活體研究智能傳感技術的演進（2）時間與空間

作者：許越   “點擊查看作者自傳”

時間分辨率和空間分辨率，指的是一個檢測技術能夠在時間和空間上提供的最小分辨單位或數值。列文虎克(Anthony Von Leeuwenhoek)發明的能夠看到活細胞的顯微鏡，就是在人類觀察世界的空間分辨率上的一次大的提升。 

膜片鉗技術之所以能夠在90年代獲得諾貝爾獎，一個很重要的原因就是它將人類對世界的感知能力，在時間分辨率上提升到毫秒級別，在空間分辨率上細小到微米級以下（請見下表），而且是對生物活體進行檢測。

(非損傷微測技術與膜片鉗及熒光等化學技術在時間空間分辨率上的區別。來源于旭月研究院 http://xbi.org)

1）時間

膜片鉗技術可以輕而易舉地捉捕到毫秒級（ms）的離子通道的開放和關閉。這點讓依靠反應時間最快也需要秒級的NMT離子分子傳感器的非損傷微測技術望塵莫及。即使有的NMT分子傳感器，比如O2傳感器反應速度可以達到0.8秒（800ms），但面對離子通道的開關研究也無能為力。

然而，如果我們的科研需要幾十分鐘，幾小時，甚至幾十小時地跟蹤研究活體材料的離子/分子活動，非損傷微測技術的時間方面的優勢就體現了出來。因為只要科研人員有辦法保持樣品的活性，由于NMT傳感器不和被測材料進行接觸，所以時間上對非損傷微測技術就不是一個制約因素。有時即使NMT流速傳感器在實驗過程中失效了，或不小心損壞了，沒有關系，馬上換上一個好的傳感器就是了，只要你的樣品還正常就沒有問題。

２）空間

膜片鉗技術通過全細胞等多種靈活的記錄方式（見下圖），極大地豐富了膜片鉗與被測材料之間的空間關系，但是由于該技術對玻璃電極與材料之間高阻封接的必須要求，使得膜片鉗技術對于大于微米材料的操作顯得力不從心。

非損傷微測技術由于不需要接觸被測材料，因此在被測材料的選擇，特別是材料大小上面，相比膜片鉗就有了非常大的自由度（見下圖）。比如，最近面市的‘NMT活體生理檢測儀’可以檢測從微生物群體，一直到小型個體（如斑馬魚）的各種大小材料離子/分子的進出情況。

（非損傷微測技術可以測試的各種活體材料舉例。來源于旭月研究院htt://xbi.org ）

膜片鉗與非損傷微測技術在時間和空間分辨率上面各有千秋，可以根據科研需要進行合理選擇。有時也可以聯合應用則能夠更加說明問題，不但兩者在時間和空間上可以相互印證，而且非損傷微測技術所測得的離子信號是除離子通道在內，還包含有離子載體和轉運體等多種離子運輸載體的共同貢獻。同時還有多糖吸附，細胞或組織表面的電化學作用，以及各種離子分子相互影響的物理，生物和化學的綜合作用的結果。因此也是更加貼近真實的生理狀態的結果。

還有就是我們可以人為設計這些樣品的檢測環境，使其更加接近它們真正的活體狀態。別忘了，畢竟您手中握有的是非損傷微測技術！

3）引發其他聯想

這里有很多時候沒有引起生命科學工作者足夠重視的兩個地方：

1.生物體是多維的立體空間結構，生命活動和生理現象發生在不同的時間尺度

2.每一項技術都有其在時間分辨率和空間分辨率上的特色或極限

 具體而言：

1.生物體是多維的立體空間結構，生命活動和生理現象發生在不同的時間尺度

隨著60年代DNA概念的提出，80年代生物化學的迅速崛起，90年代分子生物學的風靡全球，到近些年各種組學的盛行，科學界一部分人似乎認為只要搞定生命的各種組成成份，就可以解決人類的生老病死等等一切問題了。

然而，半個世紀之后，人們終于承認人類尋找癌癥等病魔的開關基因是不存在的。前一段時間，某些企業想通過基因序列為社會提供疾病/健康預測的服務嘗試，也被以美國FDA為首的各國醫藥管理部門叫停，原因就是這些靜態成份數據不足以支持建立基因組成與各種疾病之間的必然聯系。

也就是說，忽視生物體的在時間和空間上多維度的特點，所得到的結果也必然不能夠反映生命活動的根本真實面目，其衍生的各類實際應用也必然是空中樓閣。

2.每一項技術都有其在時間分辨率和空間分辨率上的特色或極限

也正是由于相當一段時間以來，以生物化學，分子生物學和現在的各種組學為代表的，在生物體成份研究為主導的學科教育和科研大環境下，使得很多從事生命科學研究工作的朋友們，對于某一項技術的時間和空間分辨率定位不是很敏感。

現實是，如圖5所示，當NMT非損傷微測技術告訴你，它所涵蓋的時間和空間分辨率既不同于膜片鉗技術，也有別于其它熒光和放射性物質技術的時候，你的眼睛是否豁然一亮，因為在你面前出現了一個嶄新的、寬闊無垠的科研藍海！道理很簡單，就是你將揭示前人從未涉足的生命現象領域，就像當年的列文虎克一樣。

參考文獻

1）旭月研究院網站 http://xbi.org

2）美國揚格公司網站：http://youngerusa.com

3）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.

4）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.