MOLECULAR INFORMATION ENGINEERING 11-5

Nanopore Electrical Measurement

나노포어 전압 전류 증폭기와 ADC

챔버 전극과 전압 / 등가회로와 KCL / Axopatch 증폭기와 필터 / ADC sampling과 디지털 신호

송영준 Youngjun Song / 인천대학교 / 75분

강의 폴더 강의 안내

전기 측정의 전체 경로

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

Chamber와 nanopore: 분자 사건을 전류로 변환
Headstage와 amplifier: 전류를 측정 가능한 전압으로 변환
Analog filter와 ADC: 대역 제한과 숫자 기록
소프트웨어: 전류 복원, 사건 검출, basecalling

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cis와 trans의 전기적 정의

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

Cis: 시료를 넣는 쪽으로 정의
Trans: 막의 반대쪽
이 강의의 전압: V_m=Vtrans−Vcis
두 용액 사이 전위차와 전극 기준점

Vₘ = Vtrans − Vcis

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DNA 이동과 이온 전류 방향

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

예: cis=0 mV, trans=+180 mV
음전하 DNA의 전기영동 힘: trans 쪽
양전하의 관습적 전류 방향: trans에서 cis
실제 분자 운동은 전기삼투·motor에도 영향

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같은 전위차의 두 표현

Vcis	Vtrans	Vₘ
0 mV	+180 mV	+180 mV
−180 mV	0 mV	+180 mV
0 mV	−180 mV	−180 mV

cis=0, trans=+180 mV
cis=−180, trans=0 mV
두 경우 Vtrans−Vcis=+180 mV
접지와 headstage 배치에 따라 표시값 변화

확인·실습 문제

trans를 접지한 조건에서 Vₘ=+120 mV를 만들 Vcis 계산

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전극과 용액의 전하 운반

전선: 전자의 이동
전해질: 이온의 이동
Ag/AgCl 등 전극: 전자·이온 계면의 연결
전극 상태, 용액 조성, junction potential

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Voltage clamp의 목적

명령 전압에 가깝게 전위차 유지
분자 사건으로 변하는 전류 측정
피드백 회로의 동작
연구용 patch clamp와 상용 ONT 회로의 구분

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포어의 저항과 conductance

Ohmic 근사: I_p=G_pV_m=V_m/R_p
Conductance 단위: siemens S
1 nS에서 100 mV는 100 pA
전압·염·표면 조건에 따른 비선형 가능성

Iₚ = GₚVₘ ; 1 nS × 100 mV = 100 pA

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막의 병렬 등가회로

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

포어: conductance G_p
막·봉합부 누설: conductance Gleak
막: capacitance C_m
측정 배선과 입력의 기생 capacitance

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Kirchhoff Current Law KCL

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

한 노드에 들어온 전류와 나간 전류의 합 일치
측정 전류의 구성: 포어·누설·충전 전류
정의한 양의 방향을 유지하여 식 작성
Capacitor 전류도 별도 가지로 포함

Imeas = Iₚ + Ileak + Cₘ dVₘ/dt

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정상 상태와 전압 step

model_transient — 접근 저항과 막 충전의 모형 / 교육용 모형, 측정 데이터 아님

전압이 일정하면 dV_m/dt≈0
Step 직후: 막 충전 전류의 과도응답
충전 후 남는 포어·누설 전류
과도응답과 분자 사건의 구분

Isteady ≈ (Gₚ + Gleak)Vₘ

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Blockade와 conductance 변화

Baseline I₀와 사건 중 I 비교
같은 V_m에서 ΔI=V_mΔG
사건의 깊이, 폭, 단계 수
누설이 클 때 정규화 신호의 해석

확인·실습 문제

Vₘ=100 mV에서 전류가 120 pA에서 80 pA로 줄었을 때 ΔG 계산

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포어 저항과 접근 저항

포어 내부 저항
개구 앞뒤 용액의 access resistance
전극·배선·용액의 series resistance
입구와 막 두께의 공동 영향

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전압 증가의 효과와 한계

전류 크기와 분자 포획의 변화
통과 속도와 체류 시간의 변화
막·포어 안정성 및 가열의 제약
최적 전압은 시료·포어·대역폭에 의존

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Axopatch 200B와 Axon 계열 장비

Axopatch 200B: capacitor-feedback patch clamp
Headstage와 본체의 분리
Holding command, gain, filter 설정
아날로그 current monitor output

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Current-to-voltage conversion

입력: pA-nA 범위의 전류
출력: 기록 가능한 전압
변환 이득: V/A 또는 mV/pA
출력 전압을 실제 전류로 환산하는 calibration

Iinput = Voutput / 전체 변환 이득

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저항 피드백 TIA의 기본 모형

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

Transimpedance amplifier TIA
피드백 저항 Rf를 이용한 전류-전압 변환
이상 근사: Vout=−Iin Rf
큰 저항의 잡음·대역폭·기생 성분

Vout ≈ −Iin Rf

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Axopatch의 capacitor feedback

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

PATCH 구성에서 커패시터 피드백 사용
입력 전류를 전하 변화로 적분
이후 미분·보정 회로로 전류에 대응하는 출력
큰 피드백 저항의 잡음을 줄이는 설계

ΔVf = −(1/Cf) ∫ Iin dt

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Gain과 출력 포화

큰 gain: 작은 전류의 전압 차이 확대
같은 출력 범위에서 측정 가능 전류 범위 감소
증폭기 출력 한계와 ADC 입력 한계
Baseline과 transient까지 포함한 여유

확인·실습 문제

전체 이득 10 mV/pA와 ±10 V 출력에서 허용되는 전류 범위 계산

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Low-pass filter와 대역폭

빠른 잡음을 줄이기 위한 아날로그 저역통과
Axopatch 200B scaled output의 Bessel filter
Cutoff 감소에 따른 시간 분해능 저하
짧은 사건의 진폭 감소·파형 변형

https://www.moleculardevices.com/sites/default/files/en/assets/data-sheets/dd/cns/axon-axopatch-200b-microelectrode-amplifier.pdf

잡음의 주요 경로

전극·용액·포어의 열적 요인
막과 입력 capacitance의 영향
전원·접지·차폐·기계 진동
측정 bandwidth와 함께 적는 RMS noise

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3137938/

Faraday cage와 grounding

차폐된 측정 공간
기준 접지와 접지 루프의 관리
Headstage 주변 배선 길이·접촉 관리
변경 전후 같은 대역폭에서 잡음 비교

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ADC의 역할

model_adc — 샘플링과 양자화의 모의 파형 / 교육용 모형, 측정 데이터 아님

Analog-to-Digital Converter
샘플링: 일정 시간 간격으로 값을 기록
양자화: 전압을 유한 개 숫자 코드로 변환
Gain을 적용해 전압 코드를 전류로 환산

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Digidata와 데이터 취득

Digidata 1550B: 16-bit, 8개 아날로그 입력
채널당 최대 500 kHz, 입력 범위 −10~+10 V
증폭기 출력과 command 신호의 연결
Gain·단위·sampling rate의 기록

https://www.moleculardevices.com/products/axon-patch-clamp-system/digitizers/axon-digidata-1550b-plus-humsilencer

16-bit 양자화 계산

16-bit: 2^16=65,536개 코드
가상 입력 범위 −10~+10 V
전압 LSB≈20 V/65,536=0.305 mV
1 mV/pA 변환 이득이면 약 0.305 pA/code

ΔVADC ≈ Vspan / 2^b ; ΔI ≈ ΔVADC / Gain

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Sampling rate와 시간 간격

fs=50 kHz이면 Δt=20 μs
1 ms 사건에는 약 50개 샘플
50 μs 사건에는 약 2.5개 샘플
사건 모양과 진폭 추정의 표본 수

Δt = 1/fs ; 사건당 샘플 수 ≈ fs × τ

확인·실습 문제

100 kHz에서 0.2 ms 사건을 기록할 때 샘플 수 계산

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Anti-alias filter

ADC 전에 고주파 성분을 제한
Nyquist 조건은 대역 제한을 전제로 함
아날로그 필터의 전이 대역과 sampling 여유
디지털 필터로 이미 생긴 alias 복구 불가

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Raw signal의 저장과 추적성

Bias 전압과 전극 관례
전체 gain, filter cutoff, sampling rate
ADC 범위·단위·offset과 장비 모델
시료, 온도, 전해질, 분석 버전

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전기 계측 다음 — 전류를 파일로 읽기

검토·보강 · 2026-10-31

연구용 Axopatch·Digidata 회로는 전류 측정을 이해하는 예다. 상용 ONT CMOS가 이 장비를 그대로 내장한다는 뜻은 아니다.
디지털 신호의 단위·gain·sampling·필터와 basecaller/model 버전을 함께 보존한다.
Basecalling 후 read 품질과 길이·sample barcode를 확인하고 목적에 맞게 분석한다.
DNA 저장의 물리 판독은 여기서 끝난다. 이어서 주소별 consensus·소실 검출·ECC·파일 hash를 검증한다.

ONT · Dorado documentation

계측 확인 문제

KCL 식의 포어·누설·충전 가지
저항 피드백과 커패시터 피드백의 차이
큰 gain과 포화의 절충
Sampling과 quantization의 차이

확인·실습 문제

챔버에서 FASTQ까지 각 단계의 입력과 출력을 적고 측정 조건 목록 작성

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