技术原理

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    视频:非损伤微测技术(NMT)原理

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    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:

  1. 活体、原位、非损伤测定:生理功能研究,获取正在发生的信息
  2. 时间分辨率高:0.3s;2-5s,能够快速获得细胞的早期事件
  3. 空间分辨率高:0.5μm;2μm,能够测定单细胞,甚至原生质体、液泡等细胞器
  4. 灵敏度高:10-12 mol • cm-2 • s-1或更低
  5. 长时间测量:1h,24h,甚至7天或更长
  6. 多种离子同时测量:研究离子间的相互关系
  7. 不用提取样品:直接测量,不需要研磨等传统的提取方法
  8. 动态实时测量:动态实时地测量和获取数据,可视化结果
  9. 操作便捷:很多操作通过自动控制可以实现
  10. 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)
  11. 多维扫描与测量:一维、二维、三维方向测定,获取数据空间数据