用于檢測細胞生長、代謝和成像的細胞傳感器及其測試系統(tǒng)的研究.pdf

1、細胞傳感器作為一類以活體細胞為一級傳感單元、換能器為二級傳感單元的器件，具有高靈敏度、低成本、高通量檢測等特點，是環(huán)境毒性研究、食品安全、藥物篩選等領域研究的有效手段并在近年來逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。細胞阻抗傳感器(Electric Cell-Substrate Impedance Sensor，ECIS)是檢測粘附類細胞如上皮細胞、纖維母細胞、內(nèi)臟細胞等的形態(tài)和數(shù)目變化的一類細胞傳感器。它因無損實時監(jiān)測、制備工藝簡單、高通量等特點而具有廣泛的

2、應用前景。光尋址電位傳感器(Light-Adressable Potiential Sensor，LAPS)是檢測溶液中離子濃度變化的一類細胞傳感器，它具有檢測單個細胞胞外微環(huán)境離子濃度的潛力，因而也受到了較多關注。本論文在ECIS和LAPS的研究基礎之上，針對細胞實驗向多參數(shù)檢測和單細胞分析發(fā)展的趨勢和需求，設計了新式的基于光電檢測原理的細胞傳感器，并且開發(fā)完成了細胞傳感器分析儀器。
　　本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性工作在于:<

3、br>　　一、深入分析了叉指電極檢測細胞生長的機理并應用于實際細胞阻抗傳感器芯片的設計。
　　基于金屬電極-電解液界面雙電層模型，系統(tǒng)地研究了細胞與微電極耦合的電極阻抗模型。通過討論不同尺寸電極設計用于檢測細胞阻抗的結果，總結了細胞阻抗檢測電極的優(yōu)化準則。根據(jù)優(yōu)化準則設計的細胞阻抗傳感器芯片成功應用于了抗肝纖維化中藥的初篩。
　　二、提出了一種光電復合傳感器同時檢測細胞生長和代謝的方法。
　　細胞阻抗和細胞代謝是細胞生

4、理的兩個十分重要的參數(shù)。前者反映細胞的粘附、增殖和凋亡過程中的細胞形態(tài)和數(shù)目變化，指示了細胞的生長階段;后者反映細胞生理正?；虍惓r的能量代謝水平，指示了細胞的活性。本論文通過建立細胞與電解液-絕緣層-半導體結構(Electrolyte-Insulator-Semiconductor，EIS)的界面耦合模型，闡明了基于EIS檢測細胞阻抗的原理。并根據(jù)EIS和LAPS分別檢測細胞阻抗和細胞代謝的原理的不同，設計和搭建了專門的傳感器測試系統(tǒng)

5、。利用該測試系統(tǒng)成功測試了重金屬鎘對小鼠成纖維母細胞的細胞毒性。該方法彌補了ECIS和LAPS等方法只能檢測單一細胞生理參數(shù)的不足;同時也簡化了集成多參數(shù)檢測的細胞傳感器的設計方法。
　　三、提出了一種利用光尋址技術在芯片表面進行單細胞成像的方法。
　　通過模型分析揭示了該方法的可行性。同時，對EIS器件的光電穩(wěn)定性進行了細致研究，給出了提高EIS器件穩(wěn)定性的優(yōu)化準則。該方法能夠很好地彌補現(xiàn)有檢測技術（如ECIS）的不足:只

6、能分析群細胞行為，而缺少反映單細胞多樣化分布信息的能力。該方法雖然還達不到光學顯微鏡的空間分辨率，但是它不需要構建精密的光路，成本低，操作簡單，而且單細胞水平的分辨率也已經(jīng)能夠滿足許多細胞實驗的需求。
　　四、完成了基于細胞傳感器的多功能和便攜式自動分析儀器的硬件設計
　　設計了基于細胞傳感器的多功能和便攜式自動分析儀器的總體結構。完成了ECIS、LAPS兩種細胞傳感器檢測電路的設計測試;完成了儀器的組裝調(diào)試。開展了藥物篩選