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1、 北京化工大学生物化学传感器题目：细胞传感器专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控1303 姓 名： 孙应贵 学 号： 2013014071 细胞传感器测控1303 孙应贵 2013014071摘要：论述了细胞的生理特性及其选择与培养、细胞传感器机理及模型分析，光寻址电位细胞传感器 (LAPCS)、免疫细胞传感器，细胞传感器的发展趋势。细胞传感器属于当今国际上的研究热点和前沿。关键词： 微生物传感器 光化学传感器 传感技术 细胞传感器 响应机理 理论与应用 公共卫生学院 代谢系统 前言：生命科学是21世纪的前沿领域之一，而生命科学的发展离不开研究手段的发展和创新。细胞作为有机体结构与生命活动

2、的基本单位，在生物体的新陈代谢、信息传递等方面起着关键作用。因此，对细胞及细胞网络进行研究和分析具有十分重要的意义。近十年来，随着微电子技术、材料科学，以及细胞生物学和分子生物学的迅速发展，能用最新的传感技术在生命活动的基本单位细胞和分子水平上研究生物和医学的现象。目前，细胞电生理技术已经取得了很大的成就，例如，膜片钳和共聚焦显微技术等精密的分析仪器在探测细胞的微观离子、受体及生理学变化等方面取得了巨大的成功。然而，这些方法也存在着一些缺点，如耗时、不能够长时间连续工作等。被分离的细胞具有高度能动性，并且常在一定时间内远离记录电极，这样使得单细胞的长期记录难以进行，此外，在检测相同的培养物中细

3、胞之间存在的导电现象或连通性时，采用膜片钳等专用仪器会遇到一定困难。实时活体监测细胞是全面了解细胞生理行为及其机制的重要基础，这就要求能够定量测量和分析细胞的内外微环境。测定细胞内自由离子浓度的较好方法是采用离子敏感 微电极(ISME)，组合不同的ISME可以并行测量细胞内多种离子，如NH、C1-、Na+、Mg2+等。细胞内生理状态的改变，会引起细胞外代谢物(如离子、分子等)的相应变化。因此，测量细胞代谢后胞外微环境的相关参数，可以监测细胞的生理变化。近年来，国际上MEMS(微机电系统)技术已向生物医学传感器微系统方向发展，出现了BioMEMS(生物微机电系统)、btTAS(微全分析系统)和B

4、ioNEMS(生物纳米机电系统)等。这些基于芯片技术的传感器和相应的分析仪器在医学临床检测和环境 检测领域具有广阔的应用前景。弘TAS包括微流控驱动系统微泵、注入阀门、反应腔和检测系统。微流控的特点是利用微细加2512艺，在硅片或玻璃等材料上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生物化学功能器件，以及电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统。与传统的分析仪器相比，微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有分析时间短、样品消耗少、能耗低和效率高等优点。因此，它将广泛用于生物医学检测领域。另一方面，随着电子和微加工技术的快速发展，采用细胞芯片监测细胞电活动的手 段得到了应用。胞外

5、微电极阵列提供了一种长期无损监测细胞电活动的方法，记录电极提供了一个大量的数据采集通道，把从具有电活性的细胞构成的神经网络获得的数据传递出来。传统的细胞胞内记录技术在细胞生理研究中已经取得了很大的突破，但是，在研究信号在细胞之间的传输路径方面，大部分电生理实验室所依赖的玻璃微吸管无法实现胞间传播信号的测量(如神经元的突触传递，或者细胞之间的间隙连接进行的信号传播)。此外，细胞内记录和电压敏感染料是有损的测量方法，限制了标准电生理测量和光学方法的应用。所以，阵列芯片技术已经成为细胞网络动力学长期记录的一种强有力的工具。目前，国际上采用细胞传感芯片技术代替膜片钳等传统技术的研究已经开始出现，如因发

6、明膜片钳而获得诺贝尔奖的德国的Erwin Neher在Nature上撰文分析了采用半 导体器件检测活细胞生理特性的技术发展前景。Straub等一些著名的学者研究活细胞 与微电子技术相结合，并取得了快速的发展。细胞传感器可以直接检测细胞膜上的通 道，对于研究细胞生理及其响应机理具有重要的意义。基于平面微电极的细胞芯片，不 但能研究神经、心肌细胞生长和电信号传递过程，而且能进行神经网络和其他细胞的电 生理检测和分析，将为仿生传感器研究和药物检测等提供重要的技术手段。概述：1各类细胞传感器及其应用1.1监测细胞内外环境的细胞传感器 实时活体监测细胞是全面了解细胞生理性能及其机制的重要基础,这就要求能

7、够定量测量和分析细胞的内外微环境.测定细胞内自由离子浓度的较好方法是采用离子敏感微电极(ISME),组合不同的 ISME可以并行测量细胞内多种离子,如4NH+,Cl ,Na+和Mg2+等.此外,荧光成像也是细胞内微环境监测的一种有用的工具,可测量与细胞信号传递有关 的离子浓度切片生物大分子等)的相应变化.因此,测量细胞代谢后胞外微环境的相关参数,可以间接测细胞的生理变化.20世纪90年代,美国分子器件公司(MolecularDeviceCorporation)把芯片技术引入生物学领域,开发出了一种细胞微生理计(Microphysiometer):用建立在硅技术基础上的传感器检测细胞酸化的微环境

8、.细胞由于能量代谢产生酸性物质,使外环境酸化,利用光寻址电位传感器(LAPS)可以测量细胞外微环境的pH值变化,定量计算细胞H+排出速率,从而可以分析细胞的代谢率.这种方法对糖酵解和呼吸作用的代谢过程都适用.除了利用LAPS测量酸化率,也用H+敏场效应管(ISFET)来测量胞外代谢率.此外,利用氧电极传感器和CO2传感器可以测量在糖酵解过程中,O2的消耗量和CO2的生成量。1.2监测细胞特殊行为的细胞传感器 有一类独特的细胞传感器,可以用来测量某些细胞的特殊性质,进而研究这些生物体对外界刺激的响应.如基于生物发光的细胞传感器:某些具有发光特性的细菌或用荧光素酶基因设计的细菌,可能对某些重金属产

9、生敏感,基于这种细菌的生物传感器可以进行环境的监测.我们目前也在研究将该类细胞传感器用于水污染中重金属离子动态监测.要解决的问题是如何控制影响发射光量的众多因子,如氧浓度,pH,培养基的组成及细胞的数量等.而基于细胞色素的细胞传感器,则是诱发色素细胞与酶相关的运动,改变细胞颜色,通过检测颜色变化来测量神经毒素。2光寻址电位传感器(LAPS)的基本应用LAPS最有特色的应用是用于图像测量。分辨率高、测量速度快是它作为图像传感 器的两个特有的性质。激光束照射所激发的电子空穴对只能在光照点周围的有限区域内 产生，这就是LAPS分辨率产生的原因。若光在LAPS器件上做连续扫描，记录下每 个扫描位置的光

10、电流，然后将信号合成处理，就可以得到表征被测量的二维情况的图像。 Nakao等对分辨率进行了详细的分析，通过实验得到了硅片厚度、光的波长等对分 辨率的影响。实验结果表明：通过把硅片减薄到20tm，使用830nm的红外激光背面照 射可以使空间分辨率达到10m，甚至可以用于单个细胞的分辨。Yoshitaka把O5m 的超薄硅层制作在一个透明基底上，进而得到LAPS，使空间分辨率提高到5m。对于 分辨率，德国的George等进行了更加深入的理论研究。实际上，分辨率不仅仅说明如 果它足够小，就可以用来测量单个细胞，并能使图像更接近实际情况，而且更加说明，分辨率就意味着一束光只能影响一个有限的区域，所以

11、多束光照射就可以同时得到多个 信号，这也是多光源LAPS的基本理论基础。在目前的研究中，LAPS用做图像传感器大多是作为液体图像传感器，但已经具有 了图像传感器的一般特点。在EIS结构中，氧化物之上通常再沉积SisN。层作为敏感 膜，Si。N。对H+敏感，所以不用附加另外的敏感膜就可以用来测量溶液的pH变化。在Si。N。上再沉积其他的敏感膜，就可以测量其他离子。Nakao等应用该系统进行了酿 酒酵母菌的识别，这种设备也是大多数液体图像传感器所采用的。光源采用波长为 633nm、功率为10mW的He-Ne激光器，光线经过聚焦后光点的直径可以缩小到ltzm。 激光器沿：r-y轴扫描，用时7min，

12、形成一幅在25mm25mm的范围内6464个点 的图像，图像清楚地显示了在酿酒酵母菌周围的pH的变化。这相当于在25mm 25mm的面积上集成了6464个传感器，目前应用传感器阵列的方法还不可能达到这样的集成度。 3结束语 细胞传感器从生理研究到药物筛选都得到了很广泛的应用.但是,还有几个主要的因素限制了细胞传感器的进一步应用,比如再生性和细胞的选择等.随机培养的可兴奋细胞尽管寿命长且黏附性好,增强了细胞与微电极的耦合,然而,缺少在体理化因素的影响,随机培养的神经元形成一个随机的神经网络,以致于难以分析.微电极阵列上的氧化层可能会限制培养在它上面的神经元的神经传导.近年来,细胞模式识别的进展或

13、许能成功引导可兴奋细胞的生长,提高细胞传感器的可重复性.显然,不能使用细胞传感器来研究所有的细胞和所有的生物活性物质,可兴奋细胞看来比较通用,但仍需探讨其他类型的细胞.只有全面了解细胞传感器的适用范围,才能更好地设计和使用细胞传感器.细胞传感器要真正进入市场,还需要解决许多问题.比如,微电极阵列中有效的电极数量仍然偏少,信噪比偏小,数据分析量大,对复杂的神经生物响应机理认识不够,在实验室以外的环境中难以有效地应用. 细胞拥有并表达着一系列潜在的分子识别元件, 如受体酶等,这些分子都可以作为靶分析物,当它们对外界刺激敏感时,就按照固有的活细胞生理机制进行相应的生理功能活动.所以,以活细胞作为探测

14、单元的生物传感器可以响应许多具有生物活性的被分析物.此外,细胞传感器具备功能性分析的优点,有助于更深入地探求细胞的生理活动,它已成为生命科学以及环境科学领域必不可少的工具。生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域，伴随着生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展，生物传感器的发展将会有以下新特点：1.功能更加全面，并向微型化发展未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。当前生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。而且随着微加工技术和 纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们面前。2.智能化程度更高未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合，能够自动采集数据、处理数据，可以更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、最终形成检测的自动化系统。同时,芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。但是，要使生物传感器尽快被市场接受，还要具备以下条件：（1）足够的敏感性和准确性。（2）操作简单。 （3）价格便宜，容易进行批量生产。（4）生产过程中进行质量监测。（5）使用寿命长。 相信随着一些关键技术（如固定化技术）的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，随着各学科的不断发展，生物传感器必将在未来必将会更大