生物传感器应用生物体、微生物、细胞或生物物质作为敏感元件,感知外界的物理或化学的刺激,从而产生各类生理参数的响应或物理与化学参数的响应,传感器接收并感受这些响应并作出评价。生物传感器及其检测技术在临床诊断、药物功能与毒性分析、环境毒物监测、食品安全分析等相关领域都有广泛的应用前景。本实验室主要以串联压电传感技术的创新及应用拓展作为研究方向并取得了一定进展和大量实验积累。串联压电生物传感器SPQC的具体部件包括传感器的探测电极、石英晶体、振荡电路、和其他相关辅助元器件,其产生响应信号的核心是石英晶体,其功能实现部件是检测探头即串联电极。SPQC既保留了压电石英晶体传感器灵敏度高、低成本、易于操作等优点,又巧妙地使晶振摆脱液相损耗的影响,其稳定性有了极大的提高。在环境微生物监测、临床致病菌的快速检测、药敏实验等领域已经得到很好的应用。为了满足多个细胞样本同时无损在线检测的需求,为细胞药理学与毒理学研究提供新的科学有效的方法,开拓SPQC传感器的体外活细胞动态监测平台,本文做了以下研究工作:(1)将体外细胞培养技术与SPQC传感器相结合,以ITO电极作为细胞传感基底,构建了多通道串联式压电细胞传感系统(ITO-MSPQC)的活细胞实时在线检测平台。其频移响应曲线能够很好地反映细胞的生长过程,抗背景电解质干扰能力强,可维持很好的频率稳定性。与传统生物学检测手段相比,ITO-MSPQC传感器是一种非侵扰性、无需标记的细胞传感手段,可代替传统的细胞培养板实验,自动化在线纪录细胞的粘附、生长、增殖等生长状态,提供细胞实时动态分析数据。(2)将构建的ITO-MSPQC压电细胞实时传感监测平台对不同接种浓度的骨肉瘤细胞MG63的粘附、铺展、增殖进行了监测和定量分析,并研究了不同浓度的低氧模拟化学试剂CoCl2对MG63细胞的生物学特性的影响作用。发现CoCl2化学模拟低氧过程中伴随着对细胞增殖和凋亡的复杂影响,与CoCl2的浓度和处理时间都有紧密关系,不同低氧状态下细胞表现出不同的生物学特征。ITO-MSPQC压电细胞传感器为体外评估化学药品的细胞毒性作用提供了一种简便、廉价的方法,可用于分析药物对细胞的作用模式。(3)为了提高检测信号强度,对细胞生长进行更灵敏的在线检测,我们对传感器的电极进行改造,将共面微电极引入压电细胞传感检测系统中,构建了新的适合细胞在线监测的Micro Au-MSPQC串联压电细胞传感器。该螺旋方形微金电极,根据细胞形状与大小来考虑电极的尺寸,细胞粘附生长时能桥接两个相邻的电极带。微电极电极间稳态电流密度高、电极间传质速度快、响应时间短,电极平面上收集更多的信号,能够反映出电极上细胞生长状态的微小变化,因此,灵敏度有了明显的提高。Micro Au-MSPQC串联压电细胞传感器是一种新型非侵扰式、无标记、活细胞在线监测技术。(4)利用新构建的Micro Au-MSPQC串联压电细胞传感器实时在线监测了内毒素LPS诱导的人脐静脉内皮细胞损伤以及VC/VE两种抗氧化维生素对该损伤的药物作用。传感器频移响应曲线表明低浓度的内毒素LPS在短时间内能促进HUVEC细胞的增殖,而在超过一定时间后则表现为对细胞抑制增殖及诱导凋亡的作用。另外发现VC和VE联合用药在低浓度(10μmol/L)就能很好地发挥减弱LPS损伤的作用。传感器监测结果与MTT检测及显微镜形态观察结果一致。(5)为了更好的模拟体内生理条件,研究刺激因子对内皮细胞屏障功能的影响,我们采用PPy[p Glu]-p Ly生物兼容性导电多聚物膜修饰传感器的ITO工作电极,构建了生物兼容性导电膜修饰电极串联压电细胞传感器(BIO-MSPQC)。电化学阻抗谱(EIS)对多聚物膜以及人脐静脉内皮细胞单层制备的不同步骤进行了表征。用传感器方法检测LPS、组胺等外源性或内源性炎症物质对内皮细胞屏障功能的影响,实验结果表明LPS或组胺诱导的内皮细胞层压电频移响应与刺激物的剂量有依赖关系,证实了BOI-MSPQC传感器是一种评价内皮细胞屏障功能在炎症介质中受损的有价值的方法。本研究可进一步推进压电生物传感器在细胞毒性药物检测中的应用。