基于细胞电阻抗传感器的细胞多生理参数分析系统设计_王天星

项目来源： 海洋公益项目（ 201305010） 收稿日期： 2014－08－07 修改日期： 2014－10－10
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第 27 卷
分布，进而引起阻抗变化。阻抗变化反映细胞的生 理状态，可以用于细胞行为的持续监测。由于细胞 阻抗传感器具备实时、无标记、非侵入、可定量等优 点，用于监测细胞贴附变化和细胞形状相关的大量 过程，例如 细 胞 增 殖［12］、细 胞 贴 附 与 伸 展［13］、细 胞 微小运动［14］、细 胞 的 趋 化 活 性［15］、细 胞 迁 移［16］、创 伤愈合［17］、离体细胞毒性反应［18－20］，以及细胞对其 他物理化学变化的响应［12，21－22］。在最近的 20 多年 里，阻抗检测技术已经成为一种重要和实用的用于 离体细胞实验的无标记检测技术，有着极其广泛的 应用。传统的细胞阻抗传感器及其检测系统只能检 测细胞生长，而无法检测心肌细胞的搏动，因而极大 地限制了阻抗传感器及其检测系统在生物医学领域 中的应用。本论文主要设计开发了一种新型的阻抗 传感器检测系统，从而能用于细胞生长和搏动的同 时检测。
理状态。相比于单电极，叉指电极的参考电极与工 作电极发挥等价的作用，提高了空间阻抗电极的利 用率。在细胞实验中，单电极与叉指电极检测细胞 阻抗的原理类似。我们主要采用叉指电极，因此，主 要围绕叉指电极的检测原理展开介绍。当一个幅值 较小的正弦交流电压加载在叉指电极两端时，叉指 电极间形成离子电流。如图 2 所示，当叉指电极上 无细胞时，其阻抗最小，也称基线阻抗。当细胞在叉 指电极上生长贴附时，阻碍离子电流，从而引起阻抗 的升高。细胞在阻抗电极上细胞组织覆盖度越多， 阻碍离子电流程度越大，阻抗越大。此外，ECIS 阻 抗的大小还与细胞贴附的紧密程度有关。细胞与叉 指电极贴附越紧密，阻抗越大。细胞与细胞接触融 合越紧密，阻抗也越大。ECIS 传感器的基本功能是 实时动态地监测细胞生长和贴附的生理状态。而对
第 12 期
王天星，黎洪波等: 基于细胞电阻抗传感器的细胞多生理参数分析系统设计
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于一些有特殊行为的细胞（ 如节律性搏动的心肌细 胞） 来说，ECIS 传感器检测细胞贴附紧密程度和形 态的功能可以进一步扩展。心肌细胞由于兴奋收缩 偶联的特性，会产生节律性的收缩和舒张，从而引起 心肌细胞与电极之间、细胞与细胞之间贴附接触紧密 程度以及细胞形态的变化，这些变化相比于缓慢的细 胞生长状态变化较为迅速，能引起 ECIS 传感器阻抗 的快速变化，因而可以被 ECIS 传感器检测（ 见图 2） 。
扩展电阻 Ｒsol 决定。在这个频率范围内，ECIS 灵敏 度也较低，且随着频率的增加而进一步降低，并趋近 于零。频率低于 fhigh 的范围被定义为 IV 区。最适 合用于细胞阻抗测量的频率范围是Ⅱ区和Ⅲ区。当 ECIS 的工作频率处于 flow 和 fhigh之间时，细胞对 ECIS 阻抗变化的影响起主要作用。在工作频率较低的Ⅱ 区范围内，Ccell 和 Cgap 引起 ECIS 阻抗的变化作用大 于 Ｒcell 和 Ｒgap 。在工作频率较高的Ⅲ区范围内，Ｒcell 和 Ｒgap 引起 ECIS 阻抗的变化作用大于 Ccell 和 Cgap 。 通过 ECIS 细胞阻抗模型，可以确定 ECIS 传感器大 致合适的工作频率范围，有利于指导传感器的设计 优化和加工。
图 1 ( a) 细胞在 ECIS 上简化模型; ( b) ECIS 上无细胞时 的等效模型; ( c) ECIS 上有细胞覆盖的等效模型; ( d) 在 不同频率下 ECIS 上有无细胞的阻抗大小对比; ( e) 在不 同频率下的 ECIS 的检测灵敏度
1．2 细胞生长和搏动检测原理 ECIS 传感器可以检测在其表面生长细胞的生
Abstract： For solving problems of single parameters of traditional sensor system，Cellular multiphysiological parame-
ter analysis system based on electrical cell-substrate impedance sensor（ ECIS） was designed． The equivalent model
myocyte 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
道，进行单个细胞定位和转移，检测细胞数量、尺寸 等参数。另一类是利用阻抗微电极，检测细胞在电 极上的生长和行为状态。利用阻抗微电极检测细胞 生长和行为引起的阻抗变化已经广泛用于细胞生理 相关的研究，也是用于构建细胞阻抗传感器的基础。
细胞阻抗传感器（ ECIS） ，由 Giaever 和 Keese 在 1984 年首次提出的，是一种实用的常用于监测离体 培养细胞行为的传感器［10－11］。活体细胞在 ECIS 传 感器的电极表面上贴附生长，改变了电极间的电场
过阻抗传感器的模型及其生长和搏动原理、阻抗传感器的设计加工，细胞多生理参数分析系统设计等方面对系统进行介绍。
该系统具有操作简便，高一致性和高通量等特点。采用系统测试实验和细胞实验对系统的基本性能继续测试。实验结果表
明，细胞多生理参数分析系统能同时检测细胞生长和心肌细胞的搏动，具备快速，长期，无损和高通量测量的特点，为细胞生
第 27 卷 第 12 期 2014 年 12 月
传感技术学报
CHINESE JOUＲNAL OF SENSOＲS AND ACTUATOＲS
Vol. 27 No. 12 Dec． 2014
Cellular Multiphysiological Parameter Analysis System Based on Electrical Cell-Substrate Impedance Sensor*
溶液短路。我们利用 ECIS 的细胞培养腔，采用胶水 固定在芯片区域，恰好能将引线区域排除在腔体之 外，所以可以省略绝缘层加工的工艺流程，从而极大 地降低了传感器加工的复杂性。
图 2 ECIS 传感器检测细胞生长和搏动原理
ECIS 传感器检测电极上的细胞阻抗，可以实时 记录生长在电极上细胞生理状态的重要信息。当细 胞在外界刺激的作用下，生理状态发生改变，可以从 ECIS 检测的细胞阻抗中反映出来。因此，ECIS 传 感器常应用于在细胞实验中用于指示细胞生长、分 裂增殖、形态变化、贴壁融合程度和死亡等生理状态 的变化。ECIS 传感器用于心肌细胞搏动的检测，是 一种新型的 ECIS 功能应用。利用新生乳鼠的心肌 细胞或者心肌细胞系，结合 ECIS 传感器，可以建立 用于研究离体培养心肌细胞的传感器检测平台，进 一步将构建的心肌细胞传感器平台用于药物的药理 学和毒理学实验。 1．3 阻抗传感器的设计加工
理研究提供了实用的平台。
关键词： 生物医学； 细胞传感器； 阻抗传感器； 细胞多生理参数分析系统； 细胞生长和搏动； 小鼠脑神经瘤细胞细胞； 原代新生
大鼠心肌细胞
中图分类号： TP216
文献标识码： A
文章编号： 1004－1699（ 2014） 12－1589－07
生物阻抗检测技术是一种生物医学领域的重要 测量技术。生物阻抗检测技术将较小的外加电流或 者外加电压加载在活体组织或细胞上，非侵入地检 测对电流的阻碍作用，即对阻抗的检测，广泛应用于 医学领域中疾病诊断和生物学领域中细胞组织生理 状态的研究［1－9］。随着微芯片加工技术和传感检测 技术的不断发展，生物阻抗检测技术广泛应用于细 胞生理相关的研究。阻抗检测技术应用于细胞研究 主要分为两类： 一类是结合微流控芯片或其他微通
EEACC： 7230J
doi： 10．3969 / j．issn．1004－1699．2014．12．001
基于细胞电阻抗传感器的细胞多生理参数分析系统设计*
王天星，黎洪波，苏凯麒，胡 宁，王 平*
（ 浙江大学生物传感器国家专业实验室，生物医学工程教育部重点实验室，生仪学院，杭州 310027）
摘 要： 针对传统的细胞传感器系统存在参数单一的问题，设计了基于细胞电阻抗传感器的细胞多生理参数分析系统。通
physiological study．
Key words： biomedical engineering； cell-based biosensor； electrical cell-substrate impedance sensor； cellular mul-
tiphysiological parameter analysis system； cellular growth and beating； neuro-2a； cardiomyocyte
WANG Tianxing，LI Hongbo，SU Kaiqi，ZOU Ling，HU Ning，WANG Ping*
（ Biosensor National Laboratory，Key Laboratory of Biomedical Engineering of Education Ministry， Department of Biomedical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）
of ECIS，cellular growth and beating detection principle，the design and fabrication of ECIS，cellular multiphysiologi-
cal parameters analysis system design and other aspects of the system arFra Baidu bibliotek introduced． This system has the character-
1 原理和方法
1．1 ECIS 细胞阻抗模型 细胞在 ECIS 电极表面贴附、生长、增殖，阻碍了
离子电流，从而引起了阻抗的变化。细胞在 ECIS 上 简化模型如图 1（ a） 所示。一般来说，采用等效阻抗 电路来表示真实的阻抗系统模型［23－24］，用于广泛的 解释和分析实验获得的阻抗数据。随着 ECIS 的发 展，越来越多的细胞研究采用叉指电极结构，有利于 提高细胞阻抗传感器性能。图 1（ b） 为在叉指电极 上无细胞贴附的情况下，ECIS 的阻抗等效电路模 型。其中 CD 为 Helmholtz 双电层界面电容，Ｒsol 为细 胞培养液的扩展电阻。当细胞在电极上生长时，其 简化等效电路模型如图 1（ c） 所示，相比于无细胞时 的等效电路模型，增加了细胞电容 Ccell 和电阻 Ｒcell ， 细胞与基底之间的电容 Cgap 和电阻 Ｒgap。基于无细 胞和有细胞的等效电路模型，获得的 ECIS 有无细胞 时的阻抗谱（ 图 1（ d） ） ，及其对应的 ECIS 细胞阻抗 检测灵敏度（ 图 1（ e） ） 。
istics 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 cardio-
为了研究叉指电极的频率特性，Wang 等从等效 电路模型中定义了 3 个重要的频率 flow 、fmiddle 和 fhigh ， 并且根据这 3 个频率将整个阻抗谱频谱范围分成了 4 个部分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ［25］。当激励频率低于 flow 时， 无 论 ECIS 电 极 上 有 无 细 胞，其 阻 抗 主 要 由 Helmholtz 双电层界面电容 CD 决定，在这个频率范 围内，ECIS 灵敏度较低，随着频率的减小而进一步 降低，并趋近于零。频率低于 flow的范围被定义为Ⅰ 区。相比于低频范围，当频率足够高并且高于 fhigh 时，无论 ECIS 电极上有无细胞，其阻抗主要由溶液