朱俊英1，高榮孚1，許越2,3*
1北京林業大學生物科學與技術學院，北京100083；2旭月（北京）科技有限公司，北京100080；
3Vibrating Probe Facility,Biology Department,University of Massachusetts at Amherst,MA 01003,USA
摘要：選擇性微電極技術是一種不僅能直接測定活的生物細胞或細胞器內的離子或分子活度，而且能對活的生物相鄰的位置、功能和代謝速率可能不同的特定微區細胞表面的離子或分子流（flux）分別測定的電生理方法。具有操作簡便、實時、非入侵性（測定移動速率時）、靈敏度高（可達10-12molescm-2s-1）等優點。因為它是用微型化（尖端直徑為0.5~53 μm）的離子或分子選擇性電極直接對準樣品測定，不同于其它化學測定需取樣品，所以能連續測定和自動監測，具有廣闊的應用前景。該文闡述了選擇性微電極測定原理，總結了選擇性微電極技術在植物生理學研究中的應用進展，并展望了其發展前景。
關鍵詞：離子或分子流；離子或分子活度；選擇性微電極技術；植物
中圖分類號：Q945
植物在生長發育過程中，不斷從環境中吸收水分和攝取各種礦質元素，并進行O2和CO2等氣體交換。研究人員通常是以植物的器官或組織作為研究對象，來了解礦質元素、O2和CO2等在植物生命過程中的運輸方式、作用機理。隨著各種微電極的發展，應用微電極對單個細胞或完整植株特定微區細胞進行研究已經成為可能。
離子/分子選擇性微電極是一種連接了電位計或電流計后，可以對溶液中某些特定離子/分子活度給出電位/電流指示的電極。構成微電極的材料，已從傳統的玻璃發展到金屬、高分子聚合物、碳絲、光纖及其它納米材料。20世紀50年代以來，隨著離子選擇性微電極的出現和發展（Hinke 1959；Berman和Hebert 1974；Sykoν?等 1981），離子選擇性微電極也開始被用來研究植物（Bowling 1972）。80年代后，選擇性微電極技術發展較快，在動物和人體上研究較多，近年來在植物上的研究報告越來越多，有測定生物體液泡（Walker等 1995）和細胞質（Carden等 2001）中離子的活度的微電極技術（Carden等 2003）；基于離子/分子選擇性微電極技術發展而來的技術，即“非損傷微測技術”包括如下技術：1）自參比技術（Self-Referencing Technolog）（Kühtreiber和Jaffe 1990)； 2）生物體表面離子信息的微電極離子流測定（microelectrode ion flux measurement，MIFE）技術（Newman等 1987；Shabala 2000；Newman 2001；Shabala等 2005）；3）掃描離子選擇電極技術（scanning ion-selective electrode technique, SIET）（Kunkel等 2001；Kunkel等 2005；Vincent等 2005；Xu等 2006）和 4）；還有用于測定生物體表面分子信息的掃描極譜電極技術（scanning polarographic electrode technique，SPET）(Kunkel等 2005；Xu等 2006）；因此微電極技術的最大特點在于，它能準確地測定單個細胞或完整植株特定微區細胞內外離子或分子的活度與流動，被用于研究植物對離子或分子吸收、釋放及跨膜運輸的機制。它具有操作簡便、實時、靈敏度高、非損傷性等特點，而且還可以在電腦控制下連續測定與自動監測，實現了生物體內外離子或分子信息的同時進行的實時測定(Kunkel等 2005；Xu等 2006）。
1 選擇性微電極的工作原理
植物細胞內的離子或分子進出細胞時，在細胞的內外之間會形成一個跨膜的電化學勢梯度（Δψm）。當離子選擇微電極置于細胞或組織表面時(圖1)，微電極可以對溶液的離子濃度做出響應，由于細胞可以吸收或釋放離子或分子，與細胞或組織表面離子或分子的濃度存在著濃度梯度，因此，會產生離子或分子的擴散性移動，傳感器產生的信號經放大器的放大輸出到計算機，就可以實時地檢測到細胞或組織表面離子或分子流動的變化。計算離子或分子的移動速率，離子擴散是可依據Fick第一定律進行計算（Kühtreiber和Jaffe 1990；Xu等 2006），也可依據能斯特（Nernst）方程（Newman 2001）計算。
