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

1、活體細(xì)胞對(duì)刺激信號(hào)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(dòng)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(guò)二級(jí)換能器將細(xì)胞響應(yīng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。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(jí)換能器，利用激光進(jìn)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(diǎn)。
　　 本文從細(xì)胞傳感器設(shè)計(jì)和儀器制作等關(guān)鍵技術(shù)入手，對(duì)基于LAPS的多功能光尋址細(xì)胞傳感器在檢測(cè)細(xì)胞阻抗，胞外電位和胞外微環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了研究：結(jié)合阻抗檢測(cè)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(cè)細(xì)胞貼附阻抗特性；結(jié)合LAPS胞外電位檢測(cè)技術(shù)和干細(xì)胞技術(shù)設(shè)計(jì)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(cè)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了能同時(shí)檢測(cè)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(cè)技術(shù)和儀器開(kāi)發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)并完成了能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)多種細(xì)胞代謝參數(shù)的細(xì)胞微環(huán)境檢測(cè)儀。本文的創(chuàng)新點(diǎn)和貢獻(xiàn)在于：
　　 1.提出了一種基于LAPS的光尋址檢測(cè)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(guò)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(cè)采用金屬電極進(jìn)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(cè)技術(shù)，首次提出了一種光尋址檢測(cè)細(xì)胞阻抗的方法，通過(guò)激光對(duì)細(xì)胞進(jìn)行尋址，檢測(cè)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(cè)方法更適用于少量細(xì)胞甚至單細(xì)胞的檢測(cè)，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(jì)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(lái)源并優(yōu)化LAPS傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)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(cè)。將干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為心肌細(xì)胞后，通過(guò)LAPS檢測(cè)得到穩(wěn)定的胞外動(dòng)作電位信號(hào)，并分析了四種藥物作用對(duì)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(cè)傳感器如微電極陣列(Micr

6、o-electrode array，MEA)，場(chǎng)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(diǎn)，并且驗(yàn)證了干細(xì)胞可以作為細(xì)胞傳感器的新型細(xì)胞來(lái)源。
　　 3.提出了基于LAPS的多功能細(xì)胞傳感器的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了心肌細(xì)胞電位和胞外離子的多功能檢測(cè)。
　　 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(duì)多種生理活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此開(kāi)發(fā)能檢測(cè)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(jì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)胞外電位和胞外酸化率的同時(shí)檢測(cè)，用以同時(shí)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(cè)儀器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和加工制作，初步實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞微環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)的功能。
　　 傳統(tǒng)細(xì)胞微生理計(jì)的缺點(diǎn)在于其檢測(cè)參數(shù)單一，儀器成本昂貴，以及難以實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)?；诿舾心ぜ夹g(shù)、傳感器封裝技術(shù)、流體通路設(shè)計(jì)、檢測(cè)電路設(shè)計(jì)以及樣機(jī)加工技術(shù)，本