细胞阻抗和电位检测复合传感器及其在药物分析中应用的研究

摘要

细胞电分析，包括细胞活性及细胞生长状态的确定，在细胞研究、药物作用、细胞工程、医学卫生以及环境监测中具有重要作用。本论文从细胞阻抗传感和胞外电位测量背景现状出发，引出了多参数集成芯片在细胞生理分析和药物研究中的重要意义，结合细胞阻抗测试技术和胞外电位测试技术设计了基于平面微结构的多参数分析的高内涵复合传感器及系统，主要工作如下：
　　 理论设计部分，重点深入研究了叉指电极细胞贴附阻抗模型，分析了细胞阻抗的特征频谱响应。本文首次提出了基于等效电路的最优化设计准则，并利用细胞-电极单元模型描述了细胞在电极上的空间分布对阻抗的影响。然后用有限元仿真电极电场以及细胞-电极模型验证了前面的模型的分析，更深入理解了电极尺寸对传感器性能的影响。基于细胞-电极点接触模型分析了用于胞外电位测量的微电极系统的传递函数，在此基础上重点分析了电极几何尺寸和噪声源对测得胞外信号质量的影响，提出了在微电极设计中的优化准则。基于以上的理论分析，给出了叉指电极与微电极复合芯片ExCELL的布局和整体设计。
　　 芯片系统部分，基于以上的设计方案，按照溅射金属层，光刻电极图案，沉积绝缘层，光刻绝缘层图案的微加工工艺顺序制作了芯片并且完成了生物相容性封装。与之匹配的传感器测试底座包括金属屏蔽盒和电学和力学性能良好的压针式接口，保证信号传输质量。集成在底座上的温控系统以及自动流动控制系统能保证细胞正常生长并提供自动化实验分析。32通道高增益低噪声生物信号放大器提供了输入噪声为5.5μVRMS，增益1000的信号调理，然后通过高速采集卡数字化记录；多通道阻抗测试系统能提供带宽为100Hz-10KHz的频谱扫描和时间分辨率为10ms的单频率长时测试。
　　 实验分析部分，基于复合芯片系统，评价了PC12细胞生长过程中的细胞阻抗频率特性以及阻抗随时间的动态变化；利用波形提取和聚类的方法分析了从心肌细胞系HL-1测得的胞外电位信号。最后结合阻抗和胞外电位记录这两种参数综合评价了阿霉素对心肌细胞系HL-1的急性和慢性毒性的心衰模型，验证了芯片和测试系统能为电兴奋性细胞的分析提供高内涵分析方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1细胞传感器在生物医药研究中的意义

1.2细胞阻抗传感

1.2.1细胞阻抗检测原理

1.2.2细胞阻抗传感器的应用

1.3动作电位电生理记录

1.3.1胞内记录

1.3.2胞外记录

1.4多参数集成芯片

1.5论文主要研究内容

第二章 传感器设计及理论分析

2.1电极等效电路分析

2.1.1电化学阻抗元件

2.1.2 Randle等效电路

2.2细胞阻抗检测

2.2.1用于阻抗测量的平面微电极结构

2.2.2细胞覆盖的电极阻抗

2.2.3叉指电极优化准则

2.3基于COMSOL的细胞阻抗有限元仿真

2.3.1叉指电极电场仿真

2.3.2细胞电极模型

2.4细胞电位检测

2.4.1细胞-微电极界面模型

2.4.2微电极几何参数

2.4.3噪声分析

2.5 ExCELL集成芯片设计

第三章 传感器制作

3.1微结构制作工艺

3.2芯片微加工

3.2.1光刻板制备

3.2.2基底材料

3.2.3电极材料

3.2.4钝化层材料

3.2.5工艺流程

3.3传感器封装

3.3.1培养腔体制作

3.3.2腔体与芯片的连接

3.3.3芯片与外部的电连接

3.4传感器测试

3.4.1光学检查

3.4.2叉指电极测试

3.4.3微电极测试

第四章 测试系统设计

4.1实验系统

4.1.1 Zanium阻抗测试系统

4.1.2 Multichannel System胞外电位记录系统

4.2生物微弱信号检测

4.2.1细胞阻抗检测方法

4.2.2胞外电信号检测方法

4.3 ExCELLAB测试系统设计

4.3.1传感器测试接口

4.3.2阻抗测试模块

4.3.3胞外电位测试模块

4.3.4流动分析和环境控制

4.3.5 ExCELLAB测试系统整体设计

4.4传感器检测电路性能

4.4.1阻抗测试电路

4.4.2胞外电位测试电路

第五章 实验结果和讨论

5.1芯片表面处理

5.2细胞动态生长曲线

5.2.1 PC12细胞培养

5.2.2基于时变细胞阻抗的细胞活性分析

5.2.3细胞阻抗频率特性研究

5.3心肌细胞胞外电位测试

5.3.1 HL-1心肌细胞系培养

5.3.2胞外电位统计分析

5.4阿霉素作用下的心肌细胞阻抗与电位同时监测分析

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2存在的问题

6.3进一步的改进方案

6.3.1提高阻抗测量的时间分辨率

6.3.2纳米电极用于胞外电位记录

参考文献

致谢

作者简历及在硕士研究生期间的科研成果