導言：在環境科學、海洋研究、水產養殖、廢水處理、生物醫學等領域，精確測量微米尺度下的耗氧率、二氧化碳生成以及其他氣體（如H2S、N2O、CH4）的通量，對于理解物質循環、微生物活動和系統健康至關重要。丹麥Unisense微呼吸系統(Unisense MicroRespiration System)正是為此而生的尖端解決方案，以其無可比擬的空間分辨率和靈敏度，成為全球頂尖研究機構和工業用戶的信賴之選。本文將全方位介紹這套革命性系統的核心價值、技術原理、應用場景與獨特優勢。

一、核心功能與技術原理

Unisense微呼吸系統的核心在于其微電極傳感技術(Microsensor Technology)。它能在非侵入、非破壞性的條件下，對樣品中的氣體濃度梯度進行微米級空間分辨率(μm-scale resolution)的實時監測，從而計算出精確的呼吸速率和氣體通量。

關鍵測量參數：

溶解氧(O2)消耗速率：核心應用，適用于生物膜、沉積物、水樣、組織切片、細胞聚集體等。

二氧化碳(CO2)產生速率：揭示呼吸代謝的另一面。

其他氣體通量：可通過選配特定微電極測量硫化氫(H2S)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)等重要氣體的產生或消耗。

pH值：可選配pH微電極，關聯呼吸活動與酸堿環境。

核心技術原理：

微電極：系統使用直徑僅幾微米到數百微米的尖端傳感電極（Clark型或安培型居多）。微小尺寸使其能插入或靠近樣品進行測量，幾乎不干擾樣品本身。

高精度放大器：系統配備的專用放大器具有極高的穩定性和靈敏度，能夠檢測nmol/L級別甚至更低的濃度變化（尤其是O2），并有效抑制噪聲。

擴散通量計算：通過在目標位置（如生物膜表面或內部、沉積物-水界面）測量穩定的濃度梯度，結合已知的氣體擴散系數，系統（通過配套軟件）自動計算出該點/區域的氣體擴散通量，即呼吸或代謝速率（單位如nmol/cm2/s,nmol/L/h）。

軟件與自動化：

SensorTrace軟件：直觀的控制和數據采集平臺。

自動化定位(Motorized Micromanipulator)：高精度微操縱器可程序化控制電極在X,Y,Z軸移動，實現空間剖面（Profiling）或區域掃描（2D Mapping）。

自動化流通池：為樣品提供受控的水流環境，模擬自然條件或特定實驗場景。

微型反應腔：用于測量小型水樣或懸浮物的整體耗氧率（Bulk Oxygen Consumption Rate）。

二、Unisense微呼吸系統的核心優勢

無與倫比的空間分辨率：微米級的測量能力是最大亮點。它能揭示生物膜內部不同深度、沉積物薄層、單個細胞團簇甚至單細胞（配合特殊技術）的異質性呼吸活動，這是傳統整體（Bulk）測量方法（如溶氧儀測瓶耗氧）完全無法企及的。

極高的靈敏度和精度：特別對于溶解氧，檢測限低，能探測極其微弱的呼吸信號，適用于低代謝活性的樣品（如深海底棲生物、古微生物培養）。

非侵入性與原位測量：微電極對樣品的擾動極小，能在接近自然狀態下進行原位或模擬原位測量，結果更能反映真實情況。

多功能性與可擴展性：

一臺核心放大器可連接多種類型的微電極（O2,CO2,H2S,N2O,CH4,pH等），系統高度模塊化。

集成了剖面測量、二維掃描和整體耗氧測量等多種模式于一體。

可與顯微鏡集成，實現光學觀察與化學測量的同步（例如，在顯微鏡下定位測量特定細胞）。

強大的軟件支持：SensorTrace軟件提供實時數據顯示、實驗過程控制（程序化）、數據分析和可視化功能（生成濃度分布圖、通量圖等）。

穩定性與可靠性：Unisense以高品質制造和穩定的傳感器性能著稱，確保實驗數據的可靠性和可重復性。

全球學術與工業認可：被廣泛應用于全球頂尖大學、研究機構和領先企業，是相關領域研究論文和行業標準實踐中的重要工具。

三、廣泛應用領域：解決哪些關鍵科學問題？

環境科學&微生物生態學：

土壤與沉積物生物地球化學循環：O2,CH4,N2O,H2S通量剖面及驅動機制研究。

水生系統研究：水華、生物膜、底棲邊界層的代謝活動。

污染物生物降解：微生物對污染物的呼吸代謝過程監測。

溫室氣體排放源解析。

廢水處理工程：

生物膜反應器（如滴濾池、移動床）內部結構與活性表征。

活性污泥絮體內部缺氧/厭氧區分布及活性。

優化曝氣策略，評估處理效能。

研究毒性抑制效應。

水產養殖與水族館：

生物濾器性能評估（硝化活性測量）。

活體運輸過程中水體的實際耗氧率。

沉積物健康評估（避免黑化、硫化物積累）。

海洋科學：

海洋沉積物-水界面交換過程。

冷水珊瑚礁、熱液噴口等特殊生態系統的代謝。

浮游生物聚集體的呼吸作用。

生物擾動（如底棲動物活動）對界面通量的影響。

生物醫學研究(應用增長領域)：

細胞代謝研究：組織切片、3D細胞球體（Spheroids）、類器官(Oragnoids)的耗氧率（反映細胞活力和代謝狀態）。

藥物篩選：評估藥物對細胞代謝的影響（如抗癌藥效評估）。

線粒體功能研究。

植入材料生物相容性評估（周圍組織的耗氧變化）。

四、核心組件概覽：構建您的系統

核心放大器：如Microsensor Multimeter,提供信號放大、補償和數字化。

高精度微電極：如Clark型氧微電極、二氧化碳微電極、硫化氫微電極等。

自動化微操縱器：精確定位電極的關鍵設備。

流通池或微型反應腔：根據實驗需求選擇，用于容納樣品并提供可控環境。

SensorTrace軟件：實驗控制、數據采集與分析的核心。

可選配：顯微鏡適配器、恒溫系統、微型注射泵、多通道擴展模塊等。

四、應用實例（含操作步驟與實驗結果）

貼壁細胞呼吸速率測定：

因為O2在細胞培養基中擴散速率很低，由于正常的呼吸作用，靠近細胞附近會存在一個明顯的氧氣濃度的下降，形成一個線性O2濃度的擴散邊界層。

用O2微電極測量了手套箱內貼壁細胞層上面1.6mm厚度內的O2梯度，微電極步進25微米。通過Fick第一擴散定律計算氧氣通量。dC/dX為氧氣梯度的斜率，D為細胞培養基擴散系數，穩態條件下擴散邊界層氧氣通量=細胞呼吸速率。呼吸速率用fmol o2/h/細胞表示，用每平方厘米獲得的呼吸速率除以每平方厘米的細胞數。

結果表明，如果不測細胞周圍的O2濃度，則不可能正確關聯到體外培養結果（例如基因表達與細胞耗氧量），因為這和氣相記錄的O2濃度完全不同。因此監測細胞細胞周圍O2濃度和細胞的O2消耗十分重要。數據顯示，細胞融合時O2消耗劇增。（Pericellular oxygen depletion during ordinary tissue culturing,measured with oxygen microsensors）

懸浮細胞微呼吸瓶法測量：

微呼吸模塊包括：微型磁力攪拌器、微呼吸瓶支架、微呼吸瓶、小磁石、微呼吸系統（O2、H2S、H2、N2O、NO、pH、電位）

上圖測量了尼日利亞菌素/纈氨霉素非耦合的細胞呼吸速率受添加物的抑制情況，用微量注射器向微呼吸瓶添加：NADH(0.35 mM)，ADP(0.19 mM)，魚藤酮(0.1 mM)，琥珀酸鹽(20 mM)，抗霉素A(0.05 mM)，抗壞血酸鹽(10 mM)，KCN(0.5 mM)。（Evidence for aerobic metabolism in retinal rod outer segment disks）

生物反應器測量O2濃度變化：

本裝置能進行間歇性缺氧（5%的O2濃度20秒和20%的O2濃度50秒）的細胞培養工作，能讓細胞受到高頻率的低氧高氧的刺激。

用丹麥Unisense O2微電極測量了人肺泡上皮細胞（A549）和小鼠黑色素瘤細胞（b16-f10）在快速變化的缺氧模式下的氧濃度，連續測量8小時。圖A和圖B為兩種氧模式，周期都為90秒，只是缺氧階段持續的時間不同。圖C和圖D為兩種間歇性高氧模式。（A bioreactor for subjecting cultured cells to fast-rate intermittent hypoxia）

生物反應器測量O2濃度變化：

本裝置能進行間歇性缺氧（5%的O2濃度、20秒和20%的O2濃度、50秒）的細胞培養工作，能讓細胞受到高頻率的低氧高氧的刺激。

用丹麥Unisense O2微電極測量了人肺泡上皮細胞（A549）和小鼠黑色素瘤細胞（b16-f10）在快速變化的缺氧模式下的氧濃度，連續測量8小時。圖A和圖B為兩種氧模式，周期都為90秒，只是缺氧階段持續的時間不同。圖C和圖D為兩種間歇性高氧模式。（A bioreactor for subjecting cultured cells to fast-rate intermittent hypoxia）

結論：

丹麥Unisense微呼吸系統不僅僅是測量設備，更是探索微觀世界物質交換與生命活動的關鍵鑰匙。憑借其革命性的微電極技術和系統設計，它幫助科研人員和工程師以前所未有的精度和深度，揭示從環境基質到生物組織內部的復雜呼吸代謝過程，為解決環境挑戰、優化工程流程、推進生命科學研究提供了不可或缺的數據支撐。無論是在理解全球碳氮循環、優化廢水處理廠運行、保障水產健康，還是在探索細胞代謝奧秘的前沿，Unisense微呼吸系統都持續引領著高分辨率呼吸測量技術的發展方向。