用于檢測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝和成像的細(xì)胞傳感器及其測(cè)試系統(tǒng)的研究.pdf

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

2、應(yīng)用前景。光尋址電位傳感器(Light-Adressable Potiential Sensor，LAPS)是檢測(cè)溶液中離子濃度變化的一類細(xì)胞傳感器，它具有檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞胞外微環(huán)境離子濃度的潛力，因而也受到了較多關(guān)注。本論文在ECIS和LAPS的研究基礎(chǔ)之上，針對(duì)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)向多參數(shù)檢測(cè)和單細(xì)胞分析發(fā)展的趨勢(shì)和需求，設(shè)計(jì)了新式的基于光電檢測(cè)原理的細(xì)胞傳感器，并且開發(fā)完成了細(xì)胞傳感器分析儀器。
　　本論文的主要研究?jī)?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(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)的機(jī)理并應(yīng)用于實(shí)際細(xì)胞阻抗傳感器芯片的設(shè)計(jì)。
　　基于金屬電極-電解液界面雙電層模型，系統(tǒng)地研究了細(xì)胞與微電極耦合的電極阻抗模型。通過(guò)討論不同尺寸電極設(shè)計(jì)用于檢測(cè)細(xì)胞阻抗的結(jié)果，總結(jié)了細(xì)胞阻抗檢測(cè)電極的優(yōu)化準(zhǔn)則。根據(jù)優(yōu)化準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的細(xì)胞阻抗傳感器芯片成功應(yīng)用于了抗肝纖維化中藥的初篩。
　　二、提出了一種光電復(fù)合傳感器同時(shí)檢測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝的方法。
　　細(xì)胞阻抗和細(xì)胞代謝是細(xì)胞生

4、理的兩個(gè)十分重要的參數(shù)。前者反映細(xì)胞的粘附、增殖和凋亡過(guò)程中的細(xì)胞形態(tài)和數(shù)目變化，指示了細(xì)胞的生長(zhǎng)階段;后者反映細(xì)胞生理正常或異常時(shí)的能量代謝水平，指示了細(xì)胞的活性。本論文通過(guò)建立細(xì)胞與電解液-絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(Electrolyte-Insulator-Semiconductor，EIS)的界面耦合模型，闡明了基于EIS檢測(cè)細(xì)胞阻抗的原理。并根據(jù)EIS和LAPS分別檢測(cè)細(xì)胞阻抗和細(xì)胞代謝的原理的不同，設(shè)計(jì)和搭建了專門的傳感器測(cè)試系統(tǒng)

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

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