王天星,黎洪波,蘇凱麒,胡 寧,王 平

(浙江大學生物傳感器國家專業(yè)實驗室,生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室,生儀學院,杭州 310027)

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基于細胞電阻抗傳感器的細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng)設計*

王天星,黎洪波,蘇凱麒,胡 寧,王 平*

(浙江大學生物傳感器國家專業(yè)實驗室,生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室,生儀學院,杭州 310027)

針對傳統(tǒng)的細胞傳感器系統(tǒng)存在參數(shù)單一的問題,設計了基于細胞電阻抗傳感器的細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng)。通過阻抗傳感器的模型及其生長和搏動原理、阻抗傳感器的設計加工,細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng)設計等方面對系統(tǒng)進行介紹。該系統(tǒng)具有操作簡便,高一致性和高通量等特點。采用系統(tǒng)測試實驗和細胞實驗對系統(tǒng)的基本性能繼續(xù)測試。實驗結果表明,細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng)能同時檢測細胞生長和心肌細胞的搏動,具備快速,長期,無損和高通量測量的特點,為細胞生理研究提供了實用的平臺。

生物醫(yī)學;細胞傳感器;阻抗傳感器;細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng);細胞生長和搏動;小鼠腦神經(jīng)瘤細胞細胞;原代新生大鼠心肌細胞

生物阻抗檢測技術是一種生物醫(yī)學領域的重要測量技術。生物阻抗檢測技術將較小的外加電流或者外加電壓加載在活體組織或細胞上,非侵入地檢測對電流的阻礙作用,即對阻抗的檢測,廣泛應用于醫(yī)學領域中疾病診斷和生物學領域中細胞組織生理狀態(tài)的研究[1-9]。隨著微芯片加工技術和傳感檢測技術的不斷發(fā)展,生物阻抗檢測技術廣泛應用于細胞生理相關的研究。阻抗檢測技術應用于細胞研究主要分為兩類:一類是結合微流控芯片或其他微通道,進行單個細胞定位和轉移,檢測細胞數(shù)量、尺寸等參數(shù)。另一類是利用阻抗微電極,檢測細胞在電極上的生長和行為狀態(tài)。利用阻抗微電極檢測細胞生長和行為引起的阻抗變化已經(jīng)廣泛用于細胞生理相關的研究,也是用于構建細胞阻抗傳感器的基礎。

細胞阻抗傳感器(ECIS),由Giaever和Keese在1984年首次提出的,是一種實用的常用于監(jiān)測離體培養(yǎng)細胞行為的傳感器[10-11]。活體細胞在ECIS傳感器的電極表面上貼附生長,改變了電極間的電場分布,進而引起阻抗變化。阻抗變化反映細胞的生理狀態(tài),可以用于細胞行為的持續(xù)監(jiān)測。由于細胞阻抗傳感器具備實時、無標記、非侵入、可定量等優(yōu)點,用于監(jiān)測細胞貼附變化和細胞形狀相關的大量過程,例如細胞增殖[12]、細胞貼附與伸展[13]、細胞微小運動[14]、細胞的趨化活性[15]、細胞遷移[16]、創(chuàng)傷愈合[17]、離體細胞毒性反應[18-20],以及細胞對其他物理化學變化的響應[12,21-22]。在最近的20多年里,阻抗檢測技術已經(jīng)成為一種重要和實用的用于離體細胞實驗的無標記檢測技術,有著極其廣泛的應用。傳統(tǒng)的細胞阻抗傳感器及其檢測系統(tǒng)只能檢測細胞生長,而無法檢測心肌細胞的搏動,因而極大地限制了阻抗傳感器及其檢測系統(tǒng)在生物醫(yī)學領域中的應用。本論文主要設計開發(fā)了一種新型的阻抗傳感器檢測系統(tǒng),從而能用于細胞生長和搏動的同時檢測。

1 原理和方法

1.1 ECIS細胞阻抗模型

細胞在ECIS電極表面貼附、生長、增殖,阻礙了離子電流,從而引起了阻抗的變化。細胞在ECIS上簡化模型如圖1(a)所示。一般來說,采用等效阻抗電路來表示真實的阻抗系統(tǒng)模型[23-24],用于廣泛的解釋和分析實驗獲得的阻抗數(shù)據(jù)。隨著ECIS的發(fā)展,越來越多的細胞研究采用叉指電極結構,有利于提高細胞阻抗傳感器性能。圖1(b)為在叉指電極上無細胞貼附的情況下,ECIS的阻抗等效電路模型。其中CD為Helmholtz雙電層界面電容,Rsol為細胞培養(yǎng)液的擴展電阻。當細胞在電極上生長時,其簡化等效電路模型如圖1(c)所示,相比于無細胞時的等效電路模型,增加了細胞電容Ccell和電阻Rcell,細胞與基底之間的電容Cgap和電阻Rgap。基于無細胞和有細胞的等效電路模型,獲得的ECIS有無細胞時的阻抗譜(圖1(d)),及其對應的ECIS細胞阻抗檢測靈敏度(圖1(e))。

為了研究叉指電極的頻率特性,Wang等從等效電路模型中定義了3個重要的頻率flow、fmiddle和fhigh,并且根據(jù)這3個頻率將整個阻抗譜頻譜范圍分成了4個部分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ[25]。當激勵頻率低于flow時,無論ECIS電極上有無細胞,其阻抗主要由Helmholtz雙電層界面電容CD決定,在這個頻率范圍內(nèi),ECIS靈敏度較低,隨著頻率的減小而進一步降低,并趨近于零。頻率低于flow的范圍被定義為Ⅰ區(qū)。相比于低頻范圍,當頻率足夠高并且高于fhigh時,無論ECIS電極上有無細胞,其阻抗主要由溶液擴展電阻Rsol決定。在這個頻率范圍內(nèi),ECIS靈敏度也較低,且隨著頻率的增加而進一步降低,并趨近于零。頻率低于fhigh的范圍被定義為IV區(qū)。最適合用于細胞阻抗測量的頻率范圍是Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。當ECIS的工作頻率處于flow和fhigh之間時,細胞對ECIS阻抗變化的影響起主要作用。在工作頻率較低的Ⅱ區(qū)范圍內(nèi),Ccell和Cgap引起ECIS阻抗的變化作用大于Rcell和Rgap。在工作頻率較高的Ⅲ區(qū)范圍內(nèi),Rcell和Rgap引起ECIS阻抗的變化作用大于Ccell和Cgap。通過ECIS細胞阻抗模型,可以確定ECIS傳感器大致合適的工作頻率范圍,有利于指導傳感器的設計優(yōu)化和加工。

圖1 (a)細胞在ECIS上簡化模型;(b)ECIS上無細胞時的等效模型;(c)ECIS上有細胞覆蓋的等效模型;(d)在不同頻率下ECIS上有無細胞的阻抗大小對比;(e)在不同頻率下的ECIS的檢測靈敏度

1.2 細胞生長和搏動檢測原理

ECIS傳感器可以檢測在其表面生長細胞的生理狀態(tài)。相比于單電極,叉指電極的參考電極與工作電極發(fā)揮等價的作用,提高了空間阻抗電極的利用率。在細胞實驗中,單電極與叉指電極檢測細胞阻抗的原理類似。我們主要采用叉指電極,因此,主要圍繞叉指電極的檢測原理展開介紹。當一個幅值較小的正弦交流電壓加載在叉指電極兩端時,叉指電極間形成離子電流。如圖2所示,當叉指電極上無細胞時,其阻抗最小,也稱基線阻抗。當細胞在叉指電極上生長貼附時,阻礙離子電流,從而引起阻抗的升高。細胞在阻抗電極上細胞組織覆蓋度越多,阻礙離子電流程度越大,阻抗越大。此外,ECIS阻抗的大小還與細胞貼附的緊密程度有關。細胞與叉指電極貼附越緊密,阻抗越大。細胞與細胞接觸融合越緊密,阻抗也越大。ECIS傳感器的基本功能是實時動態(tài)地監(jiān)測細胞生長和貼附的生理狀態(tài)。而對于一些有特殊行為的細胞(如節(jié)律性搏動的心肌細胞)來說,ECIS傳感器檢測細胞貼附緊密程度和形態(tài)的功能可以進一步擴展。心肌細胞由于興奮收縮偶聯(lián)的特性,會產(chǎn)生節(jié)律性的收縮和舒張,從而引起心肌細胞與電極之間、細胞與細胞之間貼附接觸緊密程度以及細胞形態(tài)的變化,這些變化相比于緩慢的細胞生長狀態(tài)變化較為迅速,能引起ECIS傳感器阻抗的快速變化,因而可以被ECIS傳感器檢測(見圖2)。

圖2 ECIS傳感器檢測細胞生長和搏動原理

ECIS傳感器檢測電極上的細胞阻抗,可以實時記錄生長在電極上細胞生理狀態(tài)的重要信息。當細胞在外界刺激的作用下,生理狀態(tài)發(fā)生改變,可以從ECIS檢測的細胞阻抗中反映出來。因此,ECIS傳感器常應用于在細胞實驗中用于指示細胞生長、分裂增殖、形態(tài)變化、貼壁融合程度和死亡等生理狀態(tài)的變化。ECIS傳感器用于心肌細胞搏動的檢測,是一種新型的ECIS功能應用。利用新生乳鼠的心肌細胞或者心肌細胞系,結合ECIS傳感器,可以建立用于研究離體培養(yǎng)心肌細胞的傳感器檢測平臺,進一步將構建的心肌細胞傳感器平臺用于藥物的藥理學和毒理學實驗。

1.3 阻抗傳感器的設計加工

ECIS傳感器的加工主要是在玻璃材料的基底上刻蝕叉指電極圖形及其引線。具體的工藝流程如圖3所示,選擇4 inch的玻璃材料作為加工傳感器的基底材料。首先采用標準清洗工藝清洗玻璃材料;采用磁控濺射的方法濺射一層厚度約為20 nm的Cr作為粘附層,用來加強電極材料層的粘附能力;隨后,采用磁控濺射的方法在Cr層上濺射一層厚度為300 nm的Au作為電極材料;再后,利用具有電極圖案掩膜板,采用蝕刻的方法,刻出設計的叉指電極的圖形及其引線。傳統(tǒng)的加工設計方法還需要進行絕緣層的加工,采用PECVD的方法沉積SiO2/Si3N4作為芯片絕緣層,從而防止電極引線和溶液短路。我們利用ECIS的細胞培養(yǎng)腔,采用膠水固定在芯片區(qū)域,恰好能將引線區(qū)域排除在腔體之外,所以可以省略絕緣層加工的工藝流程,從而極大地降低了傳感器加工的復雜性。

圖3 ECIS傳感器的加工工藝流程

1.4 細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng)設計

細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng)框圖(見圖4)),主要包括信號發(fā)生模塊、前置放大濾波模塊、模數(shù)轉換模塊和中央處理器模塊。檢測系統(tǒng)通過信號發(fā)生模塊產(chǎn)生微小的正弦電壓信號,并將這個微小的電壓信號加載在多通道傳感器上,會在傳感器叉指電極上形成離子電流,傳感器輸出電流經(jīng)過放大和濾波模塊,被數(shù)模轉換模塊采集,最后通過激勵信號的幅值和輸出電流的幅值,即可計算出每個通道的阻抗大小。

圖4 多功能阻抗傳感器系統(tǒng)框圖

在眾多研究中[26-30],細胞指數(shù)CI(Cell Index)被引入用于評價ECIS傳感器系統(tǒng)中細胞電極相互作用引起的阻抗變化。CI是一個沒有單位的比率ΔZ/Z0,Z0是通道背景阻抗,ΔZ為細胞在電極上貼附生長引起的阻抗變化,CI是將細胞在ECIS傳感器電極上阻抗變化ΔZ轉化為更統(tǒng)一、直觀、簡單的值。因此,CI值可以代替阻抗值反映細胞生長、增殖、細胞間接觸、細胞與基底貼附的狀態(tài)。由于細胞生長增殖屬于較為緩慢的過程,不會產(chǎn)生劇烈快速的阻抗變化,所以對細胞在叉指電極生長增殖的阻抗檢測,并不要求檢測系統(tǒng)具備較高的時間分辨率。根據(jù)細胞在傳感器上生長的階段,時間分辨率可以為幾分鐘到幾十分鐘不定,而且不會丟失細胞生長增殖中的重要信息。

ECIS傳感器也可以用于心肌細胞的搏動檢測,由于心肌細胞是一種較為獨特的細胞,會自發(fā)的進行節(jié)律性的搏動,其節(jié)律性收縮和舒張會引起細胞形態(tài)、細胞與細胞間接觸、細胞與基底貼附的改變,從而會引起ECIS傳感器阻抗節(jié)律性的改變,其輸出的阻抗變化信號較為微小且快速,通常離體培養(yǎng)的心肌細胞搏動信號的時程為幾百毫秒。對于這種ECIS傳感器變化信號的檢測,檢測系統(tǒng)需要具備更高的檢測靈敏度,從而能記錄較為完整的心肌細胞搏動的信號。多功能ECIS傳感器的檢測系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的阻抗檢測系統(tǒng),可以較為快速地檢測ECIS傳感器的輸出信號,從而可以用于快速心肌細胞搏動信號的檢測。從系統(tǒng)開發(fā)成本、效率等多方面因素考慮,我們采用NI高速數(shù)據(jù)采集卡為核心進行多功能阻抗檢測系統(tǒng)的搭建,取代信號發(fā)生模塊、中央處理器模塊以及數(shù)模轉換模塊的功能。多功能ECIS傳感器檢測系統(tǒng)實物圖如圖5所示,內(nèi)部主要包括NI高速數(shù)據(jù)采集卡、電源模塊、前置放大濾波模塊。此外,還設計了用于多通道芯片接口,用于固定和檢測ECIS傳感器的輸出信號。

圖5 細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng)實物圖

2 實驗結果與討論

2.1 系統(tǒng)性能測試

研究表明[25],對于ECIS傳感器對細胞阻抗進行檢測,通常不會采用頻率過高或過低的信號作為ECIS傳感器的激勵。激勵信號的頻率過高,傳感器阻抗主要由溶液電阻決定;激勵信號的頻率過低,傳感器的阻抗主要由界面電容決定。在上述兩種情況下,細胞在傳感器上生長引起的阻抗變化在這些頻率范圍內(nèi)不顯著,因而傳感器的靈敏度較低。常用于細胞阻抗檢測的頻率范圍為中間頻段,一般來說在10 kHz～40 kHz范圍內(nèi),叉指結構的ECIS傳感器具備較高的檢測靈敏度。從檢測系統(tǒng)設計的角度來說,最佳工作頻率選擇需要考慮多方面的因素:①在10 kHz～40 kHz范圍內(nèi),ECIS傳感器都具備較高的靈敏度,且差異不大,選擇適當數(shù)值的工作頻率如10 kHz、20 kHz、40 kHz等便于實時的信號計算和處理;②在高速采集系統(tǒng)中,相同采樣率條件下,正弦信號的頻率越低,在一個正弦周期內(nèi)能采集到離散信號的點數(shù)就越多,可用于信號處理的數(shù)據(jù)點數(shù)也越多,計算正弦周期幅值的準確度越高。綜上考慮,選擇頻率為10 kHz幅值為30 mV的激勵電壓驅動ECIS傳感器工作。

在系統(tǒng)進行校準后,進行傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試,向16通道的ECIS傳感器中加入200μL細胞培養(yǎng)液,將其放入培養(yǎng)箱中一段時間后進行阻抗檢測。測試結果如圖6所示,在后續(xù)的實驗中Cell Index是主要用于反映細胞阻抗大小的指標,從結果中可以看到,16通道ECIS傳感器的阻抗值基本保持穩(wěn)定,標準差在±0.58 Ω之內(nèi),而計算得到CI標準差在±0.04之內(nèi),說明傳感器具有較好的穩(wěn)定性,由于細胞生長和搏動引起的阻抗變化遠大于穩(wěn)定性測試的標準差,因而滿足系統(tǒng)檢測細胞生長和搏動的要求。同時傳感器系統(tǒng)的高速采集模式的時間分辨率可以達到4 ms,相對于搏動時程較短,可以記錄較為完整的心肌細胞的搏動信號,因而也滿足心肌細胞搏動檢測的要求。

圖6 傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

2.2 細胞生長測試實驗

ECIS傳感器系統(tǒng)基本的功能是用于監(jiān)測細胞在叉指電極上的生長狀態(tài)。我們采用小鼠神經(jīng)瘤母細胞Neuro-2a、人子宮頸癌細胞Hela、人肝癌細胞HepG2、人正常肝細胞L02等細胞系,用于開展多功能ECIS傳感器系統(tǒng)細胞生長測試實驗。這些細胞系在ECIS傳感器上的培養(yǎng)方法基本類似,我們以小鼠神經(jīng)瘤母細胞Neuro-2a的實驗為例。首先需要進行的是細胞培養(yǎng),采用的培養(yǎng)液包含100 μg/mL青霉素、100 μg/mL鏈霉素、10%胎牛血清、1%的丙酮酸鈉、1%的谷氨酰胺、1%的非必需氨基酸的RPMI-1640培養(yǎng)基。將細胞培養(yǎng)在CO2細胞培養(yǎng)箱中,保持溫度為37 ℃,CO2濃度為5%。觀察細胞至對數(shù)生長期時,用胰酶-EDTA消化液(0.25%胰蛋白酶,0.02%EDTA),消化培養(yǎng)瓶中細胞,并將細胞按照105細胞/孔的細胞數(shù)接種到多通道ECIS傳感器上。

如圖7所示的ECIS傳感器檢測結果為細胞整個生長過程的原始CI:可以看到細胞在接種后第1個1 h,CI迅速增長。這主要是由于細胞在傳感器的貼附引起;在之后的20多個小時內(nèi),CI不斷增加,表明細胞處于快速生長期;在24 h左右更換細胞培養(yǎng)液,可以看到CI值在一段時間內(nèi)有所下降,但隨后又迅速恢復到原有CI值大小,并繼續(xù)快速生長;在48 h左右,由于細胞數(shù)量過多,營養(yǎng)不充分,因而CI值逐漸減小,細胞進入衰亡期。

圖7 小鼠神經(jīng)母細胞瘤Neuro-2a生長實驗結果

由于細胞生長在ECIS傳感器上有一定差別,原始CI的曲線有較大的區(qū)別,這不利于將其作為細胞傳感器使用。因而,我們采用歸一化CI的方法,提高細胞傳感器的一致性,選擇歸一化點為23 h,圖8為歸一化CI效果,從圖上可以看到,在快速生長期的歸一化CI值較為一致,從各通道統(tǒng)計結果中也能體現(xiàn),細胞在快速生長期具有較小的標準差,有效地降低了細胞生長引起的差異性。由于在藥物或者毒素測試常在細胞的快速生長期進行,通常與更換培養(yǎng)液同時進行,因此,使多通道ECIS傳感器具備一致性良好的歸一化生長曲線,是構建細胞傳感器的必要前提。

從細胞生長的測試實驗結果可知,我們設計的多功能ECIS傳感器系統(tǒng)具備良好的檢測細胞生長的基本功能。采用細胞指數(shù)歸一化的功能可以有效地提高生長曲線的一致性,有利于進一步的化合物分析。多功能ECIS傳感器能檢測貼附在其叉指電極上生長增殖的各類細胞,通過實時記錄阻抗的變化,檢測細胞的生長狀態(tài)。

圖8 歸一化的細胞生長曲線CI(a)和各通道統(tǒng)計結果(b)

2.3 心肌細胞搏動測試實驗

心肌細胞的搏動檢測是多功能ECIS傳感器系統(tǒng)另一個重要的功能。離體培養(yǎng)的心肌細胞在形成組織團之后會引起節(jié)律性的收縮和舒張,從而使叉指電極上的細胞形態(tài)、細胞與細胞接觸、細胞與基底的貼附強度發(fā)生改變,影響叉指電極周圍的離子環(huán)境,引起阻抗的變化。

我們采用了原代新生大鼠(1 d～3 d)的心肌細胞。具體步驟包括,首先在ECIS傳感器各個通道內(nèi)上包被一層0.1%的明膠,并在4 ℃條件下過夜,使傳感器具備良好的心肌細胞生長貼附條件;采用75%的酒精消毒新生大鼠,用剪刀切開大鼠胸腔并分離出心臟,從新生大鼠取出心臟的過程必須快速,在冰冷的DMEM中潤洗,清洗除去血液和其他碎片;將分離的心臟的心房除去,保留心室部分并移至裝有2 mL的HBSS鹽平衡液的瓶中;將心室剪碎成1 mm3的組長碎片,除去HBSS液。組織碎片步驟的采用胰蛋白酶和膠原酶消化,每步消化過程持續(xù)10 min,每5 min振蕩瓶子,使用玻璃吸管吹碎片,取出上層清液,將組織碎片移至其他瓶中,采用含10%胎牛血清DMEM培養(yǎng)液停止消化;將細胞懸液以800 r/mmin的速度離心5 min,取出細胞懸液;重新加入4 mL含10%胎牛血清的DMEM細胞培養(yǎng)液,使細胞重新懸浮,采用200目細胞過濾篩過濾細胞,除去較大細胞團;將細胞按照每通道15 000個細胞的數(shù)量培養(yǎng)在多通道ECIS傳感器上,并放入37 ℃,5% CO2的細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。在ECIS傳感器上培養(yǎng)結果如圖9所示。

圖9 原代新生大鼠心肌細胞24 h培養(yǎng)后顯微照片

采用多功能ECIS阻抗傳感器系統(tǒng)對心肌細胞的搏動狀態(tài)進行記錄。圖10顯示為在第24 h、26 h、30 h、32 h、40 h和42 h下ECIS傳感器檢測的心肌細胞搏動信號,每次檢測的時間持續(xù)20 s。從各個時間點記錄的信號特征可知,原代新生大鼠心肌細胞在剛開始搏動階段,搏動信號頻率較低、幅值較小、時程較長(如第24 h和第26 h);在經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)后,心肌細胞搏動信號頻率增加且較為規(guī)則,信號的時程較短,信號的幅值也逐漸增加(如第30 h和第32 h);在培養(yǎng)一定的時間之后,心肌細胞活性下降,搏動信號的頻率顯著下降,且信號的時程較長(如第40 h和第42 h),最后搏動信號逐漸消失。

圖10 在各個時間階段下ECIS傳感器檢測的心肌細胞搏動信號

從多通道的心肌細胞搏動信號統(tǒng)計結果可見(圖11),細胞培養(yǎng)24 h～30 h內(nèi),細胞的搏動頻率較低,在20次/min以下;而在培養(yǎng)31 h～37 h內(nèi),細胞搏動頻率較高,且較為穩(wěn)定,在60次/min左右;在接下來的一段時間內(nèi),由于細胞活性下降,其搏動頻率也逐漸下降,最后停止搏動。從統(tǒng)計結果可知,搏動頻率類似,變化相近,標準差較小,表明同次培養(yǎng)的原代心肌細胞在各通道之間培養(yǎng)的狀態(tài)近似相同,具備較好的一致性,是構建心肌細胞傳感器的前提和基礎。

圖11 多通道心肌細胞搏動頻率的統(tǒng)計(n=3)

通過心肌細胞的搏動測試實驗,驗證了多功能ECIS傳感器系統(tǒng)具備良好的檢測心肌細胞的搏動的功能。ECIS傳感器可以檢測到生長在叉指電極表面心肌細胞節(jié)律性搏動的檢測,為構建心肌細胞傳感器創(chuàng)造了基本的條件,也為研究藥物對心肌細胞影響建立了良好的傳感器系統(tǒng)平臺。綜合以上的系統(tǒng)性能測試和細胞實驗的結果表明,我們設計的細胞阻抗傳感器系統(tǒng),具有良好的一致性和實用性,可以同時用于多通道細胞生長和搏動的檢測。

3 結論

本文主要介紹了基于細胞電阻抗傳感器的細胞多生理參數(shù)分析系統(tǒng)設計。從ECIS細胞阻抗模型、ECIS細胞生長檢測原理、ECIS細胞搏動檢測原理介紹了細胞阻抗傳感器的原理。重點介紹了高通量ECIS傳感器的優(yōu)化設計準則和加工工藝流程、傳感器單元的封裝結構和組成,ECIS傳感器系統(tǒng)檢測儀器的設計。我們設計的多功能ECIS不僅可以對細胞的生長進行實時的監(jiān)測,用于分析細胞生長狀態(tài)和藥物作用,同時設計高速采集模式可以對心肌細胞的節(jié)律性搏動進行檢測,使ECIS傳感器的功能進一步擴展。最后通過細胞實驗分析,驗證了多功能ECIS傳感器系統(tǒng)具備細胞生長和搏動的檢測功能。

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王天星(1979-),男,浙江大學,博士研究生,主要研究方向為細胞傳感器與系統(tǒng)及其檢測技術,wtx1979@163.com;

王平(1962-),男,浙江大學,教授,博士生導師,主要研究方向為傳感器與檢測技術、生物芯片與生物電子學、人工嗅覺與人工味覺等,cnpwang@zju.edu.cn。

CellularMultiphysiologicalParameterAnalysisSystemBasedonElectricalCell-SubstrateImpedanceSensor*

WANGTianxing,LIHongbo,SUKaiqi,ZOULing,HUNing,WANGPing*

(Biosensor National Laboratory,Key Laboratory of Biomedical Engineering of Education Ministry,Department of Biomedical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

For solving problems of single parameters of traditional sensor system,Cellular multiphysiological parameter analysis system based on electrical cell-substrate impedance sensor(ECIS)was designed. The equivalent model of ECIS,cellular growth and beating detection principle,the design and fabrication of ECIS,cellular multiphysiological parameters analysis system design and other aspects of the system are introduced. This system has the characteristics of simple,high-consistency and high-throughput. System test experiments and cell experiments were carried out to determine the basic performance of the system. Experimental results show that the cellular growth and cardiomyocyte beating can be detected by cellular multiphysiological parameter analysis system with rapid,long-term,high-throughput and non-invasive measurement of characteristics. It will provide a utility platform for the cellular physiological study.

biomedical engineering;cell-based biosensor;electrical cell-substrate impedance sensor;cellular multiphysiological parameter analysis system;cellular growth and beating;neuro-2a;cardiomyocyte

項目來源:海洋公益項目(201305010)

2014-08-07修改日期:2014-10-10

TP216

:A

:1004-1699(2014)12-1589-07

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.12.001