技术概况
技术简介
非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology, NMT)是实时测定进出活体材料离子和小分子流速的技术,是生理功能研究的最佳工具之一。
什么是NMT | 三分钟看懂非损伤样品检测 |
活体乳腺肿瘤组织O2、H+检测 | 原代神经元Ca2+流检测 |
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非损伤微测技术(NMT) 自从1974年美国海洋生物学实验室(MBL,Marine Biological Laboratory)的神经科学家Lionel F. Jaffe提出原初概念,到1990年成功应用于测定细胞的Ca2+流速,已经解决了众多科学问题。2001年,中国学者许越先生与Dr.Jaffe以美国扬格公司 (YoungerUSA, LLC) 为依托,进一步完善系统功能和用户体验,初步形成了现代NMT的雏形。2002-2005年,美国扬格公司以其优越的技术性能,为美国航空航天局某项目提供技术服务。2005年起,美国扬格公司与旭月(北京)科技有限公司展开全面战略合作,逐步完成了非损伤微测技术及系统的商业化,并且建立了完善的售后服务体系。随后,为了降低系统价格,美国扬格公司与旭月公司又联手推出了在中国组装的非损伤微测系统,继续不遗余力地推动非损伤微测技术在中国的应用和普及。
在非损伤微测技术的进一步发展和完善过程中,旭月公司获批的直接和相关技术专利已超过20项,形成了完善的知识产权保护体系,为非损伤微测技术在中国的未来发展奠定了法律基础。
NMT原理
非损伤微测技术是通过微电极和微传感器获取离子和分子的信号,基于Nernst方程和Fick's第一扩散定律计算离子和分子的浓度和流速,能够获得非常细微的信号,流速能够达到10-12 mol • cm-2 • s-1。在生命科学领域,应用非常广泛,是连接生命功能的桥梁。在环境科学领域,非损伤微测技术的高灵敏度是人们探知环境恶化的预警系统。在材料科学领域,对于人们认识材料在液体环境中的性能提供了一个新颖的评价手段。
以Na+浓度梯度和Na+微电极为例说明非损伤微测技术离子选择性微电极的工作原理。
Na+离子选择性微电极通过前端灌充液态离子交换剂(Liquid Ion Exchanger,LIX)实现Na+的选择性。该微电极在待测离子浓度梯度中以已知距离dx进行两点测量,分别获得电压V1和V2。两点间的浓度差dc则可以从V1、V2及已知的该微电极的电压/浓度校正曲线(基于Nernst方程)计算获得。D是离子的扩散常数( 单位:cm2•sec-1),将它们代入Fick第一扩散定律公式J = - D • dc/dx,可获得该离子的流动速率(pico mol • cm-2 • s-1) 即:每秒钟通过每平方厘米的该离子/分子摩尔数(10-12级)。
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注:荧光染料/光纤、纳米碳丝、酶电极、金属/合金等均可用来实现对某种离子/分子的选择性测量。
非损伤微测技术的测量有如下优势:
- 活体、原位、非损伤测定:生理功能研究,获取正在发生的信息
- 时间分辨率高:0.2—1s(响应时间),3.5s—18.5s(测量时间),能够快速获得细胞的早期事件
- 空间分辨率高:0.5 μm—10 μm,能够测定单细胞,甚至原生质体、液泡等细胞器
- 灵敏度高:10-12~10-15mol•cm-2•s-1
- 长时间测量:可进行长达几个小时,甚至更长时间的实时和动态监测
- 多种离子同时测量:研究离子间的相互关系
- 不用提取样品:直接测量,不需要研磨等传统的提取方法
- 动态实时测量:动态实时地测量和获取数据,可视化结果
- 操作便捷:很多操作通过自动控制可以实现
- 多个尺度上的测量:整体、器官、组织、细胞、甚至细胞器都可以测量(大于5μm)
- 立体3D流速测量:可在样品外进行X、Y、Z三维数据采集,清晰阐明样品及流速的空间相互关系
NMT应用基础知识
可测材料
1. 植物
(1)营养器官
(2)生殖器官
种子:整体、胚
果实:果壳、果皮、果肉(苹果、柑橘)、籽粒、棉花纤维、棉桃
(4)愈伤组织
2. 动物
(1)细胞
(2)组织器官
肿瘤、皮肤、胃粘膜、胰岛、脑(海马体等)、胚胎(大鼠、鱼)、耳蜗、心脏(香螺)、卵(鱼、鸡蛋、爪蟾)、骨骼、角膜、脊椎(豚鼠)、肌肉组织(肌纤维、心肌)
(3)其它生物种类
珊瑚、螨虫、昆虫(果蝇幼虫的肠、蟑螂血脑屏障、按蚊、长红锥蝽)、蝌蚪、水蛭、蓝蟹(微感毛)、变形虫
3. 微生物
4. 非生物材料
可研究领域
医学
1. 总括——NMT医学生理学研究覆盖方向
2. 肿瘤研究
3. 神经研究
4. 消化系统研究
5. 骨骼研究
6. 代谢疾病研究
7. 免疫(淋巴细胞)研究
8. 细胞凋亡
9. 药理学研究
10. 模式动物(斑马鱼)研究
11. 农药毒理研究思路
精选文献
医学动物科学
细胞凋亡
C2015-014,李成章,武汉大学口腔医学院,PHOTOMED LASER SURG,口腔鳞状癌细胞,O2/Ca2+
C2014-002,冯华,第三军医大学附属西南医院神经外科,Lasers in Medical Science,神经胶质瘤细胞,Ca2+/K+
F2011-005,Nature Cell Biology,神经元,O2
F2010-005,Journal of Cell Science,拟南芥根,K+
F2000-010,Biology of Reproduction,小鼠胚胎,O2
F2009-008,AM J PHYSIOL-CELL PH,T淋巴细胞,K+
肿瘤研究
F2018-005,BBA-GEN SUBJECTS,黑色素瘤细胞,非肿瘤黑素细胞,H+
C2015-014,李成章,武汉大学口腔医学院,PHOTOMED LASER SURG,口腔鳞状癌细胞,O2/Ca2+
C2014-002,冯华,第三军医大学附属西南医院神经外科,Lasers in Medical Science,神经胶质瘤细胞,Ca2+/K+
C2012-018,王立伟,暨南大学,Biochemical Pharmacology,鼻咽癌细胞,K+/Cl-/H+
F2012-007,Cell biochemistry and Function,结肠癌细胞,Ca2+/K+
C2008-001,许越,旭月(北京)科技有限公司,生物物理学报,乳腺癌细胞,H+
用非损伤微测技术研究肿瘤细胞的耐药性与其胞外H+流变化的相关性
神经生物学
H2017-001,祁金顺,山西医科大学,生理学报,脑片,Ca2+
C2014-002,冯华,第三军医大学附属西南医院神经外科,Lasers in Medical Science,神经胶质瘤细胞,Ca2+/K+
F2012-005,Brain Research,神经元,O2
Effects of dexpramipexole on brain mitochondrial conductances and cellular bioenergetic efficiency
F2011-019,PLoS One,神经元,H+/K+
F2011-005,Nature Cell Biology,神经元,O2
F2010-017,Molecular Neurodegeneration,神经元,Ca2+/K+
F2010-021,Plos One,神经元,Ca2+/K+
F2010-001,J NEUROSCI METH,神经元 ,葡萄糖
A self-referencing glutamate biosensor for measuring real time neuronal glutamate flux
F2009-018,Journal of Neurochemistry,神经元,O2
F2008-014,J BIOL ENG,脊髓,Ca2+
Large naturally-produced electric currents and voltage traverse damaged mammalian spinal cord
F2005-020,AM J PHYSIOL-CELL PH,神经胶质细胞,H2O2
代谢疾病
C2016-014,沈应柏,北京林业大学,PLoS One,肝组织,葡萄糖
Leaf Extract from Lithocarpus polystachyus Rehd. Promote Glycogen Synthesis in T2DM Mice
C2012-011,张宗明,清华大学,Chinese Medical Journal,胰岛细胞,Ca2+
Abnormal mitochondrial function impairs calcium influx in diabetic mouse pancreatic beta cells
F2011-024,Analytical Biochemistry,胰岛细胞,葡萄糖
Oscillatory glucose flux in INS 1 pancreatic β cells: A selfreferencing microbiosensor study
F2009-015,AM J PHYSIOL-ENDOC,胰岛细胞,O2
F2005-016,Diabetes,肌肉细胞,O2
F2000-011,Diabetes,胰岛细胞,O2
Oxygen consumption oscillates in single clonal pancreatic beta -cells (HIT)
骨骼研究
F2018-003,BONE,骨细胞,Ca2+
F2012-003,BONE,骨组织,Ca2+
Mechanical Stretch Induced Calcium Efflux from Bone Matrix Stimulates Osteoblasts
F2005-003,BONE,骨组织,Ca2+
消化生理
C2015-012,朱进霞,首都医科大学,WORLD J GASTROENTERO,结肠粘膜,Cl-
Effect of entacapone on colon motility and ion transport in a rat model of Parkinson’s disease
C2012-008,张宗明,清华大学,WORLD J GASTROENTERO,肝脏细胞,Ca2+
C2012-007,朱进霞,首都医科大学,BRIT J PHARMACOL,结肠粘膜,Cl-
C2011-004,朱进霞,首都医科大学,NEUROGASTROENT MOTIL,肠粘膜,Cl-
Entacapone promotes cAMP-dependent colonic Cl- secretion in rats
C2009-001,张宗明,清华大学,WORLD J GASTROENTERO,肝脏细胞,Ca2+
药理学
C2012-007,朱进霞,首都医科大学,BRIT J PHARMACOL,结肠粘膜,Cl-
C2011-004,朱进霞,首都医科大学,NEUROGASTROENT MOTIL,肠粘膜,Cl-
Entacapone promotes cAMP-dependent colonic Cl- secretion in rats
再生医学
F2014-008,Integrative Biology,爪蟾卵母细胞,Ca2+
F2011-011,PLoS One,角膜,Ca2+/K+/Na+/Cl-
Ionic Components of Electric Current at Rat Corneal Wounds
模式生物
F2018-004,J EXP BIOL,果蝇马氏管、肠组织,K+
F2018-002,J EXP BIOL,果蝇马氏管、肠组织,K+
F2017-001,J INSECT PHYSIOL,果蝇肠上皮细胞,H+/K+
F2016-003,J INSECT PHYSIOL,果蝇马氏管,Ca2+
F2014-004,ARCH INSECT BIOCHE,果蝇肠组织,K+
F2013-007,J EXP BIOL,果蝇马氏管,NH4+/K+
植物科学
盐碱胁迫
C2018-009,别之龙/黄远,华中农业大学,J EXP BOT,叶脉/叶片/根,Na+/K+
Salt tolerance mechanisms in pumpkin species (Cucurbita)
C2017-026,别之龙,华中农业大学,J EXP BOT,根/下胚轴,Na+/H+
C2016-003,张明才,中国农业大学,J EXP BOT,根,Na+/K+/H+
C2016-002,柳参奎,东北林业大学,PLANT BIOTECHNOL J,根,Na+
C2015-032,郑海雷,厦门大学,Scientific Reports,根,Na+/K+
C2015-030,张洪霞,中科院上海植物生理生态研究所,PLANT BIOTECHNOL J,根,Na+
Overexpression of the PtSOS2 gene improves tolerance to salt stress in transgenic poplar plants
C2015-005,种康,中科院植物所,Cell,根,Ca2+
COLD1 Confers Chilling Tolerance in Rice
F2015-008,PLANT CELL ENVIRON ,黄藻,H+/K+ Na+
F2014-006,PLANT CELL ENVIRON ,根木质部,K+
C2013-021,余迪求,中科院西双版纳热带植物园,Plant Journal,根,K+
C2012-020,魏建华,北京市农林科学院,PLANT CELL ENVIRON ,根,K+/H+
C2012-010,陈少良,北京林业大学,Plant Physiology,根尖,Na+/K+/H+/Ca2+
C2010-004,陈少良,北京林业大学,PLANT CELL ENVIRON ,愈伤组织细胞,Na+/K+/H+/Ca2+
C2010-002,郭岩,北京生命科学研究所,Plant Cell,根,H+
C2009-004,陈少良,北京林业大学,Plant Physiology,根,Na+/Cl-/H+
温度胁迫
C2016-001,陈少良,北京林业大学,PLANT CELL TISS ORG,悬浮细胞,Ca2+/K+
C2015-005,种康,中科院植物所,Cell,根,Ca2+
COLD1 Confers Chilling Tolerance in Rice
重金属胁迫
C2017-034,李芳柏,广东省科学院生态环境研究所,Environmental Pollution,悬浮细胞,Cd2+
Silica nanoparticles alleviate cadmium toxicity in rice cells: Mechanisms and size effects
C2015-003,王荔军,华中农业大学,New Phytologist,悬浮细胞,Cd2+
A hemicellulose-bound form of silicon inhibits cadmium ion uptake in rice (Oryza sativa) cells
C2015-001,罗志斌,西北农林科技大学,New Phytologist,根,Ca2+/Cd2+/H+
C2013-019,王荔军,华中农业大学,New Phytologist,悬浮细胞,Cd2+
Inhibition of cadmium ion uptake in rice (Oryza sativa) cells by a wall-bound form of silicon
C2013-015,罗志斌,西北农林科技大学,PLANT CELL ENVIRON ,根,Cd2+/H+
Ectomycorrhizas with Paxillus involutus enhance cadmium uptake and tolerance in Populus × canescens
C2012-017,徐进,中科院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心,New Phytologist,根,Cd2+
Comparative physiological responses of Solanum nigrum and Solanum torvum to cadmium stress
C2012-016,徐进,中科院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心,New Phytologist,根,Cd2+
Comparative transcriptome analysis of cadmium responses in Solanum nigrum and Solanum torvum
C2012-009,赵福庚,南京大学,PLANT CELL ENVIRON ,根,K+/Ca2+
Cadmium impairs ion homeostasis by altering K+ and Ca2+ channel activities in rice root hair cells
水旱胁迫
C2018-001,许卫锋/张建华,福建农林大学/香港中文大学,Plant Physiology,根,H+/Ca2+/H2O2
C2015-023,许卫锋/张建华,中科院南京土壤研究所/香港中文大学,J EXP BOT,根,H+
Involvement of 14-3-3 protein GRF9 in root growth and response under PEG-induced water stress
F2014-012,ENVIRON EXP BOT,叶肉细胞,K+/H+/Ca2+
C2013-006,施卫明/张建华,中科院南京土壤研究所,New Phytologist,根,H+
C2013-004,陈保冬,中科院生态环境中心,New Phytologist,酵母细胞, Ca2+/H+
F2013-009,Frontiers in Plant Science,大麦,H+/ K+
F2007-006,Plant Physiology,根,Ca2+/H+/K+
F2005-008,Plant Journal,根,H+
生物胁迫
C2017-033,王国梁/王毅,中国农科院/中国农业大学,Plos Pathogens,根,K+
C2017-018,沈应柏,北京林业大学,Functional Plant Biology,-,-
Plant ion channels and transporters in herbivory-induced signalling
C2017-003,沈应柏,北京林业大学,J PLANT GROWTH REGUL,根,IAA/H+
Insect Herbivory of Leaves Affects the Auxin Flux Along Root Apices in Arabidopsis thaliana
F2011-014,PLANT CELL ENVIRON ,叶肉细胞,Ca2+/ K+
Plasma membrane Ca2+ transporters mediate virus-induced acquired resistance to oxidative stress
F2010-013,Planta,叶肉细胞,K+/Ca2+/H+
F2008-004,Plant Cell Physiology,叶肉细胞,Ca2+
F2007-008,Planta,叶肉细胞,K+/H+
植物营养
C2017-032,王毅,中国农业大学,Plant Cell,爪蟾卵母细胞,K+/H+
C2017-010,许卫锋/张建华,福建农林大学/香港中文大学,J EXP BOT,根,H+
C2016-004,张振华,湖南农业大学,Plant Physiology,液泡,NO3-
C2015-036,童依平,中科院遗传发育所,Plant Physiology,根,NO3-
C2015-007,童依平,中科院遗传与发育生物学研究所,Plant Physiology,根,NO3-
C2014-022,余玲,南京农业大学,Plant Physiology,根,K+
C2013-020,罗志斌,西北农林科技大学,J EXP BOT,根,NH4+/NO3-/H+
C2013-008,夏新莉/尹伟伦,北京林业大学,PLANT CELL ENVIRON ,根,NO3-
C2012-021,徐国华,南京农业大学,Plant Physiology,根,NO3-
C2012-006,施卫明/张建华,中科院南京土壤研究所,PLANT CELL ENVIRON ,根,H+
C2010-006,施卫明,中科院南京土壤研究所,PLANT CELL ENVIRON ,根,NH4+
生长发育
F2018-001,Science,花粉管,Ca2+
CORNICHON sorting and regulation of GLR channels underlie pollen tube Ca2+ homeostasis
F2016-001,Plant Cell,根,IAA
TWISTED DWARF1 mediates the action of auxin transport inhibitors on actin cytoskeleton dynamics
C2014-010,孙蒙祥,武汉大学,J EXP BOT,花粉管,Ca2+
C2014-006,宋纯鹏,河南大学,Plant Cell,根毛/液泡,NH4+/Ca2+
C2014-004,涂礼莉,华中农业大学,PLANT BIOTECHNOL J,纤维细胞,K+
C2014-003,张献龙/涂礼莉,华中农业大学,New Phytologist,纤维细胞,Ca2+
F2013-008,Plant Cell,根,IAA
C2012-013,林金星,中科院植物研究所,Plant Cell,根,IAA
F2011-020,J EXP BOT,花粉管,Cl-
The essential role of anionic transport in plant cells: the pollen tube as a case study
F2011-009,Science,花粉管,Ca2+
C2009-007,林金星,中科院植物研究所,Plant Physiology,花粉管,Ca2+
C2009-003,林金星,中科院植物研究所,J BIOL CHEM,原生质体,Ca2+
C2009-002,林金星,中科院植物研究所,New Phytologist,花粉管,Ca2+
F2007-014,PNAS,根毛,H+
F2002-001,PNAS,根,H+/Ca2+
F2001-004,Nature Cell Biology,玉米卵细胞,Ca2+
F2000-001,PNAS,玉米卵细胞,Ca2+
互作共生
C2017-002,Frontiers in Plant Science,陈少良,北京林业大学,菌根,H+/Ca2+/Cd2+/H2O2
F2015-009,Molecular Ecology,菌根,H+/NH4+/NO3-
Species turnover (β diversity) in ectomycorrhizal fungi linked to NH4 (+) uptake capacity
C2014-021,ENVIRON EXP BOT,陈少良,北京林业大学,根,H+/Na+/K+/Ca2+
Ion fluxes in Paxillus involutus-inoculated roots of Populus × canescensunder saline stress
C2014-012,Mycorrhiza,吴强盛,长江大学,根,H2O2/ Ca2+
C2013-015,PLANT CELL ENVIRON ,罗志斌,西北农林科技大学,根,Cd2+/H+
Ectomycorrhizas with Paxillus involutus enhance cadmium uptake and tolerance in Populus × canescens
C2012-010,Plant Physiology,陈少良,北京林业大学,根/真菌团,Na+/K+/H+/Ca2+
F2009-001,New Phytologist,根,H+
F2008-019,New Phytologist,丛枝菌根真菌,H+
Proton (H+) flux signature for the presymbiotic development of the arbuscular mycorrhizal fungi
F2008-018,Plant Signaling & Behavior,丛枝菌根真菌,H+
pH signature for the responses of arbuscular mycorrhizal fungi to external stimuli
微生物学
C2018-013,李哲/肖艳,中科院重庆绿色智能技术研究院,Frontiers in Plant Science,微藻,O2
C2017-002,陈少良,北京林业大学,Frontiers in Plant Science,菌根,H+/Ca2+/Cd2+/H2O2
C2017-028,尹华,华南理工大学,Environmental Pollution,真菌,K+
Hexavalent chromium induced oxidative stress and apoptosis in Pycnoporus sanguineus
C2016-020,夏传海,中科院烟台海岸带研究所,Marine Pollution Bulletin,细柱藻,Ca2+
C2015-004,曾光明/陈桂秋,湖南大学,Chemosphere,黄孢原毛平革菌,H+/ O2/ Cd2+
F2015-004,PLANT CELL ENVIRON ,微藻,H+/ K+/Na+
C2014-007,王强,中科院水生所,Plant and Cell Physiology,绿藻,Ca2+
C2012-014,曾光明/陈桂秋,湖南大学,ENVIRON SCI TECHNO,白腐真菌,H+/ O2/ Cd2+
F2012-009,Planta,布拉克须霉,Ca2+/ H+
F2012-006,Eukaryotic Cell,链孢霉,Ca2+
Electrical Phenotypes of Calcium Transport Mutant Strains of a Filamentous Fungus, Neurospora crassa
F2009-012,Environmental Microbiology,破囊壶菌,Na+/K+/Cl-/Ca2+
Osmotic adjustment and requirement for sodium in marine protist thraustochytrid
F2009-007,Environmental Microbiology,大肠杆菌,K+
Ion transport and osmotic adjustment in Escherichia coli in response to ionic and non-ionic osmotica
F2008-008,Research in Microbiology,大肠杆菌,H+
F2007-020,Microbiology,脉胞菌,K+/ H+/Ca2+/Cl-
Turgor regulation in the osmosensitive cut mutant of Neurospora crassa
F2007-009,J EXP BOT,脉胞菌菌丝,K+/ H+/Ca2+/Cl-
环境科学
C2017-028,尹华,华南理工大学,Environmental Pollution,真菌,K+
Hexavalent chromium induced oxidative stress and apoptosis in Pycnoporus sanguineus
C2015-004,曾光明/陈桂秋,湖南大学,Chemosphere,黄孢原毛平革菌,H+/ O2/ Cd2+
C2014-008,郭仰东,中国农业大学,Plant and Cell Physiology,根/爪蟾卵母细胞,K+/H+
C2012-014,曾光明/陈桂秋,湖南大学,ENVIRON SCI TECHNO,白腐真菌,H+/ O2/ Cd2+
C2012-004,朱永官,中科院生态环境中心,Bioresource Technology,水稻根,O2
A novel sediment microbial fuel cell with a biocathode in the rice rhizosphere
F2010-012,ENVIRON SCI TECHNO,生物膜,H+/O2
F2008-017,ENVIRON SCI TECHNO,鱼胚胎,O2
水产研究
F2017-018,Scientific Reports,青鳉皮肤离子细胞,K+
F2009-006,AM J PHYSIOL-CELL PH,斑马鱼皮肤离子细胞,H+
F2015-002,PLoS ONE,斑马鱼皮肤离子细胞,H+
F2015-001,INT J BIOL SCI,斑马鱼皮肤离子细胞,H+/ NH4+
F2013-017,Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,青鳉鱼皮肤离子细胞,H+/NH4+
Proton-facilitated ammonia excretion by ionocytes of medaka (Oryzias latipes)acclimated to seawater
F2012-011,Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol.,青鳉鱼皮肤离子细胞,H+/ Na+/NH4+
昆虫生理
F2018-007,ENVIRON TOXICOL CHEM,摇蚊肠组织/马氏管/肛乳突,Cd2+/Ca2+
F2018-006,J INSECT PHYSIOL,粉纹夜蛾马氏管,K+/Na+
F2016-004,J EXP BIOL,埃及伊蚊肛乳突,NH4+
F2015-006,J EXP BIOL,甘蓝夜蛾直肠/马氏管 ,K+/Na+
F2014-002,J EXP BIOL,东亚飞蝗回肠,K+
K+ absorption by locust gut and inhibition of ileal K+ and water transport by FGLamide allatostatins
F2014-001,PLoS ONE,埃及伊蚊后肠,Na+/K+
F2013-020,J INSECT PHYSIOL,埃及伊蚊中肠,H+/ K+/Na+
Transport of H+, Na+ and K+ across the posterior midgut of blood-fed mosquitoes (Aedes aegypti)