從18世紀路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）的開創性工作開始，到19世紀埃米爾·杜布瓦-雷蒙德（Emil du Bois-Reymond）、約翰內斯·彼得·穆勒（Johannes Peter Müller）和赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）的工作，質膜和細胞的興奮性一直是神經系統研究的主要興趣^[1]。艾倫·勞埃德·霍奇金（Alan Lloyd Hodgkin）和安德魯·赫胥黎（Andrew Huxley）在1952年使用電壓鉗技術揭示了動作電位的離子通道事件，并于1963年因其杰出的工作而獲得諾貝爾生理學和醫學獎^[2,3]。

那時，電壓鉗僅能用于相當大的細胞，因為需要鋒利的微電極來穿透質膜。在1970年代末，貝爾特·薩克曼（Bert Sakmann）和埃爾文·內爾（Erwin Neher）改進了電壓鉗技術，并且shouci解析了青蛙骨骼肌膜片上的單離子通道電流。他們因此榮膺1991年諾貝爾生理學和醫學獎^[4,5]。下一個突破則是貝爾特·薩克曼（Bert Sakmann）在1980年發明的高阻封接，極大地提高了信噪比，并允許記錄更小的電流^[6]。

電生理學，最初誕生在特殊的生物物理實驗室，現在已經擴展到基礎生物學和醫學研究領域，并成為研究神經系統中單個細胞或整個細胞網絡行為的最重要工具之一。

膜片鉗技術可以研究若干，甚至單個離子通道^[7]。因此，它引起了興奮類細胞研究工作的極大興趣，例如神經元、心肌細胞和肌纖維。^[8]

單個離子通道每秒可以傳導約1000萬個離子。不過，電流僅有幾皮安。記錄這種數量級的電流不僅對研究人員，對于設備而言同樣ji具挑戰。原理是將帶有鈍端的薄玻璃或石英管密封在膜上（參見圖1、2和3）。

施加吸力可以產生千兆歐姆級別的高阻抗封接。這種緊密封接可以對膜片進行電隔離，這意味著流過膜片的所有離子都會流入微電極，并借助連接到高靈敏度電子放大器的氯化銀線電極（(Ag/AgCl)電極）記錄。浴電極用于設置零電平。

為了防止細胞膜電位發生變化，放大器會產生類似于流經細胞膜電流的補償電流，作為負反饋機制（參見圖1）。

測量細胞的膜電位并將其與指令電位進行比較。如果指令電位和測量值之間存在差異，則會注入電流。該補償電流將記錄下來，并可以得出有關膜電導的結論。膜電位可以獨立于離子電流進行操縱，這種能力可以研究膜通道的電流-電壓關系。

根據研究對象，可以使用不同的配置。在細胞貼附模式下，膜片保持完整（參見圖3）。松散貼片是細胞貼附模式的修改版。這種情況下，移液器沒有緊密封接在細胞膜上，而是松散地貼附在細胞膜上。該模式通常用于記錄神經元細胞中的動作電位。它的優點在于細胞質的成分不受影響。不過，另一方面，細胞內環境無法控制。

通過電極微管施加造孔劑（通常為抗生素）會產生穿孔膜片來保證離子連續性，同時細胞內蛋白質不會被電極液洗掉。zui常用的膜片鉗模式是全細胞模式（參見圖3）。要實現這種模式，通過短暫施加強吸力來破壞膜片。微電極內部與細胞質連為一體。該方法用于記錄來自整個細胞的電位和電流。對于全細胞測量方式，研究人員有兩種配置方式可供選擇：電壓鉗模式，其中電壓保持恒定并記錄電流，或者電流鉗模式，其中電流保持恒定并觀察膜電位的變化。

此外，也可以僅記錄來自小塊而不是整個細胞的電流。這增加記錄單個離子通道的機會。膜片可以根據微電極內部的兩個不同方向確定方位。為實現內面向外的配置，微電極貼附在細胞膜上，并且可以收回以撕下一小片膜（圖3）。本例中，細胞膜的胞質表面暴露在外面。這種方法通常用于研究單個通道的活性，優點在于可以調整暴露在細胞內表面的培養基。

如果希望研究細胞外誘因（如神經遞質）的影響，則應選擇外面向外的配置（參見圖3）。這種情況下，移液器在全細胞測量配置中收回，導致細胞膜破裂并重組。在該配置中，細胞外表面暴露，因此可以輕松應用細胞外誘因。

膜片鉗實驗適用于培養細胞、急性解離細胞或者急性振動切片，從而研究細胞在其自然環境中的電生理學特性。感興趣的離子通道也可以在通用細胞系（HEK293、CHO、LNCaP）中分離并異質表達。

根據樣品不同，需要使用倒置（培養細胞）或者具有穩定平臺的正置固定載物臺顯微鏡（切片樣品）。如果要研究急性切片中的細胞，建議使用紅外DIC（微分干涉對比）顯微鏡^[9]，后者可以更加方便地觀察細胞膜。顯微鏡應放置在防振臺上，因為任何移動都可能對微電極和細胞膜之間的封接造成致命影響。

需要使用顯微操作臂來精確移動微電極。加熱并拉長小型玻璃或石英毛細管可以形成極細的微電極管。電極管吸頭的直徑約為1微米，其中包含的膜片僅含幾個（甚至一個）離子通道。微電極管吸頭需要在熔融狀態進行熱拋光，以便在吸頭接觸到細胞膜后實現高阻抗封接。電極管中含有類似于胞外溶液或細胞質的溶液，具體取決于記錄模式。微電極安裝在顯微操作臂上，可以向細胞膜精準移動。

為了檢測電流，使用了氯化銀線。同樣采用氯化銀線（作為銀/氯化銀電極）的浴電極設置為零電流值。帶低噪聲晶體管的差分放大器連接到計算機，以進行數據采集和數字化，可以采購特定軟件來控制該放大器并分析數據。或者，可以使用示波器來監測電流。如有需要，可以為該配置添加灌注系統。特定物質可以通過灌注筆或使用POC（灌注開關）室添加。