通过伏安离子转移显微镜实现的空间分辨离子传感

《JACS Au》：Spatially Resolved Ion Sensing by Voltammetric Ion Transfer Microscopy

离子浓度分布的实时成像技术通过伏安离子转移显微镜（VITM）实现，利用TEMPO探针在聚乙烯膜中的氧化还原反应调控荧光淬灭效应，结合高速荧光显微成像和Nernst方程计算，可在数秒内生成百万像素的浓度分布图。实验采用微流控流动界面，成功可视化了两股不同浓度TEA+离子（1 mM与10 mM）的扩散混合过程，空间分辨率达0.65 μm，验证了理论预测的59.2 mV浓度依赖性电位偏移。该技术无需特殊仪器，可兼容商业荧光显微镜，为生物医学领域的动态离子成像提供新工具

　　在化学分析与成像领域，对溶液中离子种类的可视化和定位是理解化学梯度及动态过程的关键。传统方法通常依赖于标记技术，这在某些情况下可能带来干扰或限制。本文介绍了一种新的化学成像原理，能够在高频率下实现对光学不敏感离子的高空间分辨率检测。通过使用常规荧光显微镜，可以在几秒钟内获得数百万像素的浓度分布图像，为化学成像提供了一种全新的工具。

这种新方法的核心在于离子从薄聚合物膜向溶液相的转移过程，这一过程与膜背面的电子转移相互耦合。当溶液中离子浓度发生变化时，它会改变离子转移的电位，而这种变化可以通过荧光探针的去淬灭现象进行可视化。在每个像素的光信号变化最大时刻，通过快速图像采集可以同时识别所有像素的激发电位。最终，这将形成一个完整的浓度分布图，使得单个检测膜成为化学成像平台，提供数百万个浓度数据点。

实验中采用了一种稳定的氮氧化物自由基——脂质化的四甲基哌啶氮氧化物（TEMPO）作为红ox探针，同时使用一种脂质化的罗丹明衍生物作为光学报告探针。TEMPO在膜中的中性自由基形式可以显著淬灭罗丹明的荧光，而其氧化态则可以减少这种淬灭效应，从而使得荧光强度发生变化。这一过程与离子转移伏安法相结合，使得我们可以通过光学信号的变化来识别离子浓度。

为了实现这一目标，研究人员设计了一种基于聚合物膜的电化学玻璃滑动细胞，该细胞包含工作电极（WE）、参比电极（RE）和对电极（CE）。通过将该细胞置于宽场荧光显微镜下，并连接至电位计，可以在特定频率下获取膜表面的图像堆栈。在施加阳极电位扫描的同时，通过快速图像采集可以记录每个像素的荧光强度变化，从而确定其最大变化时刻。这一方法能够实现对溶液中离子浓度的高分辨率成像，其空间分辨率可达微米级别。

在实验过程中，研究人员选择了四乙基铵（TEA?）作为模型离子，并在不同的浓度条件下进行了测试。通过比较实验数据与理论预测，发现该方法能够准确反映离子浓度的变化。此外，该方法在微流控流动接头中得到了验证，能够实时观察两种不同离子浓度溶液之间的扩散混合过程。通过图像处理技术，研究人员可以独立分析每个像素的信号变化，从而生成高空间分辨率的浓度分布图。

为了进一步提高空间分辨率，研究人员将显微镜的放大倍数从5倍增加到10倍，使得每个像素对应的空间尺寸缩小至0.65微米。这种高分辨率成像能够捕捉到离子浓度在短空间范围内的显著变化。通过模拟和实验数据的对比，研究人员验证了该方法的有效性，并发现其与理论模型高度一致。

尽管该方法在化学成像方面展现出巨大潜力，但仍存在一些挑战。例如，在流动系统中，由于电位降和信号变化有限，可能导致峰值电位的识别存在误差。此外，当前的实验条件下的化学映射图像仍存在一定非理想性，这可能与膜的不均匀性有关。然而，通过静态条件下的实验，研究人员发现膜的均匀性较高，标准偏差仅为1.2毫伏，表明该方法在静态条件下具有较高的可靠性。

未来的研究方向包括提高峰值电位识别的准确性，以及开发多离子检测技术，使得在同一平台上的多个离子浓度同时可测。这将进一步拓展该技术的应用范围，使其在生物学和医学领域具有更广泛的应用前景。通过不断优化实验条件和图像处理算法，研究人员相信这一创新方法将在化学成像领域发挥重要作用，为理解复杂的化学过程提供新的视角。