非损伤性扫描离子选择电极技术及其在后基因组...（二）
2. SIET原理
2.1. 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(见图2)。为方便理解，读者可到美国扬格公司网站观赏SIET原理电影动画 (http://www.youngerusa.com/movies/SIET/)。
Fig.2 Physics and mathematic theory of SIET using Ca2+ diffusion gradient and Ca2+ selective microelectrode as examples.
图2 以Ca2+浓度梯度和Ca2+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(100mM CaCl2)及液态离子交换剂(LIX)四部分组成。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V1和V2。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-2 sec-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-2 sec-1)，即：每一秒钟通过一个平方厘米的该离子/分子摩尔数 。
2.2. 电子学
SIET系统同时向用户提供两种前置放大器，极谱前置放大器和电压前置放大器(见图3)。极谱前置放大器是配合金属电极的一种前置放大器，如铬白金合金电极(用于测量O2和H2O2等)或碳丝电极(用于测量NO等)，有关金属和碳丝电极的制作和工作原理将在未来的SPET(读音:”斯派特”。SPET:Scanning Polarographic Electrode Technique)技术综述中加以介绍。电压前置放大器是用来配合本文详细介绍的离子选择性电极[5]。尽管两种放大器所使用的电极及其工作原理不同，但它们测量分子和离子流动速率的原理和方法是相同的。因此，它们可以共享后续的电子电路以及计算机软件系统。值得一提的是，SIET系统具有两个放大器通道，可以将极谱前置放大器和电压前置放大器进行任意形式的组合并进行同时测量，在SIET的应用部分(3.1)将举例介绍如何利用这一优势对生物材料进行O2(利用极谱前置放大器)和H+(利用电压前置放大器)的同时测量。
Fig.3 Polarigraphic pre-amplifier and voltage pre-amplifier of SIET system.
图3 SIET系统极谱前置放大器和电压前置放大器电子线路简图。
2.3. 离子电极的灵敏度及时间分辨率
2.3.1.灵敏度
如同其他任何电生理技术一样，SIET的最终灵敏度还是要取决于电极尖端LIX的高阻抗而产生的热力学电子噪音(Johnson噪音)。SIET通过大于10赫兹的采样频率和1到10秒内的数字化平均值来降低系统噪音,使SIET的灵敏度能够接近理论极限[6]。
