一种甜味细胞传感器系统设计与实验研究

论文摘要

细胞传感器是以生物活体细胞作为传感器的分子敏感识别元件,用来检测物质与细胞作用后引起的生理、生化参数变化的实验系统。能够定性定量测试分析未知物质的信息,即确定某类味质的存在与否以及浓度大小。细胞传感器因能实时、连续、快速检测和分析细胞在外界刺激下的生理性能,已经在药物筛选、神经生物学、环境监控等领域得到广泛应用。本研究基于细胞传感器的无损、实时、快速检测优势和本实验室多年来在化学仿生电子舌的研究基础上,构建了一套更具有仿生意义的甜味觉细胞传感器实验系统。将表达有与味蕾细胞相同甜味受体及甜味信号传导相关因子的NCI-H716细胞培养于丝网印刷电极表面,通过细胞阻抗谱法检测细胞群对味质刺激的信号响应,利用双稳态随机共振进行信号处理,最后实现了对单一甜味物质（蔗糖）的区分、天然／人工甜味剂的评估以及对混合味质中的甜味检测。研究结果如下：（1）构建了甜味细胞传感器实验系统。在阻抗谱细胞传感器的原理和相关模型研究的基础上,构建了一套基于细胞阻抗谱的甜味细胞传感器实验系统。包括电极的选择、阻抗谱检测系统、恒温自动灌流系统和环境控制系统的构建。最后对整个系统的性能进行评估,结果表明系统具有较好的稳定性和重复性。（2）建立了丝网印刷电极表面细胞培养方法。通过SABC免疫组化和蛋白质印迹证明了NCI-H716细胞表达甜味受体蛋白及味觉信号传导相关因子。以此基础,建立了NCI-H716细胞的丝网印刷电极表面培养方法。用PLOL处理电极表面以增强细胞在电极表面的黏附性,通过阻抗谱法确定了细胞的最佳接种浓度,最后通过SEM和胎盘蓝染色对电极表面细胞分布和细胞活性进行了检测。（3）优化了甜味细胞传感器实验系统实验系统的优化,主要包括数据处理方法的优化和最适扰动频率的筛选。通过对四种基本味质的实验数据进行归一化、主成份分析和随机共振数据处理比较,结果表明,随机共振是甜味细胞传感器实验系统的最适数据处理方法。通过对细胞传感器实验系统的信号激发频率筛选,结果表明最优频率频率为1K Hz。（4）味觉细胞传感器的初步应用研究了甜味细胞传感器的初步应用,包括不同浓度的蔗糖溶液区分、天然／人工甜味剂的评估和混合味质的甜味检测。结果表明,甜味细胞传感器对甜味物质具有特异性响应。实现对不同浓度的同种甜味剂实现较好区分,且得到的浓度与强度的关系和感官品评结果基本相符；对等甜度的天然／人工甜味剂具有不同的响应信号,有利于揭示甜味感觉动力学；能够对低浓度背景溶液混合味质的甜味进行检出。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 细胞传感器概述
• 1.1.1 细胞传感器的定义
• 1.1.2 细胞传感器的研究进展
• 1.1.3 细胞传感器在食品领域中的应用
• 1.2 味觉传感器概述
• 1.2.1 仿生味觉传感器
• 1.2.2 味觉细胞传感器
• 1.3 细胞阻抗谱技术
• 1.3.1 细胞阻抗谱简介
• 1.3.2 细胞的等效电路模型
• 1.3.3 细胞与电极的界面模型
• 1.4 一种新型甜味细胞传感器系统设想的提出
• 1.4.1 甜味细胞
• 1.4.2 丝网印刷电极
• 1.5 研究内容、技术路线
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 第二章 甜味细胞传感器实验系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 甜味细胞传感器实验系统的构建
• 2.2.1 电极的选择和性能表征
• 2.2.2 测量腔体和连接线的设计
• 2.2.3 细胞观察系统的构建
• 2.2.4 细胞阻抗谱信号检测系统的选择
• 2.2.5 自动灌流系统的构建
• 2.2.6 环境控制系统的构建
• 2.3 系统评价
• 2.3.1 重复性评估
• 2.3.2 系统噪音评估
• 2.4 结论
• 第三章 丝网印刷传电极表面细胞培养方法的建立
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 细胞的生长特性
• 3.3.2 味觉受体蛋白的鉴定
• 3.3.3 电极表面的细胞培养结果
• 3.4 结论
• 第四章:甜味细胞传感器实验系统优化
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 数据处理方法优化（四种基本味质的区分）
• 4.3.2 最佳扫描频率的筛选
• 4.4 结论
• 第五章 甜味细胞传感器实验系统的初步应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 实验试剂
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同浓度同种甜味物质（蔗糖）的区分
• 5.3.2 对天然/人工甜味剂的评估
• 5.3.3 混合味质中的甜味检测
• 5.4 结论
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 研究生期间发表与待发表论文
• 致谢