锌作为一种植物生长的必需微量元素，在植物的生长发育过程中发挥着至关重要的作用，但当其在植物体内的累积量达到一定阈值也会表现出毒性效应。利用非损伤微测技术可以对植物根际微区重金属离子流的动态过程进行实时、活体检测，这将有助于我们深入认识植物吸收以及耐受重金属的生理机制。本文在前期工作的基础上开发了一种基于非损伤微测技术的Zn2+选择性微电极，并首次实现了活体条件下植物根际Zn2+离子流的实时、动态检测。


首先开发的Zn2+选择性微电极进行了性能表征。如图1所示，微电极在去离子水中的线性响应范围为10-6~10-1mol/L，能斯特斜率为30.2 mV/decade；在简易模拟土壤溶液（溶液中含有0.1 mmol/L Ca(NO3)2，0.1 mmol/L KNO3，0.1 mmol/L Mg(NO3)2和1 mmol/L NaNO3）中，由于共存阳离子的干扰，在低于50μmol/L的Zn2+浓度时其电位发生偏移，但在5×10-5~10-1 mol/L范围内仍然呈线性响应，能斯特斜率为28.1 mV/decade。

图1 Zn2+微电极在去离子水和模拟土壤溶液中的校正曲线


同时检测了溶液pH对微电极性能等的影响以及电极在实际使用中的稳定性。如图2所示，pH在3.5~7.0范围内电位稳定，微电极在此pH范围内可以正常工作。微电极在10 min内电位值几乎不发生改变，电位差也接近于0。这表明微电极有非常好的稳定性，在检测过程中可以避免电位波动所带来的误差（图3）。

图2 pH对Zn2+微电极电位的影响

图3 Zn2+微电极的稳定性测试

图4伴矿景天根际Zn2+离子流测试

在对Zn2+微电极进行一系列优化和表征后，通过搭载非损伤微测系统对Zn/Cd超积累植物伴矿景天幼苗根际不同微区Zn2+离子流进行了测定。如图4所示，伴矿景天在距离根尖600μm内Zn2+净通量为内吸，且在300μm处有最强的吸收速率，在700~1 000μm处则有明显的Zn2+外排信号。伴矿景天作为一种Cd/Zn超积累植物，其对高浓度的重金属表现出一定的抗性和耐受性。通过非损伤微测技术发现其在根尖微区存在外排Zn2+的部位，这可能是其避免高浓度重金属对其根部造成损害的一种主动防御措施，但是这种植物主动外排金属离子的分子生物学过程机制目前尚不完全清楚，值得深入分析和研究。