利用NMT、imOmics和GiP国自然申请指南（2）按科学部与学科板块分类

许越1,2,3,4

1.      中关村旭月非损伤微测技术产业联盟，中国，北京 100080

2.      NMT国际联盟，南迪尔菲尔德 ，美国马萨诸塞州01373

3.      旭月（北京）科技有限公司，中国，北京 100080

4.      美国扬格公司，南迪尔菲尔德 ，美国马萨诸塞州01373

通讯作者：许越, jeff@xuyue.net

2. 基础科学板块：拓展NMT与imOmics的理论边界

尽管NMT技术目前主要应用于生命科学领域，但其基于物理化学原理的特性，以及产生高时空分辨率数据的能力，为基础科学研究提供了丰富的交叉融合机遇。在这一板块申请NSFC，核心思路是“反哺归源”，即利用生命科学问题中获取的NMT数据，推动基础学科的理论和方法创新。

图2：NMT与imOmics在基础科学板块的潜在交叉研究方向。

2.1 数学与物理学：构建生命动态过程的数学物理模型

NMT技术能够捕捉到离子在微米尺度、秒级时间分辨率下的扩散和流动过程，这为数学和物理学研究者提供了前所未有的高质量实验数据。

研究方向建议：

1. 偏微分方程（PDEs）建模：NMT的测量原理基于菲克扩散定律[8]。可以针对复杂的生物结构（如细胞壁、组织间隙）和动态边界条件，建立和求解更为精准的反应-扩散方程组，用以描述离子在细胞微环境中的时空动力学。

2. 随机过程与统计物理：离子通道的开放和关闭本质上是随机过程。可以利用NMT测得的局部离子流涨落数据，建立随机模型，研究离子通道蛋白的构象变化动力学，并与分子动力学模拟结果进行相互验证。

3. 计算物理学与反问题：从NMT测量的体外离子流速数据，反演出细胞膜上离子通道或转运蛋白的精确空间分布和活性强度。这是一个典型的数学物理反问题，具有重要的理论和应用价值。

2.2 化学：面向新分子和新材料的分析化学新方法

NMT的核心是离子/分子选择性微电极。化学学部，特别是分析化学和材料化学方向，可以在此基础上大有可为。

研究方向建议：

1. 新型分子传感器的创制：设计和合成对特定生物小分子（如神经递质、活性氧ROS/RNS、植物激素、药物分子）具有高选择性和高灵敏度的液相或固相离子选择性膜材料，从而极大拓展NMT的可检测分子范围。

2. 电化学界面过程研究：NMT可用于研究电化学过程的动态性。例如，实时监测金属材料在特定腐蚀环境下的离子溶出速率和局部pH变化[9]，为腐蚀科学提供原位、动态的研究新手段。

3. 活体分析化学：将NMT与质谱、光谱等其他分析技术联用，开发多模态的活体原位分析平台，实现对生命活动中化学物质“流量”和“存量”的同步动态表征。

2.3 力学：揭示力-化学信号转导的动态规律

生命系统中，力学信号与化学信号的耦合至关重要（如细胞对基质硬度的感知、血压对血管壁的剪切力等）。NMT为研究这一交叉领域提供了理想工具。

研究方向建议：

1. 生物力学与离子通道：构建“力学加载-NMT监测”同步系统，研究机械应力（拉伸、压缩、流体剪切）如何激活细胞膜上的机械敏感性离子通道（如Piezo通道），并定量分析力学刺激强度与离子（如Ca²⁺）内流速率之间的函数关系。

2. 细胞骨架动力学与离子流：研究细胞在迁移或形变过程中，由细胞骨架重组引起的局部膜张力变化，如何调控离子进出细胞的动态过程，从而揭示力学-化学信号在细胞运动中的协同作用。

2.4 地球科学与天文学：探索宏观世界的微观离子活动

虽然目前NMT在地学和天文学领域尚无直接应用，但其原理可以启发新的研究范式，尤其是在与生物和环境交叉的领域。

研究方向建议：

1. 生物地球化学循环：在受控的微宇宙（Microcosm）实验中，利用NMT实时监测土壤-微生物-植物根系界面关键元素（如N, P, K, Fe）的离子交换通量，为理解全球元素循环的微观驱动机制提供直接证据。

2. 矿物风化与土壤形成：设计实验模拟不同酸碱和有机酸环境下矿物的化学风化过程，利用NMT原位监测矿物表面离子的溶出速率，定量评估生物活动对成土过程的影响。

3. 极端环境生命：对于地外生命探索（天体生物学），NMT可作为一种潜在技术，用于未来探测任务中分析极端环境（如盐湖、热泉）中微生物垫的代谢活动，通过检测其离子交换来判断生命迹象。

3. 技术科学板块：赋能国家战略性新兴产业

技术科学部是连接基础研究与产业应用的桥梁。NMT、imOmics和GiP为信息、材料、工程等领域提供了明确的应用需求和发展方向。

图3：NMT与imOmics在技术科学板块的核心研究方向，旨在推动数据智能、新材料和高端装备的发展。

3.1 信息科学：挖掘imOmics大数据中的科学规律

imOmics研究将产生海量的、高维度的时空动态数据[10]。如何从这些数据中提取有价值的信息，是信息科学面临的挑战和机遇。

研究方向建议：

1. AI驱动的预测生物学：开发基于深度学习（如时空图神经网络，STGNN）的算法，用于分析imOmics数据，识别不同离子/分子流之间的动态关联模式，预测生命系统在特定扰动下的功能响应[10]。

2. 多组学数据融合与可视化：建立能够整合imOmics、基因组学、转录组学、代谢组学数据的多尺度动态模型。开发交互式、多维度的可视化软件，将离子流数据动态地呈现在细胞或组织的三维结构上[10]。

3. GiP数据库构建与数据标准：参与GiP全球数据库的顶层设计，研究活体动态数据的标准化流程、数据确权、安全共享（如区块链技术）等关键技术问题，为我国主导国际数据规则制定提供技术支撑[13]。

3.2 工程与材料科学：研发新一代传感器与功能材料

NMT系统的性能直接依赖于传感器和相关材料。该领域的研究将直接服务于GiP计划对核心设备自主可控的战略需求。

研究方向建议：

1. 微型化与阵列化NMT传感器：利用MEMS（微机电系统）技术，研发芯片化的NMT传感器阵列，实现对样品表面离子/分子流图谱的高通量、高分辨率成像。

2. 新型功能材料：研究离子交换膜、导电聚合物、纳米材料等在离子选择性电极中的应用，旨在提高传感器的选择性、稳定性、响应速度和抗干扰能力。

3. 仿生材料与离子输运：设计并制备具有离子通道功能的仿生纳米孔或智能水凝胶材料，并利用NMT作为表征工具，实时、定量地评估其离子选择性输运性能，为海水淡化、能量转换等领域提供新思路。

3.3 自动化与仪器科学：构建智能化NMT系统与装备

将NMT从实验室仪器发展为可用于大田、临床的自动化、智能化装备，是实现imOmics和GiP宏伟目标的关键一步。

研究方向建议：

1. NMT机器人系统：开发与显微操作系统、微流控芯片或机器人手臂集成的自动化NMT测量平台，实现对复杂样品的全自动、高通量扫描和数据采集。

2. 田间原位NMT监测系统：针对精准农业需求，研发可部署于田间土壤或水培系统中的微型化、低功耗、无线传输的NMT探头，实现对作物根际养分动态的长期原位监测[14]。

3. 临床应用的内窥式NMT探头：探索将NMT传感器与医用内窥镜或手术探针结合的可能性，用于在手术中实时监测病灶组织（如肿瘤）的微环境离子变化，辅助医生精准切除[15]。