从PC:膜片钳到NMT:非损伤微测技术

---活体研究智能传感技术的演进

（1）愿望与挑战

在活体状态下进行研究，是生命科学家追求的最佳方法和始终不渝的愿望。

能够检测到活体细胞单离子通道电信号的膜片钳（PC :Patch Clamp）技术，于1990年获得诺贝尔奖之后，迅速传入中国（周专等1990，许越等1993）。几乎在同一时期诞生的非损伤微测技术（NMT:Non-invasive Micro-test Technology），这一能够检测从细菌到整条斑马鱼各种大小活体材料的离子分子进出流速的技术，于2005年落地中国大陆（印莉萍等2006，丁亚男等2007）。

从某种意义上来讲，膜片钳技术是一种间接的离子传感器技术，它需要后续通过能斯特公式的计算，告诉我们它所检测到的电流究竟是哪种离子产生的。非损伤微测技术从一开始追求的就是一种能够直接检测离子甚至分子的技术，就如同实验室的pH计和O₂浓度计一样，通过选择性/特异性的离子/分子传感器，直接告诉我们所测活体材料内部或外部离子分子的变化。

（膜片钳技术原理及其举例说明。来源于网络）

但是，可以想像这种美好愿望必定道路坎坷崎岖，主要有下面三大挑战：

1.     选择性/特异性离子/分子传感器（物质）的研发

这类传感器的研发始终就不是一件十分容易的事情。以玻璃电极pH计为例，从德国科学家Fritz Haber 1909年开始研发，直到1934年才由美国科学家Arnold Beckman发明现代意义上的pH计，经历了20多年的努力。

随后人们又尝试着用其它物质，如高分子化合物，和其它技术，如荧光技术，纳米技术，电化学技术等等来实现离子/分子的选择性/特异性测定。直到1981年（Schulthess等，1981），人们才发现了一种中性载体的高分子液态化合物，它可以和H+进行高选择性的结合，并使其电学性质发生改变，比如引起该液态化合物的两侧电压产生变化。

（H+的中性载体分子结构式。来源于网络）

这里有一个容易混淆的概念，就是离子/分子传感器与离子/分子指示剂的区别。传感器是可以随着被测环境里的离子/分子浓度的变化而产生相应化学和电学变化的技术，而指示剂（比如pH试纸）是对被测环境里的某一时刻的离子/分子浓度做出的一次性的化学或电学反应。两者最大的区别在于，传感器的反应是双向可逆的，而指示剂反应是单向不可逆的。这也是为什么传感器的研发更具挑战性的原因。

2.     传感器的反应速度及其电学漂移

我们都有这样的体验，就是在实验室里使用pH计的时候，要想获得一个稳定的读数，就必须要耐心地等上一会儿，少则十几秒，多则几分钟。这就是我们常说的传感器的反应时间。这是因为一定浓度的H+与固体传感器（这里可能是玻璃）之间形成一个稳定的动态平衡是需要一定时间的。

那么，自然而然大家会想到，如果我们使用液态传感器是不是就可以缩短等待时间，提高传感器的反应速度了？的确是这样，这也是为什么非损伤微测技术使用的是液态离子交换剂（其主要成份就是上面提到的中性载体高分子化合物），从而将反应时间缩短到几秒以内。

但是，事情还没有完。我们都知道尽管拿到了一个相对稳定的读数，但当我们把pH计放到那里一会儿，读数还是多少会有所变化，这就是电学或电子漂移。就是这个漂移，尽管人们可以把传感器（电极）做得非常小（市场上现在有不少这样的微电极），但我们仍无法研究活体生物，无论是体内还是体外的离子/分子浓度的细微变化。 

这也是膜片钳和非损伤微测技术的伟大之处，就是它们用各自不同的方法，在能够告诉科学家所测的是什么离子（NMT还有分子）的同时，还能够克服这些电漂移准确地告诉我们这些离子/分子的大小（NMT还能告诉我们方向）。

3.     细胞内部及外部的化学及非化学物质的干扰

离子/分子选择性/特异性传感器最初的研发者们，总会抑制不住本能的冲动将这些传感器插入活体生物材料，想看看能不能直接读取这些材料体内的离子/分子浓度信息。然而，无论这些传感器能够做到多小，一个微米甚至以下，还是定位技术多么高超，细胞内的各种离子，蛋白质，多糖，高分子化合物等等，将这些传感器尖端部位团团包围，很快使其信号失去可信度。

然而膜片钳通过置换玻璃电极，甚至细胞内外的环境溶液，巧妙地解决了来自于细胞内部及外部的各种干扰，因此其信号的可信性是无可挑剔的。

那么，离子/分子选择性/特异性传感器技术能否借鉴膜片钳的思路，设计或找到一个可以控制的液体环境，从而让自己的数据坚实可信。就是基于这样的想法，促使NMT非损伤微测技术诞生了（Kühtreiber等1990）。

（以Na+选择性传感器为例说明NMT非损伤微测技术原理。来源于旭月研究院xbi.org）

<未完待续>

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参考文献

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1)  周专，康华光. 国产膜片钳仪研制成功. 生物化学与生物物理进展, 1990,11(2): 128~137

2)     许越, 邱泽生. 膜片钳技术及其在高等植物细胞研究中的应用与展望. 植物生理学通讯 1993, 29(3): 169~174

3)     印莉萍, 上官宇, 许越. 非损伤性扫描离子选择电极技术及其在高等植物研究中的应用. 自然科学进展. 2006, 16(3):262-266.

4)     丁亚男,许越.非损伤微测技术及其在生物医学研究中的应用.物理. 2007, 36(7): 548-558.

5)     pH计的发明历史： https://www.wonkeedonkeetools.co.uk/soil-ph-meters/a-brief-history-of-the-ph-meter/

6)     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).

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