玻璃微电极技术及其在植物胞内测量中的应用
玻璃微电极
玻璃微电极简介玻璃微电极是一种由玻璃制成的微小电极，用于进行细胞电生理学实验和神经信号记录。
它具有高灵敏度、稳定性和精度，可以用于测量细胞内和细胞外的电位变化，捕捉细胞的活动和神经信号。
结构玻璃微电极通常由细玻璃管制成，具有细尖的尖端，用于将电极插入细胞或组织中。
尖端的直径通常在1到5微米之间，以确保电极可以精确地记录电位变化。
电极的尾部则连接到电缆或仪器，以传输电信号。
工作原理玻璃微电极的工作原理基于电化学反应和离子通道的存在。
当电极插入细胞内或细胞外时，它可以测量离子在细胞膜上的电位变化。
具体而言，通过与细胞内或细胞外的离子发生氧化还原反应，电极上会产生微小的电流。
这个电流可以转化为电压与离子浓度的关系，从而计算出细胞内或细胞外的电位变化。
应用领域玻璃微电极在生命科学研究中有广泛的应用。
主要领域包括细胞生物学、神经科学、心脏病学等。
以下是玻璃微电极的一些常见应用：1.细胞内记录：玻璃微电极可以插入单个细胞内，记录细胞在不同状态下的电位变化。
这些记录可以用于研究细胞内各种生物过程，如细胞兴奋性、离子通道功能等。
2.膜片钳测量：玻璃微电极可以用膜片钳技术将电极紧密贴附于细胞膜上。
这种技术可用于测量细胞膜的电位变化，研究离子通道的开闭和离子流动。
3.离子选择性电极：玻璃微电极可以制成不同种类的离子选择性电极，用于测量特定离子的浓度变化。
例如，氢离子选择性电极可以用于测量细胞内的pH值。
4.多通道记录：通过将多个玻璃微电极插入不同位置的细胞或组织中，可以同时记录多个电位信号。
这种多通道记录可以用于研究细胞群体的网络活动和神经传导。
使用示例以下是使用玻璃微电极进行细胞内记录的示例步骤：1.准备玻璃微电极。
将细玻璃管加热并拉制成细尖，形成微电极的尖端。
连接电极尾部到电缆或仪器。
2.准备生物样本。
准备要进行记录的细胞或组织样本，并将其放置在离子平衡的溶液中。
3.定位电极。
使用显微镜将玻璃微电极定位到要记录的细胞上，在细胞膜上轻轻插入电极尖端。
植物营养学论文题目选题参考
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膜片钳
在神经肌肉接头兴奋传递中应用膜片钳的原因
神经传递是神经元通过化学信号传递信息的过程，在与靶细胞的突触接触中， 反应时间快。 因此，突触传递需要广泛蛋白质的协调活动。 这些蛋白质调节突 触功能的许多方面，包括：突触形成，神经元和肌肉兴奋性，钙信号，突触小 泡循环（胞吐作用和内吞作用）受体组装，定位和功能。 可以使用各种电生理 技术测量在突触处发生的电位变化，量化潜在的突触活动，通过将该技术与鉴 定突触蛋白的分子和遗传机制的工具相结合，我们可以了解该过程精确和精确 度的分子机理。
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接头处兴奋传素的影响 • 神经肌肉接头处兴奋传递与在神经纤维上的兴奋传导不 同，后者是在一个细胞上的电传导，前者则是在两种细 胞间信号的传递。这个过程为“电-化学-电”的传递，即 神经末梢的动作电位引起化学物质乙酞胆碱的释放，进 而触发骨骼肌的动作电位。
膜片钳技术应用于神经肌肉接头兴奋的传递研究
膜片钳技术
Patch clamp technology
neuromuscular junction of C. elegans
线虫神经肌肉接头兴 奋传递研究中的应用
李 蓉
目录
膜片钳技术原理 膜片钳记录形式 神经肌肉接头 举例说明实验结果 技术的优缺点
膜片钳技术
膜片钳技术是用玻璃微电极吸管把只含1-3个离子通道、面积 为几个平方微米的细胞膜通过负压吸引封接起来，由于电极尖端与 细胞膜的高阻封接，在电极尖端笼罩下的那片膜事实上与膜的其他 部分从电学上隔离，因此，此片膜内开放所产生的电流流进玻璃吸 管，用一个极为敏感的电流监视器（膜片钳放大器）测量此电流强 度，就代表单一离子通道电流。 膜片钳技术的基本原理是通过负反馈使得膜电位与指令电压 相等，在电压钳制的条件下记录膜电流。
微电极技术
微电极技术
微电极技术是一种能够测量微小电信号的高精度技术。
其原理是利用电极的微小尺寸和高灵敏度，可以测量细胞、神经元、组织等微小生物学结构的电信号。
微电极技术在研究生物学、神经学、医学等领域得到了广泛的应用，是其中的重要技术之一。
微电极技术分为不同种类，如：切割微电极、微机械加
工微电极、化学蚀刻微电极、光刻微电极等。
微电极的尺寸一般为几个微米到几十微米不等，这就使得微电极可以在微小空间内同时测量多个信号，对于研究细胞、神经元等微小结构的电活动非常有用。
微电极技术一般需要使用特殊仪器进行测量和记录。
如：微扫描电镜、显微针头和光学显微镜等设备。
不同的实验要求和具体的研究对象需要选择不同的仪器进行测量。
当然，对于一个实验室，为了完成全面的研究成果，通常需要使用多种方法进行测量。
在研究领域中，微电极技术的应用非常广泛，例如在生
理学、神经科学领域，微电极技术可以用于记录细胞内膜电位、神经元的动作电位；在医学领域中，微电极技术可以用于记录人体内部重要组织的微小电信号，如心脏电活动和肌肉活动等。
总之，微电极技术在科学研究和医学诊断等领域的应用
不断扩大，随着技术的不断改进和完善，微电极技术将会在更广泛的领域得到应用。
微电极
调研报告微电极【概述】微电极是一种常用的医用传感器件。
在检测生物电或行电刺激时，生物电极是仪器系统与生物体连接或耦合的环节。
电极的用途是从生物体中直接取出电信号。
应用电极在生物体上获取电信号时，被测对象的特点不同，采用的电极结构也不一样。
在探测单个细胞或组织深部的电位时，采用微电极；测量组织局部区域的电活动时，采用针电极；测量生物体表的电位时，可采用体表电极。
本文重点介绍微电极的原理、结构及应用。
【微电极的基本原理】常用微电极有金属和玻璃两类，其电学性质不同，适用范围也略有差别。
金属微电极是一种高强度金属细针，尖端以外的部分用漆或玻璃绝缘。
金属电极丝由不锈钢、铂铱合金或碳化钨丝在酸性溶液中电解腐蚀而成，有多种成品可供选择，其缺点是微电极的几何形状与绝缘状态难以保持一致。
玻璃微电极由用户根据需要用硬质毛细管拉制而成。
用于测量细胞内静息电位和动作电位时，其尖端需小于0.5μm；用于测量细胞外活性区域非活性点电位时，其尖端可为1~5μm。
图1A所示为单管玻璃微电极的结构示意图。
在电极的粗端插入银—氯化银电极丝作为电气连接。
玻璃微电极尖端内的电解液，与被测组织液之间形成了液体接触界面，界面的两侧离子迁移率和浓度不同，可以形成电位差。
另一方面，由于电极尖端内径极小，因此形成高电极阻抗。
通常选用3mol/L KCl溶液灌注玻璃微电极，用以减小电极阻抗。
玻璃微电极可做成多管式，如图1B所示。
【微电极的临床应用】（一）多管玻璃微电极的临床应用上文提到的多管玻璃微电极，它是一种特殊的玻璃微电极，只在特定分析的时候才使用。
多管玻璃微电极主要用于观察在药物作用下的细胞生物电活动，是研究中枢功能与物质传递的重要手段。
其优点在于药物直接作用在较小范围，药物用量及其作用时间均可精确测定。
多管微电极由记录管、药物管和对照管等三部分组成。
记录管用以观察细胞电活动，其作用与单管微电极相同。
药物管用以向被观察细胞邻近的极小范围内，通过微电泳法导入离子化药物。
微电极技术
微电极技术简介微电极技术是一种用于测量微观尺度电信号或施加微观尺度电刺激的技术。
它通过使用微小尺寸的电极来实现对生物、化学或物理系统中微小电信号的准确测量与控制。
微电极的尺寸通常在纳米至微米级别，并且可以应用于各种领域，包括神经科学、生物传感器、生物医学工程和纳米技术等。
原理微电极是指直径在纳米至微米级别的电极。
相比于传统的宏观电极，微电极具有更大的比表面积，使其能够更敏感地检测微小的电信号。
此外，微电极还可以提供更小的电刺激区域，能够更精确地控制电刺激的位置和强度。
微电极技术一般包括以下几个方面的内容：1.微电极的制备：微电极通常使用先进的制备技术，例如光刻、电子束曝光或离子束刻蚀等，以获得所需的微小尺寸和形状。
2.微电极的材料：常用的微电极材料包括金属（如铂、金）和导电聚合物。
选择适当的材料能够提高微电极的导电性能和生物相容性。
3.微电极的连接：微电极需要与外部设备进行连接，以测量或施加电信号。
通常使用微焊或导线引线等方法将微电极与外部电路进行连接。
4.微电极的信号采集与处理：微电极所测得的微小电信号需要进行放大、滤波和数字化处理等，以便进行后续的数据分析和解释。
应用领域微电极技术在多个领域具有广泛的应用。
以下是一些主要的应用领域：神经科学微电极技术在神经科学领域中扮演重要的角色。
它可以用于记录和研究神经元的电活动，揭示神经元功能与行为之间的关系。
例如，通过植入微电极阵列到大鼠脑部，可以实时记录大量神经元的活动，并对其进行分析和建模，以了解神经元网络的活动模式和信息传递过程。
生物传感器微电极技术在生物传感器领域中具有重要的应用价值。
通过将生物分子（如DNA、蛋白质）或细胞固定在微电极表面，可以实现对生物分子的高灵敏检测。
这种生物传感器能够快速、准确地检测微量生物分子，对医学诊断、食品安全监测和环境监测等领域具有重要意义。
生物医学工程微电极技术在生物医学工程领域中也有广泛的应用。
例如，在人工耳蜗中使用微电极来模拟听觉神经，使听力受损者能够恢复听力。
膜片钳技术及应用
膜片钳技术的应用领域
神经科学
研究神经元离子通道与动作电 位的产生和传播，以及药物对
神经元功能影响。
心血管
研究心脏离子通道与心律失常 的关系，以及抗心律失常药物 的作用机制。
药理学
研究药物对离子通道的作用机 制和效果，以及新药的开发和 筛选。
其他领域
膜片钳技术还可应用于内分泌 、免疫等领域，研究相关细胞
利用膜片钳技术，可以研究神经元在长期和短期内的电生理变化，了 解学习、记忆等认知过程的神经机制。
药物筛选与开发中的应用
药物作用机制的研究
膜片钳技术可以用于研究药物对离子通道或受体电流的影响，从 而揭示药物的作用机制。
药物筛选
通过膜片钳技术，可以在细胞或组织水平上快速筛选出具有特定 药理作用的药物候选物。
物或其他因素对细胞膜功能的影响。
03 膜片钳技术的应用实例
神经科学研究中的应用
神经元电活动的记录
膜片钳技术可以用来记录单个神经元在静息状态和刺激下的膜电位 变化，从而研究神经元的兴奋性和电生理特性。
突触传递的研究
通过膜片钳技术，可以记录突触后电位，研究神经递质释放、受体 激活和信号转导等过程。
神经可塑性的研究
在医学诊断与治疗中的应用
疾病诊断
膜片钳技术可用于检测细胞膜离子通道的异常变化，从而对某些 疾病进行早期诊断，如癌症、神经退行性疾病等。
药物研发
通过膜片钳技术可以研究药物对离子通道的作用机制，为新药研发 提供有力支持。
个体化治疗
根据患者的离子通道基因变异情况，膜片钳技术可以为个体化治疗 提供精准的用药建议。
高通量与高灵敏度
通过改进膜片钳技术的设计和材料，有望实现高通量和高灵敏度的检测， 从而能够同时记录多个细胞或同一细胞的不同活动，提高实验的效率和 精度。
玻璃微电极
玻璃微电极介绍玻璃微电极是一种用于电生理实验中的精细电极。
它由细小的玻璃制成，具有高度的机械稳定性和电化学性能。
玻璃微电极广泛应用于神经科学研究、细胞生物学研究以及其他生物医学领域。
本文将介绍玻璃微电极的特点、制作方法以及在实验中的应用。
特点玻璃微电极具有以下几个主要特点：1.尺寸细小：玻璃微电极通常具有微米级别的尺寸，能够精确地探测细胞和细胞间的微弱电信号。
2.高度的机械稳定性：玻璃微电极由坚硬的玻璃材料制成，具有较高的机械稳定性，可长时间保持其形状和功能。
3.优异的电化学性能：玻璃微电极的表面可进行化学上的修饰，增强其电化学性能，提高信号的灵敏度和稳定性。
4.易于制备和操作：制备玻璃微电极的方法相对简单，操作相对容易，适用于各种实验需求。
制作方法制作玻璃微电极的一种常用方法是拉制法，步骤如下：1.材料准备：准备玻璃毛细管、拉制机和熔化玻璃所需的火焰。
2.玻璃毛细管加热：将玻璃毛细管的一端加热至软化状态，可以通过调节火焰的温度和距离来控制加热效果。
3.拉制：在玻璃毛细管软化的同时，逐渐拉长和细化毛细管，形成细长的玻璃微电极。
4.切断：将拉制好的玻璃微电极从毛细管上切断，得到单独的微电极。
5.修整：用火焰对微电极的末端进行修整，以获得理想的形态。
玻璃微电极在电生理实验中具有广泛的应用，以下是几个常见的应用例子：1.细胞内记录：玻璃微电极可以进入细胞内部，记录细胞内的电信号，例如神经细胞的动作电位。
得益于其细小的尺寸和高度的机械稳定性，玻璃微电极能够精确地记录细胞的电活动。
2.细胞外记录：将玻璃微电极放置在神经元或其他细胞附近，可以记录细胞外的电信号，例如神经元放电的外部表现。
由于玻璃微电极表面的化学修饰，可以增强信号的灵敏度和稳定性。
3.刺激应答实验：将玻璃微电极与刺激装置结合使用，可进行刺激应答实验。
可以通过对目标细胞进行电刺激，并记录其响应，来研究细胞的功能和特性。
4.其他应用：玻璃微电极还可以用于其他生物医学实验中，例如离子选择性电极、微流控芯片等。
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玻璃微电极技术及其在植物胞内测量中的应用姓名：汪晓丽学号：4034 导师：封克教授扬州大学环境科学与工程学院，扬州2250091 玻璃微电极技术简介1.1 玻璃微电极及离子选择性玻璃微电极微电极是指尖端很细的电极探针。
它可以用于胞内测量[1~8]，也可以用于胞外测量[9]。
对于细胞内测量，通常采用玻璃微电极，内部灌注盐溶液，与电极夹持器的金属接触点之间构成盐桥，从而构成电路的一部分。
玻璃微电极尖端用特制仪器拉制得非常细（直径一般不超过1µm），这样细的针尖刺入植物细胞膜后，质膜很快就能够在针尖刺入处愈合，从而避免细胞膜受到破坏，且容易获得一个比较稳定的膜电势差。
最简单的玻璃微电极可用来测量细胞膜内外的电势差。
这时需要两个电极，一个是测量电极，尖端细小，插入细胞内，另一个是参比电极，尖端稍大，安放在细胞外。
两电极间的电势差由静电计测量，经放大器放大后由记录仪记录（图1）。
图1 玻璃微电极测定细胞膜电位示意图图2双管离子选择性玻璃微电极示意图( from Miller A J. )离子选择性玻璃微电极是指在尖端有一层离子选择性液膜的玻璃微电极。
它对跨膜电势差和相应的敏感离子都有响应。
胞内测量时，可同时测量跨膜电势差和相应离子的活度（图2）。
采用离子选择性微电极进行胞内测量时主要的优点是：（1）原位测定，不会对细胞造成伤害；（2）可同时测定单个细胞的跨膜电势梯度和化学势梯度；（3）可用于测定多种离子；（4）与其它胞内测量方法相比，相对比较便宜。
正是由于离子选择性微电极的这些优点，使得离子选择性电极成为测量单个细胞内离子的活度的唯一方法。
采用离子选择性微电极进行胞内测量时最大的缺点是：只能测量细胞内单点的离子活度，因而在细胞内离子浓度相差很大时不能提供更为完全的信息。
1.2 离子选择性玻璃微电极技术离子选择性玻璃微电极的制作是微电极技术的一个关键步骤，大体可分为拉制玻璃针、硅化玻璃管内壁、灌注离子选择性液膜、校正等几个步骤[10]。
玻璃微电极通常采用硬质玻璃（如硼硅玻璃、铝硅玻璃）管经专门的微电极拉制仪拉制而成。
硅化玻璃管内壁是为了在玻璃管内壁与离子选择性液膜之间形成高阻封接的牢固防水层。
离子选择性液膜原液可以自己配制或直接购买商品化的，灌注到微电极的尖端后形成一层对于特定敏感离子有响应的选择性液膜。
校正离子选择性玻璃微电极时通常采用具有不同活度的一系列标准溶液。
为了尽量接近细胞内的情况，需要对标准溶液的离子强度、pH等进行调节，并且其中往往还要加入少量的干扰离子。
玻璃微电极制作成功后，即可用于进行植物细胞的胞内测量。
所采用的仪器设备主要有：显微镜、微操纵仪、放大器、数据采集系统、防震台和屏蔽罩等。
由于生物电信号的电压极小，电阻大，所以放大器必须具备高灵敏度、高输入阻抗、高辨差率等特点，才能准确记录到电信号的微弱变化。
2 玻璃微电极技术在植物细胞胞内测量中的应用2.1 研究离子跨膜转运机制细胞的膜电位是由细胞膜对特异离子的相对透性和离子的跨膜浓度梯度决定的，一般为负值。
任何离子或分子在跨膜转运时，如果有电荷的移动，就会使跨膜电势差（膜电位）发生变化。
当内向电流（阳离子内流或阴离子外流）大于外向电流（阳离子外流或阴离子内流）时，膜被去极化，即膜电位向负值减少的方向变化；当外向电流大于内向电流时，膜被超极化，即膜电位向膜电位负值增大的方向变化。
当然，生物膜中膜电位的变动是很有限的，因为：①膜电位为负值，使得一些溶质（例如：NH4+、糖类、氨基酸等）能够逆浓度梯度在电场驱动下进行跨膜运输；②膜电位需控制在一定范围内才能使得H+-ATP酶能够正常地运转，否则会造成膜的电损伤；③膜电位在细胞信号传导中起着重要的作用，例如，当一些效应物引起膜电位去极化时，触发Ca2+通道的激活，使得胞内的Ca2+浓度发生变化而导致信号进一步传导[11]。
膜电位高低受到细胞外和细胞内诸多因子的影响，例如pH、细胞质ATP浓度、离子组成等。
膜电位可用于表征细胞健康状况和能量状况，因为一旦细胞膜受到损伤，或者细胞内的ATP库被耗竭了，膜电位就会有大幅度的改变[12]。
由于离子选择性电极可同时测量跨细胞膜的电势差和膜内特定离子的活度，因而可根据Nernst方程来计算特定离子跨膜运输的平衡浓度，并判断其是主动运输还是被动运输。
假如测得液泡膜电势差为10~20mV，利用Nernst方程可计算出通过被动运输进入液泡膜的NO3-平衡浓度可达6~9 mol L-1。
但是，实际上液泡中的NO3-浓度要高得多，因此NO3-从细胞质中进入液泡的机制主要靠主动运输。
NH4+、NO3-、SO42-、H2PO4-、氨基酸、蔗糖等都是细胞内代谢过程的底物，它们通过跨膜运输进入细胞内的代谢库，因而其在细胞内的浓度（活度）及细胞膜上特定转运体的活性就体现了细胞内相应的代谢过程的活性[12]。
例如，通过在外部溶液中加入NO3-和NH4+，诱导细胞的膜电位发生变化，可用于分析NO3-和NH4+转运体的活性[1, 3, 7, 13]。
一般而言，NO3-对膜电位的影响是先快速的去极化，然后再以相对较慢的速度发生超极化或者复极化（图3）。
在大麦中，去极化的程度随NO3-诱导时间的延长而增加[1]。
大麦、拟南芥根毛细胞的膜电位发生去极化的程度随着外部溶液中NO3-浓度的增加而增加[1,14]，而玉米根细胞的膜电位发生超极化的程度随着外部溶液中NO3-浓度的增加而增加[3]。
无论是去极化还是超极化，NO3-诱导的膜电位变化都符合Michaelis-Menten方程的描述，这就说明膜电位的变化与细胞膜上NO3-转移系统的活性有关。
NO3-诱导细胞膜电位先发生去极化，可能是由于H+/NO3-共运引起的，后发生超极化则可能是由于H+/NO3-共运使细胞质酸化，进而激活了质膜上的质子泵[3, 5]。
在研究硝酸根转运体基因在爪蟾卵母细胞中的表达特性时，这种假设得到证实：在爪蟾卵母细胞中，NO3-诱导细胞膜电位也发生去极化，但由于不能激活质子泵而使得细胞膜电位不能得到恢复[15]。
NH4+诱导膜电位发生快速的去极化，去极化的程度随外部溶液中NH4+浓度的增加而增加[7]。
低浓度NH4+诱导水稻膜电位发生去极化的程度符合Michaelis-Menten方程的描述，这就说明膜电位变化与细胞膜上NH4+转移系统的活性有关；高浓度NH4+诱导水稻膜电位发生去极化的程度随着外部溶液中NH4+浓度的增加而成线性增加（图4）[7]。
这种膜电位去极化程度随NH4+浓度发生双阶段性变化的现象，正是由于细胞膜上存在两个NH4+转运系统，即高亲和系统（HATS）和低亲和系统（LATS ）。
2.2 研究离子的分室化Zhen 等和Miller 等采用硝酸盐选择性微电极分别测定了细胞内硝酸盐活度，发现可将硝酸盐在细胞内的分布划分为以液泡膜为界的两个组群（populations ）[5, 6]。
研究表明，细胞质的NO 3-浓度通常保持在某一稳定的水平上，不随外界浓度的变化发生明显的改变；液泡中NO 3-浓度随外界NO 3-的供给状况而变，而且可以和细胞质内的NO 3-相互发生转移。
Walker et al (1995)首先采用三管离子选择性微电极来确定微电极尖端在植物细胞中的定位（图5，6）[8]。
三管离子选择性微电极就是在双管离子选择性微电极的基础上再增加一个可以指示细胞定位的微电极（如H +或Ca 2+选择性电极）。
由于细胞质的pH 一般稳定在7.0~7.6，而液泡内的pH 一般在4.0~6.0[16]，所以H +选择性电极可用来指示微电极尖端是位于细胞质内还是液泡内（图6）。
图 4 外部溶液中NH 4+浓度对水稻根细胞膜电位去极化程度的影响 (from Wang MY, et al. 1994. Plant Physiol. )图3 野生型拟南芥与突变体根表皮细胞膜电位随NO 3-浓度的变化 (from WangR, et al. 1996. Proc. Nart. Acad. U.S.A.)3 展望测定细胞内离子的浓度（活度）是研究离子跨膜转运机制的先决条件，目前测定细胞内离子浓度的方法主要有分室示踪外流法（Compartmental trace refflux ）、核磁共振法（Nuclear magnetic resonance ）、细胞分级法（Cell fractionation ）、离子选择性微电极法（ion-selective microelectrode ）等。
不同方法测得的细胞内离子浓度的值相差悬殊，但到目前为止很少有研究采用不止一种方法来研究细胞内离子的浓度，也很少有研究采用同一方法来比较不同植物的测定结果。
在我国还没有有关植物液泡中硝酸盐研究的报道[17]，这在很大程度上也是苦于缺乏一个标准而准确的测量离子浓度的方法。
离子选择性电极法是目前测定细胞内离子活度的唯一方法，且可同时测定跨膜的电势差，因而在细胞内测量方法中占有独特的地位，为研究离子的跨膜转运机制提供了有效的信息。
离子选择性微电极的制作是限制其使用的一个主要因子。
离子选择性液膜的导电性、选择性仍需要进一步提高。
目前所使用地离子选择性电极仅限于测定H +、K +、Na +、图5 三管离子选择性微电极测定大麦根皮层细胞质K +活度 (from Walker DJ, et al. 1995. Palnt Physiol. ) 图6 三管离子选择性微电极测定大麦根细胞质K +活度与pH 的分布(from Walker DJ, et al. 1995. Plant Physiol. )Ca2+、NH4+等阳离子和NO3- Cl-等阴离子，新的离子选择性微电极有待研究和发现。
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