CN101609065B - 一种自动化扫描微测离子/分子活性的技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在不接触被测物体的情况下，利用选择性或特异性离子/分子电极，以手动或编程的方式扫描测量进出被测物体离子/分子的绝对浓度、运动速率及三维运动方向等参数的方法，可适用但不局限于与表面离子/分子活动信息相关的诸多领域。本发明包括离子/分子信息检测电极单元、数据采集/放大系统、显微成像系统、可编程三维运动系统以及自动控制/数据处理系统，通过三维运动系统将离子/分子信息检测电极单元精密地置于被测物体表面近距离处，数据采集/放大系统将离子/分子信息检测电极单元输出的检测信号去噪、放大后输出到自动控制/数据处理系统进行分析、处理和显示，由显微成像系统进行实时的监测。本发明可以同时采集多种离子/分子的参数，并且不接触被测物体，对被测物体没有机械损坏，为获得真实完整的被测物体的目标离子/分子信息提供了良好的实验平台。

Description

一种自动化扫描微测离子/分子活性的技术

技术领域

本发明涉及一种适用于多领域的测量物体表面离子和分子活动信息的技术，特别是涉及采用离子/分子选择性或特异性微电极非接触地测量被测物体表面的离子/分子的绝对浓度、流动速率及三维运动方向信息的光机电一体化技术。

背景技术

近年来，电子线路技术和计算机硬件软件得到了巨大的发展，显微镜计算机成像技术得到了越来越广泛的应用，并与自动化控制技术相结合，给微测技术提供了一个良好的平台。物质在液体环境中有从高浓度到低浓度扩散的趋势。对于带电粒子而言，还有从高电化学电势到低电化学电势运动的趋势。如果离子电极的移动距离在几十微米以下，材料科学实验证明，影响带电粒子运动的电化学电势的梯度可以忽略不计，那么，该离子的扩散运动速率可以通过Fick第一扩散定律计算出来。离子/分子选择性微电极是近年来获得广泛应用的电化学传感器，主要由膜、内参比液和参比电极组成。离子/分子选择性微电极在待测离子/分子浓度梯度表面以已知距离dx进行两点测量，并分别获得电压V₁和V₂。两点间的浓度差dc则可以从V₁和V₂及已知的该电极的电压/浓度校正曲线计算获得。D是离子/分子特异的扩散常数，将它们代入Fick第一扩散定律公式：J₀＝-Ddc/dx，可获得该离子的移动速率，即：每一秒钟通过一个平方厘米的该离子/分子摩尔数。离子/分子选择性微电极种类有玻璃电极、金属电极、碳丝电极等等，可以测量的离子和分子有H⁺，Ca²⁺，K⁺，Al³⁺，Na⁺，Cd²⁺，Cl^-和O₂，CO₂，NO等等，被测材料可以是细胞、组织器官等生命物质或金属、涂料涂层等非生命材料。步进电机运动系统是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的定位运动系统，由步进电机及电机驱动控制器构成。当步进电机驱动控制器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，因此，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量达到准确定位的目的。随着步进电机驱动控制技术的发展，步进电机运行的精密定位精度和平稳性得到了极大的提高。

本发明在上述技术的基础上，创造性的提供一种自动化扫描微测离子/分子活性的技术，在不接触被测物体的前提下，按照研究人员的设定以手动或编程的方式方便、快捷、三维地测量进出被测材料表面的离子和分子的绝对浓度、流动速率及三维运动方向信息的技术，并且可以采用多电极测量多个分子和离子的流动速率和方向，以便更好的获得进出被测材料的离子和分子信息。本发明的被测材料可以是生命活体的细胞器、单个或多个细胞、组织、器官等或非生命物质中表面具有离子/分子活动的各类材料，与被测材料非接触，不污染被测材料，可以检测离子、分子及其他特异选择性电极可以探知的物质的流动速率及方向，可以对被测材料进行三维立体的扫描，有利于从整体上分析离子/分子携带的活动信息。

发明内容

本发明提供一种在不接触被测物体的前提下，利用选择性或特异性的离子/分子电极，以手动或编程的方式实时、三维地测量进出被测材料表面的离子和分子的绝对浓度、流动速率及三维运动方向等信息的技术，并且可以采用多电极测量多个目标离子/分子，以便更全面的获得进出被测材料的离子和分子信息，有利于分析被测材料的多个离子/分子的活性，提高数据参数采集量。

为实现上述的发明目的，本发明提供下述的技术方案，包括：离子/分子信息检测电极单元(1)、数据采集/放大系统(2)、显微成像系统(3)、可编程三维运动系统(4)以及自动控制/数据处理系统(5)。单个或多个具有选择性或特异性的离子/分子电极(1-2)置于被测物体(1-3)表面近距离处，自动控制/数据处理系统(5)连接并设定电极运动控制器(4-1)，电极运动控制器(4-1)连接并控制三维步进电机(4-2)，从而带动多个离子/分子选择电极(1-2)在整个测量过程中进行三维的非接触测量，由数据采集/放大系统(2)采集其反馈的电压或电流信号等经去噪、放大后输入至数据处理软件(5-1)进行处理分析，得出被测材料(1-3)表面多种目标选择离子/分子的绝对浓度、运动速率及三维运动方向等参数，并通过显示屏幕多通道显示其分析记录的检测数据和显微镜显示实时监控信息，实时监控多个离子/分子选择电极(1-2)和被测材料(1-3)的状况。

下面详细说明本技术发明的系统各部件组成及结构关系。

所述离子/分子信息检测单元(1)包括一个参比电极(1-1)、多个离子/分子选择电极(1-2)、被测材料(1-3)、测量介质(1-4)及检测容器(1-5)，多个离子/分子选择电极根据目标离子/分子来选定添加，固定于三维步进电机的单个或多个机械臂上，可以是玻璃电极、金属电极、碳丝电极、光纤电极、其它选择性电极或特异性选择电极。电极引线与数据采集/放大系统(2)连接。参比电极接地，参比电极距被测材料要保持一定的距离，以避免干扰测量信号。参比电极、被测材料以及多个离子/分子选择电极置于测量介质中，多个离子/分子电极要求置于被测材料近距离处进行测量。被测材料可以是生命活体的细胞器、单个或多个细胞、组织、器官等或非生命物质中表面具有离子/分子活性的各类材料。测量介质可以为液态或气态的各类介质。

所述数据采集/放大系统(2)可以分为数据串行采集/放大系统和数据并行采集/放大系统两种。数据串行采集/放大系统由智能开关(2-1)、微处理器(2-2)、信号放大电路(2-3)组成。自动控制/数据处理系统(5)通过串口连接并设定微处理器(2-2)程序，微处理器(2-2)控制智能开关(2-1)依次接通多个离子/分子选择电极(1-2)，多个离子/分子检测信号通过智能开关(2)依次输出到信号放大电路(2-3)，经信号放大电路(2-3)去除背景电压差分信号噪声后放大输出到自动控制/数据处理系统(5)。数据并行采集/放大系统由信号放大电路(2-3)、数据采集卡(2-4)、微处理器(2-2)组成。多个离子/分子检测信号同时经多个信号放大电路(2-3)进行模数转换、去除背景电压差分信号噪声后放大输出到数据采集卡(2-4)，微处理器(2-2)从数据采集卡(2-4)中读取多个检测信号并输出到自动控制/数据处理系统(5)。所用的微处理器可以是单片机、DSP等嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器。

所述显微成像系统(3)包括显微镜(3-1)和摄像机(3-2)，显微镜可以是普通显微镜，也可以是其它光学显微镜，显微镜分别与电极运动控制器及摄像机连接，摄像机与计算机数据处理系统连接。在整个测量过程中显微镜可采用手动或电脑自动控制聚焦对被测材料(1-3)以及多个离子/分子选择电极(1-2)进行实时的监控和图像的捕捉，同时监控的信息和图像传输到计算机的图像捕捉卡(5-2)中，从而实现测量的实时监控和图像的储存。

所述三维运动系统(4)包括电极运动控制器(4-1)和三维步进电机(4-2)，电极运动控制器(4-1)分别与自动控制/数据处理系统(5)、三维步进电机以及显微成像系统(3)的显微镜连接，在自动控制/数据处理系统(5)的控制下，一方面通过三维步进电机对多个离子/分子选择电极进行三维运动控制，使得多个离子/分子选择电极以三维运动的方式实时地采集进出被测材料离子/分子活动的信息，另一方面电极运动控制器对显微成像系统的显微镜进行自动调焦，以便在测量过程中对多个离子/分子选择电极及被测材料进行实时监控。

所述自动控制/数据处理系统(5)包括数据处理软件/自动控制操作系统(5-1)，图像捕捉卡(5-2)，A/D转换器(5-3)和D/A转换器(5-4)、并行接口(5-5)和串行接口(5-6)。数据采集/放大系统(2)输出的离子/分子检测信号经过A/D转换器和D/A转换器处理后输入到数据处理软件/自动控制操作系统，实现对离子和分子信号的采集、储存、分析并多通道显示所记录的数据参数。数据处理软件在显示屏上提供多参数设定窗口、用于记录离子/分子活动信息的多通道实时显示数据的记录窗口、用于分析所记录数据的数据分析窗口等。同时，自动控制/数据处理系统(5)通过并行接口分别与电极运动控制器和图像捕捉卡连接，一方面采用可编程的方式控制电极运动控制器，实现多个离子/分子选择电极的三维运动，以便实时、动态地对被测材料进行测量；另一方面通过图像捕捉卡接收来自显微成像系统的实时监控信息，实现在整个测量过程中的实时监控和图像的储存。

本发明提供的技术集成当今微电子、计算机、精密机械加工、物理、数学、高分子化学、碳纳米技术及光学显微技术等多学科优秀成果，为科研人员提供易操作的软硬件平台技术，同时，本发明的技术以非接触、多离子/分子同时检测及灵活的三维空间自动化扫描测量方式，通过数据分析软件实时、三维、动态地记录进出被测材料的离子/分子变化的信息，有利于从整体上分析离子/分子携带的活动信息。本发明提供的技术作为一个有价值的技术平台，应用领域不断扩大，可应用于但不局限于基础生物学、生理学、神经生物学、空间生物学、临床医学、基础医学、病理学、毒理学、营养学、药物机理研究及材料腐蚀机理研究等领域。

附图说明

图1为一种自动化扫描微测离子/分子活性的技术组成示意图。

图2为一种串行采集数据的自动化扫描微测离子/分子活性的技术电路原理图。

图3为一种并行采集数据的自动化扫描微测离子/分子活性的技术电路原理图

图4为自动化扫描微测离子/分子活性的技术测得的大豆下胚轴H⁺流速变化图

图5为自动化扫描微测离子/分子活性的技术测得的大豆下胚轴吸收O₂的电流变化图

图6为自动化扫描微测离子/分子活性的技术测得的乳腺癌细胞耐药株MCF-7/R和敏感株MCF-7/S加药前后pHe(外部H⁺浓度)的变化

图7为自动化扫描微测离子/分子活性的技术测得的乳腺癌细胞耐药株MCF-7/R和敏感株MCF-7/S加药前后H⁺流的变化

图8为自动化扫描微测离子/分子活性的技术测得的MCF-7细胞外H⁺活性加药前后的变化

图9为自动化扫描微测离子/分子活性的技术测得的车轮钢表面裂纹区域pH值分布图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本技术发明做进一步说明。

如图1所示，多电极测量的自动化扫描微测离子/分子活性的技术包括离子/分子信息检测电极单元(1)、数据采集/放大系统(2)、显微成像系统(3)、可编程三维运动系统(4)以及自动控制/数据处理系统(5)。

实施例1

本发明的实施例1为数据串行采集的自动化扫描微测离子/分子活性的技术电路原理图，如图2所示。

多个离子/分子选择电极(1-2)固定在三维步进电机(4-2)的机械臂上，多个离子/分子选择电极(1-2)的引线与智能开关(2-1)连接，智能开关(2-1)分别与微处理器(2-2)和前置放大器(2-3-1)连接，微处理器(2-2)通过串行接口(5-6)与自动控制/数据处理系统(5)连接，前置放大器(2-3-1)与差分放大器(2-3-2)连接，差分放大器(2-3-2)与自动控制/数据处理系统(5)连接，自动控制/数据处理系统(5)还分别与电极运动控制器(4-1)和显微成像系统(3)连接，电极运动控制器(4-1)分别与三维步进电机(4-2)和显微成像系统(3)的显微镜(3-1)连接。

当多个离子/分子选择电极(1-2)进行检测时，自动控制/数据处理系统(5)通过一个串行接口(5-6)设定微处理器(2-2)，微处理器(2-2)进而控制智能开关(2-1)依次接通多个离子/分子选择电极(1-2)，从而将各个离子/分子检测信号通过智能开关(2-1)依次输出到前置放大器(2-3-1)，检测信号进入差分放大器(2-3-2)后分别经A/D转换器(5-3)和D/A转换器(5-4)处理，去除背景电压差分信号噪声，最终将多个离子/分子选择电极(1-2)检测到的离子/分子活动信号放大后输入到数据处理软件和自动控制操作系统(5-1)，经数据处理软件进行数据分析和处理，通过显示屏幕多通道显示和分析所记录的数据；同时，在测量过程中自动控制/数据处理系统(5)通过图像捕捉卡(5-2)与显微成像系统(3)连接，从而实现测试过程中对被测材料(1-3)以及多个离子/分子选择电极(1-2)进行实时地图像捕捉和监控；另外，在测量过程中计算机数据处理系统(7)与电极运动控制器(4-1)连接，电极运动控制器(4-1)分别与三维步进电机(4-2)以及显微成像系统(3)的显微镜(3-1)连接，一方面电极运动控制器(4-1)通过三维步进电机(4-2)实现对多个离子/分子选择电极(1-2)的三维运动控制，另一方面电极运动控制器(4-1)对显微成像系统(3)的显微镜(3-1)进行自动调焦，以便在测量过程中对多个离子/分子选择电极(1-2)及被测材料(1-3)进行实时监控。

上述实施例采用计算机数据处理系统控制微处理器(2-2)，微处理器(2-2)进一步控制智能开关(2-1)，通过多个离子/分子选择电极(1-2)依次测量各个离子/分子的活动信息，实现了检测过程中对多个分子和离子的测量，有利于分析被测材料的多个离子/分子的活性，使得在测量方式和数据参数采集量上都得到明显的改进。

实施例2

本发明的实施例2为一种数据并行采集的多电极测量的自动化扫描微测离子/分子活性的技术电路原理图，如图3所示。

本实施例与实施例1相比，主要区别在于数据采集部分。当多个离子/分子选择电极(1-2)进行检测时，其各个离子/分子选择电极输出的检测信号经多路去噪/放大器(2-3-3)放大后由并行的数据采集卡(2-4)采集，并将信号输送给具有多个I/O口的微处理器(2-2)，经微处理器(2-2)处理后经串口通讯发送到自动控制/数据处理系统(5)进行分析。

实施例3

本实施例为自动化扫描微测离子/分子活性的技术在植物研究领域的应用。在本实施例中，利用自动化扫描微测离子/分子活性的技术，在活体和非接触条件下，通过同时测量胚轴区域的H⁺和O₂流动速率变化，建立了一个基于双电极自动化扫描微测离子/分子活性的种子活力检测方法。

实验材料采用中国农业科学院选育的大豆种子“中作062”，此品种是冷敏感型种子。对照种子在22℃培养箱中吸胀24小时，处理种子在4℃生化培养箱中冷水浸泡24小时。之后取其下胚轴进行实验。对照与处理种子随后放入22℃培养箱中生长7天，然后统计发芽率。下胚轴进行TTC染色以及利用自动化扫描微测离子/分子活性的技术进行H⁺和O₂的测定。

测量结果如图4、图5所示。其中CK为对照种子，具有高活力；CT为冷处理种子，活力很低。图4为大豆下胚轴H⁺流速变化，其中H⁺流速为正值时表示H⁺外流；负值表示H⁺内流。高活力种子的H⁺外流平缓，变化幅度小，而低活力种子的H⁺外流剧烈，变化幅度大。图5为大豆下胚轴吸收O₂的电流变化。高活力种子的O₂活性表现平缓，变化幅度小，而低活力种子的O₂活性表现剧烈，变化幅度大。

实验结果表明：H⁺作为细胞膜上ATPase活性的直接参与者，是细胞膜完整性与功能发挥的关键。线粒体能否正常而有序地进行呼吸作用，也是种子活力高低的一个重要指标。高活力种子的细胞膜系统完整，线粒体发育和功能正常，而低活力种子的细胞膜受到损伤，离子外流，线粒体发育受阻，电子传递链被阻断，从而导致呼吸不畅，最终表现出O₂变化的紊乱，细胞无法通过正常的途径去调控这一生物体内最重要的产能过程，最终导致种子死亡。通过H⁺和O₂的变化可以反映细胞膜和线粒体的状态，H⁺和O₂的变化剧烈且数值越大，则说明该种子活力越低，反之则活力越高，以此我们可以进行种子活力高低的检测。

自动化扫描微测离子/分子活性的技术在检测种子活力时无需对种子进行特殊处理，并对被测材料不造成任何损伤，可以更加准确地反映被测种子真实生理状况。因此自动化扫描微测离子/分子活性的技术不仅为科学研究中种子活力的检测提供了新方法，也为生产实践、种质资源的保护、种子的检验检疫提供了新手段。

实施例4

本实施例为自动化扫描微测离子/分子活性的技术在药理学研究领域的应用。在本实施例中，利用自动化扫描微测离子/分子活性的技术，测量人乳腺癌细胞在化疗药物阿霉素处理下H⁺流动方向和速率的变化。

使用本实施例中的自动化扫描微测离子/分子活性的技术，以静态和动态的方式选择性地测定离子浓度。选择性微电极在预先确定距离(5～30μm)的两点间重复运动，从而测得特定离子的绝对浓度或浓度梯度，获得乳腺癌细胞(MCF-7/S及MCF-7/R)pHe值(附图6)的同时，获得跨膜H⁺流的实时动态信息(附图7)。加药前，耐药株的pHe值持续稳定的高于敏感株；而加药后，二者的pHe值出现巨大反差。敏感株和耐药株的pHe值均下降，但敏感株的pHe值明显高于耐药株，且二者的pHe值差也显著增大(附图6)。附图7中H⁺流速为正值时表示H⁺外流，即流出细胞；为负值表示H⁺内流，即流入细胞。耐药株和敏感株加药前后H⁺的内流或外流均呈现振荡的特征，振荡幅度的变化不尽相同。加药前，耐药株的H⁺流速基本稳定，内流与外流交替；敏感株的H⁺大多数时间成内流趋势，流速不断发生变化。在加药后，由于弱碱性药物的作用，耐药株的H⁺全部外流，且流速增大；敏感株的H⁺出现内流与外流交替，外流速率较内流速率明显增大。加药后H⁺流振荡的幅度耐药株明显比敏感株大，且耐药株H⁺流加药后振荡幅度明显比加药前增强，而敏感株加药前后振荡幅度变化不明显。加药后，耐药株的H⁺外流速率明显高于敏感株，而两者的pHe也相应降低，且耐药株降低幅度明显大于敏感株。分别对耐药株及敏感株5个细胞所测得的H⁺流变化进行数理统计(附图8)。耐药株加药前净H⁺流接近零，加药后H⁺强烈外流，均值为34.7pico moles cm^-2s^-1；敏感株加药前净H⁺流呈明显内流(-17.4pico moles cm^-2s^-1)，加药后H⁺转为外流(7.5pico moles cm^-2s^-1)。

本实施例说明，人乳腺癌细胞耐药株和敏感株对化疗药物ADR的敏感程度明显不同，表明自动化扫描微测离子/分子活性的技术可以为药理学研究提供一种新的思路和手段。

实施例5

本实施例为自动化扫描微测离子/分子活性的技术在研究金属材料腐蚀领域的应用。在本实施例中，利用自动化扫描微测离子/分子活性的技术，测量置于电解液中的金属材料表面裂纹处pH值的分布。

在电解液中，金属与金属或金属与非金属表面之间构成狭窄的缝隙，缝隙内有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池，从而产生局部腐蚀，这种腐蚀被称为缝隙腐蚀。

在本实施例中，选用车轮钢进行打孔，孔洞周围容易产生裂纹。将样品钢块置于电解液中，利用本发明的技术自动化扫描测量孔洞整体表面的pH值。图9所示为裂纹区域局部扫描放大图，从图中可以发现，裂纹处形成了浓差电池，pH值降低较为明显。

本实施例表面，自动化扫描微测离子/分子活性的技术也为如材料腐蚀研究等其它领域提供极有价值的技术平台。

Claims (3)

1.一种自动化扫描微测离子/分子活性技术在种子活力测量中的应用，其特征在于，所述的自动化扫描微测离子/分子活性技术能够通过测量冷敏感型种子胚轴区域的H⁺和O₂流动速率变化来检测种子的活力。

2.一种自动化扫描微测离子/分子活性技术在种子活力测量中的应用，其特征在于，所述的自动化扫描微测离子/分子活性技术测量冷敏感型种子的活力的方法为对照种子在22℃培养箱中吸胀24小时、处理种子在4℃生化培养箱中冷水浸泡24小时之后取其下胚轴进行实验。

3.根据权利要求2所述的一种自动化扫描微测离子/分子活性技术在种子活力测量中的应用，其特征在于，所述的冷敏感型种子的活力与离子/分子活性的关系是高活力种子的H⁺外流平缓，变化幅度小，而低活力种子的H⁺外流剧烈，变化幅度大；高活力种子的O₂活性表现平缓，变化幅度小，而低活力种子的O₂活性表现剧烈，变化幅度大；H⁺和O₂的变化剧烈且数值越大，则说明该种子活力越低，反之则活力越高。

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