微型電化學(xué)生物傳感器的設(shè)計及其在細胞生化參數(shù)檢測中的應(yīng)用研究.pdf

1、活體細胞對外界刺激如藥物、環(huán)境因素變化和受體作用等產(chǎn)生響應(yīng)，會引起細胞代謝等功能性變化，外在表現(xiàn)為生化參數(shù)的改變。利用微型化電化學(xué)生物傳感器，可以將細胞培養(yǎng)在傳感器表面，細胞內(nèi)的生理變化引起胞外環(huán)境的變化，胞外的電解質(zhì)溶液與傳感器之間形成電化學(xué)池，從而將這些參數(shù)的變化通過二級換能器轉(zhuǎn)換為電信號輸出，最終實現(xiàn)定量化監(jiān)測和細胞水平的分析。將傳感器微型化和建立良好的細胞-芯片耦合是關(guān)鍵問題所在。鑒于此，采用微機械加工技術(shù)開展的基于細胞傳感器的

2、微電極陣列、叉指型阻抗傳感器、場效應(yīng)傳感器等具有良好的生物相容性，得到了廣泛的研究，并已在藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用。
　　本文從微型電化學(xué)生物傳感器的設(shè)計和制備等關(guān)鍵技術(shù)入手，對基于電解質(zhì)/金屬-絕緣層-半導(dǎo)體（Electrolyte/metal-insulator-silicon，EIS/MIS）結(jié)構(gòu)和光伏檢測技術(shù)的傳感器、金微電極、碳微電極等傳感器進行了研究，實現(xiàn)了離體原代腎細胞在傳感器表面的良好耦合以及胞外酸化

3、率、胞外氧化還原電位檢測、葡萄糖溶液濃度檢測，為EIS/MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件拓展了新的生物學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。此外，本文將碳微加工(Carbon micro-electromechanicai systems，C-MEMS)工藝用于碳微電極的制備，實現(xiàn)了碳電極的微型化，成功應(yīng)用于胰島素溶液的檢測，為細胞分泌的研究提供了一種新的可行性方法。本論文的主要內(nèi)容和貢獻如下:
　　1.提出了一種新的有效的細胞胞外氧化還原電位檢測的方法
　　細

4、胞胞外氧化還原電位（Extracellular redox potential，ERP）反應(yīng)了細胞外微環(huán)境的氧化還原狀態(tài)，與細胞的增殖、分化、凋亡及癌細胞侵蝕都有著密切的關(guān)系。本文采用基于MIS結(jié)構(gòu)的傳感器和流動注射微腔體聯(lián)用的方法，為細胞水平的氧化還原電位測試提供了一個可行的解決方案。測試無需添加其他氧化還原介質(zhì)。研究表明，線粒體電子傳遞鏈對ERP有較大的影響。
　　2.提出了一種從細胞釋放H+和自由電子活性兩種角度研究細胞生命

5、代謝活動的集成傳感器的設(shè)計和可行性
　　本文提出了同時檢測胞外酸化率和胞外氧化還原電位的一種集成傳感器的設(shè)計，該集成傳感器的性能可與單獨的EIS、MIS傳感器相媲美。此外，本文對正常生理狀態(tài)下的細胞酸化率和ERP兩種參數(shù)進行了初步的研究，獲得了與單獨測試類似的結(jié)果，驗證了該設(shè)計的可行性。該設(shè)計有望應(yīng)用于揭示細胞代謝機理的研究和藥物分析測試中。
　　3.研制了一種新的電位型葡萄糖傳感器
　　本文將PPy-GOD(Poly

6、pyrrole-glucose oxidase)超薄膜修飾在MIS結(jié)構(gòu)傳感器上獲得了比使用同種修飾薄膜的其他類型傳感器更高的靈敏度。MIS傳感器所采用的光伏檢測技術(shù)與流動注射微腔體聯(lián)用，有利于提高傳感器本身的靈敏度和響應(yīng)時間。
　　4.提出了將C-MEMS工藝制備碳微電極用于胰島素的檢測
　　采用C-MEMS工藝將光刻膠熱解制備的碳微電極具有較好的電化學(xué)性能，在其表面電沉積納米RuOx顆粒之后實現(xiàn)了胰島素的電化學(xué)檢測，這是繼