活體研究智能傳感技術的演進（1）愿望與挑戰

作者：許越   “點擊查看作者自傳”

在活體狀態下進行研究，是生命科學家追求的最佳方法和始終不渝的愿望。

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

從某種意義上來講，膜片鉗技術是一種間接的離子傳感器技術，它需要后續通過能斯特公式的計算，告訴我們它所檢測到的電流究竟是哪種離子產生的。非損傷微測技術從一開始追求的就是一種能夠直接檢測離子甚至分子的技術，就如同實驗室的pH計和O₂濃度計一樣，通過選擇性/特異性的離子/分子傳感器，直接告訴我們所測活體材料內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：

1. 選擇性/特異性離子/分子傳感器（物質）的研發

這類傳感器的研發始終就不是一件十分容易的事情。以玻璃電極pH計為例，從德國科學家Fritz Haber 1909年開始研發，直到1934年才由美國科學家Arnold Beckman發明現代意義上的pH計，經歷了20多年的努力。

隨后人們又嘗試著用其它物質，如高分子化合物，和其它技術，如熒光技術，納米技術，電化學技術等等來實現離子/分子的選擇性/特異性測定。直到1981年（Schulthess等，1981），人們才發現了一種中性載體的高分子液態化合物，它可以和H+進行高選擇性的結合，并使其電學性質發生改變，比如引起該液態化合物的兩側電壓產生變化。

這里有一個容易混淆的概念，就是離子/分子傳感器與離子/分子指示劑的區別。傳感器是可以隨著被測環境里的離子/分子濃度的變化而產生相應化學和電學變化的技術，而指示劑（比如pH試紙）是對被測環境里的某一時刻的離子/分子濃度做出的一次性的化學或電學反應。兩者最大的區別在于，傳感器的反應是雙向可逆的，而指示劑反應是單向不可逆的。這也是為什么傳感器的研發更具挑戰性的原因。

2.     傳感器的反應速度及其電學漂移

我們都有這樣的體驗，就是在實驗室里使用pH計的時候，要想獲得一個穩定的讀數，就必須要耐心地等上一會兒，少則十幾秒，多則幾分鐘。這就是我們常說的傳感器的反應時間。這是因為一定濃度的H+與固體傳感器（這里可能是玻璃）之間形成一個穩定的動態平衡是需要一定時間的。

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

但是，事情還沒有完。我們都知道盡管拿到了一個相對穩定的讀數，但當我們把pH計放到那里一會兒，讀數還是多少會有所變化，這就是電學或電子漂移。就是這個漂移，盡管人們可以把傳感器（電極）做得非常小（市場上現在有不少這樣的微電極），但我們仍無法研究活體生物，無論是體內還是體外的離子/分子濃度的細微變化。 

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

3.     細胞內部及外部的化學及非化學物質的干擾

離子/分子選擇性/特異性傳感器最初的研發者們，總會抑制不住本能的沖動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的離子/分子濃度信息。然而，無論這些傳感器能夠做到多小，一個微米甚至以下，還是定位技術多么高超，細胞內的各種離子，蛋白質，多糖，高分子化合物等等，將這些傳感器尖端部位團團包圍，很快使其信號失去可信度。

然而膜片鉗通過置換玻璃電極，甚至細胞內外的環境溶液，巧妙地解決了來自于細胞內部及外部的各種干擾，因此其信號的可信性是無可挑剔的。

那么，離子/分子選擇性/特異性傳感器技術能否借鑒膜片鉗的思路，設計或找到一個可以控制的液體環境，從而讓自己的數據堅實可信。就是基于這樣的想法，促使NMT非損傷微測技術誕生了（Kühtreiber等1990）。

（以Na+選擇性傳感器為例說明NMT非損傷微測技術原理。來源于旭月研究院xbi.org）

參考文獻

• 周專，康華光. 國產膜片鉗儀研制成功. 生物化學與生物物理進展, 1990,11(2): 128~137

• 許越, 邱澤生. 膜片鉗技術及其在高等植物細胞研究中的應用與展望. 植物生理學通訊 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及其在高等植物研究中的應用. 自然科學進展. 2006, 16(3):262-266.

• 丁亞男,許越.非損傷微測技術及其在生物醫學研究中的應用.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.