CN101988899A - 一种测量分离子流动信息的光学方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过光学手段测量样品内部或外部分离子流动速率、流动方向等流动信息的方法。本发明包括显微镜(1)、光信号采集单元(2)以及数据分析/控制单元(3)。光信号采集单元(2)采集显微镜(1)反映的被测样品光学信号，将该光学信号传输到数据分析/控制单元(3)；数据分析/控制单元(3)不仅能够分析该光学信号得出被测样品内部或外部分离子流动信息，还能根据测量要求发出控制信号给显微镜(1)，控制显微镜(1)调焦及被测样品运动。该方法对被测样品影响极小，操作过程自动化程度高，所获数据全面稳定可靠，能够应用于生物活体及非生物体等诸多样品的测量。

Description

一种测量分离子流动信息的光学方法

技术领域：

本发明涉及一种通过光学手段测量样品内部或外部分离子流动速率、流动方向等流动信息的方法，特别是涉及通过测量样品内部或外部不同测量点上分离子浓度及不同测量点间距离换算获得分离子流动信息的技术，属光电机一体化技术领域。

背景技术：

在生命科学、医学、药学、农学、材料科学等诸多基础研究及实际应用领域，离子和分子的作用越来越受到重视。对分离子信息的测量已经成为表征被测样品相关功能与机制的重要手段。光学方法是测量分离子信息的重要方法，荧光技术、激光共聚焦技术等相应技术都已经比较成熟。但现有光学方法对分离子的测量所获得的都是分离子的静态浓度信息，而分离子在实际被测样品中通常是以流动的动态状态存在，仅对静态浓度信息的检测往往不能最真实的反映被测样品的实际状况。

以微电极为测量手段，直接检测被测样品分离子流动速率、流动方向等流动信息的方法已有报道。但该方法受到微电极工艺水平的限制，目前可以测量的分离子种类还比较有限；而且由于微电极测量方式本身的限制，一般只能测量被测样品外部的分离子流动信息，存在一定的局限性。

分离子流动信息一般指某一测量点上分离子流动速度矢量值，实际测量中可用分离子流动速率和流动方向来表征。流动速率指流动速度大小的绝对值，流动方向指分离子运动的指向。流动速率测量的理论基础是Fick扩散定律，其基本公式可表示为J₀＝-D·dc/dx，D是某种离子或分子已知的扩散常数，dc表示两点间的浓度差(更严格的说，应为活度差)，dx表示两点间的距离。Fick扩散定律有效的dx范围一般为5-35微米。流动方向测量的理论基础是分离子总是由高浓度区域向低浓度区域扩散运动(由于一般环境中的电磁场非常微弱，离子带电导致的电磁运动可忽略不计)。因此实际测量中，对某一测量点分离子流动速率和流动方向的测量需要借助该测量点和临近的其他测量点上的分离子浓度信息。

随着光学技术的不断发展和光电技术的逐步成熟，光学方法如激光共聚焦技术、荧光技术等已经能够非常精确的测量样品内部或外部不同测量点上分离子的浓度信息，目前测量精度已达到10^-9量级。相应的光学信息采集装置，如全自动影像追踪系统等，已经形成商业化产品。这些产品不仅能够采集反映不同测量点上分离子浓度的光学信息，还能够精确确定不同测量点间的距离。利用不同测量点上的分离子浓度及测量点间的距离信息，可以换算得出分离子的流动信息。但是，基于上述原理测量分离子流动信息的光学方法还未见报道。

发明内容：

本发明提供一种测量分离子流动信息的光学方法，包括显微镜、光信号采集单元以及数据分析/控制单元。

下面具体说明本发明各单元的部件及连接关系。

所述的显微镜要求能够通过光学手段反映被测样品内部或外部不同测量点上的分离子浓度信息，能实现这一功能的显微镜包括荧光显微镜、激光共聚焦显微镜等等。

所述的光信号采集单元是一种光电硬件设备，要求既能够采集显微镜反映被测样品内部或外部不同测量点上分离子浓度信息的光学信号，还能够确定上述不同测量点间的距离，精确程度至少达到微米级。能实现以上功能的硬件设备包括全自动影像追踪系统或其他形式的追踪系统等等。

所述的数据分析/控制单元包括软件单元及硬件单元，硬件单元是软件单元的物质载体，软件单元通过硬件单元发挥功能。软件单元集成了光学信号分析、流动信息换算、被测样品运动控制等功能，既可以分析光信号采集单元采集的光学信号，换算成为分离子的流动信息，又可以依据预先设定的测量要求发出控制信号给显微镜，控制显微镜对焦及被测样品的移动。

各单元的连接关系为：显微镜、光信号采集单元分别和数据分析/控制单元连接，显微镜和光信号采集单元相互连接。

测量开始后，光信号采集单元采集显微镜反映被测样品内部或外部不同测量点上分离子浓度信息及不同测量点距离信息的光学信号，将该光学信号传输到数据分析/控制单元。数据分析/控制单元分析该光学信号换算得出被测样品内部或外部分离子流动信息。测量过程中，显微镜既可以手动调焦及移动样品，也可以根据数据分析/控制单元发出的控制信号自动对焦及控制被测样品运动，实现测量过程自动化。

本发明采用光学技术进行样品分离子流动信息的测量，被测样品范围涵盖任何能够通过光学手段反映其内部或外部不同测量点上分离子浓度信息的样品，既可以是细胞、组织、器官等生物活体样品，也可以是非生物体样品。

光学方法测量样品分离子浓度的技术经过长期发展，可测量分离子种类已达到上百种，既包括Ca⁺、H⁺、Na⁺、K⁺等常见离子，也包括O₂、NO、ATP、氨基酸等小分子甚至一些蛋白质等大分子。通过光学指示剂显微注射等技术手段，既可以测量样品内部，也可以样品外部的分离子浓度信息。光学方法对样品分离子浓度信息的测量在被测分离子种类、被测样品范围方面都具有其他技术难以比拟的优势。其所获得的信息精度较高，重复性好。

本发明提供的一种测量分离子流动信息的光学方法，在现有测量分离子浓度光学方法的基础上增加获得分离子流动信息的功能，可测分离子种类丰富，被测样品范围广。测量过程对样品自身影响小，数据精度较高，可重复性好，操作过程也较为简单。基础研究及实际应用的诸多领域中都能使用到本发明。

附图说明：

图1为一种测量分离子流动信息的光学方法的组成及连接示意图。

图2为玉米卵细胞内部钙离子流动信息的测量说明(图片进行了适当放大)。

图3为测量点A在X、Y轴两个方向上流动信息的合成说明。

具体实施方式：

下面用实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这一实施例。

实施例：

如图1所示，一种测量分离子流动信息的光学方法包括显微镜1、光信号采集单元2以及数据分析/控制单元3。在实际使用时，显微镜及光信号采集单元可根据使用要求选择合适的类型。本实施例中显微镜选用荧光显微镜，信号采集单元选用全自动影像追踪系统。

本实施例测量玉米卵细胞内部钙离子的流动信息。被测玉米卵细胞中导入钙离子荧光指示剂后，置于荧光显微镜载物台上。荧光显微镜激发钙离子荧光指示剂发射荧光。全自动影像追踪系统以每个像素作为一个测量点，将显微镜视野范围内每个测量点的荧光强度及测量点间的距离信息传输到数据分析/控制单元。

数据分析/控制单元的软件单元允许实验人员预先以对话框或编程方式输入测量要求。本实施例中，要求测量二维平面内A点上的钙离子流速信息。如图2所示，软件单元以A点为相对坐标原点，在X轴方向选取距A点10微米的测量点B，在Y轴方向选取距A点10微米的测量点C，分别将这三个点的荧光强度转换为对应的钙离子浓度。在X、Y轴上分别换算对应的流动速率分量J_x、J_y及流动方向。换算以Fick扩散定律为基础，考虑细胞内液成分对钙离子活度的影响对dc进行修正后，得到的流动速率J_x为11.47pmol·cm^-2·s^-1，方向由A点指向B点，J_y为13.22pmol·cm^-2·s^-1，方向由A点指向C点。X、Y轴两个方向上的流动信息如图3所示合成后，得到二维平面内A点的流动速率为17.50pmol·cm^-2·s^-1，方向为从A点沿X轴逆时针旋转49.1度角指向X轴正无穷大。

至此对A点流动信息的测量完成。再测量其他点流动信息时，可能需要显微镜重新对焦或移动卵细胞样品。这个过程既可以手动调节完成，也可以预先在测量要求中设置控制信息，数据分析/控制单元根据上述控制信息发出控制信号给显微镜，控制显微镜Z轴运动完成自动对焦，控制载物台的X、Y、Z轴运动带动卵细胞样品移动，自动完成调节过程。

Claims (5)

1.一种测量分离子流动信息的光学方法，其特征是，所述的一种测量分离子流动信息的光学方法包括显微镜(1)、光信号采集单元(2)以及数据分析/控制单元(3)；所述的显微镜(1)是能够通过光学手段反映被测样品内部或外部不同测量点上分离子浓度信息的显微镜，如荧光显微镜、激光共聚焦显微镜等；

所述的光信号采集单元(2)是不仅能够采集显微镜(1)反映被测样品内部或外部不同测量点上分离子浓度信息的光学信号，还能够确定上述不同测量点间的距离，精确程度至少达到微米级的硬件设备；

所述的数据分析/控制单元(3)包括软件单元及硬件单元，硬件单元是软件单元的物质载体，软件单元通过硬件单元发挥功能；所述的软件单元集成了光学信号分析、流动信息换算、被测样品运动控制等功能。

2.根据权利要求1所述的一种测量分离子流动信息的光学方法，其特征是，所述的一种测量分离子流动信息的光学方法的被测样品包括能够通过光学手段反映其内部或外部不同测量点上分离子浓度信息的任何样品，既可以是细胞、组织、器官等生物活体样品，也可以是非生物体样品。

3.根据权利要求1所述的一种测量分离子流动信息的光学方法，其特征是，所述的一种测量分离子流动信息的光学方法首先采集被测样品内部或外部不同测量点上分离子的浓度及不同测量点的距离信息，再根据上述浓度、距离信息及其他相关信息换算获得分离子流动速率、流动方向等流动信息。

4.根据权利要求1所述的一种测量分离子流动信息的光学方法，其特征是，所述的一种测量分离子流动信息的光学方法能够测量一维、二维及三维的分离子流动信息。

5.根据权利要求1所述的一种测量分离子流动信息的光学方法，其特征是，所述的显微镜(1)、光信号采集单元(2)分别和数据分析/控制单元(3)连接，显微镜(1)和光信号采集单元(2)相互连接；

所述的光信号采集单元(2)采集显微镜(1)反映被测样品内部或外部不同测量点上分离子浓度信息及不同测量点距离信息的光学信号，将该光学信号传输到数据分析/控制单元(3)；数据分析/控制单元(3)分析该光学信号换算得出被测样品内部或外部分离子流动信息；所述的显微镜(1)在测量过程中既可以手动调焦及移动样品，也可以根据数据分析/控制单元(3)发出的控制信号自动对焦及控制被测样品运动，实现测量过程自动化。

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