專(zhuān)利名稱(chēng)：一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)光學(xué)手段測(cè)量樣品內(nèi)部或外部分離子流動(dòng)速率、流動(dòng)方向等 流動(dòng)信息的方法，特別是涉及通過(guò)測(cè)量樣品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上分離子濃度及不同測(cè) 量點(diǎn)間距離換算獲得分離子流動(dòng)信息的技術(shù)，屬光電機(jī)一體化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)學(xué)、材料科學(xué)等諸多基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，離子和 分子的作用越來(lái)越受到重視。對(duì)分離子信息的測(cè)量已經(jīng)成為表征被測(cè)樣品相關(guān)功能與機(jī)制 的重要手段。光學(xué)方法是測(cè)量分離子信息的重要方法，熒光技術(shù)、激光共聚焦技術(shù)等相應(yīng)技 術(shù)都已經(jīng)比較成熟。但現(xiàn)有光學(xué)方法對(duì)分離子的測(cè)量所獲得的都是分離子的靜態(tài)濃度信 息，而分離子在實(shí)際被測(cè)樣品中通常是以流動(dòng)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)存在，僅對(duì)靜態(tài)濃度信息的檢測(cè) 往往不能最真實(shí)的反映被測(cè)樣品的實(shí)際狀況。以微電極為測(cè)量手段，直接檢測(cè)被測(cè)樣品分離子流動(dòng)速率、流動(dòng)方向等流動(dòng)信息 的方法已有報(bào)道。但該方法受到微電極工藝水平的限制，目前可以測(cè)量的分離子種類(lèi)還比 較有限；而且由于微電極測(cè)量方式本身的限制，一般只能測(cè)量被測(cè)樣品外部的分離子流動(dòng) 信息，存在一定的局限性。分離子流動(dòng)信息一般指某一測(cè)量點(diǎn)上分離子流動(dòng)速度矢量值，實(shí)際測(cè)量中可用分 離子流動(dòng)速率和流動(dòng)方向來(lái)表征。流動(dòng)速率指流動(dòng)速度大小的絕對(duì)值，流動(dòng)方向指分離子 運(yùn)動(dòng)的指向。流動(dòng)速率測(cè)量的理論基礎(chǔ)是Fick擴(kuò)散定律，其基本公式可表示為Jtl = -DMc/ dx, D是某種離子或分子已知的擴(kuò)散常數(shù)，dc表示兩點(diǎn)間的濃度差(更嚴(yán)格的說(shuō)，應(yīng)為活度 差)，dx表示兩點(diǎn)間的距離。Fick擴(kuò)散定律有效的dx范圍一般為5-35微米。流動(dòng)方向測(cè) 量的理論基礎(chǔ)是分離子總是由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)(由于一般環(huán)境中的電 磁場(chǎng)非常微弱，離子帶電導(dǎo)致的電磁運(yùn)動(dòng)可忽略不計(jì))。因此實(shí)際測(cè)量中，對(duì)某一測(cè)量點(diǎn)分 離子流動(dòng)速率和流動(dòng)方向的測(cè)量需要借助該測(cè)量點(diǎn)和臨近的其他測(cè)量點(diǎn)上的分離子濃度 fn息ο隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和光電技術(shù)的逐步成熟，光學(xué)方法如激光共聚焦技術(shù)、 熒光技術(shù)等已經(jīng)能夠非常精確的測(cè)量樣品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上分離子的濃度信息，目 前測(cè)量精度已達(dá)到10_9量級(jí)。相應(yīng)的光學(xué)信息采集裝置，如全自動(dòng)影像追蹤系統(tǒng)等，已經(jīng)形 成商業(yè)化產(chǎn)品。這些產(chǎn)品不僅能夠采集反映不同測(cè)量點(diǎn)上分離子濃度的光學(xué)信息，還能夠 精確確定不同測(cè)量點(diǎn)間的距離。禾_不同測(cè)量點(diǎn)上的分離子濃度及測(cè)量點(diǎn)間的距離信息， 可以換算得出分離子的流動(dòng)信息。但是，基于上述原理測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法還 未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法，包括顯微鏡、光信號(hào)采集單元 以及數(shù)據(jù)分析/控制單元。
下面具體說(shuō)明本發(fā)明各單元的部件及連接關(guān)系。所述的顯微鏡要求能夠通過(guò)光學(xué)手段反映被測(cè)樣品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上的 分離子濃度信息，能實(shí)現(xiàn)這一功能的顯微鏡包括熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等等。所述的光信號(hào)采集單元是一種光電硬件設(shè)備，要求既能夠采集顯微鏡反映被測(cè)樣 品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上分離子濃度信息的光學(xué)信號(hào)，還能夠確定上述不同測(cè)量點(diǎn)間的 距離，精確程度至少達(dá)到微米級(jí)。能實(shí)現(xiàn)以上功能的硬件設(shè)備包括全自動(dòng)影像追蹤系統(tǒng)或 其他形式的追蹤系統(tǒng)等等。所述的數(shù)據(jù)分析/控制單元包括軟件單元及硬件單元，硬件單元是軟件單元的物 質(zhì)載體，軟件單元通過(guò)硬件單元發(fā)揮功能。軟件單元集成了光學(xué)信號(hào)分析、流動(dòng)信息換算、 被測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)控制等功能，既可以分析光信號(hào)采集單元采集的光學(xué)信號(hào)，換算成為分離子 的流動(dòng)信息，又可以依據(jù)預(yù)先設(shè)定的測(cè)量要求發(fā)出控制信號(hào)給顯微鏡，控制顯微鏡對(duì)焦及 被測(cè)樣品的移動(dòng)。各單元的連接關(guān)系為顯微鏡、光信號(hào)采集單元分別和數(shù)據(jù)分析/控制單元連接， 顯微鏡和光信號(hào)采集單元相互連接。測(cè)量開(kāi)始后，光信號(hào)采集單元采集顯微鏡反映被測(cè)樣品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上 分離子濃度信息及不同測(cè)量點(diǎn)距離信息的光學(xué)信號(hào)，將該光學(xué)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析/控制 單元。數(shù)據(jù)分析/控制單元分析該光學(xué)信號(hào)換算得出被測(cè)樣品內(nèi)部或外部分離子流動(dòng)信 息。測(cè)量過(guò)程中，顯微鏡既可以手動(dòng)調(diào)焦及移動(dòng)樣品，也可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析/控制單元發(fā)出 的控制信號(hào)自動(dòng)對(duì)焦及控制被測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。本發(fā)明采用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行樣品分離子流動(dòng)信息的測(cè)量，被測(cè)樣品范圍涵蓋任何能 夠通過(guò)光學(xué)手段反映其內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上分離子濃度信息的樣品，既可以是細(xì)胞、 組織、器官等生物活體樣品，也可以是非生物體樣品。光學(xué)方法測(cè)量樣品分離子濃度的技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，可測(cè)量分離子種類(lèi)已達(dá)到上 百種，既包括Ca+、H+、Na+、K+等常見(jiàn)離子，也包括02、NO、ATP、氨基酸等小分子甚至一些蛋白 質(zhì)等大分子。通過(guò)光學(xué)指示劑顯微注射等技術(shù)手段，既可以測(cè)量樣品內(nèi)部，也可以樣品外部 的分離子濃度信息。光學(xué)方法對(duì)樣品分離子濃度信息的測(cè)量在被測(cè)分離子種類(lèi)、被測(cè)樣品 范圍方面都具有其他技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。其所獲得的信息精度較高，重復(fù)性好。本發(fā)明提供的一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法，在現(xiàn)有測(cè)量分離子濃度光學(xué) 方法的基礎(chǔ)上增加獲得分離子流動(dòng)信息的功能，可測(cè)分離子種類(lèi)豐富，被測(cè)樣品范圍廣。測(cè) 量過(guò)程對(duì)樣品自身影響小，數(shù)據(jù)精度較高，可重復(fù)性好，操作過(guò)程也較為簡(jiǎn)單?；A(chǔ)研究及 實(shí)際應(yīng)用的諸多領(lǐng)域中都能使用到本發(fā)明。


圖1為一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法的組成及連接示意圖。圖2為玉米卵細(xì)胞內(nèi)部鈣離子流動(dòng)信息的測(cè)量說(shuō)明(圖片進(jìn)行了適當(dāng)放大)。圖3為測(cè)量點(diǎn)A在X、Y軸兩個(gè)方向上流動(dòng)信息的合成說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式下面用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這一實(shí)施例。
實(shí)施例如圖1所示，一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法包括顯微鏡1、光信號(hào)采集單元2以及數(shù)據(jù)分析/控制單元3。在實(shí)際使用時(shí)，顯微鏡及光信號(hào)采集單元可根據(jù)使用要求選 擇合適的類(lèi)型。本實(shí)施例中顯微鏡選用熒光顯微鏡，信號(hào)采集單元選用全自動(dòng)影像追蹤系 統(tǒng)。本實(shí)施例測(cè)量玉米卵細(xì)胞內(nèi)部鈣離子的流動(dòng)信息。被測(cè)玉米卵細(xì)胞中導(dǎo)入鈣離子 熒光指示劑后，置于熒光顯微鏡載物臺(tái)上。熒光顯微鏡激發(fā)鈣離子熒光指示劑發(fā)射熒光。全 自動(dòng)影像追蹤系統(tǒng)以每個(gè)像素作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，將顯微鏡視野范圍內(nèi)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的熒光強(qiáng) 度及測(cè)量點(diǎn)間的距離信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析/控制單元。數(shù)據(jù)分析/控制單元的軟件單元允許實(shí)驗(yàn)人員預(yù)先以對(duì)話(huà)框或編程方式輸入測(cè) 量要求。本實(shí)施例中，要求測(cè)量二維平面內(nèi)A點(diǎn)上的鈣離子流速信息。如圖2所示，軟件單 元以A點(diǎn)為相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)，在X軸方向選取距A點(diǎn)10微米的測(cè)量點(diǎn)B，在Y軸方向選取距A 點(diǎn)10微米的測(cè)量點(diǎn)C，分別將這三個(gè)點(diǎn)的熒光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的鈣離子濃度。在X、Y軸上 分別換算對(duì)應(yīng)的流動(dòng)速率分量1、1及流動(dòng)方向。換算以Fick擴(kuò)散定律為基礎(chǔ)，考慮細(xì)胞內(nèi) 液成分對(duì)鈣離子活度的影響對(duì)dc進(jìn)行修正后，得到的流動(dòng)速率Jx為11. 47pmol ^nT2 -s"1, 方向由A點(diǎn)指向B點(diǎn)，Jy為13. 22pmol · cm_2 · 方向由A點(diǎn)指向C點(diǎn)。X、Y軸兩個(gè)方向 上的流動(dòng)信息如圖3所示合成后，得到二維平面內(nèi)A點(diǎn)的流動(dòng)速率為17. 50pmol ^nT2 -s"1, 方向?yàn)閺腁點(diǎn)沿X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)49. 1度角指向X軸正無(wú)窮大。至此對(duì)A點(diǎn)流動(dòng)信息的測(cè)量完成。再測(cè)量其他點(diǎn)流動(dòng)信息時(shí)，可能需要顯微鏡重 新對(duì)焦或移動(dòng)卵細(xì)胞樣品。這個(gè)過(guò)程既可以手動(dòng)調(diào)節(jié)完成，也可以預(yù)先在測(cè)量要求中設(shè)置 控制信息，數(shù)據(jù)分析/控制單元根據(jù)上述控制信息發(fā)出控制信號(hào)給顯微鏡，控制顯微鏡Z軸 運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)對(duì)焦，控制載物臺(tái)的X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)卵細(xì)胞樣品移動(dòng)，自動(dòng)完成調(diào)節(jié)過(guò)程。
權(quán)利要求
一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法，其特征是，所述的一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法包括顯微鏡(1)、光信號(hào)采集單元(2)以及數(shù)據(jù)分析/控制單元(3)；所述的顯微鏡(1)是能夠通過(guò)光學(xué)手段反映被測(cè)樣品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上分離子濃度信息的顯微鏡，如熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等；所述的光信號(hào)采集單元(2)是不僅能夠采集顯微鏡(1)反映被測(cè)樣品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上分離子濃度信息的光學(xué)信號(hào)，還能夠確定上述不同測(cè)量點(diǎn)間的距離，精確程度至少達(dá)到微米級(jí)的硬件設(shè)備；所述的數(shù)據(jù)分析/控制單元(3)包括軟件單元及硬件單元，硬件單元是軟件單元的物質(zhì)載體，軟件單元通過(guò)硬件單元發(fā)揮功能；所述的軟件單元集成了光學(xué)信號(hào)分析、流動(dòng)信息換算、被測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)控制等功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法，其特征是，所述的一 種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法的被測(cè)樣品包括能夠通過(guò)光學(xué)手段反映其內(nèi)部或外部 不同測(cè)量點(diǎn)上分離子濃度信息的任何樣品，既可以是細(xì)胞、組織、器官等生物活體樣品，也 可以是非生物體樣品。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法，其特征是，所述的一 種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法首先采集被測(cè)樣品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上分離子的 濃度及不同測(cè)量點(diǎn)的距離信息，再根據(jù)上述濃度、距離信息及其他相關(guān)信息換算獲得分離 子流動(dòng)速率、流動(dòng)方向等流動(dòng)信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法，其特征是，所述的一 種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法能夠測(cè)量一維、二維及三維的分離子流動(dòng)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量分離子流動(dòng)信息的光學(xué)方法，其特征是，所述的顯 微鏡(1)、光信號(hào)采集單元(2)分別和數(shù)據(jù)分析/控制單元(3)連接，顯微鏡(1)和光信號(hào) 采集單元(2)相互連接；所述的光信號(hào)采集單元(2)采集顯微鏡(1)反映被測(cè)樣品內(nèi)部或外部不同測(cè)量點(diǎn)上分 離子濃度信息及不同測(cè)量點(diǎn)距離信息的光學(xué)信號(hào)，將該光學(xué)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析/控制單 元(3)；數(shù)據(jù)分析/控制單元(3)分析該光學(xué)信號(hào)換算得出被測(cè)樣品內(nèi)部或外部分離子流 動(dòng)信息；所述的顯微鏡(1)在測(cè)量過(guò)程中既可以手動(dòng)調(diào)焦及移動(dòng)樣品，也可以根據(jù)數(shù)據(jù)分 析/控制單元(3)發(fā)出的控制信號(hào)自動(dòng)對(duì)焦及控制被測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過(guò)光學(xué)手段測(cè)量樣品內(nèi)部或外部分離子流動(dòng)速率、流動(dòng)方向等流動(dòng)信息的方法。本發(fā)明包括顯微鏡(1)、光信號(hào)采集單元(2)以及數(shù)據(jù)分析/控制單元(3)。光信號(hào)采集單元(2)采集顯微鏡(1)反映的被測(cè)樣品光學(xué)信號(hào)，將該光學(xué)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析/控制單元(3)；數(shù)據(jù)分析/控制單元(3)不僅能夠分析該光學(xué)信號(hào)得出被測(cè)樣品內(nèi)部或外部分離子流動(dòng)信息，還能根據(jù)測(cè)量要求發(fā)出控制信號(hào)給顯微鏡(1)，控制顯微鏡(1)調(diào)焦及被測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)。該方法對(duì)被測(cè)樣品影響極小，操作過(guò)程自動(dòng)化程度高，所獲數(shù)據(jù)全面穩(wěn)定可靠，能夠應(yīng)用于生物活體及非生物體等諸多樣品的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/84GK101988899SQ20091009008
公開(kāi)日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
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