細胞阻抗和電位檢測復(fù)合傳感器及其在藥物分析中應(yīng)用的研究.pdf

1、細胞電分析，包括細胞活性及細胞生長狀態(tài)的確定，在細胞研究、藥物作用、細胞工程、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生以及環(huán)境監(jiān)測中具有重要作用。本論文從細胞阻抗傳感和胞外電位測量背景現(xiàn)狀出發(fā)，引出了多參數(shù)集成芯片在細胞生理分析和藥物研究中的重要意義，結(jié)合細胞阻抗測試技術(shù)和胞外電位測試技術(shù)設(shè)計了基于平面微結(jié)構(gòu)的多參數(shù)分析的高內(nèi)涵復(fù)合傳感器及系統(tǒng)，主要工作如下：
　　 理論設(shè)計部分，重點深入研究了叉指電極細胞貼附阻抗模型，分析了細胞阻抗的特征頻譜響應(yīng)。本文首次提

2、出了基于等效電路的最優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則，并利用細胞-電極單元模型描述了細胞在電極上的空間分布對阻抗的影響。然后用有限元仿真電極電場以及細胞-電極模型驗證了前面的模型的分析，更深入理解了電極尺寸對傳感器性能的影響?；诩毎?電極點接觸模型分析了用于胞外電位測量的微電極系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，在此基礎(chǔ)上重點分析了電極幾何尺寸和噪聲源對測得胞外信號質(zhì)量的影響，提出了在微電極設(shè)計中的優(yōu)化準(zhǔn)則?；谝陨系睦碚摲治觯o出了叉指電極與微電極復(fù)合芯片ExCELL的布

3、局和整體設(shè)計。
　　 芯片系統(tǒng)部分，基于以上的設(shè)計方案，按照濺射金屬層，光刻電極圖案，沉積絕緣層，光刻絕緣層圖案的微加工工藝順序制作了芯片并且完成了生物相容性封裝。與之匹配的傳感器測試底座包括金屬屏蔽盒和電學(xué)和力學(xué)性能良好的壓針式接口，保證信號傳輸質(zhì)量。集成在底座上的溫控系統(tǒng)以及自動流動控制系統(tǒng)能保證細胞正常生長并提供自動化實驗分析。32通道高增益低噪聲生物信號放大器提供了輸入噪聲為5.5μVRMS，增益1000的信號調(diào)理，然后

4、通過高速采集卡數(shù)字化記錄；多通道阻抗測試系統(tǒng)能提供帶寬為100Hz-10KHz的頻譜掃描和時間分辨率為10ms的單頻率長時測試。
　　 實驗分析部分，基于復(fù)合芯片系統(tǒng)，評價了PC12細胞生長過程中的細胞阻抗頻率特性以及阻抗隨時間的動態(tài)變化；利用波形提取和聚類的方法分析了從心肌細胞系HL-1測得的胞外電位信號。最后結(jié)合阻抗和胞外電位記錄這兩種參數(shù)綜合評價了阿霉素對心肌細胞系HL-1的急性和慢性毒性的心衰模型，驗證了芯片和測試系統(tǒng)能