專利名稱：一種自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于多領(lǐng)域的測(cè)量物體表面離子和分子活動(dòng)信息的技術(shù)，特別是涉及 采用離子/分子選擇性或特異性微電極非接觸地測(cè)量被測(cè)物體表面的離子/分子的絕對(duì)濃度、 流動(dòng)速率及三維運(yùn)動(dòng)方向信息的光機(jī)電一體化技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，電子線路技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件軟件得到了巨大的發(fā)展，顯微鏡計(jì)算機(jī)成像技術(shù)得 到了越來越廣泛的應(yīng)用，并與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合，給微測(cè)技術(shù)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。 物質(zhì)在液體環(huán)境中有從高濃度到低濃度擴(kuò)散的趨勢(shì)。對(duì)于帶電粒子而言，還有從高電化學(xué)電 勢(shì)到低電化學(xué)電勢(shì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。如果離子電極的移動(dòng)距離在幾十微米以下，材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)證 明，影響帶電粒子運(yùn)動(dòng)的電化學(xué)電勢(shì)的梯度可以忽略不計(jì)，那么，該離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速率可 以通過Fick第一擴(kuò)散定律計(jì)算出來。離子/分子選擇性微電極是近年來獲得廣泛應(yīng)用的電化學(xué) 傳感器，主要由膜、內(nèi)參比液和參比電極組成。離子/分子選擇性微電極在待測(cè)離子/分子濃 度梯度表面以已知距離dx進(jìn)行兩點(diǎn)測(cè)量，并分別獲得電壓V,和V2。兩點(diǎn)間的濃度差A(yù)則可以 從V,和V2及已知的該電極的電壓/濃度校iH曲線計(jì)算獲得。D是離子/分子特異的擴(kuò)散常數(shù)，將
它們代入Fick第一擴(kuò)散定律公式J(^-D^/"X ，可獲得該離子的移動(dòng)速率，即每一秒鐘
通過一個(gè)平方厘米的該離子/分子摩爾數(shù)。離子/分子選擇性微電極種類有玻璃電極、金屬電
極、碳絲電極等等，可以測(cè)量的離子和分子有H+， Ca2+， K+， Al3+， Na+， Cd2+， (3「和02， C02， NO等等，被測(cè)材料可以是細(xì)胞、組織器官等生命物質(zhì)或金屬、涂料涂層等非生命材料。 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由步進(jìn)電 機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成。當(dāng)歩進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，因此，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量達(dá)到準(zhǔn)確 定位的目的。隨著步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的精密定位精度和平穩(wěn)性得 到了極大的提高。
本發(fā)明在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的提供一種自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)， 在不接觸被測(cè)物體的前提下，按照研究人員的設(shè)定以手動(dòng)或編程的方式方便、快捷、三維地 測(cè)量進(jìn)出被測(cè)材料表面的離子和分子的絕對(duì)濃度、流動(dòng)速率及三維運(yùn)動(dòng)方向信息的技術(shù)，并 且可以采用多電極測(cè)量多個(gè)分子和離子的流動(dòng)速率和方向，以便更好的獲得進(jìn)出被測(cè)材料的 離子和分子信息。本發(fā)明的被測(cè)材料可以是生命活體的細(xì)胞器、單個(gè)或多個(gè)細(xì)胞、組織、器 官等或非生命物質(zhì)中表面具有離子/分子活動(dòng)的各類材料，與被測(cè)材料非接觸，不污染被測(cè)材料，可以檢測(cè)離子、分子及其他特異選擇性電極可以探知的物質(zhì)的流動(dòng)速率及方向，可以對(duì) 被測(cè)材料進(jìn)行三維立體的掃描，有利于從整體上分析離子Z分子攜帶的活動(dòng)信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在不接觸被測(cè)物體的前提下，利用選擇性或特異性的離子/分子電極，以 手動(dòng)或編程的方式實(shí)時(shí)、三維地測(cè)量進(jìn)出被測(cè)材料表面的離子和分子的絕對(duì)濃度、流動(dòng)速率 及三維運(yùn)動(dòng)方向等信息的技術(shù)，并且可以采用多電極測(cè)量多個(gè)目標(biāo)離子/分子，以便更全面的 獲得進(jìn)出被測(cè)材料的離子和分子信息，有利于分析被測(cè)材料的多個(gè)離子/分子的活性，提高數(shù) 據(jù)參數(shù)采集量。
為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明提供下述的技術(shù)方案，包括離子/分子信息檢測(cè)電極單
元(l)、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)、顯微成像系統(tǒng)(3)、可編程三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(4)以及自動(dòng)控制/ 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。單個(gè)或多個(gè)具有選擇性或特異性的離子/分子電極(l-2)覽于被測(cè)物體(l-3) 表面近距離處，自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)連接并設(shè)定電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-l)，電極運(yùn)動(dòng)控制 器(4-1)連接并控制三維歩進(jìn)電機(jī)(4-2)，從而帶動(dòng)多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)在整個(gè)測(cè)量 過程中進(jìn)行三維的非接觸測(cè)量，由數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)采集其反饋的電壓或電流信號(hào)等經(jīng)
去噪、放大后輸入至數(shù)據(jù)處理軟件(5-i)進(jìn)行處理分析，得出被測(cè)材料a-3)表面多種目標(biāo)選
擇離子/分子的絕對(duì)濃度、運(yùn)動(dòng)速率及三維運(yùn)動(dòng)方向等參數(shù)，并通過顯示屏幕多通道顯示其分 析記錄的檢測(cè)數(shù)據(jù)和顯微鏡顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)離子/分子選擇電極(1-2)和被 測(cè)材料(l-3)的狀況。
下面詳細(xì)說明本技術(shù)發(fā)明的系統(tǒng)各部件組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系。
所述離子/分子信息檢測(cè)單元(l)包括一個(gè)參比電極(l-l)、多個(gè)離子/分子選擇電極 (卜2)、被測(cè)材料(1-3)、測(cè)量介質(zhì)(1-4)及檢測(cè)容器a-5)，多個(gè)離子/分子選擇電極根據(jù)目標(biāo) 離子/分子來選定添加，固定于三維歩進(jìn)電機(jī)的單個(gè)或多個(gè)機(jī)械臂上，可以是玻璃電極、金屬 電極、碳絲電極、光纖電極、其它選擇性電極或特異性選擇電極。電極引線與數(shù)據(jù)采集/放大 系統(tǒng)(2)連接。參比電極接地，參比電極距被測(cè)材料要保持一定的距離，以避免干擾測(cè)量信號(hào)。 參比電極、被測(cè)材料以及多個(gè)離子/分子選擇電極置于測(cè)量介質(zhì)中，多個(gè)離子/分子電極要求置 于被測(cè)材料近距離處進(jìn)行測(cè)量。被測(cè)材料可以是生命活體的細(xì)胞器、單個(gè)或多個(gè)細(xì)胞、組織、 器肯等或非生命物質(zhì)中表面具有離子/分子活性的各類材料。測(cè)量介質(zhì)可以為液態(tài)或氣態(tài)的各 類介質(zhì)。
所述數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)可以分為數(shù)據(jù)串行采集/放大系統(tǒng)和數(shù)據(jù)并行采集/放大系統(tǒng) 兩種。數(shù)據(jù)串行采集/放大系統(tǒng)山智能丌關(guān)(2-l)、微處理器(2-2)、信號(hào)放大電路(2-3)組成。 自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)通過串口連接并設(shè)定微處理器(2-2)程序，微處理器(2-2)控制智能開關(guān)(2-l)依次接通多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)，多個(gè)離子/分子檢測(cè)信號(hào)通過智能開關(guān) (2)依次輸出到信號(hào)放大電路(2-3)，經(jīng)信號(hào)放大電路(2-3)去除背景電壓差分信號(hào)噪聲后放大 輸出到自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。數(shù)據(jù)并行采集/放大系統(tǒng)由信號(hào)放大電路(2-3)、數(shù)據(jù)采 集卡(2-4)、微處理器(2-2)組成。多個(gè)離子/分子檢測(cè)信號(hào)同時(shí)經(jīng)多個(gè)信號(hào)放大電路(2-3)進(jìn) 行模數(shù)轉(zhuǎn)換、去除背景電壓差分信號(hào)噪聲后放大輸出到數(shù)據(jù)采集卡(2-4)，微處理器(2-2)從 數(shù)據(jù)采集卡(2-4)中讀取多個(gè)檢測(cè)信號(hào)并輸出到自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。所用的微處理器 可以是單片機(jī)、DSP等嵌入式微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器。
所述顯微成像系統(tǒng)(3)包括顯微鏡(3-l)和攝像機(jī)(3-2)，顯微鏡可以是普通顯微鏡，也可 以是其它光學(xué)顯微鏡，顯微鏡分別與電極運(yùn)動(dòng)控制器及攝像機(jī)連接，攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)連接。在整個(gè)測(cè)量過程中顯微鏡可采用手動(dòng)或電腦自動(dòng)控制聚焦對(duì)被測(cè)材料(l-3)以及 多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和圖像的捕捉，同時(shí)監(jiān)控的信息和圖像傳輸?shù)?計(jì)算機(jī)的圖像捕捉卡(5-2)中，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和圖像的儲(chǔ)存。
所述三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(4)包括電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-1)和二維歩進(jìn)電機(jī)(4-2)，電極運(yùn)動(dòng)控制器 (4-l)分別與自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)、二維歩進(jìn)電機(jī)以及顯微成像系統(tǒng)(3)的顯微鏡連接， 在&動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)的控制卜—， 一方面通過三維歩進(jìn)電機(jī)對(duì)多個(gè)離子/分子選擇電極 進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)控制，使得多個(gè)離子/分子選擇電極以三維運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)時(shí)地采集進(jìn)出被測(cè)材料 離子/分子活動(dòng)的信息，另一方面電極運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)顯微成像系統(tǒng)的顯微鏡進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，以 便在測(cè)量過程中對(duì)多個(gè)離子/分子選擇電極及被測(cè)材料進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
所述自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)包括數(shù)據(jù)處理軟件/自動(dòng)控制操作系統(tǒng)(5-1)，圖像捕捉 卡(5-2)， A/D轉(zhuǎn)換器(5-3)和D/A轉(zhuǎn)換器(5-4)、并行接口 (5-5)和串行接口 (5-6)。數(shù)據(jù)采集/ 放大系統(tǒng)(2)輸出的離子/分子檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器處理后輸入到數(shù)據(jù)處理軟 件/自動(dòng)控制操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子和分子信號(hào)的采集、儲(chǔ)存、分析并多通道顯示所記錄的數(shù) 據(jù)參數(shù)。數(shù)據(jù)處理軟件在顯示屏上提供多參數(shù)設(shè)定窗口、用于記錄離子/分子活動(dòng)信息的多通 道實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的記錄窗口、用于分析所記錄數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析窗口等。同時(shí)，自動(dòng)控制/數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)(5)通過并行接口分別與電極運(yùn)動(dòng)控制器和圖像捕捉卡連接， 一方面采用可編程的方 式控制電極運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)離子Z分子選擇電極的三維運(yùn)動(dòng)，以便實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地對(duì)被測(cè) 材料進(jìn)行測(cè)量；另一方面通過圖像捕捉卡接收來自顯微成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)在整 個(gè)測(cè)量過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控和圖像的儲(chǔ)存。
本發(fā)明提供的技術(shù)集成當(dāng)今微電子、計(jì)算機(jī)、精密機(jī)械加工、物理、數(shù)學(xué)、高分子化學(xué)、 碳納米技術(shù)及光學(xué)顯微技術(shù)等多學(xué)科優(yōu)秀成果，為科研人員提供易操作的軟硬件平臺(tái)技術(shù)， 同時(shí)，本發(fā)明的技術(shù)以非接觸、多離子/分子同時(shí)檢測(cè)及靈活的三維空間自動(dòng)化掃描測(cè)量方式，通過數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)時(shí)、三維、動(dòng)態(tài)地記錄進(jìn)出被測(cè)材料的離子/分子變化的信息，有利于從 整體上分析離子/分子攜帶的活動(dòng)信息。本發(fā)明提供的技術(shù)作為一個(gè)有價(jià)值的技術(shù)平臺(tái)，應(yīng)用
領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，可應(yīng)用于但不局限于基礎(chǔ)生物學(xué)、生理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、空間生物學(xué)、臨床 醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、病理學(xué)、毒理學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、藥物機(jī)理研究及材料腐蝕機(jī)理研究等領(lǐng)域。


圖l為一種自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)組成示意圖。
圖2為一種串行采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)電路原理圖。
圖3為一種并行采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)電路原理圖
圖4為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)測(cè)得的大豆下胚軸H+流速變化圖
圖5為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)測(cè)得的大豆下胚軸吸收02的電流變化圖
圖6為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)測(cè)得的乳腺癌細(xì)胞耐藥株MCF-7/R和敏感株
MCF-7/S加藥前后pHe (外部H+濃度)的變化
圖7為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)測(cè)得的乳腺癌細(xì)胞耐藥株MCF-7/R和敏感株 MCF-7/S加藥前后H+流的變化
圖8為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)測(cè)得的MCF-7細(xì)胞外H+活性加藥前后的變化 圖9為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)測(cè)得的車輪鋼表面裂紋區(qū)域pH值分布圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本技術(shù)發(fā)明做進(jìn)一步說明。
如圖1所示，多電極測(cè)量的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)包括離子/分子信息檢測(cè) 電極單元(l)、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)、顯微成像系統(tǒng)(3)、可編程三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(4)以及自動(dòng) 控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。
實(shí)施例l
本發(fā)明的實(shí)施例l為數(shù)據(jù)串行采集的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)電路原理圖， 如圖2所示。
多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)固定在三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)的機(jī)械臂上，多個(gè)離子/分子選 擇電極(l-2)的引線與智能開關(guān)(2-l)連接，智能開關(guān)(2-l)分別與微處理器(2-2)和前置放大 器(2-3-l)連接，微處理器(2-2)通過串行接口 (5-6)與自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)連接，前置
7放大器(2-3-1)與差分放大器(2-3-2)連接，差分放大器(2-3-2)與自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5) 連接，自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)還分別與電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-1)和顯微成像系統(tǒng)(3)連接， 電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-l)分別與三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)和顯微成像系統(tǒng)(3)的顯微鏡(3-l)連接。
當(dāng)多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)通過一個(gè)串行 接口 (5-6)設(shè)定微處理器(2-2)，微處理器(2-2)進(jìn)而控制智能開關(guān)(2-l)依次接通多個(gè)離子/ 分子選擇電極(l-2)，從而將各個(gè)離子/分子檢測(cè)信號(hào)通過智能開關(guān)(2-l)依次輸出到前置放大 器(2-3-1)，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入差分放大器(2-3-2)后分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(5-3)和D/A轉(zhuǎn)換器(5-4)處 理，去除背景電壓差分信號(hào)噪聲，最終將多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)檢測(cè)到的離子/分子活 動(dòng)信號(hào)放大后輸入到數(shù)據(jù)處理軟件和自動(dòng)控制操作系統(tǒng)(5-1)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 和處理，通過顯示屏幕多通道顯示和分析所記錄的數(shù)據(jù)；同時(shí)，在測(cè)量過程中自動(dòng)控制/數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)(5)通過圖像捕捉卡(5-2)與顯微成像系統(tǒng)(3)連接，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程中對(duì)被測(cè)材料 (1-3)以及多個(gè)離子/分子選擇電極(1-2)進(jìn)行實(shí)時(shí)地圖像捕捉和監(jiān)控；另外，在測(cè)量過程中計(jì) 算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)與電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-l)連接，電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-l)分別與三維步進(jìn) 電機(jī)(4-2)以及顯微成像系統(tǒng)(3)的顯微鏡(3-l)連接， 一方面電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-l)通過三維 歩進(jìn)電機(jī)(4-2)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)的三維運(yùn)動(dòng)控制，另一方面電極運(yùn)動(dòng)控制 器(4-1)對(duì)顯微成像系統(tǒng)(3)的顯微鏡(3-l)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，以便在測(cè)量過程中對(duì)多個(gè)離子/分 子選擇電極(1-2)及被測(cè)材料(1-3)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
上述實(shí)施例采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制微處理器(2-2)，微處理器(2-2)進(jìn)一步控制智 能開關(guān)(2-l)，通過多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)依次測(cè)量各個(gè)離子/分子的活動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn) 了檢測(cè)過程中對(duì)多個(gè)分子和離子的測(cè)量，有利于分析被測(cè)材料的多個(gè)離子/分子的活性，使得 在測(cè)量方式和數(shù)據(jù)參數(shù)采集量上都得到明顯的改進(jìn)。 實(shí)施例2
本發(fā)明的實(shí)施例2為一種數(shù)據(jù)并行采集的多電極測(cè)量的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的 技術(shù)電路原理圖，如圖3所示。
本實(shí)施例與實(shí)施例l相比，主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)采集部分。當(dāng)多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2) 進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其各個(gè)離子/分子選擇電極輸出的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)多路去噪/放大器(2-3-3)放大后由 并行的數(shù)據(jù)采集卡(2-4)采集，并將信號(hào)輸送給具有多個(gè)I/0口的微處理器(2-2)，經(jīng)微處理器 (2-2)處理后經(jīng)串口通訊發(fā)送到自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)進(jìn)行分析。
實(shí)施例3
本實(shí)施例為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)在植物研究領(lǐng)域的應(yīng)用。在本實(shí)施例中，利用自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，在活體和非接觸條件下，通過同時(shí)測(cè)量胚軸 區(qū)域的H+和02流動(dòng)速率變化，建立了一個(gè)基于雙電極自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的種子活 力檢測(cè)方法。
實(shí)驗(yàn)材料采用中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的大豆種子"中作062"，此品種是冷敏感型種子。對(duì) 照種子在22'C培養(yǎng)箱中吸脹24小時(shí)，處理種子在4'C生化培養(yǎng)箱中冷水浸泡24小時(shí)。之后取其 下胚軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)照與處理種子隨后放入22'C培養(yǎng)箱中生長(zhǎng)7天，然后統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。下胚軸 進(jìn)行TTC染色以及利用自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)進(jìn)行H+和02的測(cè)定。
測(cè)量結(jié)果如圖4、圖5所示。其中CK為對(duì)照種子，具有高活力；CT為冷處理種子，活力很 低。圖4為大豆下胚軸H+流速變化，其中H+流速為正值時(shí)表示H+外流；負(fù)值表示H+內(nèi)流。高 活力種子的H+外流平緩，變化幅度小，而低活力種子的H+外流劇烈，變化幅度大。圖5為大 豆下胚軸吸收02的電流變化。高活力種子的02活性表現(xiàn)平緩，變化幅度小，而低活力種子的 02活性表現(xiàn)劇烈，變化幅度大。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明H+作為細(xì)胞膜上ATPase活性的直接參與者，是細(xì)胞膜完整性與功能發(fā)揮 的關(guān)鍵。線粒體能否正常而有序地進(jìn)行呼吸作用，也是種子活力高低的一個(gè)重要指標(biāo)。高活 力種子的細(xì)胞膜系統(tǒng)完整，線粒體發(fā)育和功能正常，而低活力種子的細(xì)胞膜受到損傷，離子 外流，線粒體發(fā)育受阻，電子傳遞鏈被阻斷，從而導(dǎo)致呼吸不暢，最終表現(xiàn)出02變化的紊亂， 細(xì)胞無(wú)法通過正常的途徑去調(diào)控這一生物體內(nèi)最重要的產(chǎn)能過程，最終導(dǎo)致種子死亡。通過 H+和02的變化可以反映細(xì)胞膜和線粒體的狀態(tài)，H+和02的變化劇烈且數(shù)值越大，則說明該種 子活力越低，反之則活力越高，以此我們可以進(jìn)行種子活力高低的檢測(cè)。
自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)在檢測(cè)種子活力時(shí)無(wú)需對(duì)種子進(jìn)行特殊處理，并對(duì) 被測(cè)材料不造成任何損傷，可以更加準(zhǔn)確地反映被測(cè)種子真實(shí)生理狀況。因此自動(dòng)化掃描微 測(cè)離子/分子活性的技術(shù)不僅為科學(xué)研究中種子活力的檢測(cè)提供了新方法，也為生產(chǎn)實(shí)踐、種 質(zhì)資源的保護(hù)、種子的檢驗(yàn)檢疫提供了新手段。
實(shí)施例4
本實(shí)施例為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)在藥理學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用。在本實(shí)施例 中，利用自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，測(cè)量人乳腺癌細(xì)胞在化療藥物阿霉素處理下 H+流動(dòng)方向和速率的變化。
使用本實(shí)施例中的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，以靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的方式選擇性地 測(cè)定離子濃度。選擇性微電極在預(yù)先確定距離(5 30um)的兩點(diǎn)間重復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而測(cè)得特 定離子的絕對(duì)濃度或濃度梯度，獲得乳腺癌細(xì)胞(MCF-7/S及MCF-7/R) pHe值(附圖6)的同時(shí)，獲得跨膜FT流的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息(附圖7)。加藥前，耐藥株的pHe值持續(xù)穩(wěn)定的高于敏感株; 而加藥后，二者的pHe值出現(xiàn)巨人反差。敏感株和耐藥株的pHe值均下降，但敏感株的pHe值明 顯高于耐藥株，且二者的pHe值差也顯著增大(附圖6)。附圖7中H+流速為正值時(shí)表示H+外流， 即流出細(xì)胞；為負(fù)值表示H+內(nèi)流，即流入細(xì)胞。耐藥株和敏感株加藥前后H+的內(nèi)流或外流均呈 現(xiàn)振蕩的特征，振蕩幅度的變化不盡相同。加藥前，耐藥株的ff流速基本穩(wěn)定，內(nèi)流與外流
交荇；敏感株的ir大多數(shù)時(shí)間成內(nèi)流趨勢(shì)，流速不斷發(fā)生變化。在加藥后，btj于弱堿性藥物
的作用，耐藥株的H'全部外流，且流速增大；敏感株的If出現(xiàn)內(nèi)流與外流交替，外流速率較內(nèi) 流速率明顯增大。加藥后PT流振蕩的幅度耐藥株明顯比敏感株大，且耐藥株H+流加藥后振蕩幅 度明顯比加藥前增強(qiáng)，而敏感株加藥前后振蕩幅度變化不明顯。加藥后，耐藥株的H+外流速 率明顯高于敏感株，而兩者的pHe也相應(yīng)降低，且耐藥株降低幅度明顯大于敏感株。分別對(duì)耐 藥株及敏感株5個(gè)細(xì)胞所測(cè)得的H+流變化進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)(附圖8)。耐藥株加藥前凈H+流接近零， 加藥后H+強(qiáng)烈外流，均值為34. 7picomolescm—2s—、敏感株加藥前凈iT流呈明顯內(nèi)流(-17.4 pico moles cm—2 s一11)，力口藥后H+轉(zhuǎn)為夕卜流(7.5 pico moles cnT2 s—')。
本實(shí)施例說明，人乳腺癌細(xì)胞耐藥株和敏感株對(duì)化療藥物ADR的敏感程度明顯不同，表明 自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)可以為藥理學(xué)研究提供一種新的思路和手段。
實(shí)施例5
本實(shí)施例為自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)在研究金屬材料腐蝕領(lǐng)域的應(yīng)用。在本
實(shí)施例中，利用自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，測(cè)量置;f電解液中的金屬材料表面裂
紋處pH值的分布。
在電解液中，金屬與金屬或金屬與非金屬表面之間構(gòu)成狹窄的縫隙，縫隙內(nèi)有關(guān)物質(zhì)的 移動(dòng)受到了阻滯，形成濃差電池，從而產(chǎn)生局部腐蝕，這種腐蝕被稱為縫隙腐蝕。
在本實(shí)施例中，選用車輪鋼進(jìn)行打孔，孔洞周圍容易產(chǎn)生裂紋。將樣品鋼塊置于電解液
中，利用本發(fā)明的技術(shù)自動(dòng)化掃描測(cè)量孔洞整體表面的PH值。圖9所示為裂紋區(qū)域局部掃描 放大圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋處形成了濃差電池，pH值降低較為明顯。
本實(shí)施例表面，自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)也為如材料腐蝕研究等其它領(lǐng)域提 供極有價(jià)值的技術(shù)平臺(tái)。
權(quán)利要求
1、一種自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，包括離子/分子信息檢測(cè)電極單元(1)、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)、顯微成像系統(tǒng)(3)、可編程三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(4)以及自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，其特征在于單個(gè)或多個(gè)具有選擇性或特異性的離子/分子電極(1-2)置于被測(cè)物體(1-3)表面近距離處，采集其反饋的電壓或電流信號(hào)等，去噪、放大后經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件分析得到進(jìn)出被測(cè)物體(1-3)的多種目標(biāo)離子/分子的絕對(duì)濃度、運(yùn)動(dòng)速率及三維運(yùn)動(dòng)方向等參數(shù)。根據(jù)多個(gè)目標(biāo)離子/分子的不同，相應(yīng)的多個(gè)離子/分子選擇電極(1-2)固定在三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)的機(jī)械臂上，自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)連接并以手動(dòng)或編程的方式控制電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-1)，電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-1)連接并控制三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)，從而帶動(dòng)多個(gè)離子/分子選擇電極(1-2)在整個(gè)測(cè)量過程中進(jìn)行三維的非接觸掃描測(cè)量，多個(gè)離子/分子選擇電極(1-2)的引線與數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)連接，各個(gè)離子/分子檢測(cè)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)輸出到自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)還與顯微成像系統(tǒng)(3)連接，電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-1)還與顯微成像系統(tǒng)(3)的顯微鏡(3-1)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，其特征在于自動(dòng) 控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)可以以手動(dòng)或編程的方式控制多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)同時(shí)掃 描測(cè)量進(jìn)出被測(cè)材料(l-3)的多種目標(biāo)選擇離子/分子的絕對(duì)濃度、運(yùn)動(dòng)速率及三維運(yùn)動(dòng)方向等參數(shù)。離子/分子信息檢測(cè)單元a)包括一個(gè)參比電極a-i)、多個(gè)離子/分子選擇電極 a-2)、被測(cè)材料a-3)、測(cè)量介質(zhì)a-4)及檢測(cè)容器a-5)，多個(gè)離子/分子選擇電極a-2)根據(jù)目標(biāo)離子/分子來選定添加，可以是玻璃電極、金屬電極、碳絲電極、光纖電極、其它選擇性或特異性電極。被測(cè)物體(l-3)可以是生命活體的細(xì)胞器、單個(gè)或多個(gè)細(xì)胞、組織、 器官等，或非生命物質(zhì)中表面具有離子/分子活性的各類材料。測(cè)量介質(zhì)(1-4)可以為液 態(tài)或氣態(tài)的合適介質(zhì)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，其特征在于多個(gè) 離子/分子檢測(cè)信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)輸出到自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。數(shù)據(jù)采 集/放大系統(tǒng)(2)可以由智能開關(guān)(2-l)、微處理器(2-2)、信號(hào)放大電路(2-3)組成。自動(dòng)控 制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)通過串口連接微處理器(2-2)，微處理器(2-2)控制智能開關(guān)(2-1)依次 接通多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)，多個(gè)離子/分子檢測(cè)信號(hào)通過智能開關(guān)(2)依次輸出到 信號(hào)放大電路(2-3)，經(jīng)信號(hào)放大電路(2-3)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、去除背景電壓差分信號(hào)噪聲后 放大輸出到自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)還可以由信號(hào)放大電路 (2-3)、數(shù)據(jù)采集卡(2-4)、微處理器(2-2)組成。多個(gè)離子/分子檢測(cè)信號(hào)同時(shí)經(jīng)多個(gè)信號(hào) 放大電路(2-3)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、去除背景電壓差分信號(hào)噪聲后放大輸出到數(shù)據(jù)采集卡(2-4)，微處理器(2-2)從數(shù)據(jù)采集卡(2-4)中讀取多個(gè)檢測(cè)信號(hào)并輸出到自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。所用的微處理器可以是單片機(jī)、DSP等嵌入式微處理盛和數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3所述的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，其特征在于: 多個(gè)離子/分子電極(l-2)固定于三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)控制的單個(gè)或多個(gè)機(jī)械臂上，可以同時(shí)
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 3所述的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，其特征在于數(shù) 據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)包含一個(gè)信號(hào)放大電路(2-3)，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入前置放大器(2-3-1)、差 分放大器(2-3-2)后分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(5-3)和D/A轉(zhuǎn)換器(5-4)去除背景電壓差分信號(hào)噪 聲、放大后輸出自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3所述的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，其特征在于 自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)分別與顯微成像系統(tǒng)(3)、電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-l)連接，顯微鏡 (3-l)可以是普通顯微鏡或其它光學(xué)顯微鏡，通過攝像器材(3-2)連接圖像捕捉卡(5-2)將顯 微鏡顯示的實(shí)時(shí)信息返回自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)離子/分子選擇電 極(1-2)和被測(cè)材料(1-3)的狀況及圖像存儲(chǔ)；電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-1)與顯微成像系統(tǒng)(3)中 的顯微鏡(3-l)連接，顯微鏡(3-l)既可以通過手動(dòng)調(diào)焦，也可以由自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) (5)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3、 4、 5所述的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，其特 征在于自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)通過有線或無(wú)線傳輸?shù)姆绞浇邮諜z測(cè)信號(hào)以及發(fā)送控 制命令。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3、 4、 5所述的自動(dòng)化掃描微測(cè)離子/分子活性的技術(shù)，其特 征在于自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)可以根據(jù)測(cè)量需要對(duì)電極運(yùn)動(dòng)控制器(4-l)設(shè)定指令， 控制多個(gè)離子/分子選擇電極(l-2)進(jìn)行連續(xù)循環(huán)的掃描測(cè)量。自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5) 可以是計(jì)算機(jī)或單片機(jī)、DSP等嵌入式微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在不接觸被測(cè)物體的情況下，利用選擇性或特異性離子/分子電極，以手動(dòng)或編程的方式掃描測(cè)量進(jìn)出被測(cè)物體離子/分子的絕對(duì)濃度、運(yùn)動(dòng)速率及三維運(yùn)動(dòng)方向等參數(shù)的方法，可適用但不局限于與表面離子/分子活動(dòng)信息相關(guān)的諸多領(lǐng)域。本發(fā)明包括離子/分子信息檢測(cè)電極單元、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)、顯微成像系統(tǒng)、可編程三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將離子/分子信息檢測(cè)電極單元精密地置于被測(cè)物體表面近距離處，數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)將離子/分子信息檢測(cè)電極單元輸出的檢測(cè)信號(hào)去噪、放大后輸出到自動(dòng)控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析、處理和顯示，由顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。本發(fā)明可以同時(shí)采集多種離子/分子的參數(shù)，并且不接觸被測(cè)物體，對(duì)被測(cè)物體沒有機(jī)械損壞，為獲得真實(shí)完整的被測(cè)物體的目標(biāo)離子/分子信息提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
文檔編號(hào)G01N27/49GK101609065SQ200810115290
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
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