Мин 1 индикатор напряжения: Указатель напряжения для переменного тока МИН-1

Содержание

Индикаторы напряжения — Справочник химика 21

Рис. 53. Модернизированный индикатор напряжения МИН-1.

    Неоновая лампа тлеющего свечения чаще всего играет роль индикатора напряжения. Ее вспышка дает сигнал о том, что электрическая цепь, в которую включена лампа, оказалась под напряжением, более высоким, чем напряжение зажигания разряда в лампе. А последнее легко регулируется конструкцией лампы. Неоновая лампа может также служить стабилизатором и делителем напряжения. Лампы с неоном применяют в качестве маломощных выпрямителей, осциллографов, генераторов колебаний. [c.172]

    Наличие опасного потенциала (220—380 в) на металлических частях электроприборов можно легко обнаружить переносным модернизированным индикатором напряжения типа МИН-1 (рис. 53) на 220 до 500 в или простым и недорогим карманным индикатором напряжения с неоновой лампочкой (рис. 54). Если коснуться нижним контактом карманного индикатора токонесущей части, которая находится под напряжением, а к верхнему контакту приложить палец, то неоновая лампочка будет светиться. Для проверки напряжения в штепсельной розетке, обрывов в шнуре и для других проверок электроустановок часто приходится пользоваться контрольной лампочкой. Для этого обычно берут стандартный патрон с небольшой лампой, рассчитанной на напряжение в сети 220 в, с двумя гибкими изолированными проводниками, имеющими оголенные концы. Непосредственное подключение концов шнура связано с опасностью подвергнуться воздействию тока. Для безопасности работы с контрольной лампой следует концы проводов снабдить наконечниками из электроизолирующего материала с острыми металлическими контактами (рис. 55). На рисунке 56 показана проверка отсутствия обрыва аппаратного шнура контрольной лампой, а на рисунке 57 —проверка изоляции электрического сушильного шкафа. 

[c.100]

    Для повышения чувствительности мостового прибора следует повышать чувствительность как мостовой схемы, так и индикатора. Поэтому целесообразно в качестве индикатора тока в диагонали моста использовать наиболее чувствительные магнитоэлектрические измерительные механизмы, а в качестве индикаторов напряжения — электронные вольтметры. 

[c.447]


    Газовая схема течеискателя включает в себя два канала (рис. 4). В один канал поступает смесь пробного газа с воздухом из области, непосредственно примыкающей к поверхности контролируемого оборудования. Во второй канал поступает воздух окружающего пространства из области, несколько отстоящей от поверхности оборудования. В состав течеискателя входят усилитель напряжения, световой и звуковой индикаторы напряжения. Сигнализация о наличии утечки осуществляется с [c.554]

    Основные защитные средства в течение длительного времени сохраняют изолирующие свойства при соприкосновении с токоведущими частями электроустановок. К основным защитным средствам относятся штанги, клещи, указатели (индикаторы) напряжения и тока, а при напряжении менее 1000 В, кроме того, монтерский инструмент с изолирующими рукоятками и диэлектрические перчатки. 

[c.220]

    При повышении содержания метана до 2 об. % замыкаются контакты Р4 (УМп) индикатора метана, благодаря чему напряжение на первичной обмотке трансформаторов Тр2 (Тр1) резко возрастает и появляется громкий звуковой сигнал. Одновременно с появлением звукового сигнала загорается лампа ЛИ (Л). При уменьшении содержания метана контакты 4 (УМп) размыкаются и звуковой сигнал вновь становится слабым. При понижении напряжения аккумуляторов ниже 2,05 В замыкаются контакты Рз (В) индикатора напряжения ИП1 (В) и также включают аварийную сигнализацию. При обрыве или закорачивании одного из сопротивлений мостовой схемы стрелка индикатора метана ИП2 (УМ) из-за появившейся неуравновешенности мостовой схемы резко отклонится вправо или влево, замыкая в любом случае один из контактов 4 (УМп) или Р5 (УМп) и включая аварийную сигнализацию. Для повышения надежности срабатывания контактов Рз, Р4, Р5 (В, УМп, УМл) обоих индикаторов на них подается напряжение 30-60 В. Кнопка ПН1 в СМП-1 и выключатель ВК в СШ-2 служат для включения приборов. Подключение зарядного устройства предусмотрено к контактам Р1 (1Г) и Р4 (2Г) штепсельного гнезда. 

[c.739]

    Искровой дефектоскоп выполнен следующим образом. В футляре из орг стекла размером 222 X 192 X 350 мм и толщиной стенки 8 мм на угольниках крепится панель из оргстекла толщиной 12 мм. Электрооборудование монти-руется на панели и включает тумблер цени питания, предохранитель на 2 а, тумблер переключения напряжения, преобразователь постоянного тока в переменный, собранный на полупроводниковых триодах типа П-203, выпрямительный блок, собранный на полупроводниковых диодах типа Д7-Ж, конденсаторы, повышающие трансформаторы, индикатор напряжения и сопротивления. [c.252]

    Применяемые при работе с электрооборудованием защитные средства подразделяются на изолирующие, ограждающие и вспомогательные. Изолирующие средства защиты в зависимости от величины рабочего напряжения (до 1000 В или более 1000 В) условно подразделяют на основные и дополнительные. Так, в установках до 1000 В основными защитными средствами являются индикаторы напряжений, изолирующие клещи, диэлектрические перчатки. К дополнительным относятся изолирующие подставки, резиновые коврики и калоши. При напряжении более 1000 В основными средствами защиты являются только специальные отключающие штанги, индикаторы напряжений, токоизмерительные клещи. 

[c.86]

    Индикатор напряжения низковольтный МИН-1  [c.222]

    Постоянная времени усилителя составляет 0,6 сек (без учета постоянной времени индикатора). Напряжение сигнала после входного (выносного) электрометрического каскада усиливается двухкаскадным усилителем и поступает на катодный повторитель, предназначенный для согласования с низкоомным измерительным прибором и потенциометром ЭПП-09. 100-процентная отрицательная обратная связь осуществляется подачей напряжения с выхода катодного повторителя на вход электрометрического каскада, имеющего полярность, обратную полярности входного напряжения. 
[c.201]

    В электрораспределительных устройствах и у щитов должны быть в необходимом количестве набор предупредительных плакатов, комплекты переносных заземлений, изолированные штанги, индикаторы напряжений, резиновые коврики, боты и резиновые перчатки. [c.96]

    Электротехническими средствами защиты человека от токопроводящих деталей оборудования и земли являются изолирующие подставки, коврики, галоши, перчатки в качестве защитных инструментов и приспособлений при работе под напряжением применяют штанги, клещи и монтерский инструмент, а также индикаторы напряжений. [c.179]

    Коррозионные испытания проводили весовым способом. После каждого опыта трубы извлекали из стенда, вырезали образцы, взвешивали и путем сравнения с исходными образцами определяли скорость коррозии. Наряду с промышленными проводили лабораторные исследования. Из труб упомянутых конструкционных материалов вырезали прямоугольные образцы размером 8X100X1,5 мм. Образцы устанавливали в специальные приспособления. С помощью винта в образцах создавали напряжения. Стрелу прогиба образцов регистрировали индикатором. Напряжения определяли по выражению 

[c.56]


    Чаще всего неоновая лампа тлеющего свечения служит индикатором напряжения — ее зажигание сигнализирует о повышении напряжения В частности, она — обязательная деталь приборов для проверки и налаживания радиоаппаратуры. [c.172]

    Проверка отсутствия напряжения может производиться контрольными лампами (в установках до 220 В переносным вольтметром или индикатором напряжения). При этом указанные контрольные средства должны быть рассчитаны на номинальное напряжение сети и непосредственно перед проверкой отсутствия напряжения проверено их действие путем присоединения их к частям, заведомо находящимся под напряжением. 

[c.130]

    ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАМП С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ Индикаторы напряжения [c.53]

    Диоды и триоды тлеющего разряда можно применять в качестве индикаторов постоянного напряжения, переменного напряжения низкой и высокой частоты и импульсного напряжения, для построения различных табло и счетных устройств. Необходимым условием применения приборов тлеющего разряда для индикации напряжения является иаличие источника питания с напряжением, большим чем напряжение зажигания прибора. Основная схема включения диода в качестве индикатора напряжения приведена на рис. 28,а, а триода — на рис. 28,6. [c.53]

    Картина теплового потока может быть также найдена при по-мош и электрической модели. В этом методе тонкий лист электропроводной бумаги вырезают в форме теплопроводящ,его тела. К хорошо проводящим проволочкам на краях листа, которые моделируют изотермические границы теплопроводящего тела, присоединяют электроды. Когда к этим электродам приложено напряжение, с помощью зонда, присоединенного к чувствительному индикатору напряжения, находят и отмечают эквипотенциальные линии. Эквипотенциальные линии, которые, конечно, являются аналогами изотерм теплопроводящего тела, при прослеживании отмечают проколами в бумаге. 

[c.290]

    Источник питания прибора (БП) состоит из двух герметичных аккумуляторов типа КНГК-11Д и ограничивающего резистора (К), залитых изоляционной массой в единый блок. Резистор К (К) ограничивает ток короткого замыкания аккумуляторной батареи до искробезопасного значения. Контроль напряжения батареи осуществля гся индикатором напряжения ИП1 (В), представляющим собой контактный вольтметр с подавленным нулем и шкалой 2,05-3 В. [c.739]

    Контакты индикатора метана Р5ИП2 (УМп), Р4ИП2 (УМл) и индикатора напряжения Р3ИП1 (В) включены параллельно. При содержании метана в контролируемой атмосфере менее 2 об. % и напряжении аккумуляторов выше 2,05 В контакты обоих индикаторов разомкнуты и выходное напряжение генератора благодаря наличию емкостной связи межд> элементами схемы поступает на первичную обмотку трансформатора Тр2 (Тр). При этом напряжение, приходящееся на первичную обмотку трансформатора Тр2 (Тр1), невелико и достаточно лишь для создания слабого звукового сигнала, свидетельствующего о нормальной работе всего прибора. 

[c.739]

    Метанометр М-502 имеет два поддиапазона измерений концентрации метана 0-2 об. % (точность 0,1 об. %) и 1,6-5 об. % (точность 5 % измеряемой величины). Питание осуществляется от герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов напряжением 2,5 В и емкостью, достаточной для производства 250 отдельных замеров. Двушкальный стрелочный показывающий прибор установлен на передней крышке, сюда же выведены индикатор напряжения аккумуляторов и три кнопки для включения насоса, первого поддиапазона и второго поддиапазона. Производительность побудителя составляет 3 л/мин, электрические цепи — искробезопасные, корпус прибора — из антистатической прочной пластмассы. Габаритные размеры — 240x90x50 мм, масса — 0,54 кг. 

[c.762]

    Выходные сигналы каналов поочередно подаются на вход усилителя вертикального отклонения луча электроннолучевой трубки с длительным послесвечением, служащей визуальным индикатором. Напряжения с интеграторов снимают с помощью коммутатора Ки переключаемого синхронно с переключения1ми коммутатора развертки Кг- В результате на экране трубки можно наблюдать спектральную плотность мощности как функцию частоты. [c.185]

    Для работы в комплекте со сварочными прессами разработан генератор ВЧП-1,6/27, в котором применена колебательная система, обеспечивающая заданную стабильность частоты, устойчивую работу автогенератора и сравнительно небольшое изменение )ежима генератора в процессе сварки. Зыпрямитель выполнен на полупроводниковых вентилях, обладает большим сроком службы и управляется тиристорным ключом на первичной стороне анодного трансформатора. Ключ снабжен системой стабилизации и регулирования выпрямленного напряжения в пределах 15—100% максимального значения Ушах и поддержания постоянства с точностью 0,1% в пределах (0,25—0,85) /тах при отклонении напряжения в питающей сети на 10% от номинального. Одновременно со стабилизацией напряжения накала генераторной лампы (( )еррорезонансным стабилизатором) указанная система обеспечивает строгую повторяемость режима при сварке независимо от напряжения в сети. Кроме того, тонкая регулировка анодного напряжения и высокочастотной мощности создает большие удобства в эксплуатации, обеспечивает дозирование энергии, выделяющейся в материале, легкую перестройку режима при смене свариваемого изделия. Генератор снабжен индикатором напряжения на рабочих электродах, позволяющим контролировать режим на рабочем месте и в значительной мере облегчающим и упрощающим наладочные и исследовательские работы. [c.282]

    Вольтметр. На рис. 61 представлена схема встраиваемого индикатора напряжения, позволяющего в вдфровой форме контролировать напряжение в вольтамперометрических испытаниях. Диапазон индицируемых напряжений от — 4 до + 4 В. Дискретность отсчета 1 мВ. Положение запятой после значения вольт постоянное. Отрицательная полярность измеряемого напряжения указывается автоматически знаком ( —). Отсутствие этого знака соответствует положительной полярности. В состав индикатора входит блок АЦП и отсчетное устройство. Принцип работы индикатора заключается в периодическом преобразовании измеряемого напряжения первым интегратором на микросхемах 8 и 9 в двуступенчатые импульсы, площадь которых в координатах и 1 зависит от значения и полярности измеряемого напряжения, а вторым интегратором на микросхемах 11 и 72-в прямоугольные импульсы, получающиеся на выходе компаратора 13, длительность которых пропорциональна площади двуступенчатых импульсов. При этом, если 1/ = 0 + 4 — 4 В, длительность импульсов соответственно равна 10 15,6 и 4,4 мс. [c.115]

    Первостепенное значение имеют инертные газы в лампах тлеющего разряда эти лампы обычно наполняются неоном (давление 5— 20 мм рт. ст.) с примесью гелия или аргона. Они изготовляются на малые мощности (0,01—10 вт), имеют низкую световую отдачу (0,2—1,0 лм1вт) и применяются в качестве индикаторов напряжения в различных электрических схемах [67 ]. Эти лампы находят множество специальных применений для регистрации и исследования быстропеременных процессов, в качестве стабилизаторов и делителей напряжения, газовых реле, маломощных выпрямителей, генераторов колебаний и т. д. [c.29]


Мин1 — Angkoo

  <a href="https://msksnab.ru/p199505104-min-indikator-napryazheniya.html" target="_blank" rel="noopener">msksnab.ru</a>

МИН-1 Индикатор напряжения

Индикатор напряжения МИН 1Цена указана без НДС и действительна при оплате на ООО. При оплате на ИП возможна скидка до -30%.Назначение.МИН1 предназначен для работы в электрических цепях с частотой тока 50 Гц и напряжением от 110В до 500В.Делаем…

  <a href="https://www.ellevin.ru/cat/ukazateli-i-indikatory-naprjazhenija-nizkovol_tnye/ukazatel-naprjazhenija-dlja-peremennogo-toka-min-1-min1-3639" target="_blank" rel="noopener">ellevin.ru</a>

Указатель напряжения для переменного тока МИН-1

Указатель напряжения для переменного тока МИН-1 (Двухполюсный). Для определения наличия напряжения в электроустановках переменного тока 500 В. (Прибор с хранения, производства 80-х годов)

  <a href="https://market.yandex.ru/showcaptcha?cc=1&amp;retpath=https%3A%2F%2Fmarket.yandex.ru%2Fcatalog--instrumenty%2F55166%2Flist%3Fonstock%3D1%26deliveryincluded%3D0%26local-offers-first%3D0%26text%3D%25D0%25A3%25D0%25BA%25D0%25B0%25D0%25B7%25D0%25B0%25D1%2582%25D0%25B5%25D0%25BB%25D0%25B8%2520%25D0%25BD%25D0%25B0%25D0%25BF%25D1%2580%25D1%258F%25D0%25B6%25D0%25B5%25D0%25BD%25D0%25B8%25D1%258F%2520%25D0%259C%25D0%2598%25D0%259D-1%26cvredirect%3D3%26track%3Dsrch_ddl_300020b84fb3687a28abd5050dee5dba&amp;t=2%2F1648446019%2Fa9943140da34d32cbcc6b17b1ee035b5&amp;u=81dd547b-e1ce32ce-ea742614-a99c9133&amp;s=01e61d30bb4e24172dc4ae75d9a31c37" target="_blank" rel="noopener">market.yandex.ru</a>

Яндекс

Найдётся всё

  <a href="https://www.kipspb.ru/catalog/6626/element5497578.php" target="_blank" rel="noopener">kipspb.ru</a>

Двухполюсный индикатор напряжения МИН-1

Двухполюсный индикатор напряжения МИН-1. Трассоискатели, детекторы. Наш телефон в Санкт-Петербурге: +7 (812) 327-32-74

https://sevastopol.flagma.ru/indikator-napryazheniya-min1-o7839139.html

  <a href="https://www.cmlt.ru/ad-b8435772" target="_blank" rel="noopener">cmlt.ru</a>

Индикатор низкого напряжения из СССР, МИН1,от — Воронеж — Доска объявлений…

Воронеж: Продается,ретро индикатор низкого напряжения МИН1,от 110-500 в,г.в.86,б/у.В другие регионы,не пересылаем

  <a href="https://xn--90amdzdh.xn--p1ai/p452195919-indikator-napryazheniya-min.html" target="_blank" rel="noopener">xn--90amdzdh.xn--p1ai</a>

Индикатор напряжения МИН-1 купить с гарантией и доставкой по РФ в…

Индикатор напряжения МИН-1 купить недорого с гарантией ☛ Низкая стоимость ☛ Цены, фотографии, характеристики, отзывы, описание ☛ Доставка по СПб и России ★★★ Интернет-магазин СПБЗИП

  <a href="https://violity.com/108795443-indikator-napryazheniya-min1-110-500v" target="_blank" rel="noopener" title="12:00AM - 01 January 1970">violity.com – 1 Jan 70</a>

Индикатор напряжения МИН1(110-500В)

Цена: 1.70 USD

https://radioskot.ru/forum/12-15622-0-17

  <a href="https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%82_%D0%B2_%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D1%83%D1%82%D1%83" target="_blank" rel="noopener">ru.wikipedia.org</a>

Оборот в минуту

Оборо́т в мину́ту (обозначение об/мин, 1/мин или мин−1, также часто используется английское обозначение rpm (revolutions per minute)) — единица частоты вращения, т. е. количества полных оборотов, совершённых вокруг фиксированной оси, по отношению к промежутку времени. Используется для выражения скорости вращения механических компонентов. Частота вращения — физическая величина, равная числу полных оборотов за единицу времени. В Международной системе единиц (СИ) единица частоты вращения — секунда …

https://www.etm.ru/catalog?searchValue=МИН1

  <a href="https://www.olx.ua/d/obyavlenie/indikator-napryazheniya-min1-sssr-110-500-v-IDM1HOE.html" target="_blank" rel="noopener">olx.ua</a>

Индикатор напряжения МИН1 СССР (110-500 В): 50 грн. — Электроинструмент…

50 грн.: 50 грн.: Продаю Индикатор напряжения МИН1 СССР (110-500 В) индикатор в рабочем состоянии, провод целый, оплётка немного повреждена.

  <a href="https://noviterbel.by/specializirovannaya-vystavka-energetika-ekologiya-energosberezhenie-elektro-energyexpo/min1-vystavka-energetika-ekologiya-energosberezhenie/" target="_blank" rel="noopener">Новитербел</a>

мин1-выставка-«Энергетика.-Экология.-Энергосбережение — Новитербел

  <a href="https://yavitrina.ru/ukazateli-naprjazhenija-min-1" target="_blank" rel="noopener">yavitrina.ru</a>

Указатели напряжения МИН-1 купить в интернет магазине 👍

👉👉👉 Большой каталог товаров: указатели напряжения мин-1 ▼ — сравнение цен в интернет магазинах, описания и характеристики товаров, отзывы 👍

https://pc-remontmoskva.ru/remont-komputerov-kitai-gorod/

  <a href="https://festima.ru/docs/92983615/allrussia/priborindikator-izmeritel-napryazheniya-min1" target="_blank" rel="noopener">Festima.Ru</a>

Прибор(индикатор) измеритель напряжения мин1 до500

Индикатор напряжения СССР почты как новый. Работает!

  <a href="https://satu.kz/p98200545-t72501kompressor-maslyanyj-hp30.html" target="_blank" rel="noopener">satu.kz</a>

Т72501Компрессор масляный HP3,0 30л 2,4кВт 240л/мин 2900об/мин1,0МПа +…

Мощность (л.с) 2.5 Макс. число оборотов 2900 об/мин Объем ресивера 30 л

https://auction.ru/offer/instrument_min1_tokoiskatel_indikator_toka_kompaktnyj_1979_rabochij_bakelit_sssr-i152513673385027.html

  <a href="https://www.ozon.ru/product/bizibord-made-by-dad-247460663/features/" target="_blank" rel="noopener">OZON.ru</a>

Характеристики Бизиборд

Подробные характеристики, особенности и описание товара: Бизиборд

  <a href="https://www.tools.ua/catalog/gaykovyerty-3-8/pnevmogaykovert_3_8_271n_m10000ob_min1_36kg/" target="_blank" rel="noopener">tools.ua</a>

Пневмогайковерт 3/8″ 271N/m 10000об/мин1,36кг Toptul KAAA1220 купить в…

Пневмогайковерт 3/8″ 271N/m 10000об/мин1,36кг Toptul KAAA1220 от 3358.00, Профессиональный инструмент и оборудование для автосервиса ➤ 25000 товаров, Звоните! ☎+38 (067) 777-37-13

https://www.gamingdeputy.com/ru/tag/мин1/

https://www.nachedeu.com/tag/мин1/

https://длястроителей.рф/product/mshu-fiolent2-9-125-e-900vt125mm10000obmin16kg

  <a href="https://vashurok.ru/questions/perevesti-v-si-22-km-ch025-sm24-mm45-km36-min13-ch22-sut-25-km-s" target="_blank" rel="noopener">vashurok.ru</a>

Перевести в СИ:22 км/ч0,25 см24 мм45 км36 мин1,3 ч1,2 сут.2,5 км/с

Перевести в СИ:22 км/ч0,25 см24 мм45 км36 мин1,3 ч1,2 сут.2,5 км/с

https://www.связьмастер61.рф/goods/14083273-elektrodvigatel_air_80_v4_1500_ob_min_1_50_k_vt

  <a href="https://sanstv.ru/dict/%D0%BC%D0%B8%D0%BD-%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5" target="_blank" rel="noopener">sanstv.ru</a>

МИН-ПРЕДОПРЕДЕЛЕНИЕ — Энциклопедический словарь

Словари — предопределение. Толковый словарь русского языка. Поиск по слову, типу, синониму, антониму и описанию. Словарь ударений.

  <a href="https://www.turbosquid.com/ru/3d-models/3d-bomb-01-2-min-model-1662430" target="_blank" rel="noopener">turbosquid.com</a>

3D модель Бомба 01 2 мин1 — TurboSquid 1662430

3D модель Бомба 01 2 мин1 для скачивания как max, c4d, ma, c4d, ma, max, fbx, ma, obj, and max Безвозмездная на TurboSquid: 3D модели для игр, архитектура, видео. (1662430)

https://directlot.ru/lot.php?id=799814

Указатель низкого напряжения ПИН-50-1000 ЭНЗА

Указатель напряжения МИН-50-1000 ЭПЗ предназначен для определения наличия или отсутствия напряжения в электроустановках переменного тока промышлен­ной частоты 50 Гц напряжением от 50 до 1000Вольт, а так же фазы переменного тока.

Указатель представляет собой двухполюсный прибор с визуальной индикацией, работающий при непосредственном контакте с токоведущими частями электроустановок, находящихся под напряжением.

Указатель состоит из двух корпусов, в которых расположены контакт-наконечники и электрическая схема, в.т.ч. элементы визуальной (газоразрядная лампа) индикации. Корпуса соединены друг с другом гибким проводом.

При определении напряжения контакт-наконечник обеих корпусов подсоединяются к тестируемой цепи. При наличии напряжения светится газоразрядная лампа.

Определение фазы переменного тока производится в однополюсном режиме указателя, при этом один корпус должен находится на тестируемом проводе, а второй корпус: в руке оператора. Если корпус указателя находится на фазном проводе, то касание пальцем контактного электрода второго корпуса приведет к свечению газоразрядной лампы.

Характеристики
Рабочее напряжение 50 — 1000 В
Порог индикации не более 50 В
Испытательное напряжение 2,0 кВ
Максимальный ток, не более 10 мА
Погодные условия эксплуатации -45 +45 С°
Длина соединительного провода, не менее 1,1 м
Виды индикации световая
Определение переменного напряжения 50- 1000 В
Габаритные размеры корпуса Ф 26х165 мм
Габаритные размеры в упаковке 215х60х30 мм
Вес 95 г

 

  • Габаритные размеры корпуса, мм, не более                             Ф 29×200 
  • Длина соединительного провода, мм, не менее                            1100 
  • Масса, грамм, не более                                                                       95

Указатели напряжения до 1 кВ промышленного изготовления

Подробности
Категория: Средства защиты


Примечания: 1. Для указателей ИН-92 и ПИН-90 в числителе указано рабочее напряжение на переменном токе, в знаменателе — на постоянном; в скобках (для ИН-92) указаны размеры щупа с контактом.                     

  1. Длина соединительного провода для указателя УН-1 0,6 м, МИН-1 0,64 м, ПИН-90 0,8 м, УНН-10, ИН-92, УННУ-1 и УНН 1 м и УННЛ-1 1,1 м.
  2. Напряжение зажигания указателя ПИН-90 не более 50 В, остальных типов — не более 90 В.
  3. Размеры двухполюсных указателей приведены для развернутого состояния указателя.

Таблица   2. Указатели и сигнализаторы напряжения свыше 1 кВ промышленного изготовлении

Примечания:

  1. Расшифровка буквенной части обозначения: УВН — указатель высокого напряжения (Ф — для фазировки, Б — бесконтактный, У — универсальный), СН — сигнализатор напряжения (И — индивидуальный, С — стационарный), СОН — сигнализатор опасного напряжения.
  2. В числителе — габариты в рабочем состоянии, в знаменателе — в транспортном положении (в чехле).
  3. Указатель УВН-80М заменяется указателем УВНУ.
  4. Указатель УВНУ комплектуется трубкой фазировки ТФ-10, в рукоятку указателя встроено устройство проверки указателя ПН-0,1.
  5.  Напряжение зажигания указателя УВН-90 9 кВ, УВНУ 1,5 — 7,6 кВ (при 6 кВ) и 2,7—12,7 кВ (при 10 кВ) соответственно для встречного и согласного включения, УВНФ 20—40 кВ (при 35 кВ) и 50 — 100 кВ (при 110 кВ) соответственно для встречного н согласного включения; для остальных указателей 6—10 кВ напряжение зажигания 0,55 кВ. Для указателя УВНБ и сигнализаторов напряжения минимальное расстояние между рабочей и токоведущей частями, находящимися под напряжением 6 кВ, не менее 50 мм для УВНБ, 1,4 м для СНИ и 0,4 м для СНС-1.
  6. Для проверки указателей напряжения может использоваться приспособление ППУ, изготовленное СКТБ ВКТ Мосэнерго по ТУ 34-28-10032 —80: габариты 114 x 70 x 40 мм, масса 230 г, напряжение на выходе 600-800 В.

высокого и низкого, принцип работы

Для начала монтажных или ремонтных работ на электрических станциях и проводах нужно обязательно проверить показатели сети, отсутствие тока или его параметры. Для этого используется указатель напряжения, который может определить наличие вольтажа и его совпадения до 1000в.

Описание и принцип работы

Указатель высокого напряжения и низкого – это универсальный прибор переносного типа, предназначенный для определения напряжения на токоведущих проводах или клеммах отдельных электрических устройств (УВН 10, УНК, УВНК-10, BN-020022 Profipol Benning и прочие).

Данное приспособление необходимо при работе на различных предприятиях или выезде электромонтажников на объект. Главным отличием этого указателя от стандартных измерителей является то, что он поможет определить только наличие нагрузки, но не её показатели, в отличие от моделей, которые устанавливаются на дин-рейку.

Фото — индикатор с цифровым дисплеем

 

В основном сейчас используются только устройства напряжения до 1000 Вольт, такой указатель может быть двухполюсный и однополюсный, у них схожая схема, но разные области применения. Во время работы устройства с двумя полюсами нужно подключать к двум токоведущим жилам или контактам, в то время как однополюсный только к одной. Следует знать, что двухполюсные указатели более точные, поэтому они называются высоковольтные и применяются во время сложных работ.

Фото — УН ПИН-90

 

Помимо этого также есть бесконтактный указатель. Проверка с его помощью проводится без подключения к токоведущим клеммам. Это значительно увеличивает безопасность во время определения напряжения. Устройство оснащено цифровой индикацией, причем на ней отмечается не только наличие вольтажа, но и приблизительный размер благодаря магнитному полю.

Фото — однополюсная модель

 

Бывают переносные модели на батарейках и варианты, требующие подключения к сети (например, указатель или индикатор напряжения типа Контакт 55ЭМ, УВНУ-10 кВ СЗИП, ЭЛИН-1-СЗ ВЛ). В первом случае питание осуществляется при помощи двух или более батареек, реже от аккумулятора (это УВНК, УННО, УНК, ЭИ-9000/1, Duspol digital LC, Ратон). Это позволяет использовать прибор на местности, при выезде или на ремонтных работах вдали от рабочей сети электропитания.

Фото — импортный УН DT-9902

 

Принцип работы прибора довольно простой. Во время подключения к сети (при помощи соединения с токоведущими частями) производится сравнение потенциалов. Это повышает или понижает сопротивление в резисторах указателя. Из-за этого индикатор, который потребляет самые малые доли ампер, протекающих в проводах или клеммах, загорается либо издает звуковой сигнал. Если при работе индикатор молчит – то нагрузки нет. В отдельных случаях наблюдается планомерное затухание сигнала – это значит, что в проводах была остаточная энергия.

Требования к указателям напряжения ГОСТ 20493-2001:

  1. У приборов до 1000 Вольт обязательно нагрузка индикаторов должно быть не выше 90 В;
  2. Однополюсное устройство находится в одном корпусе, в то время как двухполюсное располагается в двух, соединенных между собой шнуром;
  3. Любой указатель наличия нагрузки (бортовой, комби и прочие) должны иметь три поверхности: рабочую, изолированную, определяющую и держатель;
  4. В отдельных моделях рабочая часть соединяется с индикатором;
  5. Поверка указателей производится каждый раз перед использованием при помощи напряжения 2 кВ, при этом она длиться не более минуты.

Нужно помнить, что инструкция по безопасности требует полной подготовки перед использованием аппарата. В частности, необходимо надеть энергокомплект, включающий диэлектрические перчатки и ботинки. Эти требования указаны для электрического прибора, и они отличаются от моделей индикаторов в УАЗ, ВАЗ и прочих авто, судов и т. д.

Видео: UT 15В индикатор напряжения

Технические характеристики

Указатели напряжения для фазировки обязательно имеют сертифицированные параметры качества. Они зависят от конкретной модели прибора, рассмотрим данные на примере УННУ-40-1000:

Максимальное количество Вольт От 40 до 1000
Максимальная нагрузка индикаторов, Вольт 40
Сила тока на указателях при наибольших показателях, мА 10
Рабочее время, секунды До 10
Размер провода, м 1,0
Рабочая (без изоляции) часть указателя, длина в мм 7,0
Диапазон рабочих температур, °С
максимальная влажность, %
от -45 до +40
до 98
Максимально допустимые размеры упаковки 170х80х30
Эксплуатационный срок До 5 лет

Двухполюсный указатель рабочего напряжения типа УНН Комби имеет параметры аналогичные УННДП 12 660 (кроме максимального напряжения 660 В и рабочих температур до +35):

Рабочая нагрузка, Вольт 12 – 1000
Нагрузка индикаторов, Вольт 90
Сила тока, мА 5
Размер провода, м 1,0
Индикаторы Светодиодный, светозвуковой
Диапазон рабочих температур, °С 0 … +40
Эксплуатационный срок До 6 лет
Фото — УНН Комби

 

Схожие технические характеристики имеет двухполюсный указатель напряжения УНН 1, ПИН 90, УНК 04, Лоцман-2 и УВНИ 150 А. Их паспорт качества отличается лишь по данным нагрузки и сроку эксплуатации.

Фото — УН Лоцман-2

 

Параметры однополюсного УВН 80:

Максимальное количество Вольт 6 — 10
Диапазон рабочих температур, °С  -40 … +45
Влажность до 80
Размер ручки (в этой модели это отвертка) 120
Изоляция, мм 270

Технические данные однополюсного УВНБУ 6–35:

Напряжение, Вольт 6/35
Типы работы Контактный режим, бесконтактный режим
Ток на креплениях, мА 70
Диапазон температур От -40 до +40
Питание, Вольт 3
Диапазон действия, см 40 (в бесконтактном режиме)

Очень интересная модель УНВЛ-0,4 используется в основном на воздушных линиях электропередач. У него следующие параметры:

Нагрузка, В 25
Максимальные показатели Вольт 400
Размер провода, м 1,5
Срок эксплуатации 7 лет

Помимо этого, все модели имеют гарантию год, но только при условии регулярной проверки перед началом работы. При покупке всегда обращайте внимание на наличие данных ГОСТ, сертификата и соответствия качества и возможности проверку перед приобретением. Каждые полгода нужно производить калибровку датчика на специальном оборудовании.

Его особенностью является то, что рабочий контакт выполнен в виде крюка, который цепляется на провод независимо от высоты. Сейчас в продаже есть более новая модель для определения напряжения – это указатель УВНУ-10ФБ Поиск 1, где за крепление контактов на токоведущих частях проводов или машин отвечает штанга. Пользоваться прибором этого типа очень просто – высота регулируется при помощи ручных манипуляций, кроме того, можно зафиксировать длину выдвигающейся части.

Фото — УВНУ-10ФБ Поиск 1

 

Купить указатель напряжения можно в любом городе в специализированных электрических магазинах, но цена будет зависеть от того, кто производитель и типа прибора. Двухполюсные устройства дороже, чем однополюсники. Стоимость также варьируется от города покупки. Например, в Москве определенный УН может стоить выше, чем в Екатеринбурге или Новосибирске.

Индикатор напряжения активного тока



Индикатор напряжения. Виды и использование. Особенности

Индикатор напряжения является специализированным диагностическим инструментом в виде отвертки, указывающим на наличие в электрической цепи напряжения. С его помощью осуществляется проверка безопасности контакта с элементами электрической цепи в частности фазного провода. При наличии напряжения световой индикатор на приборе загорается.

Какие задачи решает индикатор напряжения

Существует несколько конфигураций индикаторных отверток, которые отличаются по функциональному набору.

При этом их применение позволяет:
  • Определять наличия напряжения в сети.
  • Искать фазные провода в пучке, отсеивая нулевые и линии заземления.
  • Проверять целостность проводки на предмет обрывов жил под изоляцией.
  • Искать места обрыва для частичной замены проводки вставкой нового кабеля.

Отвертка кроме работы как индикатор также может применяться для выкручивания саморезов и различных винтов. Она имеет достаточно хлипкое устройство, поэтому непригодна для серьезных нагрузок, к примеру, выкручивания приржавевшего крепежа. Однако инструмент вполне может использоваться при монтаже новых розеток, выключателей, диммеров, регуляторов температуры для теплого пола и т.д.

Виды индикаторных отверток

Существует несколько разновидностей индикаторных отверток в зависимости от их устройства. Конструкция инструмента влияет на его функциональные возможности, надежность и естественно стоимость.

Наиболее распространенными являются следующие виды отверток тестеров:
  • Обычная с неоновой лампой.
  • С дисплеем.
  • Со светодиодом.
Обычная с неоновой лампой

Является самой дешевой и при этом надежной благодаря своей простоте. Такой инструмент оснащается долговечной неоновой лампой, которая загорается при пропуске через отвертку фазы электрической цепи. Прибор реагирует на напряжение в пределах 60-500 В.

Обычная отвертка тестер способна определять только фазный провод и присутствие в нем напряжения. С ее помощью невозможно искать места обрыва в проводке. Чтобы инструмент сработал, нужно прикоснуться его жалом к оголенной части фазного провода или подключенному к нему элементу. При этом нужно прижать пальцем контакт на торце отвертки. Это позволит замкнуть электрическую цепь на теле человека и добиться свечения лампочки. Хотя цепь замыкается на тело, это не вызывает никого дискомфорта и никак не ощущается.

Стоит отметить, что такая отвертка сработает только если человек выступит проводником. Если же замыкать контакт на торце отвертки пальцем и стоять при этом на резиновом коврике или в диэлектрической обуви, то инструмент не сработает. В результате возникнет ложное впечатление, что сеть обесточена. В связи с этим неоновый индикатор напряжения должен использоваться с осторожностью.

Данный инструмент имеет простое устройство:
  1. Металлическое контактное жало отвертки.
  2. Резистор 0,5-1 мОм.
  3. Неоновая лампа.
  4. Металлический замыкающий контакт на торце рукоятки.

Абсолютная безопасность проверки напряжения такой отверткой обеспечивается за счет ее изоляции. С оголенной электросетью контактирует лишь часть незащищенного стального жала инструмента. При этом изоляция на ручке предотвращает поражение током человека. Когда при проверке сети прижимается контакт на торце отвертки, то ток протекает на руку человека через резистор, который снижает его до абсолютно безопасной неощутимой величины.

Отвертка с дисплеем

Более удобными и многофункциональными являются отвертки с дисплеем. Их можно приравнять к простенькому мультиметру.

Инструмент выполняет ряд функций, отдельные из которых выходят за рамки обычной индикаторной отвертки:
  • Определяет напряжение.
  • Ищет фазный провод.
  • Замеряет величину напряжения в сети.
  • Ищет скрытую электропроводку в штукатурке.
  • Способна работать в сетях переменного и постоянного тока.

Данный инструмент выглядит менее всего похожим на отвертку. У него имеется ЖК дисплей. Этот инструмент оснащается собственным источником питания. Без батареек он не работает. По своему устройству отвертка больше напоминает маркер. Ее контактное жало скрывается колпачком. Оно крайне узкое, а сама конструкция достаточно хлипкая, поэтому такую отвертку лучше вообще не использовать для монтажа крепежа, а применять только как индикатор.

Индикатор напряжения с дисплеем имеет 3 режима работы. Переключение между ними осуществляется кнопкой на корпусе.

Отвертка работает в следующих режимах:
  1. О – это контактный режим с проводником, подразумевает проверку путем прикладывания жала и придавливания кнопки на торце инструмента.
  2. L – бесконтактный режим, который позволяет среагировать на электрическую цепь на расстоянии от нее до пера отвертки в 1-3 см.
  3. Н – бесконтактный режим с повышенной чувствительностью, что позволяет определять напряжение в проводке даже скрытой в слое штукатурки.

Данный инструмент позволяет при работе в режиме Н найти скрытую электропроводку в стене при условии, что ток подается на фазный провод. Для этого перо отвертки водится в непосредственной близости к стене и как только оно окажется возле провода, то загорится световой индикатор.

Также такой индикатор напряжения позволяет найти на проводке места обрыва фазной жилы. Для этого перо инструмента ведется вдоль подключенного провода. Его световой индикатор будет гореть, несмотря на отсутствие контакта с жилой, поскольку отвертка выставляется в бесконтактный режим реагирования. При достижении участка провода с обрывом световой индикатор потухнет. Найденное место отмечается, а в дальнейшем срезается и меняется отрезком нового кабеля.

Отвертка со светодиодом

Внешне практически полностью повторяет конструкцию отвертки с неоновой лампой. При этом он является более чувствительным для сетей с напряжением менее 60 В.

Такой индикатор напряжения имеет свой собственный источник питания. Благодаря этому он выполняет много функций:
  • Указывает на фазный провод.
  • Определяет присутствие напряжения в сети.
  • Ищет обрыв проводки.
  • Прозванивает проводку не под напряжением.
  • Определяет маршрут скрытой в стене проводки.

Фактически это та же отвертка с дисплеем, но не указывающая на количество вольт в сети, поскольку не имеет экрана. Инструмент этого типа существенно крепче дисплейного, поэтому вполне может использоваться для затягивания крепежных элементов в розетках и выключателях.

Схема отвертки со светодиодом позволяет определять фазный провод без замыкания контакта на торце ручки. Достаточно просто прикоснуться к нему пером и индикатор загорится, если провод не обесточен.

Если нужно проверить обесточенный провод на предмет обрыва его жилы, нужно коснуться к одному его краю отверткой, а второй взять рукой. При этом на индикаторе следует придавить пальцем контакт. Если отвертка засветится, то обрыва нет. То есть таким методом можно проверять абсолютно любой провод, не подключая его к фазе.

При использовании светодиодной отвертки для поиска обрыва провода в стене необходимо работать не обесточивая сеть. Для этого инструмент с прижатым контактом водится по маршруту провода, при условии, что тот залегает на глубине не более 1,5 см. В месте где индикатор погаснет и будет точка обрыва. При этом нужно учитывать, что такая отвертка крайне чувствительна, поэтому при узком обрыве провода может не погаснуть, а слегка снизить яркость свечения.

Проверка индикатора перед использованием

Отвертка тестер должна использоваться исключительно в исправном состоянии, в противном случае при прямом контакте с фазным проводом существует опасность получения поражения электрическим током. Чтобы этого избежать индикатор напряжения нужно осматривать перед каждым использованием. Он может сломаться при хранении, к примеру, если складывается в ящике вместе с молотками и прочим тяжелым инструментом, способным расколоть его корпус.

Проверка отвертки выполняется в 2 этапа:
  1. Визуальный контроль целостности.
  2. Контрольное касание к фазе.

Для начала индикатор осматривается на предмет сколов изоляции. У большинства инструментов она сделана за счет использования пластиковых деталей, которые при механическом воздействии разлетаются на осколки. Если отвертки имеет сколы и оголенные токопроводящие части, то ее нельзя использовать как индикатор.

Далее нужно убедиться, что индикатор работает. Для этого следует проверить исправную не обесточенную розетку. Отвертка вставляется в отверстие розетка и прижимается к ее контакту. Если в первом индикатор не сработал, то это нулевой провод. Заведя перо отвертки во второе отверстие можно увидеть ее свечение, поскольку там находится фаза. При этом если отвертка не засветиться, то это даст понять, что она не работает.

Если отвертка при внешней исправности и целостности изоляции не срабатывает на фазу, то ее можно попробовать отремонтировать. Так обычное неоновое и светодиодное устройство нужно разобрать, чтобы прочистить контакты. Также у светодиодной и отвертки с дисплеем нужно заменить батарейки. Выполняя замену батареек нужно соблюсти полярность их подключения.

Если неоновый или светодиодный индикатор напряжения имеют небольшие сколы изоляции на стальном стержне пера, то оголенный участок можно замотать изолентой или защитить термоусадкой. После изоляции таким инструментом можно продолжать пользоваться.

Таким же способом можно отремонтировать трещину на рукоятке. Однако, отвертка с повреждением должна в дальнейшем использоваться только как индикатор. Ее нельзя применяться для работы с крепежными элементами, так как от нагрузки та может разломиться на несколько частей.

Источник

Указатели и индикаторы напряжения

Найдено в категориях:

Указатель напр. УНН-1

  • Код товара 8721257
  • Артикул UNN139
  • Производитель Энергозащита

Указатель напряжения ПИН-90Э

  • Код товара 5379104
  • Артикул ET-UNN101
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Указатель напряжения УПУН-Э

  • Код товара 5024908
  • Артикул ET-UVN115
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Указатель напряжения УВНУ-10-2М

  • Код товара 3024684
  • Артикул ET-UVN107
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Указатель напряжения УВН-80Э ТФ

  • Код товара 7560552
  • Артикул ET-UVN102
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Указатель напряжения УННУ-1Э

  • Код товара 6619261
  • Артикул ET-UNN105
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Сигнализатор напряжения СНИКМ 6-10Э

  • Код товара 1283118
  • Артикул ET-SGN105
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Указатель напряжения УВН-80Э

  • Код товара 5516725
  • Артикул ET-UVN101
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Указатель напряжения Контакт 55 СЗ

  • Код товара 1199122
  • Артикул ET-UNN131
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Указатель напряжения УВН-10Э СЗ

  • Код товара 2208433
  • Артикул ET-UVN109
  • Производитель Электро Трейд

Сделано
в России

Луч света в темном царстве!

Представляем новую серию фонариков «EXPLORER» из — обычных, налобных, кемпинговых. Все модели оснащены современными яркими светодиодами, большинство заряжаются через USB-порт. Современный дизайн, множество функций, прочные материалы — фонарики «EXPLORER» ваш верный проводник в темноте!

Ножницы для перфорированного короба от ДКС

Компания ДКС расширила ассортимент продукции системы «Quadro» и ввела новый инструмент — ножницы для перфорированного короба.

  • Покупателям
    • Способ оплаты
    • Доставка
    • Акции
    • Скидки и баллы
    • Адреса магазинов
    • Договор оферты
  • Компания ЭТМ
    • О компании
    • Сервис iPRO
    • Электрофорум
    • ЭТМ Вакансии

Центр поддержки и продаж

  • Электрика
  • Свет
  • Крепеж
  • Безопасность

Мы в социальных сетях

  • Повышение квалификации
  • Часто задаваемые вопросы
  • Нашли ошибку?
  • Центр обращений

© 2021 Компания ЭТМ — Копирование и использование в коммерческих целях информации на сайте www.etm.ru допускается только с письменного одобрения Компании ЭТМ. Информация о товарах, их характеристиках и комплектации может содержать неточности

Ваш город: Выберите город

Я подтверждаю свое согласие на обработку персональных данных согласно Политике обработки персональных данных

Источник

Что такое индикатор напряжения, какие они бывают и как подобрать подходящий

Даже при простейших работах в электрических цепях в хозяйстве пригодится индикатор напряжения – устройство показывающее наличие или отсутствие электрического тока и напряжения в сетях от 220 до 1000в (в зависимости от прибора). Целесообразность его использования продиктована в первую очередь тем, что электрический ток не получится увидеть глазами – о его наличии можно судить только по тому, работает включенное в розетку устройство или нет.

Разновидности индикаторов

Главная функция, которую должен выполнять указатель напряжения, это проверка целостности электрической цепи – именно от этого зависит, будет работать включенный в розетку прибор или нет. Различные устройства справляются с этой задачей по-разному – стандартная отвертка индикатор напряжения использует для проверки ток, который уже есть в сети (пассивная), а внутри многофункционального тестера-пробника напряжения есть целая схема с отдельным питанием (активный), что позволяет прозванивать даже обесточенные электрические цепи. Все эти устройства работают по схожему принципу, но имеют некоторые различия в правилах применения.

Пассивная отвертка индикатор

Это однополюсный бытовой индикатор фазы, выполняющий одну-единственную задачу – показать наличие или отсутствие напряжения в определенной точке электрической цепи. Профессиональными электриками не используется, ввиду крайне ограниченного функционала, но дома среди набора инструментов «на всякий случай» она может пригодиться.

Бесспорное преимущество устройства в том, что наличие напряжения однополюсный индикатор показывает после прикосновения к любому токоведущему контакту. Нулевой провод не нужен – его роль выполняет тело человека, что держит в руках отвертку. Наличие или отсутствие фазы показывает неоновая лампа внутри устройства – чтобы проверить напряжение надо жалом отвертки коснуться проводника, а рукой дотронуться до контактной пластины на ручке.

Для защиты пользователя от высокого напряжения между жалом и лампой установлен резистор, но из-за этого индикатор не реагирует на напряжение ниже чем 50-60 вольт.

Активная отвертка индикатор

Внутри корпуса прибора собрана схема, запитанная от собственного источника питания (батарейки), поэтому это более чувствительный детектор напряжения. Вместо неоновой лампы здесь используется светодиод, который реагирует не только на прикосновение к проводнику, но и если жало просто попадает в электромагнитное поле, которое есть вокруг любого проводника под напряжением. Это его свойство с успехом используется для поиска проводки в стенах или мест ее обрыва. Нужно взять отвертку за жало и провести ее вдоль провода – если в каком-то месте лампа перестала светить, значит там (+/- 15 см) повреждена проводка.

Также светодиодный индикатор будет срабатывать если одной рукой дотронуться до жала, а другой до контактной платины в рукоятке. Это свойство широко используется для прозвонки проводов (определения их целостности). Надо просто взять один конец провода в руку, а до другого дотронуться жалом отвертки – если нет обрыва, значит индикатор засветится.

Высокая чувствительность устройства является и его недостатком – так как индикатор может показать наличие напряжения и там, где его никогда не было и наоборот – он не отреагирует на обрыв нулевого провода (разве что поменять фазу и ноль местами).

Многофункциональная активная отвертка индикатор

Этот тестер напряжения является улучшенным вариантом предыдущего инструмента – отличается наличием переключателя, которым можно регулировать чувствительность прибора, а также использовать его в контактном и бесконтактном режиме.

Зачастую такая многофункциональная индикаторная отвертка оснащена жидкокристаллическим мини дисплеем, на котором показывается не только наличие напряжения, но и его вольтаж. Это позволяет определять паразитные токи наводки, которые трудно распознать пользуясь обычным индикатором наличия напряжения в цепи.

Кроме дисплея такие устройства комплектуются зуммером, позволяющим без помех использовать прибор в условиях, когда цифровой индикатор не видно. По сути, ТОПовые модели электронных индикаторных отверток это упрощенные мультиметры, но с одним жалом вместо двух щупов. Некоторые электронные индикаторные отвертки даже способны измерить температуру поверхности, к которой прикасается жало устройства.

Самодельный пробник (контролька)

В сумке электрика зачастую есть самодельный пробник напряжения с обыкновенной лампочкой на 220 вольт – на профессиональном жаргоне получивший название «контролька». Несмотря на размеры, он зачастую бывает более удобным, хотя все его достоинства в полной мере раскрываются при проверке трехфазных сетей.

По сути это обычная лампочка, вкрученная в патрон, а провода исполняют роль щупов, которыми касаются контактов, на которых надо проверить наличие напряжения. По сравнению с другими простейшими пробниками индикаторами, контролька не просто показывает наличие электрического тока – по яркости ее свечения можно понять, нормальное ли в цепи напряжение.

К дополнительным преимуществам относится возможность проверить наличие всех трех фаз. К примеру, если есть три провода и два из них «посажены» на одну фазу, то любой другой указатель напряжения на другом конце провода просто покажет что на каждую жилу приходит фаза, а электродвигатель при этом запускаться не будет. В таком случае берется две контрольки, соединенные последовательно, и свободными щупами проверяются фазы между собой – на проводах с одной фазой лампочки гореть не будут. Плюс ко всему, контрольку всегда можно использовать как дополнительное освещение.

Из минусов устройства выделяется только то, что одну фазу можно проверить только если рядом есть нулевой провод, хотя сложно представить ситуацию с его отсутствием.

Универсальный пробник

Наиболее распространенный указатель напряжения среди инструментов профессионального электрика, совмещающий в себе функциональность и удобство использования. Универсальный прибор, который умеет все: определяет фазу и ноль в сети переменного тока, плюс и минус при постоянном, прозванивает проводку, показывает какое напряжение в цепи, имеет звуковую и визуальную индикацию.

Не все подобные устройства умеют находить проводку сквозь стены, но остальных функций более чем достаточно для ежедневных работ, с которыми сталкивается электрик.

Границы измерений определены качеством изоляции и моделью прибора – 220-380 или указатели напряжения до 1000 в и выше.

Мультиметр – все и сразу

Электрический универсальный тестер, объединяющий в одном корпусе все основные приборы, которыми пользуются электрики и радиолюбители – вольтметр, амперметр и омметр. Кроме того устройство может проверять диоды и транзисторы, а также измерять емкость конденсаторов.

Указатель напряжения отличается высокой точностью измерений – в зависимости от выставленного режима, определяет силу тока, сопротивление проводников и прочие значения до сотых и тысячных долей единиц. Для вывода результатов измерений оснащен жидкокристаллическим индикатором.

Что лучше выбрать

Все устройства имеют свои плюсы и минусы, которые надо учитывать при их покупке. Кроме того, надо понимать, зачем оно будет нужно – к примеру, если контролька отлично себя зарекомендовала в трехфазных цепях, то делать ее для домашнего использования особого смысла нет.

Как ни странно, но если человек не разбирается в электрике, то ему лучше купить все таки полупрофессиональное устройство – хотя бы универсальный пробник на 220-380в. Кроме того, что это просто надежное и нужное устройство, если придется приглашать электрика или просить знакомых посмотреть проводку, то лучше если под рукой окажется хороший прибор.

Источник

Индикаторные отвертки и указатели напряжения — виды, устройство и принцип действия

С электричеством нужно быть на Вы. (мудрость, проверенная временем).

Многие, наверное, слышали, что настоящий электрик не тот, что не боится электричества, а тот, который способен избежать прямого контакта с электричеством. По статистике, от поражения электрическим током, погибают чаще всего электрики со стажем от десяти и более лет. Именно в этом возрасте притупляется чувство опасности. Некоторые электрики со стажем проверяют наличие электричества на ощупь, да-да, именно на ощупь. Но зачем рисковать жизнью собственной, когда есть приборы, показывающие наличие напряжения?

Приборов показывающих наличие напряжения достаточно много — от самого простого индикатора напряжения на газоразрядной лампочке (неонке) и заканчивая приборами показывающими не только наличие напряжения но и множество других параметров.

В данной статье мы рассмотрим индикаторы и указатели напряжения, которые чаще всего используют в своей практике, как профессиональные электрики, так и домашние мастера. В электроустановках чаще всего применяются указатели с сигнальными лампами.

Относительно недавно у нас появились индикаторы напряжения, позволяющие обнаружить наличие напряжения без прямого контакта с токоведущим проводником.

Примером данного типа приборов служит индикатор китайского производства (хоть везде и пишется, что сделано в Германии) — MS-18, MS-58 и.т.д.

Состоят такие индикаторы из светодиода, двух миниатюрных батареек и пары радиодеталей. Такими индикаторами можно безопасно пользоваться, имея достаточно опыта и знаний в электричестве, так как индикаторы эти реагируют на все подряд. Начинающим электрикам и людям без опыта, использовать данные пробники нежелательно и даже опасно.

Самым популярным среди начинающих электриков и домашних мастеров, можно назвать индикаторную отвертку. Наверняка такой инструмент найдется у каждого домашнего мастера.

Разновидностей такого индикатора напряжения множество. Самые простые состоят из неоновой лампочки, сопротивления от нескольких сотен кОм до 1 мОма, прозрачного корпуса и жала-отвертки.

Внимание! Индикаторная отвертка предварительно проверяется на рабочей розетке. Во время проверки яркий свет гореть не должен, иначе огонек внутри отвертки не будет виден. При проверке надо прижать специальный вывод на торце отвертки.

Однополюсные указатели напряжения состоят из сигнальной неоновой лампы с порогом зажигания не выше 90 В и добавочного сопротивления, помещенных в изолированный корпус, имеющий сходство с авторучкой. Корпус имеет контакт со стороны упорного кольца и контакт на головке. При проверке наличия напряжения необходимо коснуться рукой контакта на головке указателя. Связь с землей осуществляется через тело человека.

Пользоваться таким пробником достаточно просто- жалом отвертки касаетесь оголенного проводника или токоведущей части оборудования, пальцем касаетесь металлической части пробника, это может быть небольшое кольцо или просто кусочек жести на колпачке. При наличии напряжения – неоновая лампочка загорается. Названий у индикаторов таких очень много — ИНО-70, ИН-91 и т.д.

Однополюсный указатель напряжения типа ИН-90; ИН-91: а — схема, б — способ применения, 1 — изолирующий корпус, 2 — щуп в виде отвертки, 3 — контакт, 4 — отверстие в корпусе для наблюдения за свечением, Л — неоновая лампа типа ИН-3, R — резистор типа ВС, 1 МОм; 0,5 Вт, Rи— сопротивление изоляции проводов сети относительно земли.

Однополюсные указатели напряжения могут быть изготовлены собственными силами. На рисунке приведены данные для изготовления указателя- напряжения УНН-10. В качестве сигнальной лампы использован тиратрон с холодным катодом типа МТХ-90, с порогом зажигания 90 B.

При невозможности получения неоновой лампы или тиратрона допускается в качестве индикатора наличия напряжения использовать лампу накаливания мощностью не более 10 Вт, заключенную в один из корпусов указателя напряжения. Во втором корпусе монтируется проволочное добавочное сопротивление. Для сети 380 В и лампы на 220 В мощностью 10 Вт величина добавочного сопротивления должна быть 5000 Ом.

Следующими по популярности среди электриков можно назвать двуполюсные указатели напряжения. Состоят такие индикаторы из двух частей. В одной из частей находятся вся начинка прибора, во второй части находится щуп.

Двухполюсный указатель напряжения: а — индикатор УНН-10: б — индикатор МИН-1, Т — тиратрон типа МТХ-90, R1— шунтирующий резистор типа МЛТ-0,5, 1 МОм, R2— добавочный резистор типа МЛТ-2, 0,24 МОм, Л — лампа тлеющего разряда типа ИН-3: R — шунтирующий резистор типа ВС, 10 МОм, Rд — добавочный резистор типа ВС З МОм.

Двухполюсный указатель напряжения состоит из неоновой лампы, добавочного сопротивления и контактов 1. Неоновая лампа зашунтирована резистором, чтоб не возникало свечения под действием емкостного тока. Элементы указателя закреплены в двух пластмассовых корпусах 2, соединенных гибким проводом 3 длиной 1 м с изоляцией повышенной надежности.

Двухполюсные указатели требуют прикосновения к двум точкам электроустановки, между которыми необходимо определить наличие или отсутствие напряжения.

Разновидностей таких индикаторов достаточно много. По функционалу они тоже отличаются.

Самые простые индикаторы показывают только наличие напряжения. Примером такого индикатора можно назвать приборы серии ПИН-90 (-2м, -2му), УН500,-453, УННУ-1, УНН-10, МИН-1 и т.д. Более продвинутые модели – серии ЭЛИН-1 (-СЗ, -С3 ИПМ, -С3 Комби) и многие другие приборы, показывают не только наличие напряжения на исследуемом участке цепи, но еще и его номинал, полярность напряжения.

В качестве индикации используются: неоновые лампочки, светодиоды различных цветов, цифровые и индикаторы. Также существуют и комбинированные индикаторы, где наряду со световой индикацией присутствует и звуковая, что делает работу с приборами более комфортной и безопасной.

В отличие от однополюсных указателей и индикаторов, для того чтобы узнать о наличии напряжение данными (двуполюсными) приборами, необходимо использование двух щупов. Применение таких приборов дает более полную картину о наличии или отсутствии напряжения, что, несомненно, очень важно в работе электриков.

Кроме проверки на наличие или отсутствия напряжения на участке исследуемой цепи, некоторые двуполюсные индикаторы можно использовать в качестве «прозвонки», то есть, проверить цепь на обрыв.

Также достаточно популярны среди электриков цифровые приборы — мультиметры — тестеры. Эти универсальные приборы позволяют проверить напряжение, сопротивление и т.д. В качестве индикации используется цифровое табло, звуковая и световая индикация.

Некоторые модели оснащены «клещами», которые позволяют измерить силу тока, не нарушая изоляции проводника. Также многие модели тестеров комплектуются термодатчиком, при помощи которого можно измерить температуру оборудования — трансформаторов, двигателей, силовых ключей.

Предостережения:

1. Использовать в качестве указателя напряжения контрольную лампу (обычный патрон с двумя выводами) в сетях с линейным напряжением больше 220 В не разрешается, так как при ошибочном включении на линейное напряжение в сети 380/220 В лампа взрывается и осколки могут ранить работающего.

2. В практике часто изготовляют однополюсные указатели напряжения своими силами, обычно в виде отвертки. При этом бывают случаи неправильного изготовления, и тогда возникает опасность поражения током. Нельзя делать стержень отвертки длиной более 20 мм. Если стержень длинный, возникает опасность прикосновению к нему во время проверки напряжения. Желательно плотно натягивать на стержень изолирующую трубку, оставляя неизолированным участок длиной не более 5 мм. Со стороны, близкой к источнику напряжения, обязательно должно быть упорное кольцо, выступающее на 3-4 мм, чтобы не допустить соскальзывания руки.

Особое внимание нужно уделить выбору неоновой лампочки, чтоб порог зажигания не превышал 90 В. Наиболее подходит лампа типа ИН-3. Добавочное сопротивление должно быть не менее 200 кОм.

Корпус следует изготовлять из эбонита или пластмассы темного цвета, при котором легче заметить свечение лампочки. Изготовленные указатели следует обязательно испытать.

В любом случае, используя индикаторы и указатели напряжения, необходимы знания и навыки при работе с ними. Также не стоит забывать и о технике безопасности. И, доверяйте профессионалам, электричество, как известно, шуток и ошибок не прощает!

Источник

Индикаторы напряжения ПИН-90, ИН-91, ЭИ-9000, указатели напряжения УВН-80, УВНУ-10, указатели низкого, высокого напряжения

ИНДИКАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ,   УКАЗАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
Рисунок Наименование изделия,
назначение
Тип Параметры Информация
Индикатор напряжения — однополюсный (отвертка) ИН-91
индикатор-отвертка
ИН 91 М, ИН 1
УНО
110 — 380 В

110 — 380 В
110-500 В

Индикаторы напряжения двухполюсные — определяют наличие напряж. между неизолир. проводн. ПИН-90
ЭИ 9000/1
ЭИ9000

ПИН-90-2М
ПИН-90М
(МИН-1)
50-1000 В
90-1000 В
90-1000 В
50-1000 В
50-1000 В
Узнать больше ->
Указатели напряжения со штангой УН-500
УН 500И
УН 500М
90- 500 В Узнать больше ->
Указатели низкого напряжения однополюсные УНН
УНН-1

УНН1СЗ
УНН1 СЗ ИП
40-660 В

50 — 1000 В
50 — 1000 В

Указатели напряжения со светозвуковой индикацией — определяет фазу, полярность и примерную величину ЭЛИН-1
ЭЛИН-1СЗ-ИП
ЭЛИН-1СЗ
ЭИ 9000 СЗ

25 — 400 В
40-400 В
70-500 В
Узнать больше ->
Указатели напряжения для воздушных линий с возможностью примерного определения напряжения ЭЛИН-1-СЗ ВЛ 12 — 400 В
Электронный указатель напряжения для троллейбусных линий ЭЛИН-075 ТР 10 — 750 В
Указатель напряжения для воздушных линий со светозвуковой индикацией УН-1
УН-1 Н

для ВЛ 60-660 В
Узнать больше ->
Указатель напряжения для воздушных линий ПИН-90-2МУ для ВЛ до 1000 В
Указатель напряжения — для подземных электроустановок переменного тока (шахт), взрывобезопасный УН-453 800 — 1140 В Узнать больше ->
Указатели напряжения двухполюсные — может прозвонить цепи за счет встроенного заряженного конденсатора, ЭМ — кроме светодиодного имеют также звуковую индикацию Контакт 55Э
Контакт 55ЭМ (светозвуковой)
Контакт 57Э
24, 220, 380 В
24, 220, 380 В
70 — 1000 В
Указатель напряжения двухполюсный УННУ-1
УННУ-1МС
УННУ-1Н (М)

12-500 В
25-1000 В
Устройство для проверки указателей напряжения УПУН-1 свыше 1000 В
    Указатели высокого напряжения — для кабельных линий. Длина изолирующей части 280(380)мм УВН-80
УВН80-2М, УВН 80-2М/1
УВН 80-2МН (новинка)
УВН80-3М (УВН-80)
УВНУ-2М, УВНУ-2М/1
УВН-90
УВН-35, УВН90М35
УВН-110 (УВН90), УВН 90 М 110
УВН-220 (УВН90), УВН 90 М 220
УВН 35-220
УВН 90 М 35-220

2 — 10 кВ

2 — 10 кВ
2 — 10 кВ

20 — 35 кВ
35 — 110 кВ
110 — 220 кВ
35-220 кВ
35-220 кВ

Узнать больше ->
Указатели высокого напряжения — имеют встроенное устройство самопроверки УВН-90 С
УВН90М-35С
УВН90М-110С
УВН90М-220С

20 — 35 кВ
35 — 110 кВ
110 — 220 кВ
Указатели высокого напряжения контактные и бесконтактные (дистанционные), типа УВНК-10 Б УВН-10
УВНУ-10

УВНУ10 СЗ ИП КБ
УВНУ10 СЗ ИП КБ с ТФ
УВН 90 М 35 СЗ ИП КБ
УВН 90 М 110 СЗ ИП КБ
УВН 90 М 220 СЗ ИП КБ
УВН 90 М 35-220 СЗ ИП КБ
УВНУ-10 СЗ ИП Комби
УВНУ-35 СЗ ИП Комби
УВНУ-110 СЗ ИП Комби

2 — 10 кВ
для фазировки
до 35 кВ
35-110 кВ
110-220 кВ
35-220 кВ

Указатели высокого напряжения — для кабельных линий и воздушных линий со светозвуковой индикацией
(УВНУШ-10СЗ-ИП со штангой)
УВНУ-10 СЗ
УВНУ-10 СЗ ИП
УВНУ-35 СЗ
УВН-90 М35 СЗ
УВНУ-110 СЗ
УВН-90 М110 СЗ
УВН-90 М220 СЗ

УВНУШ-10 СЗИП


2 — 10 кВ
Узнать больше ->
Указатели высокого напряжения бесконтактные УВНБ
УВНБ-35
УВНБ-110
УВНБ-220
УВНБ-6-35
УВНБ-35-220
Устройство ускоренного поиска повреждений — при коротких замыканиях на землю для кабельных и воздушных линий УПП-10
УПП-10М
УПП-6/10-3Г
6 и 10 кВ Узнать больше ->
Указатели высокого напряжения для фазировки — состоят из указателя и фазировки УВН80-2М с ТФ
УВН80-2М/1 с ТФ
УВН80-3М с ТФ
УВНУ-2М с ТФ
УВНУ-2М/1 с ТФ
УВНУ-10СЗ-ИП с ТФ
2,2 — 10 кВ Узнать больше ->

Генетические индикаторы напряжения | BMC Biology

Подобно Лейбницу, вошедшему в свою мельницу разума, представьте, что вы наблюдаете в режиме реального времени за работой нервной системы, где нейроны получают возбуждающие и тормозные постсинаптические потенциалы (ВПСП и ТПСП соответственно), объединяя их в общую электрическую цепь. ответа и генерации потенциалов действия (ПД), которые передаются другим нейронам. Такой эксперимент во сне, своего рода «Святой Грааль» нейронауки, можно провести с помощью визуализации мембранного потенциала.Аромат этого уже можно оценить по изображениям кальция [1, 2, 3], где, используя либо органические, либо генетически закодированные индикаторы кальция, можно отслеживать активность популяций нейронов у бодрствующих животных, хотя и с медленным временным разрешением и без способность наблюдать отдельные спайки во время высокочастотных серий спайков или измерять синаптические потенциалы [4,5,6].

Визуализация напряжения нейронов затруднена по многим причинам. Хотя мембранный потенциал довольно значителен по амплитуде (до одной десятой вольта), он существует в ограниченной части пространства, тонкой плазматической мембране и связанной с ней дебаевской длине, толщиной всего в несколько нанометров.Из-за этого для измерения электрического поля датчики должны быть нацелены с точностью до нанометра, с небольшим допуском на ошибку. Более того, датчики должны быть специально нацелены на плазматическую мембрану, поскольку подавляющее большинство клеточных мембран являются внутриклеточными, которые при маркировке датчиками напряжения только вносят вклад в сигнал. Вдобавок к этой проблеме нацеливания, очень тонкая мембрана означает, что только несколько сенсорных молекул могут быть расположены там, поэтому об изменениях напряжения можно сообщать только с использованием очень небольшого количества фотонов, что требует эффективных хромофоров, сильных источников света и временное или пространственное усреднение.Тем не менее, сигналы напряжения мембраны быстры в миллисекундах, а нейроны имеют богатую дендритную или аксональную морфологию, где сигналы напряжения необходимо измерять, что делает проблематичным пространственное или временное усреднение. Еще больше усложняет ситуацию то, что даже если нацеливание было эффективным и помечало все клетки и процессы, клубок нейропиля млекопитающих остается оптически неразрешимым для обычной микроскопии. Кроме того, мембранные потенциалы различаются по амплитуде, поэтому измерения должны иметь значительный динамический диапазон с, в идеале, линейными передаточными функциями в физиологическом диапазоне от - 100 до 100 мВ.Последняя трудность возникает в связи с тем, что плазматическая мембрана — это не просто еще один клеточный компартмент, а именно тот, который защищает нейрон снаружи, и целостность которого имеет первостепенное значение. Это делает его чрезвычайно чувствительным к любым возмущениям, от добавления дополнительных молекул или зарядов, которые могут повлиять на его биохимические или электрические свойства, до фотоповреждения от образования свободных радикалов кислорода из-за фотовозбуждения индикаторов напряжения или эндогенных хромофоров.

Этот непреодолимый набор трудностей не помешал исследователям заняться визуализацией напряжения [7,8,9], что привело к множеству различных методологических подходов, демонстрирующих большую изобретательность [10]. Действительно, в методах оптического измерения мембранного потенциала использовались такие разнообразные стратегии, как (i) перераспределение, когда хромофоры перемещаются внутрь и наружу мембраны при изменении напряжения; (ii) переориентация, когда электрическое поле изменяет относительное выравнивание хромофора по отношению к мембране; (iii) электрохромизм, при котором мембранный потенциал модулирует основное и возбужденное состояния хромофора, изменяя длину волны возбуждения или испускания; (iv) резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET), когда вызванные напряжением конформационные или спектральные изменения изменяют эффективность переноса энергии хромофоров; (v) тушение, когда мембранный потенциал влияет на молекулярные взаимодействия, снижающие интенсивность флуоресценции; (vi) индуцированная напряжением димеризация/агрегация хромофоров, изменяющая их спектры; (vii) электрооптическая модуляция генерации второй гармоники (ГВГ) хромофоров; (viii) плазмонный эффект наночастиц для усиления сигналов от близлежащих хромофоров; и (ix) отображение показателя преломления или других внутренних оптических изменений в клетке, обусловленных ее электрической активностью.

Используя некоторые из этих механизмов, за последние четыре десятилетия исследователи синтезировали органические чувствительные к напряжению красители для измерения мембранного потенциала in vitro и in vivo [7,8,9, 11,12,13,14]. Эти красители были особенно эффективны в препаратах беспозвоночных с большими и прочными нейронами и небольшим количеством нейропиля [15, 16, 17], а также в препаратах некоторых млекопитающих либо in vitro [18, 19], либо путем инъекции красителей в отдельные клетки [15, 16, 17]. 20, 21], или использовать их для измерения объема ткани in vitro [22, 23] или in vivo, но без разрешения отдельных клеток [8].Несмотря на эту новаторскую работу, визуализация потенциалов препаратов млекопитающих in vivo с разрешением одной клетки остается сложной задачей, а визуализация активности нейронных цепей in vivo обычно выполняется с помощью индикаторов кальция в сочетании с двухфотонным возбуждением для оптического проникновения и секционирование [4, 24, 25].

Недавняя разработка генетически кодируемых индикаторов напряжения (GEVI) представляет собой новую стратегию, которая с помощью белковой инженерии может преодолеть некоторые ограничения органических красителей, чувствительных к напряжению (рис.1). Опираясь на успешную разработку генетически кодируемых индикаторов кальция [26], открытие потенциально-чувствительного домена (VSD) фосфатазы [27, 28] позволило создать семейство GEVI путем связывания его с флуоресцентными белками в различных конфигурациях. рис. 1, слева). Кроме того, было разработано второе семейство GEVI на основе микробных родопсинов, которые проявляют слабую, но чувствительную к напряжению флуоресценцию [29]. Наконец, третья категория датчиков генетического напряжения использует гибридный подход с взаимодействием органических и белковых компонентов [30], используя совместные преимущества химического и генетического дизайна.В следующих разделах мы даем краткий обзор этих трех семейств индикаторов генетического напряжения и даем сравнение их эффективности в таблице 1. Учитывая, как быстро развивается эта область, наш обзор является лишь моментальным снимком времени, и мы призываем читателя чтобы быть в курсе новых показателей напряжения по мере их публикации.

Рис. 1

Исторический обзор индикаторов генетического напряжения. Датчики делятся на три отдельных семейства на основе доменов, чувствительных к напряжению (VSD; слева, ), микробных родопсинов (, средний, ) или хемогенетических зондов (, справа, ), и расположены в хронологическом порядке в соответствии с годом первого сообщения.Цвет прямоугольника относится к длине волны активации, указанной в статье или полученной из спектра флуоресцентного белка. Черные звезды обозначают зарегистрированные двухфотонные измерения. Обратите внимание, что HAPI-Nile Red и Voltron также основаны на родопсине. См. текст для ссылок

Таблица 1. Сравнительная характеристика генетически ориентированных индикаторов напряжения. Значения взяты из литературы. NR не сообщается, RT комнатная температура

GEVI на основе чувствительных к напряжению доменов

Индикаторы напряжения на основе VSD состоят из VSD и флуоресцентного белка (рис.2а). Первый индикатор напряжения на основе VSD, FlaSh, использовал VSD из потенциалзависимого калиевого канала [31], но имел ограниченное применение в препаратах млекопитающих. Совсем недавно VSD фосфатазы из Ciona кишечного [27] систематически использовали для создания GEVI с улучшенным переносом через мембрану и повышенной производительностью [32, 33]. Скрининг флуоресцентных белков, слитых с этим VSD, привел к ArcLight, состоящему из VSD и мутировавшего суперэклиптического pHluorin [34]. Хотя ArcLight обладает хорошей чувствительностью к напряжению, его медленная кинетика флуоресценции приводит к низкой амплитуде сигнала и ограниченному временному разрешению для обнаружения всплесков.Для ускорения кинетики в Ciona VSD были введены мутации, в результате чего были получены улучшенные варианты ArcLight [35,36,37]. В качестве альтернативы VSD Ciona , VSD другой потенциал-чувствительной фосфатазы из Gallus gallus использовали для вставки циклически переставленной суперпапки GFP во внеклеточную петлю VSD, между третьей и четвертой трансмембранными спиралями, для получения более быстрого индикаторы напряжения, называемые ускоренными датчиками потенциалов действия (АСПД) [38,39,40,41].Совсем недавно были предприняты попытки изменить полярность оптических сигналов; в отличие от некоторых более ранних индикаторов, эти новые индикаторы напряжения (Marina, FlicR1 и FlicR2) увеличивают яркость, когда мембрана деполяризована, и демонстрируют более низкую флуоресценцию при мембранных потенциалах покоя (рис. 2б, в) [42, 43]. Кроме того, недавно были разработаны GEVI на основе VSD с красным смещением (рис. 2b) [42, 44, 45].

Рис. 2

Последние GEVI на основе VSD. a Схематический чертеж двух конфигураций GEVI на базе частотно-регулируемого привода. Слева : слияние VSD с внутриклеточным флуоресцентным белком (FP). Справа : Вставка ДМЖП с внеклеточной циркулярно пермутированной FP. b Слева : Экспрессия FlicR1, смещенного в красную сторону индикатора с перевернутой полярностью, в диссоциированном нейроне гиппокампа. Справа : оптическая ( красная ) и электрическая ( черная ) реакции на потенциалы действия с частотой 5 Гц, записанные с помощью однофотонной визуализации. Изменено с разрешения [43]. c Слева : Экспрессия Марины, зеленого индикатора с перевернутой полярностью в культивируемых нейронах гиппокампа. Справа : Спонтанная всплеск активности в корковом нейроне из острого среза головного мозга, зарегистрированная с помощью однофотонной визуализации. Изменено из [44] с разрешения

GEVI на основе VSD успешно использовались для измерения как одиночных нейронов, так и нейронных цепей, позволяя регистрировать динамику мембранного потенциала в небольших нейронных компартментах, труднодоступных для обычных электрофизиологических методов. Например, in vitro измерения мембранного потенциала в дендритных шипиках были выполнены с помощью ArcLight, сочетающего визуализацию однофотонного напряжения с двухфотонным извлечением глутамата из клеток [46].Также были зарегистрированы обратно распространяющиеся потенциалы действия в дендритах с использованием ASAP2 с двухфотонной микроскопией [40]. GEVI на основе VSD также использовались in vivo. С помощью одно- или двухфотонной широкопольной визуализации напряжения можно визуализировать сенсорно-вызванные или спонтанные потенциалы на больших территориях, хотя и без разрешения одной клетки [47,48,49]. Мониторинг динамики подпорогового мембранного потенциала и потенциалов действия с клеточным разрешением был достигнут in vivo с использованием GEVI на основе VSD у Drosophila [39, 50].Но визуализация напряжения с разрешением одной клетки in vivo была сложной задачей в препаратах млекопитающих из-за рассеяния света и плохого отношения сигнал/шум (SNR). Недавно как ArcLight-MT, так и недавно разработанный ASAP3 использовались для описания подпороговых потенциалов и спонтанных потенциалов действия у бодрствующих или анестезированных мышей in vivo при двухфотонном возбуждении с разрешением одной клетки [49]. Кроме того, визуализация напряжения и визуализация кальция недавно были объединены у плодовых мушек in vivo [39].

Несмотря на то, что производительность GEVI на основе частотно-регулируемого привода улучшилась, визуализация напряжения с их использованием все еще остается сложной задачей. Необходимы дальнейшие достижения, особенно для визуализации in vivo. В частности, было бы желательно улучшить производительность при двухфотонном возбуждении и разработать индикаторы с красным смещением для многоцветной визуализации и в сочетании с оптогенетикой. Также кажется важным разработать более яркие GEVI на основе VSD, чтобы получить более высокое SNR, сравнимое с визуализацией кальция. Наконец, как и в случае с другими индикаторами напряжения, быстрое фотообесцвечивание GEVI на основе VSD может помешать долгосрочному мониторингу динамики мембранного потенциала.Для преодоления фотообесцвечивания улучшение GEVI типа Marina и FlicR кажется особенно многообещающим, поскольку они демонстрируют низкую флуоресценцию в состоянии покоя и становятся ярче, когда мембранный потенциал деполяризован.

GEVI на основе родопсина

GEVI на основе микробных родопсинов делятся на два различных класса. В одном используется родопсин как в качестве датчика напряжения, так и в качестве флуоресцентного репортера, в то время как в другом используется чувствительный к напряжению родопсин, связанный с флуоресцентной меткой (рис. 3а). Первым микробным датчиком напряжения на основе родопсина был PROPS (протеородопсиновый оптический протонный датчик) [51].Авторы обнаружили, что в поглощающем зеленый цвет протеородопсине состояние протонирования ретинального основания Шиффа (RSB), которое ковалентно связывает хромофор с апопротеином, в значительной степени определяет цвет и флуоресценцию родопсина. Они пришли к выводу, что изменение напряжения на мембране должно влиять на локальный электрохимический потенциал вокруг RSB и тем самым изменять флуоресценцию белка [51]. Путем мутагенеза естественная активируемая светом активность микробного родопсина по переносу ионов была устранена, а RSB pk a был смещен в сторону сенсорных мембранных потенциалов в физиологическом диапазоне.Использование PROPS было ограничено Escherichia coli , но, используя аналогичный механизм восприятия, Archaerhodopsin 3 haloarchaea Halorubrum sodomense , известный как Arch, впоследствии был разработан для визуализации напряжения нейронов млекопитающих [29]. В последние годы усовершенствования сенсоров на основе родопсина в основном связаны с мутациями в Arch [52, 53], приводящими к улучшенным индикаторам, таким как QuasAr 1–3 [54, 55], NovArch [56] и, недавно, Archon 1 и 2. [57] (рис. 1). Как QuasAr3, так и Archon1 успешно регистрировали серии потенциалов действия in vitro с хорошим отношением сигнал/шум [55, 57] (табл. 1) и использовались in vivo, хотя и с однофотонным возбуждением [55, 57].

Рис. 3

Последние GEVI на основе родопсина. a Представление двух видов GEVI на основе родопсина с GEVI типа PROPS ( слева ) и GEVI на основе eFRET ( справа ). b Слева : Конфокальные изображения экспрессии QuasAr3 в срезах головного мозга; бар 50  мкм. Средний : Запись патч-зажим ( черный ) с соответствующими следами флуоресценции ( красный ) в острых срезах головного мозга. Right : наложение электрического и оптического сигнала для одной точки доступа.Изменено с разрешения [55]. c Слева : Экспрессия Archon1 в острых срезах головного мозга; бар 25 мкм. Средний : флуоресценция Archon1 ( розовый ; одно испытание) и соответствующие электрические следы ( черный ) в культивируемых клетках с наложением обоих сигналов для AP, указанных стрелкой. Справа : Изменения флуоресценции (одно испытание) Archon 1 после изменения напряжения, подобного потенциалу действия ( черный ) на частоте 200 Гц в нейроне с зажимом напряжения в культуре.Изменено с разрешения [57]. d Слева : Конфокальное изображение экспрессии VARNAM в пирамидных нейронах в фиксированных постнатальных срезах мозга. Средний : одновременная оптическая ( красный ) и электрическая запись ( черный ), вызванная введением тока частотой 10 Гц ( слева ) и 50 Гц ( справа ) с наложением обоих сигналов для указанной точки доступа. Справа : Изменения мембранного потенциала, вызванные активацией канала родопсина Черифа ( синий ), контролируемые электрически ( черный ) и оптически ( красный ).Изменено с разрешения [44]

Комбинация сенсора и репортера в одном небольшом белке в микробных родопсинах кажется элегантной и обеспечивает время отклика в субмиллисекундном диапазоне [29, 51, 54, 58] и, кроме того, большую чувствительность ( как ΔF/F на 100 мВ) от 30 до 90% [53,54,55,56,57] делают их очень многообещающими. Тем не менее, как индикаторы напряжения, микробные родопсины страдают недостатками, которые не смогли преодолеть даже самые последние варианты. Поскольку белки оптимизированы для переноса ионов, а не для флуоресценции, их квантовый выход обычно на несколько порядков ниже, чем у флуоресцентных белков, таких как GFP [29], генерирующих низкую яркость и требующих высокой интенсивности освещения в диапазоне от нескольких десятков до сотен Вт/см. 2 даже для последних вариантов [55, 57].Чтобы улучшить яркость, микробные родопсины были объединены с флуоресцентными белками, что дало вторую подгруппу сенсоров на основе родопсина: электрохромные FRET (eFRET) GEVI (рис. 3а), где родопсин служит в основном в качестве VSD. Здесь флуоресцентный белок слит на С-конце с седьмой трансмембранной спиралью, обеспечивая чувствительное к напряжению безызлучательное тушение флуорофора родопсином, механизм, уже исследованный ранее с органическими красителями [59]. Первоначальные подходы объединили родопсин Mac, управляемый светом протонный насос из L.maculans (пик поглощения 550 нм) в mCitrine или mOrange2 [60]. Хотя MacQ-mCitrine и mOrange2 немного медленнее, чем сенсоры на чистом родопсине, все же генерировали полную амплитуду ответа в течение 5 мс и надежно регистрировали потенциалы действия в культивируемых нейронах с 5–7% ΔF/F на спайк [60]. Следуя тому же подходу, QuasAr2 был слит с несколькими флуоресцентными белками (eGFP, Citrine, mOrange2, mRuby2) с получением сенсоров со сходной кинетикой и чувствительностью [61]. Используя более быстрый родопсин Acetabularia (Ace) в качестве гасителя для mNeonGreen, можно значительно ускорить время отклика без потери чувствительности [62].Последним дополнением к eFRET GEVI с самым красным смещением является недавно опубликованный VARNAM, в котором также используется Ace, связанный с флуоресцентным белком mRuby3. Для VARNAM требуется низкая интенсивность света (1,5 Вт/см2), он сохраняет быструю кинетику Ace-mNeonGreen и демонстрирует высокую фотостабильность [44], а его активация с красным смещением делает его легко комбинируемым с оптогенетическими активаторами, активируемыми синим светом. Однако даже VARNAM не смог преодолеть недостаток GEVI на основе родопсина: слабую работу при двухфотонном освещении [44].

Хемогенетические индикаторы

Хотя GEVI имеют то преимущество, что они могут быть генетически нацелены на плазматические мембраны и клеточные популяции, они могут иметь недостатки из-за низкой яркости, плохой фотостабильности и медленной кинетики. Но, как уже упоминалось, оптические измерения потенциала клеточных мембран проводились десятилетиями с помощью небольших органических синтетических молекул [12, 13, 15]. Эти красители чувствительны к напряжению, часто из-за электрохромизма, и могут иметь большие фракционные изменения флуоресценции и отличные кинетические характеристики и фотофизические свойства [8, 11, 63].В то же время эти небольшие липофильные молекулы вызывают неспецифическое окрашивание тканей, серьезно нарушая SNR и клеточное отграничение. Чтобы обойти эти проблемы, появилась гибридная стратегия, использующая вместе химические и генетические индикаторы: сочетание оптических свойств низкомолекулярных флуорофоров с генетическим нацеливанием (рис. 1) [30, 64, 65, 66]. Термин «хемогенетика», обычно используемый для небольшой молекулы, которая активирует генно-инженерные белки, был применен к этим гибридным индикаторам напряжения [67].Мы рассматриваем три основных класса хемогенетических индикаторов в соответствии с молекулярным механизмом сенсорного домена и флуоресцентного репортера.

Хемогенетические сенсоры на основе FRET

Один из первых хемогенетических сенсоров, названный гибридным сенсором напряжения (hVOS), использовал экзогенно добавленную липофильную молекулу, которая в зависимости от напряжения гасила флуоресцентные белки, привлеченные к мембране. hVOS использовала двухкомпонентную стратегию, основанную на FRET, изначально разработанную без генетических компонентов [68], но адаптированную для генетически направленного воздействия (рис.4а) [69,70,71,72,73]. Первый компонент состоит из флуоресцентного белка с прикрепленными фарнезилированными и пальмитоилированными мотивами, которые закрепляют его на плазматической мембране [70, 72]. Второй компонент представляет собой нефлуоресцентное синтетическое соединение дипикриламин (DPA), которое служит чувствительным к напряжению акцептором FRET (гасителем). Поскольку DPA является липофильным, но отрицательно заряженным, он распределяется в мембране в зависимости от напряжения, перемещаясь во внутренний слой во время деполяризации, что гасит флуоресценцию белка.Но поскольку DPA увеличивает емкость мембраны, необходимо использовать низкую концентрацию, чтобы не нарушать нативные физиологические реакции [73]. Недавнее использование этого сенсора демонстрирует большую универсальность для представления активности нейронной популяции с использованием клеточно-специфического генетического нацеливания у трансгенных мышей (Fig. 4b).

Рис. 4

Хемогенетические индикаторы напряжения. a Схематическое изображение hVOS, состоящего из флуоресцентного белка, прикрепленного к плазматической мембране, в сочетании с нефлуоресцентным синтетическим соединением дипикриламином (DPA), которое служит потенциал-чувствительным акцептором FRET. b Визуализация напряжения с сотовым разрешением и hVOS. Срезы гиппокампа мыши hVOS::Fos, экспрессирующие зонд hVOS в клетках-зернах Cre-Fos-зависимым образом. Слева : Флуоресценция в срезах головного мозга после скрещивания Ai35-hVOS с мышами Cre-Fos, показывающая нейроны, экспрессирующие hVOS, в слое гранулярных клеток гиппокампа. Справа : ответ четырех нейронов в срезе гиппокампа мыши hVOS::Fos на электрическую стимуляцию. c Схематическое изображение VoltageSpy, состоящее из экспрессии SpyCatcher на клеточной поверхности и последующего внеклеточного взаимодействия с красителем VF. d Визуализация субклеточного напряжения с помощью VoltageSpy. Культивируемые нейроны гиппокампа, коэкспрессирующие SpyCatcher и ядерный mCherry и помеченные VoltageSpy, были захвачены при частоте 500 Гц под широкопольной флуоресцентной микроскопией. Слева : VoltageSpy показан зеленым , а ядерное окрашивание красным . Средний : Большее увеличение отдельных дендритных областей. Масштабная линейка 20  мкм. Справа : Визуализация напряжения в дендритах, показывающая вызванные потенциалы действия в выбранных областях интереса, кодированных цветами, указанными на панели.Изображения и следы изменены с разрешения [69] ( b ) и [82] ( d )

Второй тип хемогенетических сенсоров на основе FRET использует в качестве сенсоров микробные родопсины [61, 62]. Как уже упоминалось, флуктуации мембранного напряжения вызывают изменение поглощения родопсинов, которое можно считывать с помощью органического флуорофора, специально лигированного в сайт. Электрохромный FRET родопсина с лигированием флуорофора (FlareFRET) действует как флуорофор, селективно присоединенный к не встречающейся в природе аминокислоте, закодированной в родопсине [74].Этот датчик обладает широкой универсальностью, позволяя добавлять цветовую палитру и достигать 35,9% ΔF/F на 100 мВ и миллисекундного отклика.

Наконец, недавняя разработка новых родаминовых красителей с высокой фотостабильностью и яркостью, таких как серия Janelia Fluor (JF), привела к разработке Voltron [42]. JF совместимы с мечением белков и преодолевают гематоэнцефалический барьер для экспериментов на млекопитающих in vivo. Voltron объединяет чувствительный к напряжению микробный родопсин с самомаркирующимся белковым доменом, который ковалентно связывает синтетический флуорофор JF [75, 76].Зависимые от напряжения изменения в спектре поглощения родопсина обратимо модулируют степень тушения флуоресценции красителя посредством FRET. С помощью Voltron можно измерять импульсы нейронов и подпороговые напряжения у личинок рыбок данио, плодовых мушек и мозга мышей [42].

Хемогенетические датчики на основе ферментов

Эта конструкция основана на генетически закодированном ферменте на поверхности клетки, который активирует предшественник органического индикатора напряжения. Например, водорастворимый краситель-предшественник гидролизуется щелочной фосфатазой, которая отщепляет полярную группу, усиливая его липофильный характер [30].Это значительно улучшает нацеливание и накопление модифицированного электрохромного красителя в мембране клетки, экспрессирующей фосфатазу. Аминостирил-пиридиний (ASP) хромофор является примером предшественника чувствительного к напряжению красителя с фосфатной группой, присоединенной к его головной группе [30, 65]. Первое поколение красителей на основе ASP приводило к окрашиванию внутренних органелл за считанные секунды. Используя ту же стратегию, второе поколение датчиков с использованием ANNINE-6, одного из наиболее чувствительных красителей, чувствительных к напряжению, показало 50% изменение интенсивности ΔF/F на 100 мВ и может быть использовано для нацеливания in vivo [66].Одним из основных преимуществ этих методов является то, что мембраны можно метить большим количеством молекул.

Новое поколение датчиков на основе ферментов (VF-EX) представляет собой хемогенетический зонд, в котором генетически кодируемая эстераза высвобождает краситель VF в определенных нейронах [77]. Затем VF использует фотоиндуцированный перенос электронов (PeT) в качестве зависящего от мембранного потенциала триггера интенсивности флуоресценции [78,79,80]. Скорость, яркость и чувствительность VF позволяют регистрировать потенциалы действия в нейронах в одиночных испытаниях.Кроме того, VF химически модифицирован для минимальной флуоресценции в качестве предшественника и активируется ферментативной активностью. Направленная эстераза печени свиньи (PLE) на мембране расщепляет VF на клеточной поверхности [81]. С помощью этого подхода можно измерять потенциалы действия в культивируемых нейронах [77]. Кроме того, по сравнению с некоторыми GEVI [70], VF-EX показывает улучшенное SNR и изменение флуоресценции, маркируя дендриты и дендритные шипы [77].

Хемогенетические сенсоры с прикрепленной меткой

Последняя категория хемогенетических зондов улавливает химические флуорофоры в плазматической мембране с помощью белкового каркаса.В системе VoltageSpy используется сконструированная молекула клеточной адгезии, взаимодействующая с красителем VF, содержащим саркозин (рис. 4а). Это взаимодействие стало возможным благодаря линкеру полиэтиленгликоля (ПЭГ) между небольшим пептидом из 13 остатков и красителем VF [82]. Локализация VoltageSpy определяется экспрессией белка SpyCatcher на клеточной поверхности. Улучшение обнаружения напряжения по сравнению с обычно используемыми генетическими индикаторами напряжения в культуральных клетках было сообщено для VoltageSpy [82].С помощью этого датчика можно измерять напряжения в окончаниях аксонов, дендритах и ​​шипиках (рис. 4г). Наконец, гибридный сенсор, привязанный к белковой метке, HAPI-Nile, основанный на индикаторе напряжения Nile Red, демонстрирует изменения флуоресценции в физиологическом диапазоне мембранного потенциала [83]. С помощью этого зонда можно обнаружить триггерные потенциалы действия и над/подпороговую активность в культивируемых нейронах.

Селективная локализация синтетического индикатора напряжения в представляющих интерес клетках с использованием генетически кодируемых белковых меток кажется многообещающей.Некоторыми опасениями, связанными с этими гибридными хемогенетическими стратегиями, являются их потенциальная токсичность и избирательное применение экзогенного липофильного соединения к нейронным мембранам в интактной ткани для использования in vivo.

Гибридный индикатор напряжения дальнего красного цвета, полученный с помощью биоортогональной инженерии родопсина на живых нейронах и Центр функциональных биомолекул, Пекинская национальная лаборатория молекулярных наук, Key

Лаборатория биоорганической химии и молекулярной инженерии Министерства образования, Пекинский университет, Пекин, Китай.2Школа наук о жизни,

Университет Цинхуа, Пекин, Китай. 3 Центр наук о жизни Пекин-Цинхуа, Пекин, Китай. 4PKU-IDG/Институт исследований мозга Макговерна, Пекин,

, Китай. 5Китайский институт исследований мозга (CIBR), Пекин, Китай. 6Эти авторы внесли равный вклад: Шужанг Лю, Чан Линь, Юнсянь Сюй.

✉электронная почта: [email protected]; [email protected]

Мембранный потенциал является ключевым биофизическим сигналом, который играет центральную роль в жизни.Действия ионоселективных насосов и каналов

создают дисбаланс заряда в биологической мембране

и создают динамическое трансмембранное электрическое поле, которое может изменяться

во временной шкале миллисекунд. Это электрическое поле может, в свою очередь, регулировать активность множества локализованных в мембране биомолекул,

включая потенциалзависимые ионные каналы и рецепторы, связанные с G-белком

1. Мембранный потенциал традиционно измеряли

с помощью методов на основе электродов, таких как методика патч-кламп для целых клеток

.Несмотря на высокую чувствительность, электродные методы

часто страдают недостатком пространственного разрешения, высокой инвазивностью к

клеткам и низкой производительностью2,3. Оптическая регистрация мембранного потенциала предлагает привлекательную альтернативу, позволяющую избежать вышеуказанных ограничений. Различные чувствительные к напряжению флуоресцентные индикаторы были разработаны для зондирования мембранного потенциала с высоким пространственно-временным разрешением, высокой пропускной способностью и минимально инвазивным и высокопараллельным способом.Например, генетически закодированные индикаторы напряжения

(GEVI) используются для описания потенциалов действия (ПД) и

подпороговых активностей генетически определенных популяций нейронов-

в клеточных культурах4,5, срезах мозга6,7 и у живых животных2,3 ,8. Поскольку

большинство этих GEVI основаны на зеленых или красных флуоресцентных белках

(FP), их флуоресцентное излучение ограничено длинами волн

ниже 650 нм.

Крайне желателен яркий и чувствительный индикатор дальнего красного цвета, поскольку

он может облегчить одновременную регистрацию мембранного напряжения

и других важных физиологических сигналов, таких как динамика кальция и высвобождение нейротрансмиттера9.Кроме того, спектр возбуждения со смещением в красную область может обеспечить бесперекрестное сопряжение датчика визуализации

с оптогенетическими приводами, такими как ионоселективные каналы

и насосы, многие из которых активируются синим и желтым светом,

таким образом, позволяя полностью оптическое исследование электро-

физиологии нервной цепи10,11. Среди редких примеров датчиков напряжения в дальнем красном диапазоне

GEVI на основе родопсина (QuasArs10,12, Archers13 и Archon14)

воспринимают мембранный потенциал с помощью электрохромизма и могут излучать при

>650 нм (таблица 1).Однако нативная флуоресценция родоп-

син примерно на два порядка слабее яркого органического красителя

из-за низкого квантового выхода флуоресценции его ретинального хромофора

15. Таким образом, применение этих

GEVI на основе родопсина часто требует интенсивного возбуждающего света (> 80 Вт/см2)10,14, что вызывает опасения по поводу чрезмерного теплового эффекта и фототоксичности16.

Красители, чувствительные к напряжению в ближнем инфракрасном диапазоне, были разработаны для получения изображения напряжения

в культурах клеток и срезах мозга (таблица 1)17–20.

Хотя подходы фотоактивации и ферментативного расщепления

сделали возможным клеточно-специфическое мечение чувствительных к напряжению красителей, они

не были распространены на дальнекрасные индикаторы21–23. Недавно химический

индикатор генетического напряжения под названием Voltron был сконструирован путем слияния самомаркирующейся белковой метки

, HaloTag, с чувствительным к напряжению микробным родопсином

, Ace2 из Acetabularia acetabulum24. Voltron635 имеет пик эмиссии

при 656 нм и сообщает об AP в культивируемых нейронах с

умеренной чувствительностью примерно -3.5% изменение флуоресценции

по сравнению с исходным уровнем (ΔF/F0) на AP (таблица 1)24.

В этой статье мы сообщаем о новом подходе к получению изображения напряжения

в дальнем красном спектре с высокой скоростью и чувствительностью. Мы

используем фермент-опосредованное включение зонда для сайт-специфического

конъюгирования транс-циклооктенового фрагмента с мутантом Ace2, который затем

дериватизируется с конъюгированными с тетразином органическими флуорофорами

посредством обратного электронного требования Дильса. – реакция циклоприсоединения ольхи

(IEDDA).Полученные гибридные индикаторы напряжения

Дальнекрасный гибридный индикатор напряжения, активированный

биоортогональной инженерией родопсина на живых

нейронах

Shuzhang Liu1,6, Chang Lin1,6, Yongxian Xu1,2,6, Huixin Luo1, Luxin Peng1, Xiangmei Zeng1,

Huangtao Zheng1, Peng R. Chen 1,3 ✉ и Peng Zou 1,3,4,5 ✉

Мембранный потенциал является ключевым аспектом клеточной передачи сигналов и динамически регулируется массив ионоселективных насосов и

каналов.Флуоресцентные индикаторы напряжения обеспечивают неинвазивную оптическую регистрацию потенциала клеточной мембраны с высоким пространственным разрешением

. Здесь мы приводим палитру ярких и чувствительных индикаторов гибридного напряжения (HVI) с интенсивностью флуоресценции, чувствительной к изменениям мембранного потенциала посредством электрохромного переноса энергии резонанса Фёрстера. Фермент-опосредованное

сайт-специфическое включение зонда с последующим циклоприсоединением Дильса-Альдера с обратной потребностью в электронах было использовано для создания

улучшенных чувствительных к напряжению родопсинов с гибридной архитектурой краситель-белок.Самый чувствительный индикатор, HVI-Cy3, демонстрирует чувствительность

к высокому напряжению (-39% ΔF/F0 на 100 мВ) и миллисекундную кинетику отклика, позволяя оптически регистрировать потенциалы действия

при частоте дискретизации 400 Гц в течение 10 мин через большая популяция нейронов. Индикатор дальнего красного цвета HVI-Cy5 можно

сочетать с оптогенетическими приводами и флуоресцентными индикаторами зеленого/красного излучения, что позволяет полностью оптически исследовать электрофизиологию нейронов.

ПРИРОДА ХИМИЯ | ТОМ 13 | МАЙ 2021 | 472–479 | www.nature.com/naturechemistry

472

Содержание предоставлено Springer Nature, применяются условия использования. Права защищены

Трехмерное изображение светового поля с субклеточным разрешением с генетически кодируемыми индикаторами напряжения

1.

Введение

Визуализация напряжения с клеточным разрешением позволяет непосредственно наблюдать за вычислениями нейронов.В самом деле, эксперименты по визуализации мембранного потенциала позволили пространственно-временно разрешить как активное, так и пассивное действие, а также генерацию синаптического потенциала в дендритных и аксональных ветвях. 1 14 Разрешение этих сигналов малого напряжения на высоких скоростях требует высоких потоков фотонов, что делает широкопольную однофотонную (1P) визуализацию наиболее распространенным методом визуализации напряжения. Визуализация нейронных процессов с помощью этого метода требует, чтобы отображаемые мембраны лежали примерно плоско в фокальной плоскости микроскопа.Поскольку эти эксперименты обычно проводятся на срезах, потребность в плоских, здоровых и поверхностных клетках представляет собой значительный барьер для входа экспериментаторов. Даже в лучше всего подготовленных срезах анатомия диктует, что только несколько клеток будут ориентированы параллельно поверхности, что снижает производительность эксперимента, и только определенные типы клеток имеют морфологию, которую можно хорошо изучить с помощью одной плоскости. Итеративное трехмерное (3-D) изображение в широком поле с помощью физической перефокусировки часто оказывается несостоятельным из-за быстрого обесцвечивания образца.Было разработано несколько подходов для улучшения характеристик трехмерной визуализации с широким полем зрения. Ансельми и соавт. 15 применил дистанционную фокусировку для осевого смещения и наклона фокальной плоскости с широким полем зрения в соответствии с требованиями образца, что позволяет визуализировать кальций вдоль наклонных дендритов. Эта адаптация, однако, стоит половину флуоресцентного излучения и ограничена одной наклонной плоскостью за раз. Разработка точечной функции рассеяния (PSF) с помощью кубических фазовых масок 16 или сферической аберрации 17 также позволяет выполнять параллельную объемную визуализацию образца в сочетании с возбуждением световым листом; однако, насколько нам известно, эти подходы не были успешно реализованы для изображения напряжения мембраны.

Отсутствие оптического секционирования с широкоугольным изображением 1P еще больше усложняет ситуацию. Свет от структур, находящихся не в фокусе, загрязняет сигналы в фокусе, искажая распределение сигналов по аксиально разделенным процессам. Эту проблему трудно решить с помощью традиционных методов конфокальной или двухфотонной микроскопии с оптическим разделением, поскольку они представляют собой точечное сканирование. Последовательная выборка каждого пикселя значительно сокращает полосу пропускания изображения, а высокая частота кадров, необходимая для изображения напряжения, требует короткого времени задержки и, следовательно, небольшого количества собранных фотонов.Это ограничивает отношение сигнал-шум (SNR), ограниченное пуассоновским шумом, до низких уровней, что делает точечное сканирование напряжения применимым к ограниченному числу экспериментальных парадигм. 12 , , , 18 20

0

0

21 27 Спиннинговые диски, 28 , 29 Blobs, 30 , , , 31 Линии, 32 34 Листы, 34 42 или указанные узоры 43 47 47 Увеличивает бюджет фотона, позволяющий функциональному объемной визуализации или одноплоскостное изображение на повышенных скоростях.Небольшое количество из них было применено для визуализации напряжения в двух измерениях, 26 , 33 , 44 , 47 однако они не могут визуализировать нейронные процессы в 3D. Многие из этих методов также компенсируют меньшую устойчивость к рассеянию по сравнению с методами одноточечного сканирования для увеличения возбуждения от распараллеливания.

Параллельная трехмерная двухфотонная визуализация с удлиненными лучами Бесселя 48 , 49 или стереоскопическими наклонными 50 лучами возбуждает узкие столбцы флуоресценции и зависит от временной и пространственной разреженности мечения и активности для разделения временных курсов от различные плоскости z.Это увеличивает объемную скорость, но каждый пиксель столбца по-прежнему адресуется последовательно, что ограничивает полосу пропускания. Эти методы использовались для визуализации переходных процессов флуоресценции кальция, но еще не напряжения.

Микроскоп светового поля (LFM) 51 позволяет реконструировать трехмерные объемы из одиночных двумерных (2-D) изображений с камеры, расширяя изображение в широком поле, сохраняя при этом беспрецедентное возбуждение флуоресценции и эффективность сбора. Это достигается путем вставки массива микролинз (MLA) в исходную плоскость изображения микроскопа и размещения датчика изображения в его задней фокальной плоскости [рис.1(а)]. Это рассеивает угловые компоненты собранного изображения [Рис. 1(b)], который можно использовать для определения осевого положения объектов. Каждое LFM-изображение состоит из круглых субизображений [Рис. 1(c)], где каждое субизображение напоминает пиксель в изображении сцены с недостаточной дискретизацией. В каждом круглом фрагменте изображения каждое местоположение пикселя кодирует различную угловую выборку через объект, пересекающийся с местоположением фрагмента изображения, столбчатой ​​томографической проекцией через образец. 53 Изображения светового поля обычно параметризуются четырехмерной (4-D) функцией L(u,v,x,y), где каждое субизображение линзы представляет собой L(u,v,·,·) и одно и то же конкретный пиксель под каждым фрагментом изображения равен L(·,·,x,y).«Исходное разрешение ЛСМ», с которым объект снимается сбоку, определяется шагом микролинзы, деленным на увеличение объектива, что намного хуже, чем соответствующее широкопольное разрешение. Взамен микролинзы предоставляют угловую информацию, которую можно использовать для визуализации объектов с разных точек зрения, фокусировки в разных плоскостях и реконструкции трехмерных объемов из одного двухмерного кадра. Этот метод превращает ключевой недостаток широкопольного флуоресцентного возбуждения 1P, отсутствие оптического разделения, в преимущество, поскольку не в фокусе свет отображает трехмерную информацию об образце.

Рис. 1

Микроскопия светового поля позволяет одновременно сфокусироваться на аксиально разделенных дендритах. (а) ЛСМ-диаграмма. (b) Псевдоцветная z-проекция стека изображений с широким полем через ячейку с маркировкой GEVI. Глубина имеет цветовую маркировку от красного (поверхностный) до желтого (глубокий). Отдельные дендриты следуют извилистыми путями во всех трех измерениях, поэтому в WFM нельзя сфокусироваться на них одновременно. (c) Изображение светового поля той же клетки, показывающее структуру изображений светового поля. Каждое пятно на изображении светового поля представляет собой пространственную выборку (координаты x, y) углового распределения лучей (координаты u, v) в этой точке.Эта угловая и пространственная информация может быть использована для восстановления объема по одному изображению. (d) Лучшее широкоугольное изображение отдельной клетки, показывающее частично сфокусированные дендритные структуры. (e) Три разных изображения, восстановленные из изображения в светлом поле: (e1) и (e2) представляют собой деконволюцию отдельных осевых плоскостей, показывающую отдельные дендриты, видимые не в фокусе на широкопольном изображении. (e3) Z-проекция через восстановленное объемное изображение светового поля, показывающая сфокусированные участки восстановленных дендритов.Рисунок взят из Quicke 52 CC BY-SA 4.0.

Были описаны два известных алгоритма реконструкции исходных объемов из изображений LFM, а именно синтетическая перефокусировка 51 и трехмерная деконволюция. 53 Синтетическая рефокусировка опирается на модель формирования изображения ЛСМ с помощью лучевой оптики для реконструкции изображений с исходным разрешением ЛСМ, эквивалентным разрешению широкопольного микроскопа (WFM), сфокусированного в любой осевой плоскости образца. Фокусные стеки могут быть созданы аналогично стандартным z-стекам микроскопа путем объединения изображений, реконструированных на нескольких осевых глубинах.Каждый пиксель в перефокусированном изображении представляет собой взвешенную сумму пикселей изображения светового поля, что означает быструю перефокусировку. Однако реконструированные изображения страдают тем же размытием из-за отсутствия оптического разделения, что и стандартная WFM.

Альтернативный подход основан на реконструкции объема источника с использованием прямой модели формирования светового поля (ЛЧМ ФРТ) на основе волновой оптики. 53 Подходы итеративной деконволюции, такие как Ричардсон-Люси (RL) 54 , 55 или алгоритм реконструкции пространства изображения (ISRA), 56 найти объем источника с максимальной вероятностью, учитывая измеренное изображение и LFM PSF в присутствии пуассоновского (RL) или гауссовского (ISRA) шума.Этот подход может реконструировать исходные объемы с латеральным разрешением, превышающим исходное разрешение LFM (шаг MLA в образце), используя точную выборку томографических проекций LFM. 53 Эта реконструкция с повышенным разрешением терпит неудачу, когда томографическая выборка является вырожденной, особенно вокруг исходной фокальной плоскости микроскопа. Объем источника также реконструируется с меньшим осевым размытием, чем в случае с перефокусировкой, что повышает различимость осевого сигнала.

Новые конструкции светового поля значительно улучшили характеристики LFM и позволили обойти вырожденную выборку в родной фокальной плоскости. LFM с высоким разрешением смещает вырожденную выборку из исходной фокальной плоскости, обеспечивая реконструкцию объекта с более высоким разрешением 57 . Коэн и соавт. 58 убрал вырождение дискретизации и улучшил реконструкцию, поместив фазовую маску в заднюю фокальную плоскость объектива. Особенно важно, что Fourier LFM 59 , 60 модифицирует конструкцию LFM, чтобы разместить MLA в плоскости Фурье микроскопа.Эта конструкция снижает вычислительные затраты на реконструкцию из-за ее латерально-инвариантной PSF, а также не страдает от проблем с реконструкцией вокруг исходной фокальной плоскости. Однако периодичность PSF действительно приводит к артефактам реконструкции, для удаления которых требуется уменьшение поля зрения (FOV). Недавно Лю и соавт. 61 дополнительно усовершенствовал LFM с особенно многообещающей конструкцией, удаляя артефакты реконструкции с помощью случайного MLA и увеличивая реконструируемую глубину резкости с помощью микролинз с различным фокусным расстоянием.

Электрические константы длины нейронов находятся в диапазоне от десятков до сотен микрон, что делает увеличенный размер поперечных пикселей менее неблагоприятным для визуализации напряжения. Чрезмерное разрешение электрических флуктуаций путем визуализации на дифракционном пределе или ниже, как правило, не требуется и может даже повредить ОСШ, увеличивая относительное влияние непуассоновского шума, такого как шум считывания. Поэтому пространственное разрешение часто приносится в жертву в экспериментах по отображению напряжения для увеличения скорости или SNR. Во многих таких экспериментах используются высокочувствительные ПЗС-сенсоры с низким уровнем шума при считывании и малым количеством пикселей, причем пиксели часто имеют размер в несколько микрон в плоскости образца.Даже при использовании детекторов с большим числом пикселей относительно низкая чувствительность многих пробников напряжения означает, что несколько пикселей часто группируются для увеличения отношения сигнал/шум до приемлемого уровня. Таким образом, уменьшенная исходная частота дискретизации LFM в поперечном направлении хорошо подходит для визуализации напряжения, а деконволюция временных рядов визуализации напряжения LFM может быть реализована без передискретизации для снижения вычислительных затрат.

LFM успешно визуализировал кальций в больших объемах у C. elegans и рыбок данио, 62 , 63 , а также у мышей с фиксированной головой и у активных мышей. 64 66 Динамика напряжения также успешно визуализировалась без разрешения одной клетки у Drosophila 67 и личинок данио 60 в рамках установок визуализации всего мозга наряду с визуализацией кальция. Насколько нам известно, LFM не применялся для изучения динамики напряжения с субклеточным или одноклеточным разрешением в каком-либо образце, несмотря на его очевидную пригодность. В этом исследовании мы применяем LFM для визуализации субклеточного генетически кодируемого индикатора напряжения (GEVI) в острых срезах мозга мыши.Мы комбинируем этот метод с недавно описанной трансгенной стратегией, управляющей разреженной экспрессией в случайном подмножестве слоя 2/3 пирамидальных нейронов коры, что позволяет разрешать сигналы напряжения на уровне одной клетки в соматах и ​​дендритах нейронов. 68 , 69

Мы демонстрируем, что LFM может одновременно отображать аксиально разделенные дендриты, обеспечивая однократный захват и локализацию переходных процессов флуоресценции GEVI в трехмерном дендритном дереве.Мы сравниваем и оцениваем деконволюцию и синтетическую перефокусировку для различных приложений визуализации GEVI, используя подход грубой деконволюции без боковой передискретизации для снижения вычислительных затрат. Мы также применяем недавно разработанный расчет LFM PSF 70 для объективов с высокой числовой апертурой. Мы показываем, что LFM обеспечивает трехмерную локализацию дендритных и соматических транзиентов флуоресценции GEVI, и сравниваем степень, в которой перефокусированные и деконволюционные световые поля позволяют локализовать латеральные и осевые транзиенты.Наконец, мы сравниваем SNR временного сигнала между LFM и WFM.

2.

Методы

В этом разделе воспроизведены методы, описанные Quicke. 52 Мы разработали наш LFM в соответствии с принципами, изложенными Levoy et al. 51 Мы адаптировали широкоугольную систему визуализации, поместив MLA в плоскость изображения микроскопа, и использовали релейную линзу 1:1 (Nikon 60-mm f/2.8 D AF Micro Nikkor Lens) для визуализации задней фокальной плоскости MLA. на чип нашей камеры [ORCA Flash 4 V2, 2048×2048   пикселей, 6.Размер пикселя 5 мкм, Hamamatsu, см. рис. 1(a)]. Боковое разрешение определяется шагом MLA, деленным на увеличение объектива. Используя наш 25-кратный объектив (1,0 NA, XLPLN25XSVMP, Olympus), мы выбрали нашу систему с поперечными пикселями 5 мкм, что диктует шаг микролинз 125   мкм.

Осевое разрешение определяется количеством разрешаемых дифракционных пятен за каждой микролинзой. 51 Предполагая, что длина волны центрального излучения составляет 550 нм для mCitrine, донора ферстеровского резонансного переноса энергии (FRET) в VSFP-Butterfly 1.2, 71 размер пятна в плоскости камеры составляет 6,46  мкм по критерию Спарроу. С MLA с шагом 125 мкм мы можем разрешить Nu=19 различных пятен под каждой микролинзой. Таким образом, осевое разрешение при синтетической перефокусировке нашего LFM можно рассчитать как 7,81   мкм. 51

Для эффективного использования сенсора камеры выходной зрачок объектива должен отображать MLA так, чтобы образовывались круги на плоскости светового поля, которые только соприкасаются, что требует, чтобы число f на стороне изображения объектива (f/ 12.5) равно f-числу MLA. Мы выбрали MLA с диафрагмой f/10 (MLA-S125-f10, RPC Photonics), готовую деталь, которая была близка к соответствию, но имела большую апертуру.

2.1.

Визуализация

Это исследование проводилось в соответствии с рекомендациями Закона Великобритании о животных (научные процедуры) 1986 г. в соответствии с проектными и личными лицензиями министерства внутренних дел (проектные лицензии 70/7818 и 70/9095). Срезы были получены от четырех мышей в возрасте 31, 32, 32 и 175 дней, трансгенно модифицированных для слабой экспрессии VSFP-Butterfly 1.2 71 , используя метод, ранее описанный Quicke et al. 68 и Song et al. 69 Эти трансгенные мыши экспрессируют GEVI в пирамидных нейронах коркового слоя 2/3 под перекрестным контролем TetO и дестабилизированной Cre-рекомбиназы. 72 74 Дестабилизированная Cre-рекомбиназа была стохастически рестабилизирована, чтобы вызвать редкую экспрессию индикатора напряжения путем двух интраперитонеальных инъекций триметоприма (ТМП, Sigma) в общей сложности 2×10–4   мг кг–1 в течение двух дней подряд, как описано Song et al. 69

Срезы готовили по крайней мере через 2 недели после инъекции ТМП с использованием метода, адаптированного из Ting et al. 75 (метод «защитного восстановления» 76 ). Срезы 400  мкм вырезали с помощью Camden Microtome 7000 в ледяной 95% O2/5% CO2 оксигенированной искусственной спинномозговой жидкости (ACSF), содержащей: (в мМ) 125 NaCl, 25 NaHCO3, 20 глюкозы 2,5 KCl, 1,25 Nah3PO4, 2 MgCl2 , и 2 CaCl2. Затем срезы немедленно переносили в NMDG-ACSF 75 , содержащую: (в мМ) 110 N-метил-D-глюкамин, 2.5 KCl, 1,2 Nah3PO4, 25 NaHCO3, 25 глюкоза, 10 MgCl2, 0,5 CaCl2, доведенные до 300–310  мОсм/кг, pH от 7,3 до 7,4 с помощью HCl и насыщенные кислородом с помощью 95% O2/5% CO2 при 36 °C в течение 12 мин. перед переносом обратно в исходный натрий-содержащий ACSF не менее чем за час до наложения повязок и визуализации.

Флуоресцентные клетки заделывали под наклонным инфракрасным освещением (780 нм) пипетками с сопротивлением от 3 до 10 МОм при заполнении внутриклеточным раствором, содержащим: (в мМ) 130 К-глюконат, 7 KCl, 4 АТФ-Mg, 0.3 GTP-Na, 10 фосфокреатин-Na и 10 HEPES представляют собой 4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинэтансульфоновую кислоту. Мы оцифровали сигналы токовых клещей (дигитайзер Power 1401; Cambridge Electronic Design) с усилителя Multiclamp 700B (Axon Instruments). При комнатной температуре мы снимали изображения со скоростью 100 кадров в секунду в течение 2,5 с, одновременно вводя импульсы тока длительностью 50 и 100 мс. Изображения с частотой 100 Гц достаточно для обнаружения потенциалов действия с помощью этого индикатора напряжения из-за медленной кинетики индикатора. Этот GEVI, в отличие от недавно разработанных индикаторов или органических красителей напряжения, сообщает версию сигнала мембранного напряжения, отфильтрованную с помощью фильтра нижних частот.Во-вторых, как обсуждалось Quicke et al., 68 более низкая частота кадров может быть полезна для обнаружения всплесков с низким отношением сигнал-шум, поскольку сигнал подвергается дополнительной низкочастотной фильтрации за счет периода интегрирования камеры, а более длительный период кадра позволяет собирать больше данных. фотонов, увеличивая дробовой шум, ограниченный SNR. Более высокая частота кадров позволит лучше определить время и кинетику потенциала действия. Каждый импульс вызывал деполяризацию до порога, вызывающего одиночный потенциал действия или взрыв из двух-трех потенциалов действия. Мы включили 490-нм светодиод (M490L4, Thorlabs) с источником постоянного тока (Keithley Sourcemeter 1401) для освещения образца от 3 до 11   мВт/мм2.Наборы временных рядов светлого поля и временных рядов широкого поля чередовались путем удаления и замены MLA вручную. В среднем мы делали от 4 до 16 разверток на одно условие визуализации. Светодиод был коллимирован с асферической линзой f=16 мм (ACL25416U0-A, Thorlabs) и отфильтрован фильтром возбуждения 475/28  нм (FITC-EX01-CLIN-25, Semrock). Флуоресценцию собирали с использованием длинноволнового дихроичного фильтра 495 нм (FF495-Di03, Semrock) вместе с собирающим фильтром 550/88 нм (FF01-550/88, Semrock) и 496 длиннопроходными фильтрами (Semrock FF01-496/ LP) для ослабления любого возбуждающего света, проходящего через дихроичную лампу.Данные визуализации были получены с помощью Micromanager. 77 Визуализированные соматы клеток располагались на глубине от 11 до 40   мкм ниже поверхности среза со средней глубиной 29   мкм. Все эти клетки лежат в пределах длины свободного пробега фотона поверхности среза, 78 , и наши методы реконструкции не учитывают рассеяние ткани. Данные были проанализированы с помощью пользовательских сценариев Python с использованием пакетов SciPy. 79

2.2.

Реконструкция светового поля

Мы реконструировали исходные объемы, используя два метода, чтобы сравнить их эффективность для данных напряжения одной ячейки.Мы рассчитали (x, y, z, t) временные ряды объема, используя синтетическую перефокусировку, 51 и ISRA 56 , 62 , используя PSF, рассчитанный с использованием метода, описанного в разделе, следующим образом. Деконволюция RL 53 55 также была протестирована на данных, однако в результатах наблюдалась небольшая заметная разница.

2.2.1.

Расчет PSF светового поля

Мы рассчитали PSF LFM иначе, чем описано ранее, 53 , используя метод, описанный Quicke 52 и Quicke et al. 70 Вкратце, чтобы рассчитать поле в MLA, мы рассмотрели, как линза объектива с высокой числовой апертурой собирает поле от колеблющегося электрического диполя в положении r вблизи фокуса микроскопа, |r|≪f, в начале координат, вычисляя Преобразование Фурье поля в задней фокальной плоскости объектива. Мы предположили, что можем смоделировать поведение точечного источника, состоящего из случайно ориентированных флуоресцентных молекул, как некогерентную сумму диполей по трем ортогональным направлениям. Затем мы использовали тот же метод, который описан Broxton et al. 53 для моделирования передачи через MLA и на камеру.

Мы рассчитали PSF для деконволюции изображений GEVI для излучения с длиной волны 550 нм. Мы не передискретизировали деконволюцию, так как разрешение сигналов напряжения обычно требует усреднения пикселей примерно до исходного разрешения LFM. Поэтому мы сгенерировали одно ядро ​​светового поля для каждой глубины путем усреднения по ядрам, отобранным для точечных источников в разных латеральных положениях под микролинзой, взвешивая каждую точку в среднем с помощью двумерной оконной функции Хэмминга с шириной, равной нашей шаг микролинз.Мы провели усреднение по ядрам, отобранным с разрешением, в пять раз превышающим исходное разрешение микролинзы. ISRA использовался для деконволюции данных.

2.2.2.

Объемные реконструкции

Получив PSF с уменьшенной дискретизацией, мы деконволюционировали объем, используя процедуру, аналогичную предыдущим исследованиям. Ключевое отличие состоит в том, что для каждой глубины реконструированного объема требовалась только одна двумерная свертка для прямой и обратной проекций соответственно, поскольку мы не увеличивали частоту латеральной выборки.Мы применяли схему деконволюции независимо к каждому кадру временных последовательностей изображения, используя кластер для распараллеливания обработки данных. Деконволюция одного кадра заняла от 30 до 40 минут для 21 итерационной деконволюции 21 плоскости z на одном ЦП. Мы использовали большой кластер для одновременной обработки отдельных кадров, что позволило обрабатывать 5000 кадров за одну ночь. Мы не использовали параллельный алгоритм в каждой деконволюции, чтобы использовать, например, обработку GPU, поскольку доступные нам вычислительные ресурсы лучше подходили для параллелизма данных.Как и в предыдущих исследованиях, это значительно увеличило бы скорость отдельных кадров, хотя также, вероятно, уменьшило бы количество одновременных кадров, которые можно было бы подвергнуть деконволюции для типичных настроек кластера.

Синтетическая рефокусировка, основанная на лучевой оптической модели формирования изображения светового поля, представляет собой более простой подход к объемной реконструкции, который также требует гораздо меньше вычислительных ресурсов. Изображения, сфокусированные на разных z-глубинах, могут быть созданы путем объединения отдельных видов в перспективе с использованием формулы, полученной Ng et al. 80 Линейная интерполяция в этом суммировании приводит к тому, что каждый пиксель представляет собой взвешенную сумму пикселей исходного изображения светового поля. Эта реконструкция выполняется намного быстрее, чем методы итеративной деконволюции, а также не страдает от усиления шума. 81

2.3.

Анализ временных рядов объема

2.3.1.

Влияние реконструкции на SNR

Чтобы сравнить влияние различных методов реконструкции на SNR сигнала напряжения, мы реконструировали отдельные плоскости из объемов в фокусе LFM.Мы сравнили синтетически перефокусированные временные ряды с временными рядами, подвергнутыми деконволюции с использованием ISRA для разных номеров итераций. Области интереса (ROI) были выбраны вручную для сомы и ее окружения и были идентичны для синтетически рефокусированных и деконволютивных объемов.

Поскольку мы собирали флуоресценцию от донора VSFP-Butterfly 1.2 FRET, флуоресценция уменьшалась при деполяризации мембраны. 71 Следовательно, трассы, показанные на рис. 2 и 3 перевернуты. Чтобы измерить SNR, мы рассчитали сигнал как значение пятого процентиля во время периода стимула и релаксации 200 мс со средним значением 100 мс до вычитания периода стимуляции.Уровень шума рассчитывали как стандартное отклонение периода 350 мс при отсутствии внутриклеточного токового стимула.

Рис. 2

Сравнение различных методов реконструкции SNR. (а) Временные ряды светового поля были собраны для сигналов функционального напряжения от слабо выраженных GEVI. (b) Временные ряды были извлечены из последовательностей изображений сомы в фокусе с помощью перефокусировки (слева) и деконволюции ISRA (справа), а сигнал и шум сравнивались. (c) Сигналы после деконволюции и перефокусировки имеют сильную линейную корреляцию, как видно из графика отдельных временных точек трассировки.Дополнительную дисперсию шума из-за деконволюции можно определить как остаток от линейной подгонки. Повышенный уровень сигнала можно увидеть как увеличенный градиент соответствия на единичном наклоне (серая пунктирная линия). И шум (d), и сигнал (e) монотонно возрастают с увеличением числа итераций деконволюции, что приводит к общему снижению отношения сигнал-шум (f) с увеличением числа итераций. При малом числе итераций деконволюция и перефокусировка очень похожи. При большом числе итераций SNR уменьшается по сравнению с перефокусированным; однако увеличение осевого сечения может по-прежнему мотивировать использование методов деконволюции.Сплошные линии представляют собой медианы n = 15 клеток, а пунктирные линии указывают значения 25-го и 75-го процентиля. Трассировки в (b) были получены в среднем из восьми разверток.

Рис. 3

Деконволюция LFM разрешает трехмерные локализованные сигналы напряжения. (a1)–(a3) Временные графики и графики глубина-время, показывающие сигналы от разных клеточных компартментов [показанных в (b)], локализованных на разных глубинах. (а1) Соматический сигнал максимален в фокальных плоскостях широкого поля и естественного светового поля, в то время как (а2) апикальный дендрит опускается в срез с его областью интереса, локализованной на 15  мкм глубже.Сигнал от (а3) базального дендрита расположен поверхностно по отношению к соме, и его наилучшую фокальную глубину трудно локализовать из-за широкой осевой протяженности рефокусированного сигнала. Переходные процессы флуоресценции базального и апикального дендритов в широкопольных временных диаграммах имеют меньшие сигналы, чем сигналы светового поля, поскольку они находятся вне плоскости, когда фокусируются на соме. (c) Нормализованный размер сигнала для каждой области интереса на разных глубинах деконволюции (c1) и перефокусировки (c2). Деконволюция увеличивает аксиальную локализацию сигналов.Данные представляют собой среднее значение восьми разверток.

2.3.2.

Графики глубина-время

Чтобы определить центр масс сигнала для различных клеточных областей интереса, мы извлекли временные графики из каждой перефокусированной или деконволюционной глубины, а затем отфильтровали полученные двумерные массивы глубина-время с помощью медианного фильтра 11 образцы по оси времени (110 мс) и три образца по оси z (15   мкм).

2.3.3.

Сравнение отношения сигнал-шум в светлом и широком поле

Мы сравнили отношение сигнал-шум между испытаниями одной и той же клетки для последовательностей изображений, полученных с помощью систем визуализации с широким и светлым полем.Мы сравнили SNR между перефокусированными и широкопольными изображениями для одного и того же количества повторов, используя ROI, рассчитанные как одинаковые для обоих методов визуализации. Для ячеек 8/12 в наш LFM была введена дополнительная апертура, чтобы компенсировать хроматическую аберрацию, уменьшая светопропускную способность микроскопа на 1/2–3/4 во время визуализации светового поля по сравнению с эквивалентными испытаниями с широким полем. Чтобы учесть это, ОСШ для этих испытаний было скорректировано с помощью коэффициента, равного квадратному корню из отношения средней яркости первых испытаний визуализации из испытаний со световым и широким полем.Микроскоп был перенастроен для учета хроматической аберрации перед окончательными ячейками 4/12, что означает, что расчетная светопропускная способность микроскопа была одинаковой в испытаниях со световым полем и с широким полем. Для этих испытаний в анализ было включено необработанное ОСШ.

2.3.4.

Анализ распространения сигнала

Мы сравнили поперечное и осевое распространение сигнала, используя метод, аналогичный нашей предыдущей работе. 68 Мы количественно определили мощность сигнала нейронного напряжения в каждом пикселе для создания 2-D или 3-D «карт активации» путем расчета коэффициента временной корреляции временного хода каждого пикселя с исходным временным ходом из соматической области интереса.

Мы сравнили пространственные автокорреляции этих карт активации для количественной оценки средней перекрестной помехи сигнала между сигналами клеточного напряжения. 68 В нашей предыдущей работе мы описали, как можно использовать автокорреляцию для количественной оценки средней мощности сигнала, которую ячейка вносит во временной ход определенного пикселя, и количественно оценили этот эффект для этой подготовки с помощью WFM в двух измерениях. 68 В этой работе мы рассчитали трехмерные автокорреляции объемов светового поля и двумерные автокорреляции объемов широкого поля с использованием свертки на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ), задав центральные 10×10  пикселей автокорреляции к среднему значению их периметра, чтобы удалить центральный шумовой пик.

3.

Результаты

3.1.

Светопольная микроскопия позволяет одновременно получать изображения аксиально разделенных дендритов.

Мы продемонстрировали способность LFM разрешать аксиально разделенные структуры, визуализируя клетку со сложной трехмерной дендритной ветвью с использованием как WFM [Рис. 1(b)] и ЛСМ [рис. 1(с)]. Ни одно плоское широкопольное изображение не могло одновременно сфокусировать все дендриты (рис. 1(г)]; Однако; в разных плоскостях из объема, реконструированного методом деконволюции, можно было отчетливо различать разные дендритные структуры (рис.1(e1) и 1(e2)]. Те же клеточные особенности можно ясно увидеть в проекции стандартного отклонения через реконструированный стек LFM [Рис. 1(e3)] и широкопольный z-стек через ту же ячейку [рис. 1(b)], обе проекции через стопки с осевым шагом 1 мкм].

3.2.

Сравнение влияния различных методов реконструкции на отношение сигнал/шум этот показатель.Мы реконструировали временной ряд объема для 15 клеток из временного ряда светового поля (LF) [рис. 2(a)] и извлекли оптические временные графики из областей интереса по соме отдельной клетки в нативной фокальной плоскости и сравнили SNR между развернутыми и перефокусированными объемами [Fig. 2(б)]. Обычно используемые схемы итеративной реконструкции LFM склонны к усилению шума

82 , которое увеличивается с номером итерации. Поэтому крайне важно понять, когда следует остановить схему итераций. Ранняя остановка обеспечивает эффект регуляризации схемы деконволюции, уменьшая шумовое загрязнение в окончательной реконструкции за счет точности модели. 83 Мы использовали перефокусированные изображения в качестве базового сравнения для итерационного анализа из-за простоты их реконструкции. Мы обнаружили, что для всех номеров итераций шум и уровень сигнала увеличивались за счет деконволюции, что увеличивало чувствительность и дисперсию [рис. 2(в)–2(д)]. Сигнал значительно увеличился с 0,3 % (0,2 %, 0,4 %) [все результаты представлены как медианный межквартильный размах (IQR)] в перефокусированном временном ряду до 1,4 % (0,9 %, 1,7 %) для 21-итерационной деконволюционной трассы (подпись Уилкоксона). ранг, n=15, z=0.0 и р=0,0003). Шум значительно увеличился с 0,05 % (0,04 %, 0,08 %) в перефокусированном временном ряду до 0,4 % (0,3 %, 0,5 %) для 21-итерационной развернутой трассы (ранг со знаком Уилкоксона, n = 15, z = 0,0 и p). =0,0002). Это привело к уменьшению отношения сигнал-шум примерно с того же значения, что и в случае с перефокусировкой [1,0 (0,8, 1,3)] для одной итерации деконволюции, примерно до половины этого значения в случае с перефокусировкой [0,6, (0,4, 1,3)]. Мы также обработали временные ряды светового поля с помощью RL-деконволюции и не обнаружили существенных различий по сравнению с ISRA.

3.3.

Микроскопия светового поля разрешает трехмерные локализованные и аксиально разделенные сигналы напряжения

Затем мы исследовали ключевое преимущество визуализации напряжения светового поля с субклеточным разрешением: трехмерное изображение нейронных процессов. Для этого необходимо, чтобы сигналы из разных плоскостей были различимы в объемных реконструкциях. Осевая различимость зависит от внутренних факторов, таких как осевое разрешение, а также от внешних факторов, таких как клеточная морфология и распространение сигнала из-за тканевого рассеяния.Чтобы продемонстрировать разрешение переходных процессов внутриклеточного напряжения в 3D, мы реконструировали 4-мерные (x, y, z, t) объемы из временных рядов изображений светового поля и сравнили временные сигналы от ROI по различным дендритным и соматическим структурам в нескольких осевых плоскостях. .

На рис. 3 показана способность низкочастотной визуализации локализовать в осевом направлении сигналы функционального напряжения от нейронных отростков и тем самым отображать функциональную активность в 3D с отношением сигнал-шум, недостижимым для любой эквивалентной системы с широким полем зрения. На рисунках 3(a1)–3(a3) показаны одноплоскостные и многоплоскостные временные графики трех разных ROI по клеточным компартментам от нейрона, распределенного по нескольким осевым плоскостям.Соматическая область интереса [Рис. 3(a1)] в нативной фокальной плоскости широкопольных и светлопольных изображений содержит вызванные потенциалом действия переходные процессы флуоресценции, примерно равные по размеру сигнала как для светового поля, так и для широкого поля (вверху). Графики глубина-время показывают функциональный сигнал, локализованный в нативной фокальной плоскости в функциональных стопках НЧ (внизу). Напротив, область интереса над апикальным дендритом (рис. 3(a2)] имеет наибольший сигнал, когда низкочастотное изображение перефокусировано на 15  мкм глубже в срез, а сигнал в эквивалентной широкопольной области интереса намного меньше.Графики глубина-время для этой ROI как для деконволюции, так и для перефокусированных стеков также ясно показывают центр масс сигнала, расположенный глубже, чем нативная фокальная плоскость [рис. 3(с)1 и 3(с)2, внизу]. Сигналы от базального дендрита [Рис. 3(a3)] также больше в НЧ-изображении, перефокусированном на 10   мкм мельче, чем исходная фокальная плоскость. Соответствующие графики глубина-время показывают небольшое смещение центра масс сигнала на меньшую глубину, особенно в случае перефокусировки.

Графики зависимости размера сигнала от глубины для случаев с перефокусировкой и деконволюцией [Рис.3(c1) и 3(c2)] показывают аксиальную локализацию в виде отчетливо разных плоскостей для каждой области интереса, а также демонстрируют ключевое преимущество деконволюции по сравнению с перефокусированными реконструкциями: повышенная точность аксиальной локализации функциональных сигналов.

3.4.

Деконволюция увеличивает аксиальную локализацию сигналов функционального напряжения

Переходные процессы от перефокусированных объемов демонстрируют большую осевую ширину PSF по сравнению с трассами после деконволюции [Рис. 3(с)]. Следовательно, эти сигналы размываются, что снижает различимость вкладов сигналов из разных плоскостей.Чтобы количественно оценить этот эффект, мы создали объемы, показывающие распределение функционального сигнала. Мы создали временную динамику из соматической области интереса в фокусе и рассчитали коэффициент временной корреляции каждого пикселя в объеме для временных рядов объема с перефокусировкой и деконволюцией. Пиксели с высокими коэффициентами корреляции интерпретируются как сильно реагирующие на инъекцию внутриклеточного тока, поэтому их объемная карта показывает морфологию структур, через которые распространяется функциональный сигнал.Эти карты активации сигнала напряжения (рис. 4) позволили нам количественно оценить пространственное распределение сигнала от одних и тех же клеток с помощью различных методов визуализации. Карты активации, полученные в ходе широкопольных исследований, показывают размытие вокруг сомы из-за расфокусированных базальных дендритов [Рис. 4(а)]. Для сравнения, z-проекции из 70-микронной области вокруг сомы, сгенерированные из развернутого активационного объема [фиг. 4(b)] показывает структуры, вызывающие это размытие. Проекция через 70  мкм вокруг фокуса из случая с перефокусировкой показывает значительно большее размытие из-за плохого осевого сечения этой техники [Рис.4(с)]. Мы использовали трехмерную автокорреляцию этих карт активации для количественной оценки распространения сигнала в трехмерном изображении (см. раздел 2.3.4). Измерение автокорреляции карт активации представляет собой удобный метод сравнения средней поперечной и осевой ширины сигнала напряжения между подходами к реконструкции, поскольку сложные структуры, распределенные в 3D, автоматически «выравниваются». Автокорреляция сотового сигнала также может использоваться для количественной оценки вклада перекрестных помех сигнала от соседней ячейки в соседние пиксели. 68 С этой целью мы сначала количественно определили, как пиковая автокорреляция от каждой ячейки и, следовательно, вклад функционального сигнала затухали в осевом направлении. Осевое размытие можно увидеть на реконструкциях как после деконволюции, так и при перефокусировке [рис. 4(d)], хотя эффект гораздо более выражен в перефокусированных трассах. Размытие проявляется в аксиальной автокорреляции как в виде уширения центрального пика, так и в виде увеличения боковых лепестков [рис. 4(д)]. Ширина центрального пика и боковые лепестки уменьшаются с увеличением числа итераций деконволюции (рис.4(f) и 4(g)], тем самым увеличивая осевое сечение.

Рис. 4

Картирование дендритных сигналов. (а) Изображение «активации» с широким полем. Желтые пиксели содержат сигналы высокого напряжения, а синие пиксели содержат сигналы низкого напряжения или отсутствуют. (b) Активационное изображение после деконволюции, суммарная проекция от −35 до +35  мкм, пять итераций деконволюции. (c) Активационное изображение с перефокусировкой, суммарная проекция от −35 до +35  мкм. (d) xz проекции максимальной интенсивности через (d1) развернутые и (d2) перефокусированные активационные изображения, показывающие различное осевое сечение.(e) Средние проекции xz через автокорреляции. (f) Нормализованная максимальная автокорреляция для разных глубин от перефокусированных и деконволюционных объемов активации LFM. Вторичные пики возникают из-за удлиненной осевой PSF, и можно видеть, что они уменьшаются по мере увеличения номера итерации. (g) Средняя полуширина автокорреляции по оси для n = 12 ячеек с номером итерации. Пунктирные линии представляют значения квартилей. Красная линия представляет собой перефокусированную медианную ширину и заштрихованную область перефокусированного IQR. (h) Медиана латеральной ширины автокорреляции, нормализованная к латеральной ширине в широком поле для перефокусированных изображений (красная и заштрихованная область IQR) и различных итераций деконволюции (черные линии и пунктирные линии IQR).

Ширина автокорреляции значительно уменьшилась от 1 до 21 итерации [медиана упала с 42,5 (37,5, 47,5) до 22,5 (12,5, 23,75)   мкм, z=0 и p=0,002], и для обоих случаев осевой разброс был значительно ниже, чем при перефокусировке [медиана 47,5 (47,5,52,5)   мкм, p = 0,001 и p = 0,002 для 1 и 21 итерации соответственно]. Критерии значимости были выполнены с критерием Фридмана χ2 с апостериорными критериями знакового ранга Уилкоксона с поправкой на Бонферрони (значимость при p<0,017). Здесь n=12 клеток из 12 срезов от четырех мышей.Фридмана χ2=24 и p=6×10−6.

Наконец, мы сравнили, как деконволюция и рефокусировка повлияли на локализацию латерального сигнала по сравнению с эквивалентными временными рядами с широким полем зрения [Рис. 4(ч)]. Мы измерили ширину радиально усредненных автокорреляций, нормализованных к согласованным испытаниям широкого поля для случаев с перефокусировкой и деконволюцией. Мы обнаружили, что боковое распространение сигнала значительно уменьшилось с 1 до 21 итерации [медиана упала с 1,05 (1,03, 1,18) раза больше, чем в испытаниях с широким полем, до 0.89 (0,73, 0,99) раз больше, Z=0, p=0,002], из значительно большего, чем широкое поле и перефокусированные на 1 итерации (z=1, p=0,003 и z=0, p=0,002 соответственно), до значительно меньше, чем перефокусированные на 21 итерации (z = 0,0, p = 0,003). Ширина перефокусировки существенно не отличалась от соответствующих исследований с широким полем [медиана в 1,02 (0,99, 1,07) раза больше, z = 17 и p = 0,08]. Критерии значимости были выполнены с критерием Фридмана χ2 с апостериорными критериями знакового ранга Уилкоксона с поправкой на Бонферрони для необработанных ширин (значимы при p<0.0083). Здесь n=12 клеток из 12 срезов от четырех мышей. Фридмана χ2=26, p=9×10−6 (рис. 5).

Рис. 5

Сравнение отношения сигнал/шум в светлом поле и в широком поле. Точки соответствуют среднему SNR между парными испытаниями в светлом поле и в широком поле. LFM SNR существенно не отличается от широкого поля. Для испытаний 8/12 мы включили поправочный коэффициент из-за рассогласования в LFM, как обсуждалось в разд. 2.3.3.

В целом, наш анализ показывает, что деконволюция улучшает как аксиальную, так и латеральную локализацию сигнала, но снижает отношение сигнал-шум во времени по сравнению с синтетической рефокусировкой, при этом оба эффекта усиливаются с увеличением числа итераций.

3.5.

Временной сигнал SNR не зависит от визуализации светового поля

Мы измерили SNR для парных испытаний широкопольной и перефокусированной визуализации светового поля в одних и тех же клетках. Для испытаний 8/12 мы включили поправочный коэффициент из-за рассогласования в LFM, как обсуждалось в разд. 2.3.3. SNR существенно не менялся между случаями светлого поля и широкого поля (критерий знакового ранга Вилкоксона, n = 12 клеток из 12 срезов и четырех мышей, z = 32, p = 0,6), с медианой SNR светлого поля из 8.4 (5,2, 11,4) и медианный широкоугольный SNR 10,0 (7,6, 11,9) (рис. 5). Мы измерили отношение сигнал-шум по эквивалентным площадям пикселей в сериях изображений с широким и светлым полем, чтобы сравнить два метода. Это потенциально дает преимущество светлому полю перед широким полем, поскольку более сложные ROI могут использоваться с меньшими широкопольными пикселями, уменьшая пространственное усреднение сигнала и увеличивая размер сигнала. Мы ожидаем, что этот эффект будет небольшим для соматических областей интереса, которые мы использовали, поскольку пиксели, внешние по отношению к областям интереса, как правило, все еще содержали рассеянные или дендритные сигналы напряжения, и поэтому повышенная детализация широкопольных областей интереса не обеспечила бы большого преимущества SNR.Кроме того, этот недостаток значительно устранен в более поздних реализациях LFM, 57 , 59 , 61 , которые обычно имеют лучшее боковое разрешение, особенно в фокальной плоскости LFM.

4.

Обсуждение

Мы показали, что LFM позволяет получать трехмерные субклеточные изображения GEVI соматических и дендритных структур. Мы продемонстрировали, что LFM позволяет одновременно визуализировать аксиально разделенные дендриты, преодолевая ключевое ограничение широкоугольной визуализации.Далее мы показали, что сигналы функционального напряжения от дендритов могут быть аксиально разрешены на разной глубине. Это открытие является ключом к демонстрации полезности LFM для изучения интеграции дендритов или синаптического картирования.

Мы сравнили, как методы синтетической перефокусировки и реконструкции на основе деконволюции работают в отношении пространственной локализации сигнала и временного SNR. Синтетическая перефокусировка проста в вычислительном отношении и может использоваться для обработки световых полей в режиме онлайн, во время эксперимента или постфактум.Особенности перефокусировки имеют лучшее отношение сигнал-шум во времени, но худшее латеральное и осевое ограничение по сравнению с деконволюцией. Деконволюция имеет два основных недостатка: вычислительные затраты и усиление шума. Поскольку ЛЧМ ФРТ не инвариантна к сдвигу, она описывается пятимерной матрицей, что усложняет реконструкцию. Однако периодичность, которую он отображает при боковых смещениях на целое число, кратное шагу микролинзы, позволяет эффективно выполнять деконволюцию с использованием сверток на основе БПФ.Несмотря на это, даже небольшое увеличение латеральной выборки в деконволюционном объеме резко увеличивает вычислительные затраты на реконструкцию. Реконструкция nzz-плоскостей в объеме с латеральным увеличением выборки по сравнению с собственной выборкой LFM m требует 2×nz×m2 двумерных сверток на итерацию, что исключает онлайн-обработку изображений. Во-вторых, и RL, и ISRA имеют тенденцию усиливать шум в своих выходных данных из-за отсутствия регуляризации. 82 Этот шум может быть приемлемым при визуализации сигналов кальция с высоким отношением сигнал-шум, однако он может доминировать над слабыми сигналами слабого напряжения.Включение регуляризации в подходы деконволюции для подавления переобучения шума может также улучшить влияние деконволюции на временное ОСШ. Итерационный анализ, описанный в пп. 3.2 и 3.4 должны помочь будущим исследованиям с использованием ранней остановки схемы деконволюции в качестве неявной регуляризации, поскольку они обеспечивают количественную оценку выигрышей и потерь на разных уровнях регуляризации.

Для этого исследования мы использовали оригинальный дизайн LFM, который с тех пор был значительно улучшен несколькими группами. 57 61 Эти усовершенствования по-разному улучшают пространственное разрешение и снижают вычислительные затраты на деконволюцию; однако основная концепция формирования образа остается неизменной во всех новых модальностях. Результаты этого исследования, вероятно, применимы к визуализации напряжения с помощью этих новых методов светового поля, поскольку подходы к реконструкции аналогичны. В этом исследовании мы визуализировали VSFP-Butterfly 1.2, зонд старшего поколения. В последнее время технология GEVI значительно продвинулась вперед, значительно повысив их чувствительность, и с этими новыми датчиками усиление шума из-за деконволюции при реконструкции объема светового поля может стать менее значительным.Хотя VSFP-Butterfly 1.2 демонстрирует более низкую чувствительность, чем несколько недавно опубликованных зондов, 20 , 84 88 , мы смогли экспрессировать его редко и сильно, чтобы обеспечить визуализацию одиночных клеток GEVI без соматических ограничений, что исключало бы изучение субклеточных сигналов. 68 , 69 Медленная кинетика зонда, использованного в этом исследовании, также позволила разрешить потенциалы действия со скоростью 100  кадров/с без серьезного наложения спектров.Хотя мы могли разрешать сигналы одиночной развертки, для разрешения сигналов меньших дендритов с адекватным отношением сигнал-шум требовалось усреднение сигнала. С более поздним GEVI дендритные процессы, вероятно, можно было бы разрешить за один проход.

Новые датчики напряжения не могут быть сразу объединены с LFM, поскольку они требуют гораздо более высоких частот дискретизации, обычно от 500 до 1000 Гц. Поэтому необходимы мегапиксельные камеры с частотой полнокадрового считывания 1 кГц, чтобы в полной мере использовать эти новые индикаторы напряжения.Существующие научные КМОП-камеры (sCMOS), подобные той, что использовалась в этом исследовании, могут достигать таких скоростей изображения за счет уменьшения поля зрения до небольшой центральной полосы датчика изображения. Это, однако, особенно вредно для LFM по сравнению с широкоугольным изображением, поскольку LFM PSF распространяет информацию о каждой точке по всему датчику изображения для объектов, удаленных от фокальной плоскости. Если отображается только небольшая полоска датчика, отношение сигнал-шум будет сильно ухудшаться, так как свет теряется за пределами этого уменьшенного поля зрения. Ограничение камеры до 128-пиксельных рядов для достижения частоты кадров 1.6 кГц отбрасывает <50 % всей флуоресценции от объектов, расположенных дальше 35   мкм от фокальной плоскости. Этот потерянный свет также будет недоступен для реконструкции, что приведет к ухудшению разрешения. Это резко ограничивает применимость уменьшения FOV для увеличения частоты кадров, характерного для sCMOS-камер.

Мы ожидаем, что эта проблема будет постепенно решаться по мере разработки более быстрой сенсорной технологии sCMOS.

Вторая проблема возникает с более новыми и более быстрыми GEVI из-за их требований к более высокой частоте кадров.Деконволюция отдельных кадров с помощью этих датчиков потребует резкого увеличения вычислительных ресурсов и, вероятно, несостоятельна. Подходы к извлечению источника были разработаны для статических изображений светового поля 89 и временных рядов изображений кальция светового поля, 65 , 90 , которые не включают деконволюцию каждого кадра. Однако в их текущей форме они не подходят для реконструкции временных рядов визуализации субклеточного напряжения светового поля, поскольку они используют временные и / или пространственные характеристики визуализации нейронов кальция в качестве априорных реконструкций.Эти априорные факторы, такие как локализация соматического сигнала или разреженная временная активность, не столь применимы к сигналам визуализации субклеточного напряжения, которые меньше, менее разрежены во времени и возникают из более морфологически сложных структур, чем соматы нейронов. Тем не менее, разработка более сложных алгоритмов реконструкции важна, особенно потому, что предыдущие усилия позволили получить более глубокие изображения в рассеянной ткани, чем это было возможно в этом исследовании.

Наконец, в этом исследовании мы сравнили SNR между перефокусированными объемами LFM и согласованными кривыми широкого поля и обнаружили, что они существенно не различаются.Это ожидаемо, так как кроме световых потерь на MLA, которые по данным производителя составляют <15%, нет существенных потерь SNR на дробовой шум между WFM и LFM. Способность LFM разрешать сигналы напряжения из разных осевых плоскостей без повторной физической перефокусировки и получения временных рядов может значительно сократить время визуализации и обесцвечивание. Вместе эти результаты могут мотивировать дальнейшую работу и широкое применение LFM для визуализации напряжения из-за высокого фотонного бюджета светового поля и способности разрешать нейроны в трех пространственных измерениях.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Ю Лю за ее техническую помощь и поддержку исследований в лабораториях Фуста и Шульца. Авторы также хотели бы поблагодарить Исследовательскую вычислительную службу Имперского колледжа. Работа выполнена при поддержке следующих грантов: Исследовательский совет по инженерным и физическим наукам (грант №EP/L016737/1), премия Wellcome Trust Seed Award (грант № 201964/Z/16/Z), Королевская инженерная академия в рамках программы RAEng Research Fellowships (грант № RF1415/14/26), исследования в области биотехнологии и биологии Совета (гранты № BB/R009007/1 и BB/R022437/1), Королевского общества (грант № TA/R1/170047) и инициативы BRAIN (Национальный институт здравоохранения США, гранты № U01Mh209091 и U01NS099573). .

Наличие кода, данных и материалов

Наборы данных и код, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Ссылки

3. 

М. А. Попович и др., «Кортикальные дендритные головки позвоночника электрически не изолированы шейкой позвоночника от сигналов мембранного потенциала в родительских дендритах». Церебр. Кортекс, 24 385 –395 (2014). https://doi.org/10.1093/cercor/bhs320 53OPAV 1047-3211 Академия Google

28. 

C. G. Coates et al., «Оптимизация микроскопии при слабом освещении с помощью устройства с зарядовой связью, умножающего электроны с задней подсветкой: повышенная чувствительность, скорость и разрешение», Дж.Биомед. Опт., 9 (6), 1244 –1253 (2004). https://doi.org/10.1117/1.1805559 JBOPFO 1083-3668 Google Scholar

43. 

О. Терриен и др., «Широкопольная многофотонная визуализация клеточной динамики в толстой ткани с помощью временной фокусировки и структурированного освещения», Биомед. Опц. Экспресс, 2 (3), 696 –704 (2011). https://doi.org/10.1364/BOE.2.000696 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

51. 

Левой М. и др., «Микроскопия светового поля». в ACM SIGGRAPH 2006 Pap.— СИГГРАФ’06, 924 (2006). Google ученый

52. 

П. Куик, «Улучшенные методы функциональной визуализации нейронов с генетически закодированными индикаторами напряжения». Имперский колледж Лондон, (2019). Google ученый

61.

F. L. Liu et al., «Fourier diffuserScope: однократная 3D-микроскопия светового поля Фурье с диффузором», (2020). Google ученый

64. 

L. M. Grosenick et al., «выявление динамики клеточной активности в больших объемах ткани в мозге млекопитающих», (2017).Google ученый

70. 

P. Quicke et al., «Расчет функций рассеяния точки микроскопа светового поля с высокой числовой апертурой», в области визуализации и приложений. Опц. 2019 (COSI, IS, MATH, pcAOP), Google ученый

80. 

R. Ng et al., Фотосъемка светового поля ручной пленоптической камерой. (2005). Google ученый

81. 

Э. Тибо, «Введение в реконструкцию изображений и обратные задачи», Оптика в астрофизике.Научная серия НАТО II: математика, физика и химия, 198 Springer, Дордрехт (2006). Google ученый

82. 

Н. Дей и др., «Алгоритм Ричардсона-Люси с регуляризацией полной вариации для деконволюции 3D-конфокального микроскопа», микроск. Рез. Тех., 69 (4), 260 –266 (2006). https://doi.org/10.1002/jemt.20294 MRTEEO 1059-910X Академия Google

83. 

M. Bertero, P. Boccacci and V. Ruggiero, Inverse Imaging with Poisson Data, IOP Publishing, Bristol (2018).Google ученый

Биография

Питер Квик — научный сотрудник кафедры биоинженерии Имперского колледжа Лондона. Он получил степень магистра (с бакалавром наук) в области физики в 2014 году, степень магистра нейротехнологий в 2015 году и докторскую степень в 2019 году. Его текущие исследовательские интересы включают вычислительную микроскопию и визуализацию функционального напряжения.

Кармел Л. Хоу — научный сотрудник Имперского колледжа Лондона, Великобритания. Она получила степень MEng и докторскую степень в области электротехники и электроники в Ноттингемском университете в 2014 и 2018 годах соответственно.В настоящее время она разрабатывает новый высокоскоростной и высокопроизводительный метод трехмерной визуализации для отслеживания активности нейронов на уровне сети в мозге млекопитающих. Ее исследования сочетают в себе области нейрофизиологии, оптической инженерии и обработки сигналов и изображений.

Пингфан Сун — научный сотрудник Имперского колледжа Лондона. Он получил докторскую степень в Университетском колледже Лондона, степени магистра и бакалавра в Харбинском технологическом институте. Его исследовательские интересы включают обработку сигналов и изображений, машинное обучение и вычислительную визуализацию с приложениями для различных модальностей изображений.

Герман В. Джадан получил степень бакалавра в области электроники и техники связи в Высшей политехнической школе Литораля (ESPOL), Гуаякиль, Эквадор; степень магистра Имперского колледжа Лондона, Великобритания. В настоящее время он работает над докторской степенью на факультете электротехники и электронной инженерии Имперского колледжа Лондона. Его исследовательские интересы включают обработку сигналов/изображений на основе разреженности и машинное обучение с приложениями для решения обратных задач.

Марк Нил — профессор фотоники физического факультета Имперского колледжа. Он получил степень бакалавра естественных наук в Кембриджском университете в 1985 году и докторскую степень в области оптической инженерии, также полученную в Кембридже, в 1990 году. Его текущие исследовательские интересы включают оптические изображения и микроскопию, особенно флуоресценцию, а также методы сверхвысокого разрешения, применяемые к проблемам биологии. и медицина.

Пьер Л. Драготти получил лауреатскую степень (с отличием) в области электронной инженерии в Университете Федерико II, Неаполь, Италия, в 1997 году; степень магистра систем связи в Швейцарском федеральном технологическом институте Лозанны (EPFL), Швейцария, в 1998 году; и его докторскую степень в EPFL, Швейцария, в апреле 2002 года.Он занимал несколько выездных должностей. В частности, он был приглашенным студентом в Стэнфордском университете, Стэнфорд, Калифорния, США, в 1996 году; летний научный сотрудник отдела математики коммуникаций Bell Labs, Lucent Technologies, Мюррей Хилл, Нью-Джерси, США, 2000 г.; и приглашенный ученый в Массачусетском технологическом институте в 2011 году. В настоящее время он является профессором обработки сигналов на факультете электротехники и электронной инженерии Имперского колледжа Лондона. До прихода в Имперский колледж в ноябре 2002 года он был старшим научным сотрудником в EPFL, работая над распределенной обработкой сигналов для сенсорных сетей в Швейцарском национальном центре компетенций в области исследований мобильных информационных и коммуникационных систем.Его исследовательские интересы включают теорию выборки, теорию вейвлетов и ее приложения, обработку сигналов на основе разреженности с применением в сверхвысоком разрешении изображений, нейробиологию и вычислительную визуализацию. Он был техническим сопредседателем Европейской конференции по обработке сигналов в 2012 году, помощником редактора IEEE Transactions on Image Processing с 2006 по 2009 год, членом технического комитета IEEE по обработке изображений, видео и многомерных сигналов и член Технического комитета по теории и методам обработки сигналов IEEE.Он также был лауреатом премии ERC Investigator Award. В настоящее время он является главным редактором журнала IEEE Transactions on Signal Processing , а также членом технического комитета IEEE по вычислительной визуализации и научным сотрудником IEEE.

Саймон Р. Шульц — профессор нейротехнологий и директор Центра нейротехнологий Имперского колледжа Лондона. Он получил степень бакалавра по физике и прикладной математике в Университете Монаша в 1994 г., степень бакалавра наук в области электротехники и вычислительной техники также в Университете Монаш в 1994 г., степень ME (Res) в области электротехники в Сиднейском университете в 1997 г. и степень доктора философии в неврологии из Оксфордского университета в 1998 году.Его текущие исследовательские интересы включают разработку оптических технологий для понимания функций мозга.

Аманда Дж. Фуст — научный сотрудник Королевской инженерной академии и преподаватель кафедры биоинженерии Имперского колледжа Лондона. Она получила степень бакалавра наук в области неврологии с упором на вычисления и электротехнику в Университете штата Вашингтон, а также степень магистра и доктора наук в области неврологии в Йельском университете. Цель ее исследовательской программы — навести мосты между передовыми оптическими технологиями и нейробиологами, чтобы получить новые новаторские данные о том, как мозговые цепи передают, обрабатывают и хранят информацию.

Биографии других авторов отсутствуют.

Характеристика повреждения от теплового удара физических и динамических свойств гранита при сжатии

Термический удар является обычным явлением при пожарах и взрывных работах в горных породах; кроме того, массив горных пород часто подвергается динамическим механическим нарушениям. Для изучения характеристик повреждения при тепловом ударе на физические и динамические свойства сжатия, повреждение термического удара гранита, обработанного при разных температурах при разных скоростях нагрева, было получено путем измерения скорости ультразвуковой волны, а внутренние структуры были получены с помощью сканирующей электронной микроскопии. эксперименты.С помощью разъемного прижимного стержня Гопкинсона были проведены динамические эксперименты на граните, обработанном до 400°С и 600°С при скоростях нагрева 1, 2, 4, 6, 10, 20, 30 и 40°С/мин. Таким образом, были получены характеристики повреждения термическим ударом физических и динамических свойств гранита при сжатии. Результаты показывают, что существует пороговое значение скорости нагрева от 6 до 10°C/мин, которое разделяет повреждение от теплового удара. До порогового значения тепловой удар не возникает. Динамическая прочность на сжатие, динамический модуль упругости и плотность уменьшаются; однако пиковая деформация увеличивается по мере увеличения повреждения от теплового удара.Исследования теплового воздействия на гранит при нагреве со скоростью нагрева ниже или равной 6°С/мин позволили избежать теплового удара. Исследование может обеспечить теоретическую основу для разработки горных пород, подвергшихся термическому удару, например, геотермального резервуара.

1. Введение

В последнее время тепловое воздействие на свойства горных пород, в том числе физико-механические свойства, стало одной из актуальных тем в горной инженерии для исследователей [1–7]. Изучение теплового воздействия на физико-механические свойства имеет решающее значение для многих применений горных пород, таких как глубокая добыча полезных ископаемых, бурение горных пород, дробление руды [8], разработка и использование геотермальной энергии [9], геологическое захоронение ядерных отходов [10–12]. защиты зданий (надземных и подземных) от пожара или восстановления и реконструкции зданий после пожаров [13, 14].Фактически, большая часть горных пород, связанных с температурой, может подвергаться термическому удару, вызванному взрывными работами, пожаром, различными температурными градиентами и ядерным излучением. Кроме того, большая часть горных пород, связанная с температурой, также может подвергаться динамическим нарушениям из-за бурения, взрывных работ и землетрясений. Таким образом, необходимо срочно и очень важно исследовать влияние теплового удара на физические свойства и динамические свойства гранита, что могло бы предложить сильную теоретическую поддержку и руководство для проектирования, оценки устойчивости и восстановления горных пород.

Исследования теплового воздействия на физические свойства горных пород сосредоточены в основном на плотности и пористости [15, 16]. Выводы примерно совпали: плотность уменьшается с повышением температуры; обратное явление приходит к пористости. А исследования теплового воздействия на динамические свойства горных пород сосредоточены в первую очередь на динамической прочности и модуле упругости [17–23]. Ученые пришли к выводу, что при повышении температуры динамическая прочность и модуль упругости уменьшаются в разной степени, что связано с материалами горных пород.Все они просто нагревали образцы горных пород с низкой скоростью нагрева, чтобы избежать теплового удара. Тем не менее, термический удар является обычным явлением при разработке глубоких горных пород, таких как глубокая добыча полезных ископаемых и добыча геотермальной энергии. При увеличении глубины разработки температура увеличивается с различными геотермическими градиентами от 30 до 50°С/км из-за различной гидрогеологии и существующих условий, что может вызвать тепловой удар и, в конечном итоге, изменить величину напряжения в массиве горных пород. Стоит отметить, что геотермальный градиент может быть очень высоким, достигая даже около 100°C/км в некоторых конкретных местах.Кроме того, тепловой удар возникает также при взрывных работах, пожаре и ядерном излучении. Учитывая факт теплового удара во многих горных породах, некоторые исследователи рассматривают влияние скорости нагрева на физико-механические свойства горных пород. Например, проводя эксперименты на гранитах, которые нагревали с разной скоростью нагрева (5°С/мин, 20°С/мин и 50°С/мин) до разных температур (20-400°С), Тирумалай и др. др. В работе [24] отмечается, что тепловой эффект соответственно усиливается с увеличением скорости нагрева при одной и той же температуре, а именно, тепловое расширение увеличивается постепенно с увеличением скорости нагрева.Рихтер и др. [25] показали то же явление, проведя эксперимент с габбро, нагретым до 300°С со скоростями нагрева 1 и 5°С/мин соответственно. То есть чем выше скорость нагрева, тем больше коэффициент расширения. По проведенным экспериментам Yong et al. [26] показывают, что скорость нагрева является одним из важных факторов, влияющих на свойства породы. Кроме того, Ли и соавт. [27] провели испытания динамических механических свойств при растяжении угольного песчаника при высокой температуре 800°С и при этом быстром охлаждении при различных скоростях нагрева и установили, что динамические свойства при растяжении песчаника постепенно снижаются с увеличением скорости нагрева.Они подчеркивают, что скорость нагрева является ключевым фактором, влияющим на исследование механических свойств материалов, который может существенно влиять как на кристаллическую текстуру или рекомбинацию, так и на макроскопические механические свойства горных пород. Влияние термического удара на физико-механические свойства горных пород можно было бы уточнить в эксперименте на горных породах, нагретых до различных скоростей нагрева.

Хотя некоторые ученые исследовали влияние скорости нагрева на физические и механические свойства горных пород, они сосредоточились только на физических свойствах, статических свойствах и механических свойствах при динамическом растяжении.Влияние термического удара на динамические сжимающие свойства горных пород не учитывается; более того, ни один из них не изучался с точки зрения повреждений. Следовательно, для того, чтобы выдвинуть прочную теоретическую основу и руководство по проектированию, оценке устойчивости и восстановлению горных пород, а также получить представление о характерных для теплового удара повреждениях физических и динамических свойств сжатия гранита; В данной работе проведены динамические эксперименты на образцах гранита, нагретых до различных температур (400°С и 600°С) с различной скоростью нагрева (1°С/мин, 2°С/мин, 4°С/мин, 6°С/мин). мин, 10°С/мин, 20°С/мин, 30°С/мин и 40°С/мин).Было проанализировано и обсуждено влияние теплового удара на физические и динамические свойства гранита при сжатии, которое связано с плотностью, динамической прочностью на сжатие, пиковой деформацией и динамическим модулем упругости.

2. Лабораторный эксперимент
2.1. Подготовка образцов

Чтобы избежать каких-либо отклонений из-за естественной анизотропии образцов, тестируемые образцы гранита были извлечены из тех же блоков горных пород, которые были получены в Чанша, Китай. На поверхности образца не наблюдается отчетливой слоистости, слоистости или дефектов, а образец гранита состоит из 46.78 % кварца, 37,84 % полевого шпата, 9,64 % слюды, 5,70 % монтмориллонита и 0,04 % других компонентов, как показано на рис. здесь были переработаны в цилиндр с размерами Φ и цилиндр с размерами Φ , которые используются для статических и динамических испытаний соответственно. В частности, для обеспечения их параллельности, плоскостности и отделки оба торца образцов полировали, контролируя параллельность в пределах ±0.05 мм и плоскостность поверхности в пределах ±0,02 мм. Кроме того, была измерена скорость волны полированного образца с использованием детектора качества горных пород и грунтов, а затем были отобраны образцы с аналогичными скоростями волны, чтобы гарантировать надежность эксперимента. Основные физические и статические механические свойства образца приведены в виде таблицы 1.


9098 ρ , Σ S , Σ S , и означает плотность, статическая прочность на сжатие, статический упругий модуль , и -скорость волны соответственно.).
9092

Rock Tire ρ (кг / м 3 ) Σ S (МПа) (ГПа) (м/с)

Гранит 2546.72 102.83 902.83 25.06 418328 41832 8

2.2. Испытательный прибор

Основным испытательным прибором, используемым здесь, является нагревательная печь с регулируемой скоростью, сканирующая электронная микроскопия, электрогидравлическая и сервоуправляемая машина для испытания материалов, а также разрезная прижимная планка Гопкинсона.Нагревательная печь с регулируемой скоростью, состоящая из нагревательного шкафа и интеллектуального контроллера, рассчитана на номинальную мощность 4 кВт, максимальную температуру 1200°C и максимальную скорость нагрева 40°C/мин. Сканирующий электронный микроскоп типа ЭВО-МА10 используется для получения внутренней структуры образца горной породы. Электрогидравлическая и сервоуправляемая испытательная машина (Instron 1346) в основном состоит из основного корпуса (устройство давления, сжимающая балка, распорки и опора) и устройства управления и обработки данных.Разрезной напорный стержень Гопкинсона состоит из шпиндельного пуансона, эмиссионной полости, газовой пушки, набегающего стержня ( φ ), передающего стержня ( φ ), поглощающего стержня ( φ ), устройства регистрации сигналов включая индикатор высокой динамической деформации и осциллограф. Предел прочности, скорость волны, модуль упругости, коэффициент Пуассона и плотность стержня составляют 800 МПа, 5400 м/с, 240 ГПа, 0,28 и 7810   кг/м 3 соответственно, как показано на рисунке 2. Полное напряжение – кривую деформации удалось получить за счет большей жесткости стержня из высокопрочного сплава по сравнению с образцом горной породы.Тензометрические датчики сопротивления прикрепляются к падающему стержню и проходящему стержню, соответственно, для записи сигналов напряжения. Расстояние между тензодатчиком и торцом испытательного стержня составляет 1004 мм как для падающего, так и для передающего стержня. Кроме того, шпиндельный пуансон обеспечивает стабильную скорость деформации, равную половине синусоидальной волны напряжения [29]. Падающая, отраженная и прошедшая волны измеряются по сигналам, регистрируемым тензорезисторами, закрепленными на падающем и проходящем стержнях.Соответственно, напряжение σ (), деформация ε () и скорость деформации могут быть рассчитаны по площади поперечного сечения образца, площади поперечного сечения прижимного стержня, скорости волны прижимного стержня , модуль упругости стержня, длина S образца породы, падающая деформация ε I , отраженная деформация ε R и переданная деформация 6 ε T , по формуле (1).


2.3. Экспериментальный метод

Для рентгеновской дифракции и статических экспериментов количество образцов должно быть не менее трех. Для динамического эксперимента, учитывая переход α β кварца при температуре около 573°С [30], образцы гранита делят на три большие группы: одна группа для нагретых (0°С/мин), вторая группа нагревают до 400°С, скорости нагрева которых составляют 1, 2, 4, 6, 10, 20, 30 и 40°С/мин, и последнюю группу нагревают до 600°С, скорости нагрева которых составляют 1 , 2, 4, 6, 10, 20, 30 и 40°С/мин.В соответствии с разделенными группами образцы нумеруются соответствующим образом. Перед термической обработкой необходимо не менее трех раз измерить основные свойства образцов гранита, в том числе статическую прочность на сжатие, плотность, скорость ультразвуковой волны и статический модуль упругости. Затем образцы могут быть обработаны с использованием различных методов нагрева, методы показаны на рисунке 3.


После достижения заданной температуры температура поддерживается постоянной в течение 2 часов с целью равномерного нагрева образцов. , и образцы охлаждаются в нагревательном теле медленно, чтобы избежать теплового удара.После охлаждения следует измерить плотность и скорость ультразвуковой волны. Наконец, внутренняя структура различных образцов гранита, обработанных термическим ударом, может быть получена с помощью сканирующей электронной микроскопии. А эксперименты по динамическому сжатию можно было бы проводить с помощью расщепленного стержня давления Хопкинсона.

Для эксперимента по сканирующей электронной микроскопии сначала образец обрабатывают в куб с размерами 10  мм в длину. Наконец, обработанный образец можно было использовать для эксперимента по сканирующей электронной микроскопии при указанном множителе.

3. Характеристики повреждения при термическом ударе

Макроразрушение, потеря устойчивости и разрушение материалов тесно связаны с распространением внутренних трещин и образованием, распространением и соединением микротрещин. На рис. 4(а) и 4(б) представлены РЭМ-изображения внутренней структуры образцов гранита, прогретых при различных температурах (400°С и 600°С) и скоростях нагрева (1, 4, 6, 10, 20, 30 и 40°С/мин), скорость нагрева 0°С/мин соответствует ненагретому образцу гранита, а все усиления равны 500.Учитывая практически одинаковые внутренние структуры образцов гранита, нагретых со скоростью нагрева 1, 4 и 6°С/мин, изображения внутренних структур образцов гранита, нагретых со скоростью нагрева 2°С/мин, не 4. Как показано на рис. 4, при повышении температуры и скорости нагрева во внутренней структуре образца гранита соответственно появляются различные трещины, в том числе микротрещины, крупные трещины, вторичные трещины и взаимосвязанные трещины, что заключается в различии количество и размер.При 25°C (0°C/мин) видимой трещины на изображении не наблюдается. От 25°C до 600°C количество и размер трещин постепенно увеличиваются из-за увеличения термического напряжения, которое вызывает повышение температуры. При одной и той же температуре, будь то 400°С или 600°С, при увеличении скорости нагрева от 1 до 6°С/мин внутренняя структура практически не меняется, но количество и размеры трещин увеличиваются при увеличении скорости нагрева от 6 до 6°С/мин. 40°С/мин. Помимо изменения внутренней структуры, при увеличении температуры и скорости нагрева в некоторой степени изменяется и внешний вид поверхности.При повышении температуры и скорости нагрева на поверхности образца появляются два очевидных изменения: изменение цвета и поверхностная трещина, как показано на рисунках 5 (а) и 5 ​​(б). От 25 до 600°С цвет образца постепенно меняется от серого до глинистого, особенно при температуре 600°С, что согласуется с нашими предыдущими исследованиями [5]. Причинами изменения окраски, возможно, являются обезвоживание и окисление пород [31]. Помимо изменения цвета, есть еще одно видимое изменение, а именно появление поверхностной трещины с увеличением скорости нагрева.При 400°С поверхностная трещина появляется при скорости нагрева равной или выше 30°С/мин, а при 600°С – при скорости нагрева равной или выше 20°С/мин. При одинаковой скорости нагрева поверхностные трещины появляются раньше, чем выше температура обработки. Причина в том, что при высокой температуре во внутренней части образца горной породы появляется больше дефектов.


Повреждение, которое могло бы в некоторой степени оценить случай количества и размера внутренних трещин материала, является макроскопическим параметром, который представляет степень износа материала.Чем больше количество и размер внутренних трещин материала, тем больше ущерб. Горные породы, особенно гранит, содержащий первичные дефекты, такие как трещины, поры и микротрещины, при внешних нагрузках, в том числе термических напряжениях, вызванных температурой и термоударом, могут образовывать скопления повреждений. Накопление повреждений в результате зарождения трещин и распространения начальных дефектов может повлиять на физические и динамические свойства гранита при сжатии. Из-за различной скорости распространения ультразвуковой волны в различных средах, простоты и эффективности метод контроля скорости ультразвуковой волны широко применяется в неразрушающем контроле.Для количественного исследования характеристик повреждения при термическом ударе и корреляции между характеристиками повреждения, физическими и динамическими свойствами сжатия гранита здесь используется переменная повреждения, которая рассчитывается по скорости ультразвуковой волны, как показано в формуле (2) [22].

Независимо от первоначальных повреждений, вызванных первоначальными дефектами, повреждения необработанного образца гранита в данной работе считаются нулевыми.

где – повреждение, – скорость ультразвуковой волны в образце при 0°C/мин, а именно, скорость ультразвуковой волны в необработанном образце гранита, – скорость ультразвуковой волны в образце гранита, обработанном термическим ударом.

Скорость ультразвуковой волны измеряется до и после обработки термическим ударом с использованием прибора для измерения скорости волны для инженерно-геологических работ, как показано на рисунке 6. После удаления высоких дискретных данных повреждения образцов гранита, обработанных термическим ударом, приведены в таблице 2. , данные которого свидетельствуют о том, что даже при одной и той же температуре повреждения различны при изменении скорости нагрева, а при низкой скорости нагрева тепловой удар отсутствует.


No No No NO


D400-20898 0,00 D400-6-2 0,43 D400 -40-3 0,80898 0.80 D600-10-1 0,83
D-0-2 0-00 D400-6-3 0.51 D600-1-1 0,75 D600-10-2 0,83
D-0-4 0.00 D400-10-1 D400-10-1 0,60898 D600-1-2 0,73 D600-10-3

0,82
D400-1-1 0.48 D400-10-2 0.58 D600-1-3 0,73 0,73 D600-20-1 0,90
D400-1-2 0,46 D400-10-3 0.62 D600-2 -1 0,74 D600-20-2 0,89
D400-1-3 0.50 D400-20-2 D400-20-2 0,76
D600-2-2 0,73 D600-20-3

0,90
D400-2-1 0,47 D400-20-4 0,75 D600-2-3 D600-2-3

0,76 D600-30-1 0,94
D400-2-2 0.43 D400-20-5 0.78 D600-4 -1 0,75 D600-30-2 0,93
D400-2-3 0.50 D400-30-1 D400-30-1 0.80 D600-4-2 0,73 0,73 D600-30-4 0,94
D400-4-2 0.49 D400-30-2 0,77 D600-4-3 0,74 D600-40898 D600-40-1 0,96
D400-4-3 0,45 D400-30-3 0.82 D600-6 -1 0,74 D600-40-2 0,96
D400-4-4 0.50 D400-40-1 D400-40-1 0,84 D600-6-2 0,73 0,73 D600-40-5 0,96
D400-6-1 0,47 D400-40-2 0.82 D600-6-3 0,75


8

На рисунке 7 показана корреляция между скоростью нагрева и повреждением образцов гранита при 400 ° C и 600 ° C. Бросается в глаза очевидное явление, при котором зависимость между поврежденностью и скоростью нагрева делится на две части (часть I и часть II) как при 400 °С, так и при 600 °С.В части I (инвариантная к повреждению область) повреждения практически не изменяются при увеличении скорости нагрева, что свидетельствует об отсутствии теплового удара при скорости нагрева меньше или равной 6°С/мин. Это явление подтверждается исследованиями термического воздействия на свойства горных пород, в которых проводили термообработку образцов горных пород со скоростью нагрева менее 5°С/мин во избежание теплового удара [5, 9, 22, 23, 32, 33]. Например, Инь и др. В работе [5] образец гранита нагревали до заданной температуры со скоростью нагрева 2°С/мин.При 400°С, когда скорость нагрева меньше или равна 6°С/мин и больше 0°С/мин, повреждение составляет от 0,47 до 0,48, что является результатом высокой температуры. При температуре обработки 600°С повреждение составляет около 0,74 при скорости нагрева от 0 до 6°С. Вода, в том числе свободная и связанная, испаряется, а количество и размеры внутренних трещин увеличиваются с повышением температуры; следовательно, урон соответственно увеличивается. В части II (область нарастания повреждения) повреждение постепенно увеличивается с увеличением скорости нагрева как при 400 °С, так и при 600 °С, т. е. в этой части возникает тепловой удар.Увеличение термического напряжения в результате термического удара приводит к увеличению количества и размера трещин при той же температуре и, в конечном итоге, к увеличению повреждения. При изменении скорости нагрева от 10 до 40°С/мин повреждаемость увеличивается с примерно 0,6 и 0,82 до примерно 0,82 и 0,96 при 400°С и 600°С соответственно. Существует пороговое значение между 6°C/мин и 10°C/мин, которое делит влияние скорости нагрева на характеристику повреждения на две части. До порогового значения тепловой удар отсутствует; после этого значения термоудар появляется постепенно.В частности, когда скорость нагрева высока, например, 40°C/мин, термический удар и повреждение велики.


4. Результаты и обсуждение
4.1. Влияние повреждения на плотность

При измерении плотность различных термообработанных образцов гранита приведена в таблице 3. При скорости нагрева 0°C, а именно, образец не нагревается, повреждения равны нулю, а плотность гранита образец составляет около 2546,72 кг/м 3 . Как показано на рис. 8, до порогового значения, а именно в части I (инвариантная к повреждениям область), повреждения практически не изменяются; следовательно, плотность, которая составляет около 2526.13 кг/м 3 при 400°С и 2494,13 кг/м 3 при 600°С практически не меняется с увеличением скорости нагрева. Хотя плотность не слишком чувствительна к температуре, плотность уменьшается в разной степени соответственно при повышении температуры, и случай аналогичен некоторым исследованиям [6, 22, 34]. Причиной снижения плотности является увеличение повреждения при более высокой температуре из-за испарения воды и увеличения количества и размера внутренних трещин, вызванных повышением температуры.После порогового значения в части II (область увеличения повреждения) термическое напряжение увеличивается из-за термического удара, что приводит к увеличению количества и размера трещин и, наконец, приводит к увеличению повреждения. Следовательно, плотность соответственно уменьшается.

9093 9 2 2463,05 2457,55

N
N
ρ (кг / м 3 ) N ρ (кг / м 3 ) N ρ (кг/м 3 ) ρ (кг / м 3 )

D-0-1 2546.40

D400-6-2 2517.85 D400-40-3 2500,96 D600-10-1 D600-10-1

248349 24832
D-0-2 2545.28 D400-6-3 2519.30 D600-1-1, 2479.74 D600-10-2 2470.34
Д-0-4 2548.47 D400-10-1 D400-10-1 2510.70 D600-1-2 2488.36 D600-10-3 247459
D400-1-1 2522.72 D400-10-2 2513.80 2513.80 D600-1-3 2475.22 D600-20-1 2466.42
D400-1-2 251941 D400-10-3 2511.30 D600-2 -1 2486.24 Д600-20-2 2467.53
D400-1-3 2521.53 2521.53 D400-20-2

2509.03 D600-2-2 2480.13 D600-20-3 2462.25
D400-2 -1 2526.12 2526.12 D400-20-4 2510.36 D600-2-3 2476.45 D600-30-1 2461.20
D400-2-2 2519.03 D400 -20-5 2508.59 D600-4-1 2480.41 D600-30-2 -2 2462.93 2462.93
D400-2-3 2520.44 D400-30-1 2508.72 D600-4-2 2482.95 D600-30-4
D400-4-2 2518,74 D400-30-2 2509,68 D600-4-3 2476,85 D600-40-1 2459,72
D400 -4-3 2527.85 Д400-30-3 2505.54 D600-6-1 900-6-1 2486.74 D600-40-2

2462.51
D400-4-4 2520.93 D400-40-1 2502.07 D600-6-2 2478,53 D600-40-5
D400-6-1 2526,57 D400-40-2 2504,65 D600-6-3 2480,25

4.2. Влияние повреждения на динамические свойства сжатия

Для любых допустимых динамических экспериментов с использованием расщепленного стержня давления Хопкинсона эксперименты должны проводиться в условиях одномерного напряжения и удовлетворяться динамическим равновесием [22]. Для экспериментов по динамическому сжатию, описанных в статье, передаваемое напряжение примерно равно сумме падающего и отраженного напряжений, как показано на рисунке 9, что указывает на то, что динамические напряжения на каждой стороне образца сбалансированы.Свойства сжатия различных образцов гранита, подвергнутых термическому удару, включая динамическую прочность на сжатие, σ d , пиковую деформацию, ε d и динамический модуль упругости, приведены в таблице 4. Динамическая прочность на сжатие образец гранита составляет около 169,66 МПа при 25 ° C (0 ° C / мин).



5 ε d (10 -2 ) ε D (10 -2

4)

170,21 112,30 101,75 145,21 100,75 142,55 107,25 104,33 142,55 142,85 19,27 142,35 101,58 102,95 145,75 104,28 140,56 142,44 135,75 137,85 136,46 125,35 121,45 122,81 D400-30-1 118,34 120,25 116,95 115,23

N (S -1 ) Σ d (MPA) (ГПа) (S -1 ) Σ D (MPA) (MPA) (GPA)

D -0-1 55.12 0,50 41,64 D400-40-3 62.41 0,85 15,25
Д-0-2 52,34 167,33 0,55 39.89 D600-1-1 62,34 0,78 17,02
Д-0-4 51,89 171,45 0,49 43,24 D600-1-2 65.56 106,25 0,70 19,01
D400-1-1 60.31 0,65 28,01 D600-1-3 58.21 0,72 19 .95
D400-1-2 55.45 0,60 29,36 D600-2-1 56.55 0,77 19,62
D400-1-3 57,01 144,35 0,58 27,92 D600-2-2 58.31 0,75 18,42
D400-2-1 61.01 146.31 0.62 28,62 D600-2-3 60,45 102,55 0,70 18,42
D400-2-2 55.21 0,66 27,01 D600-4- 1 55,23 104,23 0,74 17,45
D400-2-3 54.45 0,59 29,25 D600-4-2 57.34 105.71 0 .77
D400-4-2 50.24 0,60 29,20 D600-4-3 52.15 0,75 18,50
D400- 4-3 56,37 147,21 0,59 27,71 D600-6-1 61,25 108,45 0,73 19,07
D400-4-4 54,23 144.22 0,57 28,56 D600-6-2 60.34 0,74 17,14
D400-6-1 61.32 0,56 27,17 D600 -6-3 64.21 0,82 19,19
D400-6-2 60,24 0,58 28,08 D600-10-1 62.45 97 .42 0,86 12,04
D400-6-3 57.45 0,62 27,79 D600-10-2 55.48 92,25 0,85 13,32
D400-10-1 63.24 0,71 24,17 D600-10-3 57.34 94,46 0,87 15,41
D400-10-2 60.15 0,67 24,04 D600-20-1 63.75 84,75 1,01 10,13
D400-10-3 58.45 0,68 24,86 D600-20-2 65.26 86,24 1,05 9,28
D400-20-2 58,43 0,75 21,07 D600-20-3 60 .45 82,91 1,03 12,93
D400-20-4 52.24 0,74 19,88 D600-30-1 54,23 74,25 1,14 11,91
D400-20-5 54.45 0,73 21,34 D600-30-2 59.45 75,64 1,08 7,09
63.24 0,81 18,17 D600-30-4 65,56 78,26 1,19 10,92
D400-30-2 65.55 0,82 18,15 D600-40-1 67.45 72,52 1,18 7,84
D400-30-3 60,21 0,79 18,06 D600-40-2 68 .26 73,24 1,20 8,69
D400-40-1 58.25 0,87 15,92 D600-40-5 62,55 69,78 1,22 9,72
D400-40-2 65.01 117,45 0,84 15,76

(примечание: обозначает скорости деформации.).
4.2.1. Влияние повреждения на динамическую прочность на сжатие

Динамическая прочность на сжатие, механический параметр прочности, который может отражать способность выдерживать динамические нагрузки, является одним из важных факторов для оценки устойчивости конструкции. Принимая во внимание важность динамической прочности на сжатие, некоторые исследователи сосредоточили внимание на изучении динамической прочности на сжатие путем проведения лабораторных экспериментов [21, 22, 35]. На рисунках 10 (а) и 10 (б) показано влияние повреждения на динамическую прочность на сжатие различных термически обработанных образцов гранита при 400°С и 600°С соответственно.При повышении температуры от 25°С до 600°С из-за увеличения повреждения динамическая прочность на сжатие постепенно снижается. Как и во многих исследованиях, прочность на сжатие независимо от статической или динамической прочности на сжатие снижается в некоторой степени при повышении температуры [1, 4, 5, 22, 34, 36, 37]. При 400°С, до порогового значения (в части I, область инвариантности к повреждению), из-за неизменной поврежденности при увеличении скорости нагрева динамическая прочность на сжатие практически постоянна, около 143.86 МПа. По мере того, как скорость нагрева продолжает увеличиваться, достигая части II (область увеличения повреждения), повреждение постепенно увеличивается; таким образом, динамическая прочность на сжатие соответственно уменьшается. 6°С/мин-40°С/мин, при увеличении поврежденности с 0,47 до 0,82 динамическая прочность на сжатие снижается с 142,92 МПа до 114,99 МПа, снижение на 27,93 МПа. Аналогично, при 600°С из-за двух разных частей повреждения динамическая прочность на сжатие, неизменная до порогового значения, составляет около 104.17 МПа, а после порогового значения динамическая прочность на сжатие снижается со 104,17 МПа до 71,85 МПа при увеличении повреждения с 0,74 до 0,96, снижение на 32,32 МПа. Это показывает, что повреждение от теплового удара действительно влияет на динамическую прочность на сжатие.

4.2.2. Влияние повреждения на динамическую пиковую деформацию

Динамическая пиковая деформация, параметр, который может отражать степень деформации перед пиком во время динамического воздействия материала, также является одним из важных факторов, влияющих на устойчивость конструкции.Как видно на рисунках 11(а) и 11(б), при повышении температуры повышается пластичность [1, 5], следовательно, соответственно увеличивается пиковая деформация. Аналогично влиянию повреждения на динамическую прочность на сжатие, при увеличении скорости нагрева влияние повреждения на динамическую пиковую деформацию делится на две части, а именно, часть I и часть II, но некоторые различия все же проявляются. В части I из-за почти неизменного повреждения максимальная деформация остается постоянной, почти при 400°С и почти при 600°С.В части II, как при 400°С, так и при 600°С, при увеличении скорости нагрева из-за увеличения термического напряжения, вызванного термоударом, увеличивается количество и размеры трещин; в это время повреждение соответственно увеличивается и, наконец, приводит к увеличению динамической пиковой деформации. После порогового значения тепловой удар увеличивается по мере увеличения скорости нагрева. При увеличении скорости нагрева с 6°С/мин до 40°С/мин повреждаемость увеличивается с 0,74 до 0,96; в этот момент динамическая пиковая деформация увеличивается от до 0 при 400°С и от до при 600°С.

4.2.3. Влияние повреждения на динамический модуль упругости

Динамический модуль упругости может отражать способность материалов к упругой деформации при ударных нагрузках; между тем, это один из факторов, которые также важны для структурной стабильности. Как правило, модуль упругости, как статический, так и динамический, уменьшается при повышении температуры [1, 4, 5, 22, 36, 37]. Подобно динамической прочности на сжатие и пиковой деформации, при увеличении скорости нагрева влияние термического повреждения на динамический модуль упругости можно разделить на две части (часть I и часть II), как показано на рисунках 12(a) и 12(b). ).До порогового значения в части I, будь то при 400°C или при 600°C, динамический модуль упругости практически не изменяется из-за неизменной величины повреждения и составляет около 28,22 ГПа и 18,59 ГПа соответственно. Однако как при 400 °С, так и при 600 °С после порогового значения динамический модуль упругости постепенно снижается с увеличением скорости нагрева из-за увеличения повреждений, вызванных нарастающим тепловым ударом. При 400°С и 600°С при увеличении скорости нагрева динамический модуль упругости уменьшается примерно с 24.36 ГПа и 13,59 до 15,64 ГПа и 8,75 ГПа, что почти на 44,21% и 44,05% меньше, соответственно. Динамический модуль упругости уменьшается по мере увеличения повреждения от термического удара, что аналогично тепловому воздействию на динамический модуль упругости, как отмечают исследователи [20, 22].

Проведя эксперименты на нескольких магматических породах, обработанных от 25 до 550°C, Richter et al. [25] подтверждают, что скорость нагрева действительно влияет на тепловое расширение. Они обнаружили, что если скорость нагрева меньше или равна 2°C/мин, а максимальная температура меньше или равна 250°C, коэффициент теплового расширения почти постоянен.Однако при скорости нагрева более 2°С/мин и температуре более 35°С в образце породы образуются новые трещины, что приводит к снижению коэффициента теплового расширения. Физические свойства, такие как коэффициент теплового расширения, изменяются при , что немного отличается от нашего исследования в этой статье. В нашем исследовании пороговое значение скорости нагрева составляет от 6°C/мин до 10°C/мин, случай аналогичен другим исследователям, которые указывают, что ниже 5°C/мин, и в процессе нагрева можно избежать теплового удара. [5, 9, 22, 23, 32, 33].Различия могут быть связаны с разным типом горных пород и компонентами горных пород. Кроме того, учитывая, что все динамические свойства сжатия связаны с повреждением термическим ударом, а получение динамических свойств сжатия более различно и дорого, чем термический удар, рассчитанный по скорости ультразвуковой волны, мы могли бы приблизительно оценить структурную устойчивость породы с помощью измерения. скорость ультразвуковой волны в некоторой степени.

Исследование может обеспечить теоретическую основу для разработки горных пород, подвергшихся термическому удару, например, геотермального резервуара [38–44].

5. Выводы

На основании вышеизложенных результатов, анализа и обсуждения были сделаны следующие выводы: (1) Существует пороговое значение скорости нагрева между 6 и 10 °C/мин, и тепловой удар появляется после порогового значения (2) Динамическая прочность на сжатие, динамический модуль упругости и плотность соответственно уменьшаются, когда увеличивается повреждение от теплового удара, и обратное явление возникает при пиковой деформации (3) Для гранита метод нагрева горных пород с использованием скорости нагрева ниже или равной 6 °C/мин, что позволяет избежать теплового удара

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования включены в статью.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.