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用于同步 SICM 成像和 pH 测量操作的双筒纳米探针

金泽大学的研究人员表示，带有两性离子膜的纳米微量移液器可以更好地监测活细胞周围的 pH 值变化，该研究发表在《自然通讯》杂志上。 ，从而表征侵袭性癌细胞的特性及其对治疗的反应。

金泽大学纳米生命科学研究所的 Yuri Korchev 和 Yasufumi Takahashi、伦敦帝国理工学院的 Yanjun Zhang 以及来自英国、中国、日本和俄罗斯合作机构的同事在最近的一篇论文中解释说：“很明显，酸性细胞外 pH在癌细胞的生长、侵袭和对治疗的抵抗中起着关键作用。尽管细胞周围的 pH 值作为细胞健康指标的重要性越来越被认可，但现有的测量技术在灵敏度、可用空间分辨率和对 pH 变化的响应速度。” Zhang、Takahashi、Korchev 及其同事介绍了发表在《自然通讯》上的一篇论文。 一种新型纳微滴定 pH 生物传感器，它对低于 0.01 单位的 pH 变化非常敏感，响应时间为 2 ms，空间分辨率为 50 nm。

研究人员最初将传感器设计为纳米滴管离子场效应晶体管，带有控制纳米滴管中离子流动的栅极。 虽然此设计解决了 pH 灵敏度和空间分辨率方面的问题，但由于离子库仑阻塞效应会阻碍离子的扩散速率，因此该设备的读数仍需要几秒钟才能响应 pH 变化。

Zhang、Takahashi、Korchev 及其同事现在提出的解决方案是加入两性离子膜以实现更快的响应。 通过使用双筒纳微滴定器（只有一个应用了离子膜），研究人员能够同时使用另一个筒作为扫描离子电导显微镜 (SICM) 进行拓扑测量。

团队成员在活癌细胞上对其进行了测试，并展示了该设备如何从雌激素缺乏的乳腺癌细胞的侵袭性表型中检测到细胞外 pH 值的升高。 他们还检测了由于光合作用过程中吸收无机碳而导致暴露在阳光下的藻类的光合作用 pH 值变化，并从高分辨率 pH 图中确定了侵入性黑色素瘤细胞的异质性。

研究人员强调ph传感器，该设备能够实时反馈细胞外 pH 的受控动态 3D 映射，并且可以“无标记且具有亚细胞分辨率”检测癌细胞异质性。 他们得出结论，“这种方法可用于癌症诊断、预后和酸性 pHe（细胞外 pH）靶向治疗的评估。”

使用反馈控制的双管 SICM-pH 纳米探针对活黑色素瘤细胞进行高分辨率 3D pHe 映射。 在单次 SICM 扫描中同时获取低缓冲活性黑色素瘤 A375M 细胞的 3D SICM 地形图（左栏）和 3D pHe 分布图（右栏），显示出高度多样化的 pHe 分布模式。 比例尺：20 微米

现有技术的局限性

目前，最常用的 pH 探针基于微电极，与细胞外 pH 研究中的 pH 波动范围相比，它们体积庞大。 备选方案包括基于分子荧光、磁共振成像和正电子发射计算机断层扫描的变化。 然而，荧光监测易受背景噪声和光漂白的影响，其他技术空间分辨率差，并且难以量化，因为它们基于探针在组织内的分布。

通过使用纳米微滴作为离子场效应晶体管，研究人员能够克服大多数限制现有技术的问题。 然而，相互排斥的电荷会导致库仑阻塞，从而抑制带正电的质子化水分子在纳米微量移液管中的扩散，从而减慢响应时间。

两性离子膜

两性离子是包含带相反电荷的官能团的不带电分子。 对于纳米微量移液管中的两性离子膜，研究人员使用了聚左旋赖氨酸（poly-l-lysine，PLL）和葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）自组装水凝胶，具有低成本、稳定性好等优点优点。 PLL 具有带正电荷的季氨基，而 Gox 具有带负电荷的羧酸残基。 戊二醛蒸气可以交联生成的 PLL/Gox 水凝胶。

在中性 pH 值下ph传感器，两性离子膜同时具有带正电和带负电的官能团，但在低 pH 值下，带正电的胺官能团占主导地位，因此负离子优先扩散通过膜，从而避免离子库仑阻塞。

论文链接：