基于集成芯片的多功能細胞生理自動分析儀研究.pdf

1、細胞傳感器(Cell-Based Biosensor, CBB)采用活體細胞作為一級換能器，感受到刺激信號后將產(chǎn)生不同類型的特定變化，如細胞代謝、動作電位和電阻抗變化等。而與細胞相連的二級換能器可以檢測到這些來自細胞的變化，并將這些測到的細胞信號轉(zhuǎn)換為電學信號，從而送入電學系統(tǒng)。細胞傳感器根據(jù)檢測生理參數(shù)的不同，常用的二級換能器主要有微電極陣列（Microelectrodes Array，MEA）、光尋址電位傳感器(Light Addr

2、essablePotenTiO2etric Sensor, LAPS)、細胞電阻抗傳感器(Electric Cell-substrateImpedance Sensor, ECIS)等。在進行細胞生理實驗時，對單一參數(shù)的監(jiān)測往往只能從某一方面反映出細胞的生理活動，而測試環(huán)境的復雜性（各種噪聲源、長期測試后培養(yǎng)液對電極的腐蝕等）會干擾測試的結果，所以對細胞生理活動機理的揭示則需要同時對多種相關的生理參數(shù)進行綜合分析才能完成。
　　

3、 為了實現(xiàn)胞外離子濃度（微環(huán)境檢測）、胞外動作電位、以及電生理阻抗三種生理參數(shù)同時檢測，采用電子技術與生物醫(yī)學技術相結合的方法，研制了一種基于多功能集成芯片的全自動細胞生理參數(shù)分析儀。該儀器具有分析時間短、樣品消耗少和效率高等優(yōu)點。在測量過程中可自動調(diào)節(jié)測量腔中的溫度、濕度及CO2濃度，以滿足細胞的生長環(huán)境要求。同時通過自動進樣系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動分析功能?？蓮V泛用于細胞生理、藥物的篩選和環(huán)境檢測等領域。此外，該儀器可實現(xiàn)對單細胞、細胞網(wǎng)絡

4、的傳導以及藥物作用后細胞生理狀態(tài)的實時量化的檢測。采用獨特的芯片接口裝置以及板卡式電路設計，該儀器適用于多種細胞以及多種不同集成芯片檢測的需求。
　　 本論文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點：
　　 一、提出了多功能集成芯片的理論分析模型和仿真設計方法
　　 本文提出了一種集成MEA、LAPS和ECIS為一體的新型細胞生理檢測芯片的設計思想，解決了細胞胞外動作電位、胞外離子濃度以及細胞阻抗三種生理參數(shù)同時檢測的一些關鍵問題。

5、
　　 首先研究了多功能集成芯片檢測細胞生理參數(shù)的基本理論。通過對細胞作為一級換能器如何感受到外界刺激信號進行了分析，闡述了與細胞代謝、細胞動作電位、細胞膜阻抗特性、以及細胞黏附和遷移相關的細胞基本特性，并給出了細胞感受到外界刺激后不同類型輸出信號與二級換能器的耦合模型，最終得出細胞傳感器的理論模型。
　　 其次對多功能集成芯片MEA傳感單元、ECIS傳感單元、以及LAPS傳感單元部分的電學模型進行了研究。仿真結果得出集

6、成芯片各傳感單元的設計參數(shù)對檢測結果的影響，優(yōu)化了芯片的設計參數(shù)，為多功能集成芯片及儀器的設計提供了理論支持。
　　 二、實現(xiàn)了多功能細胞生理分析儀的系統(tǒng)設計和加工制作
　　 設計了集成芯片的ECIS、LAPS、MEA傳感單元的相應檢測電路，設計了環(huán)境控制系統(tǒng)對測量腔的溫度、濕度、以及CO2濃度進行嚴格的控制，使得其維持在細胞最適合生長的環(huán)境，設計了自動進樣系統(tǒng)控制進樣泵和出樣泵的通斷及轉(zhuǎn)速，從而完成培養(yǎng)液和藥物的自動進

7、樣以及廢液清洗，實現(xiàn)了自動化分析。
　　 通過中央控制電路對整個生理采集信號的過程進行控制，并對獲取的信號數(shù)據(jù)進行初步分析后，由USB接口傳送到計算機上，計算機上設計了相應的軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、以及后期分析等功能。分析儀通過獨特的芯片接口裝置和電路按功能模塊主板式設計，可適應不同的集成芯片設計。最終設計完成了一臺多功能細胞生理分析儀樣機，可靈活擴展以及向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，實現(xiàn)了細胞生理多參數(shù)分析的需求。
　　 三、實

8、現(xiàn)了細胞生理多功能參數(shù)的綜合檢測與分析
　　 首先對分析儀樣機進行了的測試評價，包括對LAPS、ECIS、MEA等集成芯片檢測電路指標的測試，以及對環(huán)境控制系統(tǒng)以及自動進樣系統(tǒng)的測試。結果表明，傳感器芯片和儀器的性能指標可以滿足實際分析的要求。
　　 其次基于多功能集成芯片，進行了細胞生理參數(shù)檢測研究，對本文研制的細胞生理分析儀的生物醫(yī)學應用進行典型實驗測試。利用集成芯片的LAPS傳感單元對腎細胞在5-氟尿嘧啶作用下的酸

9、化率變化進行了檢測。利用集成芯片的MEA傳感單元檢測乳鼠心肌細胞在河豚毒素(TTX)作用下的胞外動作電位變化。利用集成芯片的ECIS傳感單元檢測細胞的遷移，生長增殖，以及死亡過程。實驗結果表明分析儀可用于細胞多種生理參數(shù)的綜合分析。
　　 通過培養(yǎng)的心肌細胞在藥物作用下的實驗，表明該儀器可以在一次實驗中同時檢測到心肌細胞的阻抗、胞外動作電位以及胞外Ca2+濃度三種參數(shù)的變化過程。數(shù)據(jù)分析表明，將三種生理參數(shù)結合可以獲到細胞在藥物