论文题目: 细胞传感器及其在药物分析中应用的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 生物医学工程
作者: 许改霞
导师: 王平
关键词: 细胞传感器,细胞微生理计,光寻址电位传感器,嗅觉和味觉芯片,药物分析和评价
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着生物医学工程学科的发展，生物医学传感技术的研究已达到了细胞和分子水平。细胞拥有并表达着一系列分子识别的元件，如受体、离子通道、酶等，这些分子可以作为靶分析物，当有外界刺激时，将按照固有的细胞生理机制进行相应的生理功能活动。因此，以活细胞作为敏感元件的细胞传感器目前已成为国际上生物医学传感技术领域的研究热点，同时细胞传感器也是生物芯片技术领域的一个重要研究内容，该传感器将广泛应用于药物筛选、细胞生理研究、生物毒素检测、神经修复以及环境监测等方面。 目前，与活细胞耦合构成细胞传感器的二级传感器有多种类型，其中光寻址电位传感器（Light Addressable Potentiometric Sensor，LAPS）由于具有灵敏度高、响应速度快、制备工艺简单、可长期监测细胞群代谢活动和单个细胞电活动等特点而具有广泛的应用前景，因此本文重点研究了基于LAPS的细胞传感器的理论设计、制造技术和检测系统的设计，并将该传感器用于测量细胞外代谢离子和动作电位等参数的变化，根据测量结果分析和评价药物作用效果。 本论文的主要内容和贡献在于： 1．深入研究了细胞—硅器件耦合界面模型及LAPS的测量模型。通过研究细胞膜的特点及膜上部分离子通道的通透性和导电性，给出了神经元细胞膜上离子流计算的特征方程；分析了Si／SiO2界面特点和对模型的影响；将Fromherz等人构建的神经元—场效应管界面模型推广到普遍意义的神经元—硅器件界面并对模型做了简化；分析了基于LAPS的细胞传感器的测量原理及模型，为细胞传感器的设计提供了理论基础，也为实验结果的分析提供了重要的依据。 2．提出了一种新型的多功能细胞传感器—微生理计。该微生理计能够同时测量细胞外微环境中K+、Ca2+、H+等离子浓度的变化。在光寻址电位传感器表面采用PVC成膜技术，固定了多种离子敏感薄膜，用多种不同频率（如3KHz、3.5KHz、4KHz）的调制光源分别激发相应的敏感膜，所测量的光电流（电压）包含了多种晰详大李博士李位格炙敏感膜的共同响应，即测量信号由多个频率组成。由计算机进行数据分析，采用快速FFT变换，对信号进行幅值谱分析，可以实时分离出多种敏感膜的响应，这样就能同时计算出细胞外微环境中多种离子浓度的变化率。 3.提出了基于LAPS的单细胞传感器的设计方案和制作方法，设计了一套全自动进样给药系统。通过软件控制整个实验过程的液体进样，避免引入人为误差。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。当贴壁生长的细胞在刺激作用下产生动作电位，该电位叠加在LAPS测量回路中，检测LAPS的响应，即可从中分离出细胞胞外动作电位变化的频率和幅度。用该单细胞传感器检测了乳鼠脑皮层神经元细胞动作电位的变化情况，并对嗅觉和味觉细胞芯片的设计方法进行了初步实验验证。 4.提出了基于LAPS的细胞传感器的药物分析和药效评价的方法。深入研究了细胞传感器数据采集与处理方法，通过时域和频域分析技术，定量分析了活细胞在药物作用下的代谢产物和细胞动作电位的变化，从而可以探测细胞的生理状态和药理功能，证明了基于光寻址电位传感器技术细胞传感器用于监测细胞活动的可行性。关键词:细胞传感器，细胞微生理计，光寻址电位传感器，嗅觉和味觉芯片，药物分析和评价
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1．1 细胞传感器的研究目的
1．2 细胞培养技术的发展
1．3 细胞作为传感器的研究
1．3．1 对细胞活动和状态的测量
1．3．2 细胞生理信号测量的要求
1．4 细胞传感器发展的现状及各类传感器
1．4．1 传统的电生理测量方法—电压钳
1．4．2 经典的电生理测量方法—膜片钳
1．4．3 场效应晶体管(FET)细胞传感器
1．4．4 微电极阵列(MEA)细胞传感器
1．4．5 LAPS细胞微生理计
1．5 论文主要内容
1．6 本章参考文献
第二章 细胞电生理及细胞的选择与培养
2．1 介绍
2．2 细胞结构
2．3 膜的化学组成和分子结构
2．3．1 脂质双分子层
2．3．2 细胞膜蛋白质
2．3．3 细胞膜糖类
2．4 生物电信号及细胞膜上的离子转运
2．4．1 离子的主动转运
2．4．2 离子的被动转运和Donnan平衡
2．5 细胞膜的静息电位和动作电位
2．5．1 静息电位
2．5．2 动作电位
2．6 细胞的选择与培养
2．6．1 培养用液的配制
2．6．2 脑皮层细胞的培养步骤
2．6．3 嗅上皮细胞的分离与培养
2．7 小结
2．8 本章参考文献
第三章 细胞—硅器件界面模型
3．1 介绍
3．2 细胞-硅器件的界面特点
3．2．1 细胞膜的特点
3．2．2 Si／SiO_2界面过渡层
3．3 细胞-硅器件的界面模型
3．3．1 信号耦合模型
3．3．2 三明治线缆模型
3．3．3 线缆等式
3．3．4 面接触模型
3．3．5 平均面接触
3．3．6 点接触模型
3．3．7 点接触与面接触模型的比较
3．4 细胞—LAPS界面的测量原理
3．4．1 LAPS的工作原理
3．4．2 电解液—敏感膜界面双电层模型
3．4．3 LAPS模型
3．4．4 光生电流源分析
3．5 小结
3．6 本章参考文献
第四章 LAPS器件设计与制备
4．1 介绍
4．2 LAPS的一般应用
4．2．1 LAPS的图像传感器应用
4．2．2 LAPS在海水重金属检测中的应用
4．2．3 LAPS用于生物信号测量
4．2．4 常用的LAPS测量方式
4．3 表面处理
4．3．1 影响细胞固定和生长的几个因素
4．3．2 促进细胞的附着和生长的方法
4．3．3 实验中所使用表面处理方法
4．4 LAPS的器件设计与制备
4．4．1 生物相容性
4．4．2 LAPS的准备制备
4．4．3 细胞培养腔的消毒、灭菌和保存
4．5 小结
4．6 本章参考文献
第五章 实验测试系统的构建
5．1 介绍
5．2 噪声源
5．2．1 电极噪声
5．2．2 电噪声
5．2．3 生物噪声
5．3 LAPS器件测试及光源对测量的影响
5．3．1 LAPS特性曲线测试
5．3．2 LAPS的重复性测试
5．3．3 LAPS对不同频率激发光的响应
5．3．4 LAPS对不同照射面积的响应
5．4 系统平台
5．4．1 进样系统
5．4．2 环境控制
5．4．3 观察平台
5．5 硬件设计
5．6 软件控制
5．6．1 虚拟仪器与LabVIEW
5．6．2 软件实现
5．7 小结
5．8 本章参考文献
第六章实验结果分析与讨论
6．1 介绍
6．2 细胞胞外代谢的研究—多光源微生理计
6．2．1 介绍
6．2．2 实验装置
6．2．3 实验结果分析
6．3 细胞胞外动作电位的研究—单细胞传感器
6．3．1 介绍
6．3．2 实验装置
6．3．3 结果与分析
6．4 嗅觉与味觉机理初步研究—嗅、味觉芯片
6．4．1 介绍
6．4．2 实验材料与设计
6．4．3 结果与分析
6．5 小结
6．6 本章参考文献
第七章 总结与展望
7．1 总结
7．2 展望
7．3 本章参考文献
致谢
附录1 作者在攻读博士期间发表的论文
附录2 科研成果
发布时间: 2005-04-20
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