[发明专利]一种测量分离子流动信息的光学方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种通过光学手段测量样品内部或外部分离子流动速率、流动方向等流动信息的方法，特别是涉及通过测量样品内部或外部不同测量点上分离子浓度及不同测量点间距离换算获得分离子流动信息的技术，属光电机一体化技术领域。

背景技术：

在生命科学、医学、药学、农学、材料科学等诸多基础研究及实际应用领域，离子和分子的作用越来越受到重视。对分离子信息的测量已经成为表征被测样品相关功能与机制的重要手段。光学方法是测量分离子信息的重要方法，荧光技术、激光共聚焦技术等相应技术都已经比较成熟。但现有光学方法对分离子的测量所获得的都是分离子的静态浓度信息，而分离子在实际被测样品中通常是以流动的动态状态存在，仅对静态浓度信息的检测往往不能最真实的反映被测样品的实际状况。

以微电极为测量手段，直接检测被测样品分离子流动速率、流动方向等流动信息的方法已有报道。但该方法受到微电极工艺水平的限制，目前可以测量的分离子种类还比较有限；而且由于微电极测量方式本身的限制，一般只能测量被测样品外部的分离子流动信息，存在一定的局限性。

分离子流动信息一般指某一测量点上分离子流动速度矢量值，实际测量中可用分离子流动速率和流动方向来表征。流动速率指流动速度大小的绝对值，流动方向指分离子运动的指向。流动速率测量的理论基础是Fick扩散定律，其基本公式可表示为J₀＝-D·dc/dx，D是某种离子或分子已知的扩散常数，dc表示两点间的浓度差(更严格的说，应为活度差)，dx表示两点间的距离。Fick扩散定律有效的dx范围一般为5-35微米。流动方向测量的理论基础是分离子总是由高浓度区域向低浓度区域扩散运动(由于一般环境中的电磁场非常微弱，离子带电导致的电磁运动可忽略不计)。因此实际测量中，对某一测量点分离子流动速率和流动方向的测量需要借助该测量点和临近的其他测量点上的分离子浓度信息。

随着光学技术的不断发展和光电技术的逐步成熟，光学方法如激光共聚焦技术、荧光技术等已经能够非常精确的测量样品内部或外部不同测量点上分离子的浓度信息，目前测量精度已达到10^-9量级。相应的光学信息采集装置，如全自动影像追踪系统等，已经形成商业化产品。这些产品不仅能够采集反映不同测量点上分离子浓度的光学信息，还能够精确确定不同测量点间的距离。利用不同测量点上的分离子浓度及测量点间的距离信息，可以换算得出分离子的流动信息。但是，基于上述原理测量分离子流动信息的光学方法还未见报道。

发明内容：

本发明提供一种测量分离子流动信息的光学方法，包括显微镜、光信号采集单元以及数据分析/控制单元。

下面具体说明本发明各单元的部件及连接关系。

所述的显微镜要求能够通过光学手段反映被测样品内部或外部不同测量点上的分离子浓度信息，能实现这一功能的显微镜包括荧光显微镜、激光共聚焦显微镜等等。

所述的光信号采集单元是一种光电硬件设备，要求既能够采集显微镜反映被测样品内部或外部不同测量点上分离子浓度信息的光学信号，还能够确定上述不同测量点间的距离，精确程度至少达到微米级。能实现以上功能的硬件设备包括全自动影像追踪系统或其他形式的追踪系统等等。

所述的数据分析/控制单元包括软件单元及硬件单元，硬件单元是软件单元的物质载体，软件单元通过硬件单元发挥功能。软件单元集成了光学信号分析、流动信息换算、被测样品运动控制等功能，既可以分析光信号采集单元采集的光学信号，换算成为分离子的流动信息，又可以依据预先设定的测量要求发出控制信号给显微镜，控制显微镜对焦及被测样品的移动。

各单元的连接关系为：显微镜、光信号采集单元分别和数据分析/控制单元连接，显微镜和光信号采集单元相互连接。

测量开始后，光信号采集单元采集显微镜反映被测样品内部或外部不同测量点上分离子浓度信息及不同测量点距离信息的光学信号，将该光学信号传输到数据分析/控制单元。数据分析/控制单元分析该光学信号换算得出被测样品内部或外部分离子流动信息。测量过程中，显微镜既可以手动调焦及移动样品，也可以根据数据分析/控制单元发出的控制信号自动对焦及控制被测样品运动，实现测量过程自动化。

本发明采用光学技术进行样品分离子流动信息的测量，被测样品范围涵盖任何能够通过光学手段反映其内部或外部不同测量点上分离子浓度信息的样品，既可以是细胞、组织、器官等生物活体样品，也可以是非生物体样品。