细胞传感器是以活体细胞作为一级敏感元件,物理化学传感器作为二级换能器的一类新型生物传感器。细胞传感器利用活体细胞感受外界的各种刺激,可检测在刺激作用下多种细胞生理参数如细胞代谢水平、细胞阻抗和动作电位的响应变化,并通过物理化学传感器将细胞的这些响应变化转化为电学信号,最后可被传感器的电路系统测量。细胞传感器具有灵敏度高、实时动态、长时无损、无需标记等特点,可以广泛地应用于细胞生理、药物、环境毒素等相关的研究和应用领域。本论文以传感器加工技术、细胞培养技术、信号检测技术为基础,构建多种类型细胞传感器系统用于细胞生理检测、药物分析和毒素测试。本论文设计加工高灵敏度的光寻址电位传感器(Light-addressable potentiometric sensor, LAPS),并搭建高灵敏度细胞代谢传感器系统,用于检测细胞代谢的产生胞外酸化；设计加工高通量细胞阻抗传感器(Electric cell-substrate impedance sensor, ECIS),并搭建多功能细胞阻抗传感器系统,用于检测细胞生长和心肌细胞搏动；设计加工集成光寻址电位传感器和细胞阻抗传感器,并搭建集成细胞代谢和阻抗传感器系统,用于两种细胞生理参数的同时检测。本论文利用心肌细胞传感器用于各类药物功能的验证和心脏安全性分析,并开发了干细胞分化心肌细胞信号搏动图谱功能,用于特异性识别hERG通道抑制剂。进一步地,本论文还利用细胞传感器对海洋生物毒素中贝类毒素进行分析；随着细胞传感器技术的发展,细胞传感器及其检测系统能为药物心脏安全性与海洋生物毒素检测分析建立高通量快速实用的分析测试平台。本论文的主要内容和创新点在于：1.提出了一种高灵敏的细胞代谢检测传感器,并将其应用于细胞胞外酸化率的检测。细胞代谢是细胞维持生命活动重要生理过程,为了维持内环境的稳态,细胞排出代谢作用中产生酸性产物,引起胞外微环境的酸化。本文通过对传感器基底材料选择和结构的优化,设计加工了具有较高灵敏度的光寻址电位传感器,结合微型细胞培养检测腔体结构,构建了具有较高pH灵敏度的细胞代谢传感器系统,并通过传感器单元基本性能实验和细胞胞外酸化率实验,验证了高灵敏度细胞代谢传感器系统细胞胞外酸化的检测功能。2.设计了一种多功能细胞阻抗传感器,实现了对细胞生长和心肌细胞搏动的同时检测。细胞阻抗变化可以反映培养在细胞阻抗传感器上的细胞贴附、增殖、凋亡等过程。传统的细胞阻抗传感器只能用于检测细胞生长,本文设计高通量的细胞阻抗传感器结合高速阻抗传感器系统,构建了多功能细胞阻抗传感器系统,不仅可用于细胞基本生长状态的检测,而且还可用于心肌细胞搏动状态的检测。通过小鼠神经母细胞瘤的生长实验和原代新生大鼠心肌细胞的搏动实验,验证了多功能细胞阻抗传感器系统生长和搏动的检测功能。3.提出了一种集成细胞代谢和阻抗传感器,实现了对细胞生长和细胞胞外酸化率的同时检测。为了更全面地反映细胞在外界刺激下产生的生理参数响应变化,传感器需要同时检测多个细胞生理参数,因此本论文开发的多参数集成细胞传感器具有重要的意义。本文将光寻址电位传感器和细胞阻抗传感器相结合,设计加工了集成细胞代谢和阻抗传感器及其检测系统,通过传感器的基本性能测试、细胞生长和代谢药物测试,验证了集成细胞代谢和阻抗传感器系统的细胞多参数检测功能。4.深入研究了基于干细胞分化的心肌细胞阻抗传感器在评价药物对心脏安全性的分析与应用。传统的药物心脏安全性分析方法存在实验通量和临床相关性不可兼得的问题,如离体组织或者在体动物实验虽然临床相关性高,但存在着实验通量低成本高的缺点,而hERG蛋白与抑制剂结合的方法虽然实验通量高,但存在着临床相关性低的缺点。本文采用原代新生大鼠心肌细胞和人诱导多功能干细胞分化心肌细胞,结合细胞阻抗传感器,构建心肌细胞传感器,对离子通道药物进行了测试分析,验证了药物的功能。提出了人诱导多功能干细胞分化心肌细胞传感器的图谱识别功能,通过对hERG抑制剂阳性药物和市场上被撤回hERG抑制剂药物的测试,发现在这些药物的作用下,干细胞分化的心肌细胞传感器都具有类似的搏动图谱,表明干细胞分化的心肌细胞传感器的图谱可以特异性的识别hERG抑制剂,能为药物心脏安全性分析提供高通量快速检测平台。5.深入研究了细胞阻抗传感器在海洋生物毒素的高灵敏度快速检测中的应用。传统的海洋生物毒素检测的方法存在着各种难以克服的问题,如小鼠生物法存在的个体差异大结果不准确的缺点,而液质联用法存在仪器本身昂贵和检测成本高的缺点,而传统的细胞传感器及其检测技术常用于细胞生理和药物方面的研究。本文采用细胞系、原代心肌细胞与细胞阻抗传感器构建了高性能细胞传感器,并将细胞传感器应用于海洋生物毒素的检测,通过对腹泻性贝类毒素和麻痹性贝类毒素的测试分析,验证了细胞传感器应用于海洋贝类毒素检测的可行性,细胞传感器毒素检测方法是对现有海洋贝类毒素检测方法有效的补充和发展。