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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