单细胞传感器设计及药物实验分析

论文摘要

细胞传感器是生物传感器研究中的一个热点,近来被广泛用于要物筛选、环境监测、毒素检测。基于细胞动作电位测量的传感器技术有很多种如FET(fie1d effecttransistor),microelectrode,把活细胞培养在传感器表面,在药物或电刺激下细胞发生动作电位,该信号会通过细胞和传感器的间隙耦合到传感器并被检出。该类传感器不仅可以通过检测单个细胞在药物刺激下的响应来筛选药物,而且可以在传感器阵列上培养细胞网络,用于研究细胞网络间信号传递途径、传递速度等。但是FET和MEA由于工艺以及引线等问题,单个测量单元不能做得很小,而且很难做到单个细胞落在单个测量单元上,影响测量。而LAPS制作工艺简单,测量点可以通过光点移动来实现。因此我们提出了基于LAPS的单细胞传感器,通过测定细胞在药物刺激的响应来评价药物。 本课题主要内容: 1.通过分析LAPS等效模型、空分辨率、电压分辨率,得出选取外延层厚度为5μm电阻率10 Ω cm的外延片作基底,以使传感器能够达到单细胞测量目的。 2.用多聚鸟氨酸和层粘素涂层的磷酸缓冲液处理LAPS表面,增强细胞的粘附性,大大提高了传感器灵敏度。 3.构建了实验平台,硬件部分主要由进样系统、观察平台,检测系统组成。软件采用Labview,编写泵驱动程序和采集卡采集程序,实现自动进样和实时检测。 4.用峰峰值为2mv频率为1kHZ的正弦信号模拟细胞动作电位并作为传感器的输入信号,结果表明传感器能够检出该信号。 5.选择1mg/l、10mg/l两种浓度的乙酰胆碱(acetylcholine,Ach)作为大脑皮层神经细胞的刺激药物,检测在不同浓度作用下神经细胞的动作电位。初步的药物试验结果表明该传感器能够检测出不同浓度的乙酰胆碱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 细胞传感器的研究意义
• 1.2 细胞传感器的特殊要求
• 1.3 与课题相关的细胞传感器技术
• 1.3.1 膜片钳
• 1.3.2 场效应晶体管（FET）细胞传感器
• 1.3.3 微电极阵列（MEA）细胞传感器
• 1.4 基于LAPS的细胞传感器
• 1.4.1 LAPS简介
• 1.4.2 基于LAPS的单细胞传感器的提出
• 1.5 本章参考文献
• 第二章 细胞传感器的电生理基础
• 2.1 细胞和细胞膜
• 2.1.1 脂质双分子层
• 2.1.2 细胞膜蛋白质
• 2.1.3 细胞膜糖类
• 2.2 细胞膜上的离子转运
• 2.2.1 离子的主动转运
• 2.2.2 离子的被动转运利Donnan平衡
• 2.3 细胞膜的静息电位和动作电位
• 2.3.1 静息电位
• 2.3.2 动作电位
• 2.4 本章参考文献
• 第三章 细胞传感器设计理论基础
• 3.1 介绍
• 3.2 LAPS等效模型
• 3.3 细胞与传感器界面模型
• 3.4 基于LAPS的单细胞传感器测量原理
• 3.5 本章参考文献
• 第四章 细胞传感器系统设计
• 4.1 器件设计
• 4.2 实验方案
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 细胞选择与培养
• 4.2.3 细胞固定
• 4.2.4 模拟动作电位实验
• 4.2.5 药物实验
• 4.3 硬件部分
• 4.3.1 LDC202激光器控制器
• 4.3.2 EGG恒电位／LU流仪
• 4.3.3 SR830锁相放大器
• 4.3.4 IEEE-488 GPIB通用仪器接口总线
• 4.3.5 观察平台
• 4.4 软件部分
• 4.4.1 进样系统
• 4.4.2 LAPS特性测试及分析
• 4.4.2 数据采集及分析程序
• 4.4.3 药物实验
• 4.5 本章参考文献
• 第五章 实验结果与分析讨论
• 5.1 测试系统及LAPS性能评价
• 5.1.1 系统噪声评价
• 5.1.2 LAPS特性曲线
• 5.1.3 LAPS的响应时间
• 5.1.4 光源频率对LAPS特性的影响
• 5.1.4 光源强度对LAPS特性的影响
• 5.1.5 光点面积对LAPS特性的影响
• 5.2 表面处理结果
• 5.3 模拟测量结果
• 5.4 细胞对药物刺激的响应
• 5.5 本章参考文献
• 第六章 系统改进及展望
• 6.1 系统改进
• 6.2 展望
• 6.3 本章参考文献
• 致谢
• 附录 作者在攻读硕士期间发表的论文