多功能光尋址細(xì)胞傳感器的設(shè)計及其應(yīng)用的研究.pdf

1、活體細(xì)胞對刺激信號的響應(yīng)反映在多種細(xì)胞參數(shù)的變化，例如細(xì)胞代謝，動作電位和細(xì)胞阻抗變化等。細(xì)胞傳感器(Cell-based Biosensors，CBB)利用活體細(xì)胞作為傳感單元，通過二級換能器將細(xì)胞響應(yīng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號進行檢測。光尋址細(xì)胞傳感器(Light addressable cell-based biosensors，LACBB)作為一種特殊的細(xì)胞傳感器，利用光尋址電位傳感器(Light addressable potenti

2、ometric sensor，LAPS)作為二級換能器，利用激光進行細(xì)胞尋址，能有效解決其他類型細(xì)胞傳感器需定位培養(yǎng)細(xì)胞的難點。
　　 本文從細(xì)胞傳感器設(shè)計和儀器制作等關(guān)鍵技術(shù)入手，對基于LAPS的多功能光尋址細(xì)胞傳感器在檢測細(xì)胞阻抗，胞外電位和胞外微環(huán)境中的應(yīng)用進行了研究：結(jié)合阻抗檢測技術(shù)和LAPS技術(shù)，提出了一種光尋址細(xì)胞阻抗傳感器(Light addressable cell impedance sensor，LACIS)

3、，用以檢測細(xì)胞貼附阻抗特性；結(jié)合LAPS胞外電位檢測技術(shù)和干細(xì)胞技術(shù)設(shè)計了干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞芯片并將其用于藥物篩選；將胞外電位和離子檢測結(jié)合，實現(xiàn)了能同時檢測細(xì)胞電生理參數(shù)和代謝參數(shù)的LAPS細(xì)胞傳感器；最后，結(jié)合LAPS離子檢測技術(shù)和儀器開發(fā)技術(shù)，設(shè)計并完成了能夠?qū)崟r檢測多種細(xì)胞代謝參數(shù)的細(xì)胞微環(huán)境檢測儀。本文的創(chuàng)新點和貢獻在于：
　　 1.提出了一種基于LAPS的光尋址檢測細(xì)胞阻抗的方法。
　　 細(xì)胞阻抗可以反映細(xì)

4、胞的遷移、增殖、衰亡等生理過程，是一種重要的細(xì)胞生理參數(shù)。傳統(tǒng)細(xì)胞阻抗檢測采用金屬電極進行，反應(yīng)的是與電極接觸的所有細(xì)胞阻抗的平均值。本文采用電解液-絕緣層-半導(dǎo)體(EIS)結(jié)構(gòu)器件，結(jié)合LAPS的光尋址原理以及電化學(xué)阻抗檢測技術(shù)，首次提出了一種光尋址檢測細(xì)胞阻抗的方法，通過激光對細(xì)胞進行尋址，檢測光照區(qū)域的局部細(xì)胞阻抗變化而非全部細(xì)胞的平均阻抗變化。這種細(xì)胞阻抗檢測方法更適用于少量細(xì)胞甚至單細(xì)胞的檢測，也可以應(yīng)用于細(xì)胞阻抗成像。

5、>　　 2.提出了基于LAPS的干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞芯片設(shè)計方法并應(yīng)用于藥物篩選
　　 利用小鼠胚胎干細(xì)胞作為新型細(xì)胞來源并優(yōu)化LAPS傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計并實現(xiàn)了LAPS干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞芯片用于細(xì)胞電生理的檢測。將干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為心肌細(xì)胞后，通過LAPS檢測得到穩(wěn)定的胞外動作電位信號，并分析了四種藥物作用對心肌細(xì)胞電生理的影響?；贚APS的干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞芯片研究可以有效解決傳統(tǒng)胞外電位檢測傳感器如微電極陣列(Micr

6、o-electrode array，MEA)，場效應(yīng)晶體管(Field effect transistor，F(xiàn)ET)等，在細(xì)胞定位培養(yǎng)上的難點，并且驗證了干細(xì)胞可以作為細(xì)胞傳感器的新型細(xì)胞來源。
　　 3.提出了基于LAPS的多功能細(xì)胞傳感器的設(shè)計方法，實現(xiàn)了心肌細(xì)胞電位和胞外離子的多功能檢測。
　　 為了能更準(zhǔn)確的描述外界刺激作用下細(xì)胞的生理狀態(tài)響應(yīng)，需要對多種生理活動進行評價，因此開發(fā)能檢測多種細(xì)胞生理參數(shù)的細(xì)胞傳感

7、器具有重要的意義。本文設(shè)計了一種基于LAPS的多功能細(xì)胞傳感器，以心肌細(xì)胞為例，實現(xiàn)了對胞外電位和胞外酸化率的同時檢測，用以同時表征細(xì)胞的電生理狀態(tài)和代謝水平。
　　 4.共同完成了細(xì)胞微環(huán)境檢測儀器的系統(tǒng)設(shè)計和加工制作，初步實現(xiàn)了細(xì)胞微環(huán)境自動檢測的功能。
　　 傳統(tǒng)細(xì)胞微生理計的缺點在于其檢測參數(shù)單一，儀器成本昂貴，以及難以實現(xiàn)高通量檢測。基于敏感膜技術(shù)、傳感器封裝技術(shù)、流體通路設(shè)計、檢測電路設(shè)計以及樣機加工技術(shù)，本