技术原理

        非损伤微测技术是通过微电极和微传感器获取离子和分子的信号,基于Nernst方程和Fick's第一扩散定律计算离子和分子的浓度和流速,能够获得非常细微的信号,流速能够达到10-12 mol • cm-2 • s-1。在生命科学领域,应用非常广泛,是连接生命功能的桥梁。在环境科学领域,非损伤微测技术的高灵敏度是人们探知环境恶化的预警系统。在材料科学领域,对于人们认识材料在液体环境中的性能提供了一个新颖的评价手段。


以Na+浓度梯度和Na+微电极为例说明非损伤微测技术离子选择性微电极的工作原理。

Na+离子选择性微电极通过前端灌充液态离子交换剂(Liquid Ion Exchanger,LIX)实现Na+的选择性。该微电极在待测离子浓度梯度中以已知距离dx进行两点测量,分别获得电压V1和V2。两点间的浓度差dc则可以从V1、V2及已知的该微电极的电压/浓度校正曲线(基于Nernst方程)计算获得。D是离子的扩散常数( 单位:cm2•sec-1),将它们代入Fick第一扩散定律公式J = - D • dc/dx,可获得该离子的流动速率(pico mol • cm-2 • s-1) 即:每秒钟通过每平方厘米的该离子/分子摩尔数(10-12级)。

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注:荧光染料/光纤、纳米碳丝、酶电极、金属/合金等均可用来实现对某种离子/分子的选择性测量。

非损伤微测技术的测量有如下优势:

  • 活体、原位、非损伤测定:生理功能研究,获取正在发生的信息
  • 时间分辨率高:0.2—1s(响应时间),3.5s—18.5s(测量时间),能够快速获得细胞的早期事件
  • 空间分辨率高:0.5 μm—10 μm,能够测定单细胞,甚至原生质体、液泡等细胞器
  • 灵敏度高:10-12~10-15mol•cm-2•s-1
  • 长时间测量:可进行长达几个小时,甚至更长时间的实时和动态监测
  • 多种离子同时测量:研究离子间的相互关系
  • 不用提取样品:直接测量,不需要研磨等传统的提取方法
  • 动态实时测量:动态实时地测量和获取数据,可视化结果
  • 操作便捷:很多操作通过自动控制可以实现
  • 多个尺度上的测量:整体、器官、组织、细胞、甚至细胞器都可以测量(大于5μm)
  • 立体3D流速测量:可在样品外进行X、Y、Z三维数据采集,清晰阐明样品及流速的空间相互关系