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微型电化学生物传感器的设计及其在细胞生化参数检测中的应用研究

作　者: 王君
导　师: 王平
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 微型电化学生物传感器细胞生化参数检测胞外酸化率胞外氧化还原电位葡萄糖胰岛素
分类号: R318.6
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

活体细胞对外界刺激如药物、环境因素变化和受体作用等产生响应,会引起细胞代谢等功能性变化,外在表现为生化参数的改变。利用微型化电化学生物传感器,可以将细胞培养在传感器表而,细胞内的生理变化引起胞外环境的变化,胞外的电解质溶液与传感器之间形成电化学池,从而将这些参数的变化通过二级换能器转换为电信号输出,最终实现定量化监测和细胞水平的分析。将传感器微型化和建立良好的细胞-芯片耦合是关键问题所在。鉴于此,采用微机械加工技术开展的基于细胞传感器的微电极阵列、叉指型阻抗传感器、场效应传感器等具有良好的生物相容性,得到了广泛的研究,并已在药物筛选、环境监测等领域得到了初步应用。本文从微型电化学生物传感器的设计和制备等关键技术入手,对基于电解质/金属-绝缘层-半导体(Electrolyte/metal-insulator-silicon, EIS/MIS)结构和和光伏检测技术的传感器、金微电极、碳微电极等传感器进行了研究,实现了离体原代肾细胞在传感器表而的良好耦合以及胞外酸化率、胞外氧化还原电位检测、葡萄糖溶液浓度检测,为EIS/MIS结构半导体器件拓展了新的生物学应用领域。此外,本文将碳微加工(Carbon micro-electromechanical systems, C-MEMS)工艺用于碳微电极的制备,实现了碳电极的微型化,成功应用于胰岛素溶液的检测,为细胞分泌的研究提供了一种新的可行性方法。本论文的主要内容和贡献如下1.提出了一种新的有效的细胞胞外氧化还原电位检测的方法细胞胞外氧化还原电位(Extracellular redox potential, ERP)反应了细胞外微环境的氧化还原状态,与细胞的增殖、分化、凋亡及癌细胞侵蚀都有着密切的关系。本文采用基于MIS结构的传感器和流动注射微腔体联用的方法,为细胞水平的氧化还原电位测试提供了一个可行的解决方案。测试无需添加其他氧化还原介质。研究表明,线粒体电子传递链对ERP有较大的影响。2.提出了一种从细胞释放H+和自由电子活性两种角度研究细胞生命代谢活动的集成传感器的设计和可行性本文提出了同时检测胞外酸化率和胞外氧化还原电位的一种集成传感器的设计,该集成传感器的性能可与单独的EIS、MIS传感器相媲美。此外,本文对正常生理状态下的细胞酸化率和ERP两种参数进行了初步的研究,获得了与单独测试类似的结果,验证了该设计的可行性。该设计有望应用于揭示细胞代谢机理的研究和药物分析测试中。3.研制了一种新的电位型葡萄糖传感器本文将PPy-GOD (Polypyrrole-glucose oxidase)超薄膜修饰在MIS结构传感器上获得了比使用同种修饰薄膜的其他类型传感器更高的灵敏度。MIS传感器所采用的光伏检测技术与流动注射微腔体联用,有利于提高传感器本身的灵敏度和响应时间。4.提出了将C-MEMS工艺制备碳微电极用于胰岛素的检测采用C-MEMS工艺将光刻胶热解制备的碳微电极具有较好的电化学性能,在其表面电沉积纳米RuOx颗粒之后实现了胰岛素的电化学检测,这是继玻碳电极、碳糊电极、碳纤维微电极之后,首次将C-MEMS应用于胰岛素测试的研究。采用C-MEMS工艺的优势在于,可根据实际检测需要灵活设计电极的结构和尺(?),有利于胰岛素传感器的微型化和集成化。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-14
第一章绪论  14-29
  1.1 电化学生物传感器的国内外研究进展  14-20
    1.1.1 电化学生物传感器的原理及分类  14-17
    1.1.2 电化学生物传感器的优势  17
    1.1.3 电化学生物传感器的现状及趋势  17-20
  1.2 微型电化学生物传感器的现状  20-23
    1.2.1 尺寸的微型化  20-21
    1.2.2 与微流控技术结合  21-22
    1.2.3 与纳米技术结合  22-23
  1.3 细胞生化参数检测的国内外研究进展  23-27
    1.3.1 细胞代谢微环境检测  24-25
    1.3.2 细胞胞外氧化还原电位检测  25-26
    1.3.3 细胞胞外分泌物检测  26-27
  1.4 本论文主要研究内容  27-29
第二章微型电化学生物传感与细胞生化参数检测技术基础  29-52
  2.1 引言  29
  2.2 细胞生物学基础  29-34
    2.2.1 细胞结构及物质跨膜转运  29-32
    2.2.2 细胞代谢  32
    2.2.3 细胞分泌  32-34
  2.3 细胞生化参数  34-40
    2.3.1 胞外酸化率  34-36
    2.3.2 胞外氧化还原电位  36-37
    2.3.3 葡萄糖  37-39
    2.3.4 胰岛素  39-40
  2.4 电极制备及电化学检测方法  40-49
    2.4.1 工作电极材料  41-42
    2.4.2 MEMS标准工艺  42-44
    2.4.3 碳微电极C-MEMS工艺  44-45
    2.4.4 电化学检测技术  45-49
  2.5 生物识别物质的固定及细胞-芯片耦合  49-51
    2.5.1 酶的固定化  49-50
    2.5.2 细胞在芯片表面的培养  50-51
  2.6 小结  51-52
第三章硅基结构的场效应生物传感器芯片及测试系统  52-63
  3.1 引言  52
  3.2 硅基结构的场效应检测原理  52-54
    3.2.1 光生电流  52-54
    3.2.2 物理电路模型  54
  3.3 传感器表面敏感机理  54-59
    3.3.1 膜电位的建立  54-55
    3.3.2 氧化硅表面H~+敏感机理  55-57
    3.3.3 金属表面氧化还原电位敏感机理  57-59
  3.4 传感器制备  59-61
    3.4.1 EIS结构芯片加工  59
    3.4.2 MIS结构芯片加工  59-60
    3.4.3 芯片封装  60-61
  3.5 传感器测试系统  61-62
  3.6 小结  62-63
第四章 MIS微传感器在胞外氧化还原电位检测中的研究  63-80
  4.1 引言  63
  4.2 氧化还原电位分析系统  63-65
  4.3 传感器基本特性  65-69
    4.3.1 Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)测试  65-67
    4.3.2 pH及H_2O_2测试  67-68
    4.3.3 Cys/CySS测试  68-69
  4.4 胞外氧化还原电位体外测试结果  69-73
    4.4.1 传感器生物相¨容性  69-70
    4.4.2 生理状态下的胞外氧化还原电位  70-72
    4.4.3 鱼藤酮作用下的胞外氧化还原电位  72-73
  4.5 呼吸链对于胞外氧化还原电位的作用分析与讨论  73-74
  4.6 MIS与EIS集成传感器初步探索  74-79
    4.6.1 集成传感器的设计及制备  74-75
    4.6.2 集成传感器的基本特性  75-78
    4.6.3 胞外氧化还原电位和酸化率的初步研究  78-79
  4.7 小结  79-80
第五章酶生物微传感器在葡葡糖电化学检测中的研究  80-96
  5.1 引言  80-81
  5.2 葡萄糖的酶生物检测方法和准备  81-82
  5.3 PPy-GOD超薄敏感膜的研究  82-84
    5.3.1 敏感膜制备  82-83
    5.3.2 敏感膜表征  83-84
  5.4 基于EMIS结构的电位型葡萄糖微传感器的研究  84-90
    5.4.1 PPy-GOD超薄膜的电位响应特性  84-85
    5.4.2 葡萄糖传感器的特性  85-88
    5.4.3 PPy-GOD超薄膜制备参数的优化  88-90
  5.5 基于微电极的电流型葡萄糖传感器的研究  90-94
    5.5.1 微电极表面PPy-GOD超薄膜  91-92
    5.5.2 葡萄糖传感器的特性测试  92-94
  5.6 电位型和电流型葡萄糖微传感器的比较分析  94
  5.7 小结  94-96
第六章碳微电极在胰岛素检测中的研究  96-104
  6.1 引言  96
  6.2 碳微电极制备方法  96-97
  6.3 碳微电极的表征  97-100
    6.3.1 碳膜的电学性能  97-98
    6.3.2 碳膜的电化学性能  98-100
    6.3.3 碳微电极的性能  100
  6.4 碳微电极检测胰岛素研究  100-103
    6.4.1 实验准备  101
    6.4.2 RuO_x的制备  101
    6.4.3 测试结果  101-103
  6.5 小结  103-104
第七章总结与展望  104-110
  7.1 总结  104
  7.2 本论文的创新工作及不足  104-106
  7.3 展望  106-110
    7.3.1 细胞分析的集成传感器的展望  107-108
    7.3.2 胰夷腺β细胞分泌胰岛素检测的展望  108-110
参考文献  110-128
作者简历  128
博士期间发表的论文及成果  128-130
致谢  130-131

微型电化学生物传感器的设计及其在细胞生化参数检测中的应用研究

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