非损伤微测技术介绍和流速的生物学意义

非损伤微测技术是一种实时、动态的活体测定技术。通过测定进出活体材料的离子和小分子的流速这一指标反映生命活动，是生理功能研究的最佳工具之一。非损伤微测技术与其他活体测定技术有所不同，不受被测材料的限制，无需标记，无需提取样品，就能够获得离子和小分子的空间运动大小和方向，具有广阔的应用前景。

非损伤微测技术自从1974年美国海洋生物学实验室（MBL，Marine Biological Laboratory，产生了54位诺贝尔奖获得者的实验室）的神经科学家Lionel F. Jaffe提出原初概念，到1990年成功应用于测定细胞的Ca²⁺流速，已经解决了众多科学问题。今天，非损伤微测技术在生命科学、环境科学、材料科学等领域广泛应用，在国际顶尖期刊Nature、Science、PNAS、Plant Cell、Environmental Science & Technology等发表了大量科研成果。非损伤微测技术的活体、动态和实时的测量方式，以及高分辨率和高灵敏度，将加深人类在科研领域的工作，促进对自然界的认识。

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^-12mol/cm².s。在生命科学领域，非损伤微测技术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，非损伤微测技术对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。

技术原理

以Ca²⁺浓度梯度和Ca²⁺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。

Ca²⁺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Ca²⁺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's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 · sec^-1) 即：每秒钟通过每平方厘米的该离子/分子摩尔数（10^-12级）。

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。

测定指标和材料

测量指标：Ca²⁺，H⁺，K⁺，Mg²⁺，Na⁺，Cd²⁺，Cl^-，NH₄⁺，NO₃^-，O₂ ，H₂O₂的流速

测量材料：整体→器官→组织→细胞层→单细胞→（富集）细胞器（大于5µm的样品）

注：随着技术的发展，非损伤微测技术能够测量的离子和分子种类也在不断增加，如以后可以测定Zn²⁺，Al³⁺，Fe³⁺，NO，IAA，Glu，ATP，Glucose等。

流速的生物学意义

1．广义的流速

流速是指物质在介质和空间中运动的速度，具有方向性和时间性。

2．狭义的流速

流速是指生物体由于内外交换和物质运动形成的离子和小分子梯度中离子和小分子的运动速度。

注：这里的流速是指生命科学中的流速（flux）。

3．流速的生物学意义

（1）流速是活细胞的语言

流速是活细胞信号转导过程的直观反映，是活细胞的语言。

（2）流速是信号转导的桥梁，流速是基因到功能的桥梁

流速是基因发挥功能的桥梁，基因表达的指令通过物质的流动进行传递。

（3）流速活体生命的本质特征

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