细胞传感器的原理与应用PDF电子书下载

第1章　绪论 1

1.1　引言 1

1.2　细胞传感器研究的目的 2

1.3　细胞在芯片上的培养技术 3

1.4　细胞传感器在国际上的发展现状 4

1.4.1　传统的电生理测量方法——电压钳 4

1.4.2　经典的电生理测量方法——膜片钳 5

1.4.3　场效应晶体管（FET）细胞传感器 6

1.4.4　微电极阵列（MEA）细胞传感器 8

1.4.5　光寻址电位传感器（LAPS） 9

1.4.6　膜片钳细胞传感器 11

1.4.7　免疫细胞传感器 12

1.5　小结 12

第2章　细胞的生理特性及其选择与培养 14

2.1　细胞的基本结构 14

2.2　细胞膜结构和跨膜转运 15

2.2.1　细胞膜脂质双分子层结构 15

2.2.2　细胞膜跨膜物质转运 18

2.2.3　细胞膜跨膜信号转导 20

2.3　细胞膜离子转运和Donnan平衡 23

2.3.1　细胞膜的离子转运 24

2.3.2　细胞的静息电位和动作电位 26

2.3.3　电压钳技术和膜片钳技术 29

2.4　细胞的选择与培养 30

2.4.1　细胞的分离培养方式 31

2.4.2　细胞传感器的培养条件 37

2.5　细胞固定和生长的影响因素 38

2.5.1　细胞固定和生长的影响因素 39

2.5.2　促进细胞附着和生长的方法 41

2.5.3　细胞传感器的生物相容性 43

2.6　小结 43

第3章　细胞传感器机理及模型分析 45

3.1　概述 45

3.1.1　细胞膜的特点 45

3.1.2　可兴奋细胞及其离子通道的等效电路 45

3.1.3　固体-电解液界面 48

3.2　细胞代谢微环境检测 56

3.2.1　细胞代谢微环境 56

3.2.2　细胞代谢微环境的检测方法 58

3.2.3　离子的检测基础 58

3.2.4　生物膜敏感器件 62

3.3　细胞电生理参数测量 63

3.3.1　细胞-硅器件的界面模型 63

3.3.2　细胞-金属电极界面模型 64

3.4　细胞黏附阻抗谱检测 66

3.5　细胞传感器中的噪声 69

3.5.1　电极噪声 69

3.5.2　电磁干扰 70

3.5.3　生物噪声 70

3.6　小结 70

第4章　微电极阵列（MEA）细胞传感器 72

4.1　基于微电子机械系统技术的细胞传感器工艺概述 72

4.1.1　微电子机械系统（MEMS）概述 72

4.1.2　MEMS器件及应用 75

4.1.3　结合IC和MEMS技术的细胞传感器 76

4.1.4　与细胞传感器相关的工艺过程 77

4.2　MEA的历史及发展 83

4.3　MEA的工作原理概述 86

4.3.1　MEA通道寄生电容模型分析 87

4.3.2　MEA的设计分类 88

4.3.3　电极阻抗特性测试 90

4.4　MEA器件设计 93

4.4.1　在溶液中的MEA阻抗 93

4.4.2 MEA的尺寸和定位 94

4.4.3 MEA基底的选择 94

4.4.4　MEA电极材料的选择 95

4.4.5 MEA引线材料的选择 95

4.4.6 MEA钝化层的选择 95

4.4.7 MEA制作流程及封装 96

4.5　细胞-硅器件的界面特点及表面处理 97

4.5.1　接种细胞前的器件预备 98

4.5.2　接种细胞的类型选择 99

4.5.3　不同器件界面对表面处理的影响 100

4.5.4　MEA表面处理的电化学测试 101

4.6　器件封装、测试平台及特性测试 107

4.6.1　封装 107

4.6.2　硬件平台 107

4.6.3　软件 109

4.6.4　特性测试 110

4.6.5　数据采集及噪声分析 111

4.6.6　MEA器件的重复性 112

4.7　MEA应用 114

4.7.1 MEA对电活性细胞参数测试 114

4.7.2 MEA在药物测试方面的研究 119

4.7.3 MEA便携化与仪器化发展 124

4.7.4 ECIS应用 125

第5章　场效应晶体管（FET）细胞传感器 129

5.1 FET细胞传感器的发展历史 129

5.2 FET传感器的原理与基本结构 131

5.2.1　结型场效应晶体管 131

5.2.2　绝缘栅型场效应晶体管 133

5.2.3　基于FET的生物传感器检测原理 136

5.3　器件设计与制作 143

5.3.1　CBFET器件的制作过程 143

5.3.2　CBFET器件的设计 144

5.3.3 ISFET设计与制备 151

5.3.4 EGFET设计 154

5.3.5　其他新型FET结构 156

5.4　细胞与FET等硅材料器件结合的生物相容性 157

5.4.1 FET与不同细胞的耦合过程 157

5.4.2　结合存在的问题 159

5.4.3　表面处理及细胞培养方法 160

5.5 FET系统 161

5.5.1 CBFET系统工作流程 161

5.5.2 EGFET的细胞传感器测试电路 163

5.5.3 ISFET测试系统 165

5.6 FET应用 165

5.6.1　CBFET用于细胞电生理测试 165

5.6.2　场效应晶体管细胞传感器与离子图像传感器的结合 167

5.6.3　化学离子敏传感器在生物医学上的应用 167

5.6.4　生物纳米FET芯片 170

5.6.5　FET测试需要注意的问题 171

第6章　光寻址电位传感器（LAPS） 174

6.1　概述 174

6.2　光寻址电位传感器（LAPS）的基本应用 174

6.2.1 LAPS的图像传感器应用 174

6.2.2 LAPS用于生物信号测量 176

6.3 LAPS测量原理 178

6.3.1 LAPS原理概述 178

6.3.2 LAPS电路模型 178

6.3.3 LAPS基本特性 183

6.3.4 LAPS的响应时间 187

6.3.5　光源对LAPS特性的影响 188

6.4 LAPS器件制备 192

6.4.1 LAPS芯片的加工 192

6.4.2 LAPS器件的封装 193

6.5 LAPS测量系统 194

6.5.1　系统平台 195

6.5.2　硬件设计 198

6.5.3　软件控制 200

6.6　多光源LAPS测试系统 202

6.6.1 MLAPS系统结构 202

6.6.2 MLAPS系统测试 205

6.6.3 MLAPS系统分析 209

6.7　光寻址电位细胞传感器（LAPCS） 209

6.7.1 LAPCS胞外电位检测 209

6.7.2 LAPCS微生理计 213

6.8　小结 220

第7章　膜片钳细胞传感器 221

7.1　传统膜片钳技术 221

7.1.1　通道电流的记录模式 221

7.1.2　实验系统 223

7.1.3　实验技术 224

7.2　膜片钳芯片技术的发展 224

7.3　膜片钳芯片测量原理 226

7.3.1　膜片钳芯片工作原理 226

7.3.2　膜片钳芯片记录模式和等效电路 227

7.3.3　细胞类型的选择 228

7.3.4　保证高阻抗封接的条件 228

7.4　膜片钳芯片器件制备 229

7.4.1　基于硅材料的膜片钳芯片器件制备 229

7.4.2　基于玻璃的膜片钳芯片器件制备 230

7.4.3　基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的膜片钳芯片器件制备 232

7.4.4　基于聚酰亚胺的膜片钳芯片器件制备 234

7.5　膜片钳芯片测量系统 236

7.5.1　细胞的引导 236

7.5.2　膜片钳放大器 237

7.5.3　数据采集和数字化 241

7.5.4　计算机及软件 241

7.5.5　外部噪声和Faraday笼 242

7.6　全细胞电流记录和数据分析 242

7.6.1　电压激活的电流 242

7.6.2　非电压激活的电流 248

7.7　单通道电流记录和数据分析 248

7.7.1　离子通道的识别 249

7.7.2　电流数据分析 249

7.7.3　与全细胞记录的关系 251

7.8　膜片钳芯片的应用 251

7.8.1　用于离子通道的研究 252

7.8.2　用于高通量药物筛选 257

7.9　小结 266

第8章　免疫细胞传感器 267

8.1　概述 267

8.1.1　免疫系统基础 267

8.1.2　免疫细胞类型及其功能 268

8.1.3　免疫细胞作为生物传感器的敏感元件 274

8.2　免疫细胞传感器的原理基础 274

8.2.1　免疫细胞分子识别的基本特征 274

8.2.2　热转换检测原理 276

8.2.3　光转换检测原理 279

8.3　免疫细胞传感器的器件制备 281

8.3.1　热检测装置 281

8.3.2　发光检测装置 283

8.3.3　免疫细胞芯片 286

8.4　免疫细胞传感器的测量系统 288

8.4.1　基于热检测的测量系统 288

8.4.2　基于光检测的测量系统 292

8.5　免疫细胞传感器的应用 294

8.5.1　应用于微生物检测 294

8.5.2　应用于药物筛选 295

8.5.3　其他方面的应用 296

8.5.4　未来的主要发展方向 296

第9章　嗅觉与味觉细胞传感器 297

9.1　概述 297

9.1.1　嗅觉传感器 297

9.1.2　仿生嗅觉传感器 300

9.1.3　味觉传感器 301

9.1.4　仿生味觉传感器 303

9.2　嗅觉细胞传感器 304

9.2.1　嗅觉感受的生物学基础 304

9.2.2　嗅觉编码方式 307

9.2.3　嗅觉细胞培养 310

9.3　味觉细胞传感器 312

9.3.1　味觉感受的生物学基础 312

9.3.2　味觉传导编码 314

9.3.3　味觉细胞培养技术 317

9.4　嗅觉与味觉细胞传感器的应用 322

9.4.1　嗅觉细胞传感器的应用 322

9.4.2　味觉细胞传感器的应用 326

9.5　小结 329

第10章　细胞传感器的发展趋势 330

10.1　概述 330

10.2　微加工与集成技术的发展 330

10.2.1　集成多功能细胞芯片的研究 330

10.2.2　微探针技术的发展 331

10.3　纳米细胞分子传感器的发展 335

10.3.1　纳米颗粒的特性 335

10.3.2　纳米颗粒的制备和修饰 336

10.3.3　纳米生物传感器 338

10.4　与微流控技术的结合 339

10.5　康复工程的应用 343

10.5.1　感觉器官的修复 343

10.5.2　植入式芯片技术的发展 350

10.6　小结 352

主要参考文献 353