活體研究智能傳感技術(shù)的演進(jìn)（2）時(shí)間與空間

作者：許越   “點(diǎn)擊查看作者自傳”

時(shí)間分辨率和空間分辨率，指的是一個(gè)檢測技術(shù)能夠在時(shí)間和空間上提供的最小分辨單位或數(shù)值。列文虎克(Anthony Von Leeuwenhoek)發(fā)明的能夠看到活細(xì)胞的顯微鏡，就是在人類觀察世界的空間分辨率上的一次大的提升。 

膜片鉗技術(shù)之所以能夠在90年代獲得諾貝爾獎(jiǎng)，一個(gè)很重要的原因就是它將人類對世界的感知能力，在時(shí)間分辨率上提升到毫秒級別，在空間分辨率上細(xì)小到微米級以下（請見下表），而且是對生物活體進(jìn)行檢測。

(非損傷微測技術(shù)與膜片鉗及熒光等化學(xué)技術(shù)在時(shí)間空間分辨率上的區(qū)別。來源于旭月研究院 http://xbi.org)

1）時(shí)間

膜片鉗技術(shù)可以輕而易舉地捉捕到毫秒級（ms）的離子通道的開放和關(guān)閉。這點(diǎn)讓依靠反應(yīng)時(shí)間最快也需要秒級的NMT離子分子傳感器的非損傷微測技術(shù)望塵莫及。即使有的NMT分子傳感器，比如O2傳感器反應(yīng)速度可以達(dá)到0.8秒（800ms），但面對離子通道的開關(guān)研究也無能為力。

然而，如果我們的科研需要幾十分鐘，幾小時(shí)，甚至幾十小時(shí)地跟蹤研究活體材料的離子/分子活動(dòng)，非損傷微測技術(shù)的時(shí)間方面的優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來。因?yàn)橹灰�科研人員有辦法保持樣品的活性，由于NMT傳感器不和被測材料進(jìn)行接觸，所以時(shí)間上對非損傷微測技術(shù)就不是一個(gè)制約因素。有時(shí)即使NMT流速傳感器在實(shí)驗(yàn)過程中失效了，或不小心損壞了，沒有關(guān)系，馬上換上一個(gè)好的傳感器就是了，只要你的樣品還正常就沒有問題。

２）空間

膜片鉗技術(shù)通過全細(xì)胞等多種靈活的記錄方式（見下圖），極大地豐富了膜片鉗與被測材料之間的空間關(guān)系，但是由于該技術(shù)對玻璃電極與材料之間高阻封接的必須要求，使得膜片鉗技術(shù)對于大于微米材料的操作顯得力不從心。

非損傷微測技術(shù)由于不需要接觸被測材料，因此在被測材料的選擇，特別是材料大小上面，相比膜片鉗就有了非常大的自由度（見下圖）。比如，最近面市的‘NMT活體生理檢測儀’可以檢測從微生物群體，一直到小型個(gè)體（如斑馬魚）的各種大小材料離子/分子的進(jìn)出情況。

（非損傷微測技術(shù)可以測試的各種活體材料舉例。來源于旭月研究院htt://xbi.org ）

膜片鉗與非損傷微測技術(shù)在時(shí)間和空間分辨率上面各有千秋，可以根據(jù)科研需要進(jìn)行合理選擇。有時(shí)也可以聯(lián)合應(yīng)用則能夠更加說明問題，不但兩者在時(shí)間和空間上可以相互印證，而且非損傷微測技術(shù)所測得的離子信號是除離子通道在內(nèi)，還包含有離子載體和轉(zhuǎn)運(yùn)體等多種離子運(yùn)輸載體的共同貢獻(xiàn)。同時(shí)還有多糖吸附，細(xì)胞或組織表面的電化學(xué)作用，以及各種離子分子相互影響的物理，生物和化學(xué)的綜合作用的結(jié)果。因此也是更加貼近真實(shí)的生理狀態(tài)的結(jié)果。

還有就是我們可以人為設(shè)計(jì)這些樣品的檢測環(huán)境，使其更加接近它們真正的活體狀態(tài)。別忘了，畢竟您手中握有的是非損傷微測技術(shù)！

3）引發(fā)其他聯(lián)想

這里有很多時(shí)候沒有引起生命科學(xué)工作者足夠重視的兩個(gè)地方：

1.生物體是多維的立體空間結(jié)構(gòu)，生命活動(dòng)和生理現(xiàn)象發(fā)生在不同的時(shí)間尺度

2.每一項(xiàng)技術(shù)都有其在時(shí)間分辨率和空間分辨率上的特色或極限

 具體而言：

1.生物體是多維的立體空間結(jié)構(gòu)，生命活動(dòng)和生理現(xiàn)象發(fā)生在不同的時(shí)間尺度

隨著60年代DNA概念的提出，80年代生物化學(xué)的迅速崛起，90年代分子生物學(xué)的風(fēng)靡全球，到近些年各種組學(xué)的盛行，科學(xué)界一部分人似乎認(rèn)為只要搞定生命的各種組成成份，就可以解決人類的生老病死等等一切問題了。

然而，半個(gè)世紀(jì)之后，人們終于承認(rèn)人類尋找癌癥等病魔的開關(guān)基因是不存在的。前一段時(shí)間，某些企業(yè)想通過基因序列為社會提供疾病/健康預(yù)測的服務(wù)嘗試，也被以美國FDA為首的各國醫(yī)藥管理部門叫停，原因就是這些靜態(tài)成份數(shù)據(jù)不足以支持建立基因組成與各種疾病之間的必然聯(lián)系。

也就是說，忽視生物體的在時(shí)間和空間上多維度的特點(diǎn)，所得到的結(jié)果也必然不能夠反映生命活動(dòng)的根本真實(shí)面目，其衍生的各類實(shí)際應(yīng)用也必然是空中樓閣。

2.每一項(xiàng)技術(shù)都有其在時(shí)間分辨率和空間分辨率上的特色或極限

也正是由于相當(dāng)一段時(shí)間以來，以生物化學(xué)，分子生物學(xué)和現(xiàn)在的各種組學(xué)為代表的，在生物體成份研究為主導(dǎo)的學(xué)科教育和科研大環(huán)境下，使得很多從事生命科學(xué)研究工作的朋友們，對于某一項(xiàng)技術(shù)的時(shí)間和空間分辨率定位不是很敏感。

現(xiàn)實(shí)是，如圖5所示，當(dāng)NMT非損傷微測技術(shù)告訴你，它所涵蓋的時(shí)間和空間分辨率既不同于膜片鉗技術(shù)，也有別于其它熒光和放射性物質(zhì)技術(shù)的時(shí)候，你的眼睛是否豁然一亮，因?yàn)樵谀忝媲俺霈F(xiàn)了一個(gè)嶄新的、寬闊無垠的科研藍(lán)海！道理很簡單，就是你將揭示前人從未涉足的生命現(xiàn)象領(lǐng)域，就像當(dāng)年的列文虎克一樣。

參考文獻(xiàn)

1）旭月研究院網(wǎng)站 http://xbi.org

2）美國揚(yáng)格公司網(wǎng)站：http://youngerusa.com

3）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.

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