非损伤性扫描离子选择电极技术及其在高等植物...（二）
1 SIET 原理
1.1物理学及数学基础
物质在液体环境中有从高浓度到低浓度扩散的趋势.对于带电粒子而言，还有从高电化学电势到低的电化学电势运动的趋势.如果，离子电极的移动距离dx在几十微米以下，生物材料实验证明，影响带电粒子运动的电化学电势的梯度可以忽略不计，那么，该离子的扩散运动速率可以通过Fick
第一扩散定律计算出来[7] (图2).
图2以Ca2+浓度梯度和Ca2+微电极为例说明SIET的物理学及数学原理
离子选择性电极由玻璃微电极、Ag/AgCl导线、电解质(100mmol/L CaCl2)及液态离子交换剂(LIX) 4部分组成.该电极在待测离子浓度梯度中以已知距离dx进行两点测量，并分别获得电压V1V2.两点间的浓度差dc则可以从V1，V2及已知的该电极的电压/浓度校正曲线计算获得.D是离子/分子特异的扩散常数(单位:cm-2sec-1)，将它们代入Fick的第一扩散定律公式： Jo= - D * dc/dx ，可获得该离子的移动速率(单位：pmol cm-2sec-1)，即：每一秒钟通过一个平方厘米的该离子/分子摩尔数 .
液态离子交换剂是基于大型中性分子载体的一类有机化合物.目前可以购买得到一些常见的LIX.有些研究人员根据自己的需要还自行开发特殊的LIX，其他的种类还在不断的开发中.
1.2计算机技术及系统集成
SIET的诞生、发展与完善与计算机技术的不断进步是密不可分的[2,8] .尽管计算机需要同时控制三维运动系统、显微成像系统和信号放大系统3个子系统，但由于离子选择电极相对较低的时间分辨率要求，使得普通的个人计算机也可以完全胜任.这为SIET的普及和发展提供了很好的基础.
1.3 SIET的缓冲溶液
在使用SIET技术过程中，通常要在溶液中加入一些缓冲剂成份，如：MES，Tris或EDTA 等，用以稳定被测离子以便离子选择电极进行测量[9-12] .然而，如果离子缓冲剂选择或者使用不当，被测离子会与缓冲剂相互干扰，破坏被测离子的浓度梯度或者被大幅度压缩，从而严重影响到SIET的应用效果.Kunkel 等通过系统的比较试验，寻找到了一些最适合SIET
技术的溶液pH 缓冲剂及其使用方法，并以实际生物材料的研究证明通过使用这些方法可以将SIET测知离子流动速率的能力达到最大化[13].因此，在SIET
实验设计过程中，不但要考虑到测量溶液中各种成份对被测样品生物活性的影响，还要充分考虑到缓冲剂成份对被测离子梯度的作用以及对液态离子交换剂（LIX）有无严重干扰.
1.4 SIET测量的空间几何构型
现有的1-2m微米直径的离子电极，在电极距被测材料2-20
μm及dx在5-30μm的技术条件下，被测材料离子流动的空间几何分布可以大致分为3类：点、平面及球体.在离子电极距被测材料小于5μm时，通常认为离子以平面方式运动.
值得一提的是，SIET是目前世界上惟一能够按照研究人员的设定，以手动或编程的方式，从任意角度(相对于被测物体表面)用离子选择电极对被测样品进行测量的系统.利用SIET灵活的空间测量方式的经典的例子是对植物花粉管生长过程中，尖端Ca2+内流的研究[13]. Kunkel 等发现花粉管的生长与Ca2+内流密切相关，只有在花粉管尖端迅速生长的部位才能检测到Ca2+内流速度.已经伸长成熟的花粉管，几乎检测不到Ca2+内流速率.人们不但能够测量出Ca2+的内流速率，而且还计算出该花粉管尖端一个圆盘式的结构是Ca2+进入细胞的区域(Cardenas等 1999).
2 SIET 的应用
SIET诞生和发展是在植物学研究中实现的.这可能与植物细胞外的细胞壁对膜片钳技术来讲操作较为困难有关.而利用SIET特有的非损伤性特点，可以在不对细胞、组织甚至器官造成任何损伤的情况下测知离子分子的转运情况.正是意识到SIET的这一优势， Kochian 等在原有的Ca2+选择微电极的基础上，又相继开发出了H+，K+，Al3+和Cd2+离子选择性电极，将其应用于玉米根和植物毒理学的研究，并为这些电极在动物研究中的应用开辟了道路[15-17].随后，SIET技术被应用于整体根、根毛及花粉管的研究，并阐明了诸如钙离子转运与样品内部活动及生长的相关性[14，18-24].Messerli等应用SIET技术将脉动式的花粉管生长所体现的周期与离子流动速率表现出的频率相互联系起来. [25]
2.1离子与分子流动的同时测量证明了花粉管碱化带的存在
Hepler等发现不断生长的百合花粉管前端存在有一个碱化带，之后他们提出该碱化带可能是由于区域的线粒体的密集存在所致[23].许越等应用SIET特有的双电极同时测量功能，发现H+离子的外流和O2分子的内流是引起该碱化区的主要原因.花粉管的生长需要大量的能量，能量来源于线粒体的氧化磷酸化. O2分子的内流，伴随H+离子的外流是形成能量的主要驱动力.也正是由于H+离子的外流造成了花粉管前端局部的碱化带，从而证明Hepler等的假说是正确的(图3)
