导言：在环境科学、海洋研究、水产养殖、废水处理、生物医学等领域，精确测量微米尺度下的耗氧率、二氧化碳生成以及其他气体（如H2S、N2O、CH4）的通量，对于理解物质循环、微生物活动和系统健康至关重要。丹麦Unisense微呼吸系统(Unisense MicroRespiration System)正是为此而生的尖端解决方案，以其无可比拟的空间分辨率和灵敏度，成为全球顶尖研究机构和工业用户的信赖之选。本文将全方位介绍这套革命性系统的核心价值、技术原理、应用场景与独特优势。

一、核心功能与技术原理

Unisense微呼吸系统的核心在于其微电极传感技术(Microsensor Technology)。它能在非侵入、非破坏性的条件下，对样品中的气体浓度梯度进行微米级空间分辨率(µm-scale resolution)的实时监测，从而计算出精确的呼吸速率和气体通量。

关键测量参数：

溶解氧(O2)消耗速率：核心应用，适用于生物膜、沉积物、水样、组织切片、细胞聚集体等。

二氧化碳(CO2)产生速率：揭示呼吸代谢的另一面。

其他气体通量：可通过选配特定微电极测量硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)等重要气体的产生或消耗。

pH值：可选配pH微电极，关联呼吸活动与酸碱环境。

核心技术原理：

微电极：系统使用直径仅几微米到数百微米的尖端传感电极（Clark型或安培型居多）。微小尺寸使其能插入或靠近样品进行测量，几乎不干扰样品本身。

高精度放大器：系统配备的专用放大器具有极高的稳定性和灵敏度，能够检测nmol/L级别甚至更低的浓度变化（尤其是O2），并有效抑制噪声。

扩散通量计算：通过在目标位置（如生物膜表面或内部、沉积物-水界面）测量稳定的浓度梯度，结合已知的气体扩散系数，系统（通过配套软件）自动计算出该点/区域的气体扩散通量，即呼吸或代谢速率（单位如nmol/cm²/s,nmol/L/h）。

软件与自动化：

SensorTrace软件：直观的控制和数据采集平台。

自动化定位(Motorized Micromanipulator)：高精度微操纵器可程序化控制电极在X,Y,Z轴移动，实现空间剖面（Profiling）或区域扫描（2D Mapping）。

自动化流通池：为样品提供受控的水流环境，模拟自然条件或特定实验场景。

微型反应腔：用于测量小型水样或悬浮物的整体耗氧率（Bulk Oxygen Consumption Rate）。

二、Unisense微呼吸系统的核心优势

无与伦比的空间分辨率：微米级的测量能力是最大亮点。它能揭示生物膜内部不同深度、沉积物薄层、单个细胞团簇甚至单细胞（配合特殊技术）的异质性呼吸活动，这是传统整体（Bulk）测量方法（如溶氧仪测瓶耗氧）完全无法企及的。

极高的灵敏度和精度：特别对于溶解氧，检测限低，能探测极其微弱的呼吸信号，适用于低代谢活性的样品（如深海底栖生物、古微生物培养）。

非侵入性与原位测量：微电极对样品的扰动极小，能在接近自然状态下进行原位或模拟原位测量，结果更能反映真实情况。

多功能性与可扩展性：

一台核心放大器可连接多种类型的微电极（O2,CO2,H2S,N2O,CH4,pH等），系统高度模块化。

集成了剖面测量、二维扫描和整体耗氧测量等多种模式于一体。

可与显微镜集成，实现光学观察与化学测量的同步（例如，在显微镜下定位测量特定细胞）。

强大的软件支持：SensorTrace软件提供实时数据显示、实验过程控制（程序化）、数据分析和可视化功能（生成浓度分布图、通量图等）。

稳定性与可靠性：Unisense以高品质制造和稳定的传感器性能著称，确保实验数据的可靠性和可重复性。

全球学术与工业认可：被广泛应用于全球顶尖大学、研究机构和领先企业，是相关领域研究论文和行业标准实践中的重要工具。

三、广泛应用领域：解决哪些关键科学问题？

环境科学&微生物生态学：

土壤与沉积物生物地球化学循环：O2,CH4,N2O,H2S通量剖面及驱动机制研究。

水生系统研究：水华、生物膜、底栖边界层的代谢活动。

污染物生物降解：微生物对污染物的呼吸代谢过程监测。

温室气体排放源解析。

废水处理工程：

生物膜反应器（如滴滤池、移动床）内部结构与活性表征。

活性污泥絮体内部缺氧/厌氧区分布及活性。

优化曝气策略，评估处理效能。

研究毒性抑制效应。

水产养殖与水族馆：

生物滤器性能评估（硝化活性测量）。

活体运输过程中水体的实际耗氧率。

沉积物健康评估（避免黑化、硫化物积累）。

海洋科学：

海洋沉积物-水界面交换过程。

冷水珊瑚礁、热液喷口等特殊生态系统的代谢。

浮游生物聚集体的呼吸作用。

生物扰动（如底栖动物活动）对界面通量的影响。

生物医学研究(应用增长领域)：

细胞代谢研究：组织切片、3D细胞球体（Spheroids）、类器官(Oragnoids)的耗氧率（反映细胞活力和代谢状态）。

药物筛选：评估药物对细胞代谢的影响（如抗癌药效评估）。

线粒体功能研究。

植入材料生物相容性评估（周围组织的耗氧变化）。

四、核心组件概览：构建您的系统

核心放大器：如Microsensor Multimeter,提供信号放大、补偿和数字化。

高精度微电极：如Clark型氧微电极、二氧化碳微电极、硫化氢微电极等。

自动化微操纵器：精确定位电极的关键设备。

流通池或微型反应腔：根据实验需求选择，用于容纳样品并提供可控环境。

SensorTrace软件：实验控制、数据采集与分析的核心。

可选配：显微镜适配器、恒温系统、微型注射泵、多通道扩展模块等。

四、应用实例（含操作步骤与实验结果）

贴壁细胞呼吸速率测定：

因为O2在细胞培养基中扩散速率很低，由于正常的呼吸作用，靠近细胞附近会存在一个明显的氧气浓度的下降，形成一个线性O2浓度的扩散边界层。

用O2微电极测量了手套箱内贴壁细胞层上面1.6mm厚度内的O2梯度，微电极步进25微米。通过Fick第一扩散定律计算氧气通量。dC/dX为氧气梯度的斜率，D为细胞培养基扩散系数，稳态条件下扩散边界层氧气通量=细胞呼吸速率。呼吸速率用fmol o2/h/细胞表示，用每平方厘米获得的呼吸速率除以每平方厘米的细胞数。

结果表明，如果不测细胞周围的O2浓度，则不可能正确关联到体外培养结果（例如基因表达与细胞耗氧量），因为这和气相记录的O2浓度完全不同。因此监测细胞细胞周围O2浓度和细胞的O2消耗十分重要。数据显示，细胞融合时O2消耗剧增。（Pericellular oxygen depletion during ordinary tissue culturing,measured with oxygen microsensors）

悬浮细胞微呼吸瓶法测量：

微呼吸模块包括：微型磁力搅拌器、微呼吸瓶支架、微呼吸瓶、小磁石、微呼吸系统（O2、H2S、H2、N2O、NO、pH、电位）

上图测量了尼日利亚菌素/纈氨霉素非耦合的细胞呼吸速率受添加物的抑制情况，用微量注射器向微呼吸瓶添加：NADH(0.35 mM)，ADP(0.19 mM)，鱼藤酮(0.1 mM)，琥珀酸盐(20 mM)，抗霉素A(0.05 mM)，抗坏血酸盐(10 mM)，KCN(0.5 mM)。（Evidence for aerobic metabolism in retinal rod outer segment disks）

生物反应器测量O2浓度变化：

本装置能进行间歇性缺氧（5%的O2浓度20秒和20%的O2浓度50秒）的细胞培养工作，能让细胞受到高频率的低氧高氧的刺激。

用丹麦Unisense O2微电极测量了人肺泡上皮细胞（A549）和小鼠黑色素瘤细胞（b16-f10）在快速变化的缺氧模式下的氧浓度，连续测量8小时。图A和图B为两种氧模式，周期都为90秒，只是缺氧阶段持续的时间不同。图C和图D为两种间歇性高氧模式。（A bioreactor for subjecting cultured cells to fast-rate intermittent hypoxia）

生物反应器测量O2浓度变化：

本装置能进行间歇性缺氧（5%的O2浓度、20秒和20%的O2浓度、50秒）的细胞培养工作，能让细胞受到高频率的低氧高氧的刺激。

用丹麦Unisense O2微电极测量了人肺泡上皮细胞（A549）和小鼠黑色素瘤细胞（b16-f10）在快速变化的缺氧模式下的氧浓度，连续测量8小时。图A和图B为两种氧模式，周期都为90秒，只是缺氧阶段持续的时间不同。图C和图D为两种间歇性高氧模式。（A bioreactor for subjecting cultured cells to fast-rate intermittent hypoxia）

结论：

丹麦Unisense微呼吸系统不仅仅是测量设备，更是探索微观世界物质交换与生命活动的关键钥匙。凭借其革命性的微电极技术和系统设计，它帮助科研人员和工程师以前所未有的精度和深度，揭示从环境基质到生物组织内部的复杂呼吸代谢过程，为解决环境挑战、优化工程流程、推进生命科学研究提供了不可或缺的数据支撑。无论是在理解全球碳氮循环、优化废水处理厂运行、保障水产健康，还是在探索细胞代谢奥秘的前沿，Unisense微呼吸系统都持续引领着高分辨率呼吸测量技术的发展方向。