1. 非损伤微测技术起源和发展

　　非损伤微测技术的核心是离子和分子选择性微电极( 以下简称：离子电极)，由Kühtreiber 和Jaffe 在1990 年设计的一套由计算机控制的自动定位测量系统演变发展而成 。其中Kunkel，Shipley 和Karplus 于1996 年在计算机控制、信号放大和三维测量方面做了较大的改进。由于非损伤微测技术能够以非损伤的方式测量到进出生物材料的离子以及分子的运动速率，并随着离子/ 分子电极种类的不断增多以及电子线路技术和计算机硬件、软件的逐步完善，非损伤微测技术逐渐被应用到基础生物学、生理学、神经生物学、空间生物学、临床医学、基础医学、病理学、毒理学、营养学、农林学及药物机理研究等领域。

　　2. 工作原理

　　“非损伤微测系统”是在电脑自动控制下，基于非损伤性微测电极技术，在不接触被测样品的情况下三维、实时、动态地获得进出样品的各种分子/离子浓度、流速及其运动方向信息的技术。包括：离子/分子选择电极、信号放大系统、三维运动控制系统、显微成像系统以及计算机数据处理系统（见图1）。

　　图1 非损伤微测系统组成

　　以Ca2+浓度梯度和Ca2+电极为例说明非损伤微测系统的物理学及数学原理（见图2）。离子选择性电极由玻璃微电极，Ag/AgCl导线，电解质(100mM CaCl2)及液态离子交换剂(LIX)四部分组成。该电极在待测离子浓度梯度中以已知距离dx进行两点测量，并分别获得电压V1和V2。两点间的浓度差dc则可以从V1，V2及已知的该电极的电压/浓度校正曲线计算获得。D是离子/分子特异的扩散常数(单位:cm-2 sec-1)，将它们代入Fick的第一扩散定律公式： Jo = - D dC/dx ，可获得该离子的移动速率(单位：pmol cm-2 sec-1)，即：每一秒钟通过一个平方厘米的该离子/分子皮摩尔数 。

　　图2 以Ca2+ 电极为例说明非损伤微测系统的物理学及数学原理

　　3. 与同类技术综合对比情况

　　目前，用于研究离子跨膜运输的方法主要有离子选择性微电极技术、膜片钳技术以及荧光指示技术。该产品所采用的“非损伤微测技术”是基于离子选择微电极技术，以非损伤的方式测量进出被测材料的离子/分子的浓度、速率和方向信息，因此不同于传统的离子选择电极技术。传统的离子选择电极技术需要将微电极刺入细胞内测量，因此会受到细胞大小以及胞内环境的非特异影响。该产品在保留了传统离子选择电极技术的持续测量以及同时测量两个以上离子或分子等主要技术优势的同时，采用计算机软件控制微电极的三维测量，微电极不接触被测样品，真正做到了无损伤测量。

　　膜片钳是由Erwin Neher和Bert Snkman 在70年代中期发展起来的一种能够记录膜结构中单一的离子通道蛋白质的开放和关闭的技术，即是测量单通道离子电流和电导的技术，不适合从整体上分析跨膜分子离子的信息，并且存在封接成功率低、记录时间短和封接不稳等问题。“非损伤微测系统”采用离子/分子选择电极，电极距被测材料5－35微米，在计算机的控制下电极在被测材料周围作三维运动采集数据参数，能够长时间监测进出样品的离子/分子的活动信息，被测样品可以是单细胞、多细胞、器官甚至整体，也可用于测量非生命材料表面的离子/分子的活动信息。该技术与膜片钳技术相比操作容易，能够做到持续测量，更适合于从整体上分析跨膜分子离子运动的信息。由于膜片钳更适合研究离子通道，时间分辨率在毫秒级，因此不适合研究缓慢进出细胞的离子分子的信息，在这一点上“非损伤微测系统”以其特有的时间分辨率（秒级）更适合研究持续缓慢进出的离子和分子的信息。

　　用于细胞内离子测定的技术包括荧光指示、同位素示踪和原子吸收法。后两种方法只能测定包括细胞器内和结合于胞内缓冲液的总离子浓度,而不能只测定所要研究的离子活性,因此具有其局限性。此外，这两种方法也无法持续*离子的变化。

　　荧光指示剂法可用于持续测量，测量的时间分辨率一般在毫秒级，而且总体来说具有较好的特异性。但荧光指示法存在的缺点是存在校准困难，自身荧光有信号干扰，荧光指示剂会随时间的延长有不同程度的漂白褪色，从而影响持续记录。

　　许多细胞内外离子活性发生变化是很慢的，响应时间一般在几秒到几分钟的时间尺度内。“非损伤微测系统”的时间分辨率一般在几秒内，因此非常适合测定这种响应时间的活性变化。而一些变化较之更快的离子活动，使用荧光指示剂法或膜片钳法较好。

　　4. 应用

　　“非损伤微测技术”平台是具有世界先进水平的多学科尖端科技的系统集成, 是当今微电子、计算机、精密机械加工、物理、数学、高分子化学、碳纳米及光学显微技术等多学科优秀成果的结晶。该技术平台在不接触被测样品的情况下获得进出样品的各种分子和离子浓度、流速及其运动方向的信息。“非损伤微测技术”平台的应用领域是很广阔的，目前，主要集中在材料表面腐蚀机理研究和生命科学中动植物细胞活体离子及分子活性的研究。

　　“非损伤微测技术”平台已为包括美国航空航天局(NASA)在内的多家知名大学、科研机构和制药公司所采用。应用领域也在日益扩大过程中。

　　一个新技术，希望对大家有所帮助。