活體研究智能傳感技術(shù)的演進(jìn)（1）愿望與挑戰(zhàn)

作者：許越   “點(diǎn)擊查看作者自傳”

在活體狀態(tài)下進(jìn)行研究，是生命科學(xué)家追求的最佳方法和始終不渝的愿望。

能夠檢測(cè)到活體細(xì)胞單離子通道電信號(hào)的膜片鉗（PC :Patch Clamp）技術(shù)，于1990年獲得諾貝爾獎(jiǎng)之后，迅速傳入中國(guó)（周專等1990，許越等1993）。幾乎在同一時(shí)期誕生的非損傷微測(cè)技術(shù)（NMT:Non-invasive Micro-test Technology），這一能夠檢測(cè)從細(xì)菌到整條斑馬魚(yú)各種大小活體材料的離子分子進(jìn)出流速的技術(shù)，于2005年落地中國(guó)大陸（印莉萍等2006，丁亞男等2007）。

從某種意義上來(lái)講，膜片鉗技術(shù)是一種間接的離子傳感器技術(shù)，它需要后續(xù)通過(guò)能斯特公式的計(jì)算，告訴我們它所檢測(cè)到的電流究竟是哪種離子產(chǎn)生的。非損傷微測(cè)技術(shù)從一開(kāi)始追求的就是一種能夠直接檢測(cè)離子甚至分子的技術(shù)，就如同實(shí)驗(yàn)室的pH計(jì)和O₂濃度計(jì)一樣，通過(guò)選擇性/特異性的離子/分子傳感器，直接告訴我們所測(cè)活體材料內(nèi)部或外部離子分子的變化。

但是，可以想像這種美好愿望必定道路坎坷崎嶇，主要有下面三大挑戰(zhàn)：

1. 選擇性/特異性離子/分子傳感器（物質(zhì)）的研發(fā)

這類傳感器的研發(fā)始終就不是一件十分容易的事情。以玻璃電極pH計(jì)為例，從德國(guó)科學(xué)家Fritz Haber 1909年開(kāi)始研發(fā)，直到1934年才由美國(guó)科學(xué)家Arnold Beckman發(fā)明現(xiàn)代意義上的pH計(jì)，經(jīng)歷了20多年的努力。

隨后人們又嘗試著用其它物質(zhì)，如高分子化合物，和其它技術(shù)，如熒光技術(shù)，納米技術(shù)，電化學(xué)技術(shù)等等來(lái)實(shí)現(xiàn)離子/分子的選擇性/特異性測(cè)定。直到1981年（Schulthess等，1981），人們才發(fā)現(xiàn)了一種中性載體的高分子液態(tài)化合物，它可以和H+進(jìn)行高選擇性的結(jié)合，并使其電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，比如引起該液態(tài)化合物的兩側(cè)電壓產(chǎn)生變化。

這里有一個(gè)容易混淆的概念，就是離子/分子傳感器與離子/分子指示劑的區(qū)別。傳感器是可以隨著被測(cè)環(huán)境里的離子/分子濃度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)化學(xué)和電學(xué)變化的技術(shù)，而指示劑（比如pH試紙）是對(duì)被測(cè)環(huán)境里的某一時(shí)刻的離子/分子濃度做出的一次性的化學(xué)或電學(xué)反應(yīng)。兩者最大的區(qū)別在于，傳感器的反應(yīng)是雙向可逆的，而指示劑反應(yīng)是單向不可逆的。這也是為什么傳感器的研發(fā)更具挑戰(zhàn)性的原因。

2.     傳感器的反應(yīng)速度及其電學(xué)漂移

我們都有這樣的體驗(yàn)，就是在實(shí)驗(yàn)室里使用pH計(jì)的時(shí)候，要想獲得一個(gè)穩(wěn)定的讀數(shù)，就必須要耐心地等上一會(huì)兒，少則十幾秒，多則幾分鐘。這就是我們常說(shuō)的傳感器的反應(yīng)時(shí)間。這是因?yàn)橐欢�濃度的H+與固體傳感器（這里可能是玻璃）之間形成一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡是需要一定時(shí)間的。

那么，自然而然大家會(huì)想到，如果我們使用液態(tài)傳感器是不是就可以縮短等待時(shí)間，提高傳感器的反應(yīng)速度了？的確是這樣，這也是為什么非損傷微測(cè)技術(shù)使用的是液態(tài)離子交換劑（其主要成份就是上面提到的中性載體高分子化合物），從而將反應(yīng)時(shí)間縮短到幾秒以內(nèi)。

但是，事情還沒(méi)有完。我們都知道盡管拿到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的讀數(shù)，但當(dāng)我們把pH計(jì)放到那里一會(huì)兒，讀數(shù)還是多少會(huì)有所變化，這就是電學(xué)或電子漂移。就是這個(gè)漂移，盡管人們可以把傳感器（電極）做得非常小（市場(chǎng)上現(xiàn)在有不少這樣的微電極），但我們?nèi)詿o(wú)法研究活體生物，無(wú)論是體內(nèi)還是體外的離子/分子濃度的細(xì)微變化。 

這也是膜片鉗和非損傷微測(cè)技術(shù)的偉大之處，就是它們用各自不同的方法，在能夠告訴科學(xué)家所測(cè)的是什么離子（NMT還有分子）的同時(shí)，還能夠克服這些電漂移準(zhǔn)確地告訴我們這些離子/分子的大�。∟MT還能告訴我們方向）。

3.     細(xì)胞內(nèi)部及外部的化學(xué)及非化學(xué)物質(zhì)的干擾

離子/分子選擇性/特異性傳感器最初的研發(fā)者們，總會(huì)抑制不住本能的沖動(dòng)將這些傳感器插入活體生物材料，想看看能不能直接讀取這些材料體內(nèi)的離子/分子濃度信息。然而，無(wú)論這些傳感器能夠做到多小，一個(gè)微米甚至以下，還是定位技術(shù)多么高超，細(xì)胞內(nèi)的各種離子，蛋白質(zhì)，多糖，高分子化合物等等，將這些傳感器尖端部位團(tuán)團(tuán)包圍，很快使其信號(hào)失去可信度。

然而膜片鉗通過(guò)置換玻璃電極，甚至細(xì)胞內(nèi)外的環(huán)境溶液，巧妙地解決了來(lái)自于細(xì)胞內(nèi)部及外部的各種干擾，因此其信號(hào)的可信性是無(wú)可挑剔的。

那么，離子/分子選擇性/特異性傳感器技術(shù)能否借鑒膜片鉗的思路，設(shè)計(jì)或找到一個(gè)可以控制的液體環(huán)境，從而讓自己的數(shù)據(jù)堅(jiān)實(shí)可信。就是基于這樣的想法，促使NMT非損傷微測(cè)技術(shù)誕生了（Kühtreiber等1990）。

（以Na+選擇性傳感器為例說(shuō)明NMT非損傷微測(cè)技術(shù)原理。來(lái)源于旭月研究院xbi.org）

參考文獻(xiàn)

• 周專，康華光. 國(guó)產(chǎn)膜片鉗儀研制成功. 生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展, 1990,11(2): 128~137

• 許越, 邱澤生. 膜片鉗技術(shù)及其在高等植物細(xì)胞研究中的應(yīng)用與展望. 植物生理學(xué)通訊 1993, 29(3): 169~174

• 印莉萍, 上官宇, 許越. 非損傷性掃描離子選擇電極技術(shù)及其在高等植物研究中的應(yīng)用. 自然科學(xué)進(jìn)展. 2006, 16(3):262-266.

• 丁亞男,許越.非損傷微測(cè)技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用.物理. 2007, 36(7): 548-558.

• https://www.wonkeedonkeetools.co.uk/soil-ph-meters/a-brief-history-of-the-ph-meter/

• P.  Schulthess, Y. Shijo, H.V. Pham, E. Pretsch, D. Ammann, W. Simon, A  hydrogen ion-selective liquid-membrane electrode based on  tri-n-dodecylamine as neutral carrier. Anal. Chim. Acta 131, 111 (1981).

• Kühtreiber  WM1, Jaffe LF. Detection of extracellular calcium gradients with a  calcium-specific vibrating electrode. J Cell Biol. 1990  May;110(5):1565-73.