2400 SCPI工作模式，并兼容现有的2400 SCPI程序。这保护了用户的软件投资，避免仪器升级换代所带来测试软件的转换工作。

●PC连接和自动化：后面板三同轴电缆连接端口、仪器通信接口（GPIB、USB 2.0和LXI/Ethernet）、D型9针数字I/O端口（用于内部/外部触发信号及机械臂控制）、仪器安全互锁装置及TSP-Link连接端口简化多仪器测试系统的集成。

吉时利2450是适用于各行各业使用者的源测量单元(SMU)：这种多用途仪器特别适合现代半导体、纳米器件和材料、有机半导体、印刷电子技术以及其他小尺寸、低功率器件特性分析。

吉时利数字源表因其无与伦比的多功能性受到政府、研究所、院校及研发生产单位的青睐。近期也有很多高校、企业咨询源表，如需申请样机演示请咨询安泰测试。

随着电子技术的发展，电池被广泛用于移动电话、听力器、电子工具，甚至卫星上。根据电池所使用的不同行业，其测试也根据其化学特性、尺寸、特殊用途而有所区别。二次电池(可充电电池)一般需要进行放电－充电测试过程。二次电池的放电特性是其容量和寿命的重要指标，在产品测试过程中，进行充放电可用来确保其质量，同时应保证测试电池不被短路。

典型的电池充放电测试应包括程控电源、电子负载、电压表、电流表。而Keithley吉时利2400系列数字源表由于可激励并测试电流和电压，故仅一台仪器便可完成测试过程，从而节省了空间和编程时间。

测试原理：

二次电池根据不同应用可采用不同方法进行充放电测试，本文采用恒压或恒流方法。

使用恒压方法，程控电压源提供一固定电压，该值与电池电压相等。电压源的电流可限定为一安全充电电流值。当电池充满时，电流会降低直至为零(或近似为零)。出于对电池安全考虑，不要过量充电。过量充电使电压低于一规定的限值，会增长充电时间或损坏电池。

采用恒流方法，程控电流源可提供一额定的电流。电流源将连续对电池进行充放电直至其到达一电压值。

可用恒流方法来定义电池容量(C)。该容量是电池流出电流对时间的积分，从t=0开始到规定的cut-off电压为止。表达式为：C=∫ tid t，其单位为安培小时，同时注明负载电流。如：500mA.hour的电池,在50mA下放电,并放电至0.1C(或C/10)，500mAh@50mA的电池，可给10mA的负载供电50小时。影响电池容量的因素包括电池尺寸、化学物质、温度、放电比率等。

测试过程：

把源表作为恒压源进行充放电 使源表处于恒压方式，可同时测试电流或电压。电压源可根据电池要求设定到所要求的值，钳位电流值也可适当设定。当源表使电池充电或放电到达相应的电压值，该仪器便处于电流钳位状态，直到电池达到所要求的电压。

把源表作为恒流源进行充放电

当源表处于恒流时，可同时测量电压/电流。首先对该仪器进行电流输出的设定。当充电时，采用正电流；当放电时，使用负电流。其钳位电压也可进行适当设定。

在充电方式下，钳位电压设定成电池电压，源表作为恒电流输出，直到到达设定电压值。在该点时，仪器将处于钳位状态，而变成恒压源。在放电方式下，钳位电压应高于电池电压。如果其低于或等于电池电压，源表将钳位而使电流变大。

放电过程自动测试：

由于充放电过程需持续几个小时，故用计算机程控源表自动完成测试。

使用脉冲电流进行充放电

在手机及寻呼机中，二次电池在使用中其负载电流为数字信号，故电池要求采用脉冲电流方式进行充放电。

用2400系列源表来产生脉冲电流

例1：产生脉冲电流并监控电压

该例中，电流峰值为-1A(6.7ms)，休眠电流为-0.2A(13.3ms)，间隔为20ms。在该例中，对电压进行监控，并与设定值进行比较，一旦电压到达规定值，输出电流便关掉。

例2：按GSM标准对手机电池的测试

根据GSM协议，电池发生的脉冲电流为几微秒或几百毫秒。源表可输出该脉冲电流波形，同时需另一块源表进行电压测试。

多个电池测试

由于电池充放电过程需几个小时，故需要对若干电池进行同时测试。在图1中，可对40个电池进行测试。

用一独立的电压表来对各个电池进行监测，源表输出为10mA,同时给40个电池供电。Keithley2000表(6{1}\over{2}DMM)对每个电池电压进行监测,并可将测量值与设定值进行比较，同时可用计算机实现自动测试。

如果想了解吉时利源表更多应用方案，欢迎咨询安泰测试。

说到光电器件与材料，你会想到什么？是被誉为“理想能源”的太阳能电池，还是被称为“万物之眼”的光电探测器？在我们的日常生活中，光电器件的应用非常广泛。从电子产品的显示屏，到指纹解锁和面部识别，从汽车自动驾驶到太阳能电池板，再到大火的人工智能和AI，处处可见光电器件的身影。

光电材料是整个光电产业的基础和先导，光电材料已由材料发展到薄层、超薄层及纳米微结构材料，并正向集材料、器件、电路为一体的功能系统集成芯片材料、有机/无机复合、有机/无机与生命体复合和纳米结构材料方向发展。作为科学领域研究的核心之一，科学家对光电器件和材料的研究从未停止。
 

近年来，柔性显示屏、电子皮肤、有机电致发光器件（OLED）、有机光伏器件（OPV）、有机场效应晶体管（OFET）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）均取得突破性进展。

在光电器件和材料的研究和应用中，电性能表征是关键性的环节之一。实施分立器件特性参数分析的Z佳工具就是数字源表。数字源表作为独立的电压源或电流源,可输出恒压、恒流、或者脉冲信号,还可以当作表,进行电压或者电流测量;支持Trig触发,可实现多台仪表联动工作;针对光电器件单个样品测试以及多样品验证测试,可直接通过单台数字源表、多台数字源表或插卡式源表搭建完整的测试方案。

普赛斯“五合一”高精度数字源表（SMU）可为高校科研工作者、器件测试工程师及功率模块设计工程师提供测量所需的工具。不论使用者对源表、电桥、曲线跟踪仪、半导体参数分析仪或示波器是否熟悉，都能简单而迅速地得到精确的结果

吉时利数字源表2450是吉时利新一代数字源表(SMU) 仪器，它真正把欧姆定律(电流、电压和电阻)测试带到你的指尖。其创新的图表化用户界面(GUI)和先进的电容触摸屏技术，实现了直观使用和学习曲线简便化，支持工程师和科学家掌握更迅速、工作更便捷、发明更简单。

吉时利2450是适用于各行各业使用者的源测量单元(SMU)：这种多用途仪器特别适合现代半导体、纳米器件和材料、有机半导体、印刷电子技术以及其他小尺寸、低功率器件特性分析。

2019年6月初，西安某高校咨询安泰测试，想购买一台吉时利数字源表用于材料分析，希望技术能够给他推荐一款合适的源表。

在了解了老师的详细需求后，安泰技术推荐了吉时利2450型触摸屏数字源表，并提供了样机演示，吉时利2450电压量程: 20mV – 200V，电流量程：10nA – 1A，1通道，完全能够满足测试需求。

上图为安泰测试为西安某高校交付吉时利数字源表2450，开机验收，并为老师提供仪器操作培训。

吉时利数字源表因其无与伦比的多功能性受到政府、研究所、院校及研发生产单位的青睐。近期也有很多高校咨询源表，安泰测试作为泰克吉时利的dai理商，和厂家一起，为客户提供更全面的测试方案和更优的服务。如需申请样机演示请咨询安泰测试。

泰克与多所高校合作，协助院校建立半导体材料与器件特性表征实验室、薄膜晶体管和半导体材料测试实验室等。泰克吉时利数字源表与yi流高校合作组建材料测试实验室的故事有很多很多......

1、 某高校半导体材料与器件特性表征实验室

2450源表具备的5英寸高分辨率电容触摸屏图形用户界面可以帮助老师和学生直接可以在前面板进行参数设置，并显示IV曲线。

为什么选择吉时利源表2450？

a.测试功能强大，直接绘制IV曲线

b.测试精度高，可以测到晶圆级器件

c.简便易用，方便快捷

2、某高校薄膜晶体管和半导体材料测试

多路的SMU测试和fA量级的电流分辨率，通过2612B源表来加背栅和源的电压，同时通过2636B源表来回读低电流信号。

选择2612B源表的优势：

a.多路测试

b.fA量级的电流分辨率

c.性价比高

3、某高校光电材料器件光照强度的特性分析

2450数字源表能够满足对材料的特性研究，轻松完成有机光电材料、器件在不同的光照强度的特性分析，准确输出电压，测试电流，直观观察IV曲线。

为什么选择吉时利源表2450？

a.不同材料，提供不同电压和电流

b.测量Z大nA级

c.直观观察IV曲线变化

吉时利产品因其无与伦比的多功能性受到政府、研究所、院校及研发生产单位的青睐，如果您在选型过程中有什么问题，欢迎咨询安泰测试，为您提供选型、产品演示、销售、培训、维修等一站式服务。

什么是源表 (SMU)？

源表又称源测量单元 (SMU) 它同时具有测量和源两种功能。也就是说源表（SMU）测量仪在测量仪器上附加电流和电压源功能，可同时采集和测量电压和/或电流值。为各种低电平测量应用提供了额外的灵活性。

其中比较出名的源表厂家就是吉时利了，至今为止，吉时利源表常在 IV 检定、测试半导体及非线性设备和材料等方面的测试应用中使用。执行这些测试时，会在 SMU 的任一 4 象限工作区域中进行电压扫描和/或电流扫描（正负直流/脉冲信号源或接收器与测量）。除了要求采集和测量必须高度同步外，这些测试通常还需要高精度与高分辨率。

在需要集成独立电源、数字万用表 (DMM)、电流源和/或 电子负载的测试中使用 SMU 可以缩短设置时间、缩短软件开发时间、节省机架和工作台空间、提高吞吐量并在较大的功率选择范围内实现可靠且可重复的结果。

吉时利源表这种一体式工作台仪器可提供如下功能：

可编程电压源

数字电压表

可编程电流源

数字电流表

数字欧姆表

可编程皮安表

瞬时功率测量

可编程 DC 电子负载、实现恒定电压 (CV) 和恒定电流 (CC)

吉时利拥有多款源表，以其优异的指标获得客户的青睐：

吉时利源表普遍用于新技术研究、开发和制造，例如：

纳米级设备和材料、碳纳米管结构、石墨烯

有机半导体

印刷型电子产品

小尺寸低功率设备

高功率材料、金刚砂 (SiC)、氮化镓 (GaN) 设备、功率 MOSFET、

高亮度 LED、固态照明系统

光电子器件、激光二极管测试系统

电池充电与放电检定

电源管理 IC

电路保护模块

太阳能电池和面板

DC-DC 转换器

如果您也有做以上测试，可能吉时利源表就是你不可缺少的工具了，安泰测试作为泰克吉时利长期合作伙伴，为客户提供产品选型、演示、技术支持和维修等一站式服务，欢迎广大电子工程师咨询安泰测试。

一、光纤记录工作原理

人类的大脑拥有约900亿个神经元，神经元之间通过突触相互连接形成了复杂的神经网络，并由此产生各种复杂的功能。大脑能够合成和释放上百种神经递质，神经信号通过突触释放的神经递质从而在神经元之间进行传递（图1）。

图1

当神经兴奋传导到突触末端时，会刺激突触上钙离子通道打开促使钙离子大量内流，胞内钙离子浓度瞬时上升，驱动突触小泡将神经递质释放到突触间隙中，释放出的神经递质随即与突触后膜上的受体结合，将递质信号传递给下一个神经元，从而进行信息的逐级传递（图2）。这些神经元以复杂的通路投射到多个脑区，产生了学习认知、情感、控制、动机、奖励等丰富的功能。光纤记录系统则可以通过检测钙离子和神经递质的荧光变化程度来表征群体神经元的活动情况。

图2

那么光纤记录是如何检测神经活动的呢？

以钙离子荧光信号检测为例，光纤记录系统的技术原理是借助钙离子浓度变化与神经元活动之间的严格对应关系，利用特殊的荧光染料或者蛋白质荧光探针，将神经元中钙离子的浓度通过荧光强度表现出来，并被光纤记录系统捕捉，从而达到检测神经元活动的目的。

在神经系统中，静息状态时神经元胞内钙离子浓度为50-100nM，而在神经元兴奋时胞内钙离子浓度能上升10-100倍，因此我们可以通过注射钙离子基因编码指示剂（Calcium indicator，如GCaMPs、RCaMPs等）来标记钙离子。钙离子指示剂带有荧光蛋白（如GFP、RFP等）及其变异体的蛋白质，可与钙调蛋白（CaM）和肌球蛋白轻链激酶M13域结合（图3左）。当神经活动增强时钙离子通道打开，大量钙离子内流并与CaM结合，导致M13和CaM结构域相互作用，引发cpEGFP结构重排，从而增强绿色荧光信号（图3 右）。

因此我们可以通过检测钙信号的变化来表征神经元的活动，进而研究神经元活动与动物行为的相关性，探究复杂行为背后的调控机制。

图3

(Marisela Morales, et al. Neuron, 2020)

图4：VTA-VGluT2神经元编码先天逃避反应

光纤记录检测神经递质信号的原理与上述方法相同，把cpEGFP嵌入特定的神经递质受体，受体与神经递质结合后会引发受体构象改变并发出荧光信号（图5）。通过病毒注射、转染等技术手段，可以将这种可遗传编码的探针表达在细胞或小鼠脑部，借助成像技术，观察神经递质浓度的实时变化。

图5

(Yulong Li, et al. Cell, 2018)

图6：条件反射实验中伏隔核Nac脑区的DA释放

二、光纤记录实验方法

在光纤记录实验中，首先要选择合适的荧光病毒。荧光染料或指示剂是通过病毒载体转入目标脑区，常用载体为AAV病毒。根据实验的不同，需要选择特异启动子或者Cre-FloxP系统来特异标记目标神经元，无特异性的GCaMPs表达虽然可以观测群体神经元活动但无神经元特异性，光纤记录的作用在于观测特异类型神经元群体的活动。

实验流程：

1、在目标脑区注射钙荧光病毒，并在注射位点埋植光纤插针，用于收集荧光；

图7：病毒注射与陶瓷插针埋植

2、待2-3周钙荧光病毒表达后，连接光纤，使用光纤记录系统采集动物在行为学实验中大脑的钙荧光信号；

图8：病毒表达

3、通过分析软件处理钙荧光信号数据，并结合行为学视频对动物的行为进行分析。

图9：光纤记录结合高架十字迷宫实验

三、光纤记录数据分析

以瑞沃德R820三色光纤记录系统记录的数据为例。

1、数据预处理。R820三色光纤记录系统软件集信号采集与数据分析于一体，在数据分析中，数据预处理过程包含平滑处理，基线矫正，运动矫正等功能。

平滑处理可以将数据中的过多杂信号去除，最大限度的突出目标peak。基线矫正多数针对的是荧光信号因长时间记录导致漂白信号逐步下降，或者光纤的自发荧光在长期记录下逐步被漂白基线逐步下降等情况。此情形的数据因为整体呈现下降趋势，不利于后续数据作图分析，所以需要进行基线矫正。运动矫正用于采用410nm对照通道的数据，410nm数据可以用于反应背景噪音信号，运动矫正即将410nm数据与470nm数据进行拟合，通过算法从470数据中去除410nm数据的波动，得到真实的荧光数据。

图10：光纤记录数据预处理

2. 将荧光数据与动物行为数据同步对比，选择事件标记或者增加事件标记，事件相关信号分析作图。

图11：事件分析

3. 将不同组的数据进行组间对比，即可分析不同处理因素下荧光数据的差异。此外，还可结合行为学视频同步分析动物的运动轨迹。

图12：不同数据组间分析

通过以上步骤，原始的荧光数据就可以直接出图啦。

光纤记录实验的工作原理，实验方法以及数据分析已经全部讲完啦….

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