基于集成芯片的多功能細(xì)胞生理自動分析儀研究.pdf

1、細(xì)胞傳感器(Cell-Based Biosensor, CBB)采用活體細(xì)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(xì)胞代謝、動作電位和電阻抗變化等。而與細(xì)胞相連的二級換能器可以檢測到這些來自細(xì)胞的變化，并將這些測到的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號，從而送入電學(xué)系統(tǒng)。細(xì)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(xì)胞電阻抗傳感器(Electric Cell-substrateImpedance Sensor, ECIS)等。在進(jìn)行細(xì)胞生理實(shí)驗(yàn)時，對單一參數(shù)的監(jiān)測往往只能從某一方面反映出細(xì)胞的生理活動，而測試環(huán)境的復(fù)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(jié)果，所以對細(xì)胞生理活動機(jī)理的揭示則需要同時對多種相關(guān)的生理參數(shù)進(jìn)行綜合分析才能完成。
　　

3、 為了實(shí)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(shù)與生物醫(yī)學(xué)技術(shù)相結(jié)合的方法，研制了一種基于多功能集成芯片的全自動細(xì)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(diǎn)。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(xì)胞的生長環(huán)境要求。同時通過自動進(jìn)樣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動分析功能?？蓮V泛用于細(xì)胞生理、藥物的篩選和環(huán)境檢測等領(lǐng)域。此外，該儀器可實(shí)現(xiàn)對單細(xì)胞、細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)

4、的傳導(dǎo)以及藥物作用后細(xì)胞生理狀態(tài)的實(shí)時量化的檢測。采用獨(dú)特的芯片接口裝置以及板卡式電路設(shè)計，該儀器適用于多種細(xì)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(diǎn)：
　　 一、提出了多功能集成芯片的理論分析模型和仿真設(shè)計方法
　　 本文提出了一種集成MEA、LAPS和ECIS為一體的新型細(xì)胞生理檢測芯片的設(shè)計思想，解決了細(xì)胞胞外動作電位、胞外離子濃度以及細(xì)胞阻抗三種生理參數(shù)同時檢測的一些關(guān)鍵問題。

5、
　　 首先研究了多功能集成芯片檢測細(xì)胞生理參數(shù)的基本理論。通過對細(xì)胞作為一級換能器如何感受到外界刺激信號進(jìn)行了分析，闡述了與細(xì)胞代謝、細(xì)胞動作電位、細(xì)胞膜阻抗特性、以及細(xì)胞黏附和遷移相關(guān)的細(xì)胞基本特性，并給出了細(xì)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(xì)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(xué)模型進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果得出集

6、成芯片各傳感單元的設(shè)計參數(shù)對檢測結(jié)果的影響，優(yōu)化了芯片的設(shè)計參數(shù)，為多功能集成芯片及儀器的設(shè)計提供了理論支持。
　　 二、實(shí)現(xiàn)了多功能細(xì)胞生理分析儀的系統(tǒng)設(shè)計和加工制作
　　 設(shè)計了集成芯片的ECIS、LAPS、MEA傳感單元的相應(yīng)檢測電路，設(shè)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(jìn)行嚴(yán)格的控制，使得其維持在細(xì)胞最適合生長的環(huán)境，設(shè)計了自動進(jìn)樣系統(tǒng)控制進(jìn)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(jìn)

7、樣以及廢液清洗，實(shí)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(jìn)行控制，并對獲取的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析后，由USB接口傳送到計算機(jī)上，計算機(jī)上設(shè)計了相應(yīng)的軟件實(shí)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(dú)特的芯片接口裝置和電路按功能模塊主板式設(shè)計，可適應(yīng)不同的集成芯片設(shè)計。最終設(shè)計完成了一臺多功能細(xì)胞生理分析儀樣機(jī)，可靈活擴(kuò)展以及向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞生理多參數(shù)分析的需求。
　　 三、實(shí)

8、現(xiàn)了細(xì)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(jī)進(jìn)行了的測試評價，包括對LAPS、ECIS、MEA等集成芯片檢測電路指標(biāo)的測試，以及對環(huán)境控制系統(tǒng)以及自動進(jìn)樣系統(tǒng)的測試。結(jié)果表明，傳感器芯片和儀器的性能指標(biāo)可以滿足實(shí)際分析的要求。
　　 其次基于多功能集成芯片，進(jìn)行了細(xì)胞生理參數(shù)檢測研究，對本文研制的細(xì)胞生理分析儀的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行典型實(shí)驗(yàn)測試。利用集成芯片的LAPS傳感單元對腎細(xì)胞在5-氟尿嘧啶作用下的酸

9、化率變化進(jìn)行了檢測。利用集成芯片的MEA傳感單元檢測乳鼠心肌細(xì)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(xì)胞的遷移，生長增殖，以及死亡過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明分析儀可用于細(xì)胞多種生理參數(shù)的綜合分析。
　　 通過培養(yǎng)的心肌細(xì)胞在藥物作用下的實(shí)驗(yàn)，表明該儀器可以在一次實(shí)驗(yàn)中同時檢測到心肌細(xì)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(jié)合可以獲到細(xì)胞在藥物