（微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)論文）陣列式cmos生物電信號傳感芯片研究.pdf

篁塑蘭查蘭 主蘭苧壘查 摘要 生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)是獲取生物生理和病理信息的關(guān)鍵技術(shù) 這一領(lǐng)域的研究 已經(jīng)深入到細胞和分子層次 目前 以活體細胞作為研究對象或敏感元件的細胞 傳感器得到了廣泛關(guān)注和發(fā)展 將活體細胞與電極或其他信號傳感元件組合 可 以定性定量地檢測細胞的基本功能信息和被分析物質(zhì)的性質(zhì) 可興奮細胞 如神經(jīng)細胞 肌肉細胞和腺體細胞等 均能產(chǎn)生動作電位響應(yīng) 外界刺激 如光 電 藥物等 因此 監(jiān)測可興奮細胞的電活動 在藥物篩選 病理學(xué)和神經(jīng)學(xué)等研究中有重要意義 目前 體 t n 量可興奮細胞膜電位己得到 廣泛認同 這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)無損測量 因此適合用于長期測量細胞 標準c m o s 技術(shù)與細胞體外測量技術(shù)的結(jié)合 為細胞體外測量技術(shù)提供了更廣闊的發(fā)展空 間 標準c m o s 工藝不但有利于提高陣列密度 而且可以實現(xiàn)傳感陣列與后端 信號處理電路的單片化集成 提高測量的效率和精度 滿足細胞研究的需要 因 此 本文重點研究基于標準c m o s 工藝的細胞體外電信號傳感技術(shù) 設(shè)計并實 現(xiàn)了陣列式c m o s 生物電信號傳感芯片 通過測試驗證了芯片功能 本論文的主要內(nèi)容和貢獻可歸納為以下幾點 1 全面深入地研究了c m o s 細胞傳感器的發(fā)展情況 對國際上各主要科研 小組的最新研究進展作了概況總結(jié) 提出課題研究的方向 2 基于o 6 p m 標準c m o s 工藝設(shè)計了陣列式傳感芯片 該芯片片上集成了 6 x 6 單元有源傳感陣列 模擬多路選擇器 輸出緩沖器 參考源和數(shù)字控制電路 有源傳感單元面積為6 5 t i n 8 0 l m a 包含1 5 肛m x l 5 1 m a 的傳感電極和預(yù)處理電路 能夠線性放大幅值范圍1 0 0 p v 2 5 m v 的微小信號 并采用相關(guān)二次采樣工作模 式降低固定模式噪聲 提高傳感器的精度 3 在完成標準c m o s 工藝基礎(chǔ)上 設(shè)計了傳感電極的后續(xù)加工工藝 采用 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 l i f t o f f 和無電浸鍍兩種方法改善電極的生物兼容性 并且設(shè)計了特殊的芯片封 裝工藝 提高芯片在溶液環(huán)境中的穩(wěn)定性 關(guān)鍵詞 互補金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路 生物傳感器 細胞傳感器 陣 列 細胞外測量 可興奮細胞 電生理活動 i i 墮堂蘭查蘭 蘭堡壘圭 a b s t r a c t b i o m e d i c a ls e n s o rt e c h n o l o g yi sc r u c i a li na c q u i r i n gp h y s i o l o g i c a la n dp a t h o l o g i c a l i n f o r m a t i o n a n dt h er e s e a r c hi nt h i sa r e ah a sr e a c h e dt h ee e l l u i a rl e v e la n dm o l e c u l a r l e v e l r e c e n t l y c e l l b a s e db i o s e n s o ri si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gt h eh o t p o i n t b y c o u p l i n gt h el i v i n gc e l lt oe l e c t r o d e sa n do t h e rd e v i c e s t h ee s s e n t i a lf u n c t i o n a l i n f o r m a t i o no f c e l lb i o l o g ya n dt a r g e t e ds u b s t a n c ec o u l db ed e t e c t e d e l e c t r o g e n i cc e l l s s u c ha sn e u r a lt i s s u e s c a r d i a cm u s c l ec e l l sa n da d e n o i dc e l l s c o u l dr e s p o n s et h ee x o t e r i cs t i m u l a t i o n s s u c ha sl i g h t e l e c t r i c i t ya n dm e d i c i n e b y g e n e r a t i n g t h ea c t i o n p o t e n t i a l s d e t e c t i n gt h eb i o e l e c t r i c a la c t i v i t yo fi n v i t r o e l e c t r o g e n i cc e l l si sab a s i ca p p r o a c hi nt h er e s e a r c ho fc e l lb i o l o g y p h a r m a c o l o g y a n dt o x i c o l o g y a tp r e s e n le x t r a c e l l u l a rr e c o r d i n gi sw i d e l ya c c e p t e da sa ne f f e c t i v e m e t h o d o l o g yb e c a u s eo f i t sn o n i n v a s i v en a t u r ew h i c ha l l o w sl o n g t e r m u pt os e v e r a l m o n t h s m o n i t o r i n ga n ds t i m u l a t i n gt h ee l e c t r o p h y s i o l o g i c a l a c t i v i t y f u r t h e r d e v e l o p m e n t sh a v eb e e na c h i e v e ds i n c et h ec m o s c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d e s i l i c o n t e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h ef i e l do fe x t r a c e l l u i a rr e c o r d i n g b yv i r t u eo f a d v a n c e dc m o sp r o c e s s h i 曲 d e n s i t ys e n s o r a r r a yc o u l db ef a b r i c a t e da n dt h e q u a l i t yo ft h es e n s o rc o u l db ei m p r o v e db yi n t e g r a t i n gm u l t i f u n c t i o n a lc i r c u i t sw i t h i n e a c hs e n s o rc e l l t h e r e f o r e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e d e s i g no fc m o s b a s e d b i o s e n s o rf o rd e t e c t i n ga n dr e c o r d i n gb i o e l e c t r i c a la c t i v i t yo fi n v i t r oe l e c t r o g e n i c c e l l s t h em a j o rc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sc o u l db es u m m a r i z e da s f o l l o w s 1 t h ed e v e l o p m e n to fc m o sc e l l b a s e dt e c h n o l o g yi sw i d e l yr e s e a r c h e di nt h i s t h e s i sa n dap l e n t yo fc u a i n g e d g e dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r er e p o r t e d 2 an e wc m o sb i o s e n s o rc h i pd e s i g n e df o rr e c o r d i n ge l e c t r o p h y s i o l o g i c a l a c t i v i t i e so fi n v i t r oc u l t u r e dc e l l si sr e p o r t e d i ti s d e s i g n e da n df a b r i c a t e di na s t a n d a r d0 6 p r nc m o sp r o c e s s c o n s i s t i n go f6 x 6a c t i v es e n s o r a r r a y a n a l o g i i i m u l t i p l e x e r o u t p u tb u f f e r s r e f e r e n c es o u r c e sa n dd i g i t a l c o n t r o l l i n gc i r c u i t e a c h s e n s o rc e 1i s6 5 i t m 8 0 9 mi nt h e d i m e n s i o n i n c l u d i n ga1 5 w n 1 5 p me l e c t r o d ea n da p e p r o c e s s i n gc i r c u i tw h i c hc o u l di i n e a r l ya m p l i f ys i g n a l sw i t hp e a k t o p e a kv a l u e s f r o m1 0 0 p vt o2 5 m v t h ec o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n gc i r c u i ti su f i l i z e dt o 砌n o et h e c o m j i l o n m o d en o i s e 3 p o s t c m o sp r o c e s s e si n c l u d i n ge l e c l r o l e s sg o l dp l a t i n ga n d 1 i f 一o f it e c h n i q u e 8 r eu t i l i z e dt i m p r o v et h eb i o c o m p a t i b i l i t y ft h ee l e c t r o d e s a n ds p e d a l p a c k a g e t e c t m i q u ea r ei m p l e m e n t e dt oe n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h eb i o s e n s o ri i lt h es o l u 廿o n e n v i r o n m e n t k e yw o r d s c m o s b i o s e n s o r c e l l b a s e ds e n s o r a r r a y e x 嘶e 1 1 u l a rd e t e c t i o n e l e c t r o g e n i cc e l l s b i o e l e c t r i c a la c t i v i t y i v 衷心唐謝 國家自然科學(xué)基金會對本項目的資助 魚塑蘭查 蘭堡壘查 第一章緒論 本章提要 1 1 介紹7 生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)曩現(xiàn)狀和趨勢 1 2 和1 3 分韻介紹7 基于綴瞻的傳 感教j 懿c e l l b a s e ds e n o r 和基于c m o s 的生物醫(yī)學(xué)傳感鼓術(shù) c m o s b 船e ds e n s o r t 兩 大熱l i 的磺究領(lǐng)域i1 4 介紹y 論文的主要內(nèi)容 傳感器技術(shù)是 項迅速發(fā)展 應(yīng)用廣泛的高新技術(shù) 在現(xiàn)代科技領(lǐng)域有相當(dāng)著 重要地位 在信息系統(tǒng)中 信息的采集利用傳感器技術(shù) 信息的傳輸是利用通信技 術(shù) 信息的處理利用計算機技術(shù) 因此 傳感與控制技術(shù) 通信技術(shù) 計算機技術(shù) 構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱 它們分別相當(dāng)于現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)的 感官 神經(jīng) 和 大腦 傳感器技術(shù)在新材料 新結(jié)構(gòu) 新工藝的推動下朝著多功能集成化 微 功耗智能化 微精細化 高精度 高穩(wěn)定 高可靠以及向著測量的極限值方向發(fā)展 生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)是獲取生物生理和病理信息的關(guān)鍵技術(shù) 在生命科學(xué)技術(shù) 高速發(fā)展的2 1 世紀 生物傳感技術(shù)正進入全面深入研究開發(fā)時期 各種微型化 集成化 智能化 實用化的傳感器與系統(tǒng)越來越多 1 1 生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)研究 1 1 1 概況 生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的目標是利用傳感器將各種被觀測的生物非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為易 觀察的電學(xué)量 擴大人的感觀功能 是構(gòu)成各種醫(yī)學(xué)分析和診斷設(shè)備的核心部分 生物傳感技術(shù)中常用的傳感器按被觀測的量分為以下幾種 1 物理傳感器 用于測量和監(jiān)護生物體的血壓 呼吸 脈搏 體溫 心電 血 液的黏度 流速等物理量的檢測 2 化學(xué)傳感器 用于生物體中氣味分子 體液中的p h 值 氧和二氧化碳含量 n a k c a 2 a 一以及重金屬離子等化學(xué)量的檢測 3 生物傳感器 用于生物體中組織 細胞 酶 抗原 抗體 激素 d n a r n a 以及蛋白質(zhì)等生物量的檢測 國際上生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的研究是同步或超前于生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的 其重大前沿 l 魚堂蘭查量 蘭堡壘主 課題都是圍繞如何提高診療技術(shù)與深化生物醫(yī)學(xué)研究展開的 眾多生物醫(yī)學(xué)和物 理 化學(xué) 電子和材料上發(fā)明和發(fā)現(xiàn)都很快在生物傳感器領(lǐng)域獲得重要的應(yīng)用 如 微結(jié)構(gòu)和集成生物醫(yī)學(xué)傳感器 生物芯片 納米傳感器等 1 1 2 生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢 1 在體監(jiān)測 在體監(jiān)測可以實時 定點 動態(tài) 長期地觀測體內(nèi)所發(fā)生的生理病理過程 在 體監(jiān)測所提供地信息都是無與倫比的 目前已出現(xiàn)了多種在體監(jiān)測技術(shù) 如 植入 式傳感器可將體內(nèi)的信息發(fā)射或傳送至體外 導(dǎo)管式傳感器可以連續(xù)傳感血管內(nèi)或 心臟內(nèi)的血液和離子等 在體監(jiān)測目前存在的主要問題是如何改進傳感器與組織的 相容性 2 無損監(jiān)測 無損監(jiān)測是病人最容易接受的監(jiān)測方式 是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中受到普遍 關(guān)注的實際問題 目前取得的進展有 經(jīng)皮血氣傳感器無損監(jiān)測血氣 利用非抽血 測量 即通過抽負壓使血液中的低分子滲出 傳感血糖 尿素等 3 細胞內(nèi)監(jiān)測 細胞是人體的基本單位 人體的主要生理生化過程是在細胞內(nèi)進行的 監(jiān)測細 胞內(nèi)離子和分子事件 已成為當(dāng)前生命科學(xué)中的熱點課題 監(jiān)測離子事件的離子選 擇性微電極 n a k c a 2 c i 一等 技術(shù)已成熟 監(jiān)測分子事件的分子選擇 性微電極正在開發(fā)之中 4 仿生傳感器 目前已研制出多種受體傳感器 神經(jīng)元傳感器 仿神經(jīng)元傳感器 目前直接采 用生物做生物傳感器存在的主要問題是 脫離固有的微環(huán)境后 活性物質(zhì)易失活 解決的主要途徑是利用仿生化學(xué)人工修飾或合成敏感材料 5 基因探測 基因探測是當(dāng)代生命科學(xué)的核心技術(shù)之一 目前研究使用的生化方法和基因探 針的缺點是操作繁復(fù) 效率低 而研制d n a r l g a 傳感器是解決這些問題的有效 途徑 這些方面的研究正在進行 6 納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中的應(yīng)用 納米生物技術(shù)是國際生物技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點問題 在生物傳感器及生物檢 2 魚堂蘭叁蘭 蘭苧堡查 測領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用和明確的產(chǎn)業(yè)化前景 特別是納米生物傳感器 微型智能 化醫(yī)療器械以及納米藥物載體等 將在疾病診斷 治療和衛(wèi)生保健方面發(fā)揮重要作 用 此外 還有床邊監(jiān)測 生物分析器 智能分子系統(tǒng)和智能人工臟器等研究發(fā)展 趨勢 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器將具有以下特點 功能多樣化 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器將進一步涉及醫(yī)療保健 疾病診斷 監(jiān)測 等各個領(lǐng)域 目前 生物醫(yī)學(xué)傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視 覺 聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器 即仿生傳感器 微型化 隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進步 生物醫(yī)學(xué)傳感器將不斷地微型化 各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進行疾病診斷 使直接檢測成為可能 智能化與集成化 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器必定與計算機緊密結(jié)合 自動采集數(shù) 據(jù) 處理數(shù)據(jù) 更科學(xué) 更準確地提供結(jié)果 實現(xiàn)采樣 進樣 結(jié)果一條龍 形成檢 測的自動化系統(tǒng) 同時 芯片技術(shù)將越來越多地進入傳感器領(lǐng)域 實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集 成化 一體化 低成本 高靈敏度 高穩(wěn)定性和高壽命 生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)的不斷進步 必然 要求不斷降低產(chǎn)品成本 提高靈敏度 穩(wěn)定性和延長壽命 這些特性的改善也會加 速傳感器市場化 商品化的進程 基于細胞的傳感器 c e l l b a s e ds e n s 0 1 和與c m o s 技術(shù)結(jié)合的傳感器 c m o s b a s e ds e n s o r 是目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的熱點 它們的研究情況在1 2 和1 3 及第二章中作詳細介紹 1 2 基于細胞的傳感技術(shù) c e l l b a s e ds e n s o r 1 2 1 概況 細胞是人體和其他生物體的基本結(jié)構(gòu)單元 體內(nèi)所有的生理功能和生化反應(yīng) 都是在細胞及其產(chǎn)物的物質(zhì)基礎(chǔ)上進行的 細胞生理學(xué)和分子生物學(xué)的實驗技術(shù)和 理論 已經(jīng)迅速向基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)滲透 隨著人類基因組計劃 h u m a ng e n o m e p r o j e c t h g p 的完成 分子水平上的基因和蛋白質(zhì)研究己不能滿足人類對生命科學(xué) 的原位探索 而細胞水平研究的核心優(yōu)勢在于實現(xiàn)原位檢測 即不破壞細胞形態(tài)結(jié) 構(gòu)的情況下 用生化的和物理的技術(shù)對細胞的生活狀態(tài)做定性定量分析 研究其動 3 魚堂蘭叁 主蘭苧蘭圭 測領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用和明確的產(chǎn)業(yè)化前景 特別是納米生物傳感器 微型智能 化醫(yī)療器械以及納米藥物載體等 將在疾病診斷 治療和衛(wèi)生保健方面發(fā)揮重要作 用 此外 還有床邊監(jiān)測 生物分析器 智能分子系統(tǒng)和智能人t 臟器等研究發(fā)展 趨勢 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器將具有以下特點 功能多樣化 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器將進一步涉及醫(yī)療保健 疾病診斷 監(jiān)測 等各個領(lǐng)域 目前 生物醫(yī)學(xué)傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視 覺 聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器 即仿生傳感器 微型化 隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進步 生物醫(yī)學(xué)傳感器將不斷地微型化 各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進行疾病診斷 使直接檢測成為可能 智能化與集成化 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器必定與計算機緊密結(jié)合 自動采集數(shù) 據(jù) 處理數(shù)據(jù) 更科學(xué) 更準確地提供結(jié)果 實現(xiàn)采樣 進樣 結(jié)果一條龍 形成檢 測的自動化系統(tǒng) 同時 芯片技術(shù)將越來越多地進入傳感器領(lǐng)域 實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集 成化 一體化 低成本 高靈敏度 高穩(wěn)定性和高壽命 生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)的不斷進步 必然 要求不斷降低產(chǎn)品成本 提高靈敏度 穩(wěn)定性和延長壽命 這些特性的改善也會加 速傳感器市場化 商品化的進程 基于細胞的傳感器 c e l l b a s e ds e l l s o f 和與c m o s 技術(shù)結(jié)合的傳感器 c m o s b a s e ds e s o r 是目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的熱點 它們的研究情況在1 2 和1 3 及第二章中作詳細介紹 1 2 基于細胞的傳感技術(shù) c e l l b a s e ds e n s o r 1 2 1 概況 細胞是人體和其他生物體的基本結(jié)構(gòu)單元 體內(nèi)所有的生理功能和生化反應(yīng) 都是在細胞及其產(chǎn)物的物質(zhì)基礎(chǔ)上進行的 細胞生理學(xué)和分子生物學(xué)的實驗技術(shù)和 理論 已經(jīng)迅速向基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)滲透 隨著人類基因組計劃 h u m a ng e n o m e p r o j e c t h g p 的完成 分子水平上的基因和蛋白質(zhì)研究已不能滿足人類對生命科學(xué) 的原位探索 而細胞水平研究的核心優(yōu)勢在于實現(xiàn)原位檢測 即不破壞細胞形態(tài)結(jié) 構(gòu)的情況下 用生化的和物理的技術(shù)對細胞的生活狀態(tài)做定性定量分析 研究其動 構(gòu)的情況下 用生化的和物理的技術(shù)對細胞的生活狀態(tài)做定性定量分析 研究其動 魚堂蘭叁蘭 蘭苧堡查 測領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用和明確的產(chǎn)業(yè)化前景 特別是納米生物傳感器 微型智能 化醫(yī)療器械以及納米藥物載體等 將在疾病診斷 治療和衛(wèi)生保健方面發(fā)揮重要作 用 此外 還有床邊監(jiān)測 生物分析器 智能分子系統(tǒng)和智能人工臟器等研究發(fā)展 趨勢 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器將具有以下特點 功能多樣化 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器將進一步涉及醫(yī)療保健 疾病診斷 監(jiān)測 等各個領(lǐng)域 目前 生物醫(yī)學(xué)傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視 覺 聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器 即仿生傳感器 微型化 隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進步 生物醫(yī)學(xué)傳感器將不斷地微型化 各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進行疾病診斷 使直接檢測成為可能 智能化與集成化 未來的生物醫(yī)學(xué)傳感器必定與計算機緊密結(jié)合 自動采集數(shù) 據(jù) 處理數(shù)據(jù) 更科學(xué) 更準確地提供結(jié)果 實現(xiàn)采樣 進樣 結(jié)果一條龍 形成檢 測的自動化系統(tǒng) 同時 芯片技術(shù)將越來越多地進入傳感器領(lǐng)域 實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集 成化 一體化 低成本 高靈敏度 高穩(wěn)定性和高壽命 生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)的不斷進步 必然 要求不斷降低產(chǎn)品成本 提高靈敏度 穩(wěn)定性和延長壽命 這些特性的改善也會加 速傳感器市場化 商品化的進程 基于細胞的傳感器 c e l l b a s e ds e n s 0 1 和與c m o s 技術(shù)結(jié)合的傳感器 c m o s b a s e ds e n s o r 是目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的熱點 它們的研究情況在1 2 和1 3 及第二章中作詳細介紹 1 2 基于細胞的傳感技術(shù) c e l l b a s e ds e n s o r 1 2 1 概況 細胞是人體和其他生物體的基本結(jié)構(gòu)單元 體內(nèi)所有的生理功能和生化反應(yīng) 都是在細胞及其產(chǎn)物的物質(zhì)基礎(chǔ)上進行的 細胞生理學(xué)和分子生物學(xué)的實驗技術(shù)和 理論 已經(jīng)迅速向基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)滲透 隨著人類基因組計劃 h u m a ng e n o m e p r o j e c t h g p 的完成 分子水平上的基因和蛋白質(zhì)研究己不能滿足人類對生命科學(xué) 的原位探索 而細胞水平研究的核心優(yōu)勢在于實現(xiàn)原位檢測 即不破壞細胞形態(tài)結(jié) 構(gòu)的情況下 用生化的和物理的技術(shù)對細胞的生活狀態(tài)做定性定量分析 研究其動 3 蟄塑塑蘭查蘭 蘭苧堡圭 態(tài)變化 了解細胞代謝過程中各種狀態(tài)的變化 對細胞的組分和細胞外的產(chǎn)物 在 其原位和活的情況下進行定量化學(xué)分析 因此細胞水平的研究必將成為后基因時代 生命科學(xué)研究的核心內(nèi)容 近年來細胞傳感器 c e l l b a s e db i o s e n s o r 與芯片 c e l l b a s e db i o c h i p 的研究同 益成為細胞研究領(lǐng)域的熱點和前沿 它們利用活細胞作為研究對象或敏感元件 使 之與電極或其他信號傳感元件組合 定性定量地檢測細胞的基本功能信息和被分析 物的性質(zhì) 如細胞傳感器可以監(jiān)測單個活細胞的生理功能 從而解決與功能性信息 相關(guān)的問題 細胞傳感器還可以確定被分析物的存在與否及濃度大小 細胞的呼吸 代謝產(chǎn)生電子 這些電子直接在陽極上放電 也可通過電子傳遞媒介間接在電極上 放電 產(chǎn)生可被測量的電信號或電流的大小與被測物的濃度呈線性關(guān)系 因此 可 以通過測量電信號實現(xiàn)檢測待測物的目的 細胞芯片則可以檢測細胞內(nèi)部基因和蛋 白質(zhì)表達的變化 如在芯片上通過培養(yǎng)吸收了已知c d n a 利用生物芯片探針雜交檢 測原理 使可檢測激動劑或抑制劑對細胞內(nèi)部基因表達的影響 總之 在生物醫(yī)學(xué) 環(huán)境監(jiān)測和藥物開發(fā)等領(lǐng)域 細胞傳感器與芯片均能實時 持續(xù)和快速地進行分析檢測 具有十分廣闊的應(yīng)用前景 1 2 2 分類 根據(jù)測量機理的不同 可以將細胞傳感器分為三類 3 通過測量傳導(dǎo)率來測量 細胞之間以及細胞與襯底間的力學(xué)接觸的傳感系統(tǒng) 測量細胞的代謝產(chǎn)物的傳感系 統(tǒng) 直接測量可興奮細胞 神經(jīng)細胞 心肌細胞等 電信號響應(yīng)的傳感系統(tǒng) 第三 類傳感器是本課題的研究重點 它的測量機理將在第二章作詳細闡述 下面介紹前兩類傳感器的測量機理 1 測量細胞和細胞及細胞和襯底的接觸 大多數(shù)細胞都具有黏附性 貼壁生長在電極上的細胞形狀和運動狀態(tài)的變化 都會引起貼壁界面阻抗的變化 g i a e v e r 等 4 根據(jù)這一特性 設(shè)計了能實時 連續(xù) 定量跟蹤哺乳動物細胞變化的細胞傳感器e c i s e l e c t r i cc e l l s u b s t r a t ci n t e r a c t o n i m p e d a n c es e n s o r 一細胞與電極基底之間的阻抗傳感器 5 這個系統(tǒng)可以檢測細胞 的運動 延展 凋亡等變化的量化信息 更重要的是可以定量檢測細胞對藥物的響 應(yīng) 圖1 1 系統(tǒng)的核心部分是一個在培養(yǎng)皿底部的金電極 因此電極就浸在組織培 4 雯堂蘭查 蘭堡壘主 養(yǎng)液中 大多數(shù)哺乳動物細胞在培養(yǎng)過程中沉降并在電極上附著延展時 電極的阻 抗會發(fā)生變化 阻抗的改變揭示了關(guān)于細胞變化的重要動力學(xué)信息 這個系統(tǒng)可以 在納米水平上定量地檢測細胞的微運動r 6 1 圖1 1 a m o d e l1 6 0 0 re c i s 全套設(shè)備嘞 c 細胞培養(yǎng)容器和測試儀器 7 牛津大學(xué)醫(yī)學(xué)部應(yīng)用金電極測量活細胞阻抗或電位變化的細胞傳感器進行抗 癌藥物的篩選 8 篩選出阿霉素 a d d a m y c i n 卡鉑 c i s p l a t i n 等對卵巢癌和乳 腺癌等細胞有響應(yīng)的藥物 以及紫杉萜 t a x o t e r e 等無效的藥物 這些結(jié)果已經(jīng)證 實與掃描電鏡和m t t 比色分析法的測試結(jié)果一致 加利福尼亞大學(xué)y o n g 等 9 對利用阻抗的變化反映細胞膜完整性的細胞傳感器 芯片進行了研究 用不同濃度的t r i t o nx 1 0 0 試劑檢測人類前列腺癌細胞系的細胞膜 完整性損壞情況 通過細胞傳感器檢測整個實驗的動力學(xué)過程 細胞膜的生理完整 性是細胞死亡的一個重要指標 因此 此類細胞傳感器結(jié)合比色度和熒光染色可以 跟蹤檢測細胞的發(fā)育情況 也為細胞凋亡的基礎(chǔ)研究提供了有力的工具 2 1 測量細胞的代謝產(chǎn)物 箜塑蘭查蘭 蘭苧壘查 實時活體監(jiān)測細胞是全面了解細胞生理性能及其機制的重要基礎(chǔ) 這就要求能 夠定量測量和分析細胞的內(nèi)外微環(huán)境 測定細胞內(nèi)自由離子濃度的較好方法是采 用離子敏感微電極 i s r e 組合不同的i s m e 可以并行測量細胞內(nèi)多種離子 如 n h 4 c 1 n a f f l m 9 2 等 此外 熒光成像也是細胞內(nèi)微環(huán)境監(jiān)測的一種有用的工具 可測量與細胞信號傳遞有關(guān)的離子濃度蛋白表達的變化 細胞內(nèi)生理狀態(tài)的改變會 引起細胞外代謝物 如離子生物大分子等 的相應(yīng)變化 因此 測量細胞代謝后胞外 微環(huán)境的相關(guān)參數(shù) 可以間接監(jiān)測細胞的生理變化 2 0 世紀9 0 年代 美國分子器 件公 m o l e c u l a rd e v i c ec o r p o r a t i o n 把芯片技術(shù)引入生物學(xué)領(lǐng)域 1 0 開發(fā)出了一 種細胞微生理計 m i c r o p h y s i o m e t e r 由于細胞能量代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì) 使外環(huán)境酸 化 可以利用光尋址電位傳感器 l a p s 1 1 可以測量細胞外微環(huán)境的p h 值變化 圖 1 4 定量計算細胞h 排出速率 從而可以分析細胞的代謝率 這種方法對糖酵解 和呼吸作用的代謝過程都適用 圖1 2t a p 測試細胞微環(huán)境原理圖 除了利用l 廿s 測量酸化率 也用h 敏場效應(yīng)管o s f e a 3 來測量胞外代謝率 1 2 大量的配體一受體結(jié)合實驗表明 功能受體與激動劑相結(jié)合會引起細胞酸化率 上升 根據(jù)酸化率這一指標 細胞微生理計就可以測量化療藥物對腫瘤細胞的藥效 1 3 實現(xiàn)高通量的藥物評價和篩選 1 4 魚塑蘭查量 主 苧壘圭 圖1 3 i s f e t 測試原理圖 r e f e l 為溶液中的參考電極 1 3c m o s b a s e d 生物傳感技術(shù) c m o s 工藝和技術(shù)與傳統(tǒng)生物傳感技術(shù)的結(jié)合 為生物傳感技術(shù)提供了更廣闊 的發(fā)展空間 采用c m o s 技術(shù)中先進的光刻和掩膜工藝不僅可以制造高密度的傳感 陣列 而且可以實現(xiàn)陣列與后端信號處理電路的單片化集成 提高測量的效率和精 度 滿足生物傳感的需要 目前c m o s 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于檢測基因和體外培養(yǎng) i n v i t r oc u l t u r e d 細胞 這一領(lǐng)域的研究正在不斷發(fā)展和深化之中 1 3 1c m o sd n a 微陣列芯片 d n a 微陣列芯片的目的是平行檢測特殊的d n a 序列 d n a 傳感器包含了 d n a 探針的生物識別過程和與之相適應(yīng)的生物親合力反應(yīng)的換能器 基本過程為 不同的單鏈d n a 受體分子固定于某特定位置 固定之后就被認為不同的位置已有 不同的探針分子 之后 芯片用含有靶分子的樣品沖洗 靶分子與探針分子匹配時 即發(fā)生雜交 若失配 則雜交不會發(fā)生 完成雜交后的雙鏈d n a 和未發(fā)生雜交單 鏈d n a 都保持在原位 通過對這些分子狀態(tài)的檢測識別 即可以判斷出樣品的組 成成分 e h o f m a n n 等人在c m o sd n a 芯片方面取得很多研究成果 1 5 1 6 1 7 c m o sd n a 芯片進行電學(xué)測試的原理基于氧化還原反應(yīng) 如圖1 5 探針分子固定 在金電極表面 靶分子由酶 堿基磷酸鹽 標記 經(jīng)過雜交和沖洗階段后 將超越 氨苯磷酸鹽 p a r a a m i n o p h e n y l p h o s p h a t e 應(yīng)用于芯片 在雜交的位置就會產(chǎn)生電 化學(xué)活性的超越氨基酸 p a r a a m i n o p h e n 0 1 在傳感器電極上加上電勢 相對于參 7 魚堂蘭查蘭璺主蘭堡壘圭 考電極 v g e ni j j h t 3 0 0 m v v c o i 上加上 1 0 0 m v 超越氨基酸在一個電極上氧 化為醌亞胺 q u i n o n e i m i n e 在另一電極上醌亞胺還原為超越氨基酸 這一電化 學(xué)活動轉(zhuǎn)化為電極上的電流 i g e n 和i c 0 1 在這一過程中 一部分粒子進入電解液 中 需要采用了一個調(diào)節(jié)環(huán)路來維持溶液電勢的恒定 圖1 4 a 包含a u 工作電極的傳感陣列嘞a u 電極 c d n a 單鏈匹配時發(fā)生雜交反應(yīng) d d n a 單鏈不匹配 e 在沖洗過程后電極上的氧化還原過程 制作c m o sd n a 芯片 要在標準c m o s 工藝基礎(chǔ)上 淀積t i p t a u 5 0 n m 5 0 n m 3 0 0 5 0 0 n m l 的金屬層 用l i f t o f f 工藝制作電極圖形 制作完畢的一個 1 6 x 8 d n a 陣列芯片的照片如圖1 5 所示 每個傳感單元中都有a d 轉(zhuǎn)換電路 圖1 51 6 x 8 d n a 芯片照片 電路的基本原理如圖1 6 所示 囂 浙江大學(xué)項士學(xué)位論文 圖1 6 d n a 傳感陣列內(nèi)部電路原理 電極的電勢通過一個包含運算放大器和晶體管跟隨器來調(diào)節(jié)控制 在a d 轉(zhuǎn)換 中 采用了c u r r e n t t o f r e q u e n c y 轉(zhuǎn)換生成鋸齒波韻概念 集成電容c i n t 被傳感器電 流充電 當(dāng)達到比較器的開關(guān)值時 產(chǎn)生一個置位信號 電容通過m r e s 放電 置 位信號的產(chǎn)生數(shù)目由加法器記錄 記錄的頻率大約是 一i e k xc i d 刪 是電極的電流 v p 是比較器丌關(guān)值 c c c i d 在測試中 選擇v r e f c o m p 為1 v c 為1 4 0 f f 所以當(dāng)電流為1o 1 2 a 到1 0 4 a 時 得到的頻率為7 h z 到7 0 0 k h z 置位信號用一個2 4 階加法器計數(shù) 進行生物實測時 兩列傳感單元安裝不同的d n a 片斷 測試結(jié)果如圖1 7 所 刁r 圖1 7d n a 實測實驗結(jié)果 r o w 8 為匹配的探針位置情況 r o w 7 為不匹配探針位置情況 其他的位置沒有功能化 粵 魚堂蘭叁蘭 主蘭竺壘查 在此研究基礎(chǔ)上 他們又進行了更深入的研究 制作了數(shù)字型的c m o sd n a 芯片 1 8 1 3 2c m o s 生物光學(xué)傳感技術(shù) 利用標準c m o s 技術(shù)制作用于生物光學(xué)探測的傳感器也是目前研究的熱點 美 國s t a n f o r d c o l u m b i a t e n n e s s e e 臺灣交通大學(xué)等研究小組在這 領(lǐng)域的研究中 都取得了一定成果 1 1s t a n f o r d 大學(xué)ks a l a m a 采用了0 1 8 mc m o s 工藝制作了生物光學(xué)傳感 芯片 用于探測蛋白質(zhì) 核酸等 1 9 1 1 2 0 芯片包含8 x 1 6 像素陣列 每一列中包含 1 3 b i t 2 階的a d c 電路 d s p 和s r a m 存儲器 電路結(jié)構(gòu)如圖1 8 e ltj h i i 葛雪胥雪 墨鬯 鞋 寡 弓 0 j j 昏 i 1 六1 雪 瑙雪 l 七斗 量 7 d 刪口 i 淵娃刪i 卟 7 j 刪掣j 湖攀e 1 翳露卦d壤刪 二k 酬 耐 篇ui 意 圖1 8 芯片電路結(jié)構(gòu)圖 像素單元由p n p s u b 結(jié)構(gòu)的光電管 n m o s 置位開關(guān)和p m o s 源級跟隨器 組成 電路的主要性能如表1 1 所示 1 0 魚堂蘭查蘭堡蘭量苧壘圭 2 c o l u m b i a 大學(xué)k ls h e p a r d 教授的研究小組研制出測量熒光反應(yīng)的傳感芯 片 2 1 能夠傳感光子密度在1 1 5 x 1 0 8p h o t o n s c m 2 水平的熒光信號 動態(tài)范圍為 7 4 d b 時間處理速度為亞納秒級 并通過亞采樣和均值處理等方法改進傳感的精度 和敏感度 芯片照片如圖1 9 圖1 9 芯片照片 1 1 魚堂蘭查鱟墨 蘭堡壘苧 芯片面積為5 m m 5 m m 采用0 2 5 m 標準混合信號c m o s 工藝制作 片上集 成了8 4 像素陣列 4 路s a a d c 和片上s r a m 存儲器 像素單元電路結(jié)構(gòu)和簡化 的頂層系統(tǒng)如圖1 1 0 所示 電路的主要參數(shù)和性能在表1 2 中列出 圖1 1 0 a 像素單元電路結(jié)構(gòu) b 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 表1 3 l k h n 0 1 t 掣t 5 褂群0 2 j f 艱 m i x e d s i 鐾j a lc m o s d i es i z e c l o c ks t k d s r a ms 始e s 勘臻讓h 1 嬸 l i 1 p a m p 嘶lm r a y a r r a ys 婦 q u 蛾a me t l i c f n c y 組t6 3 5n 腳 p 氆e 1s 勰 p h o t o d j o d ei 蟹 t 捌雌 洲u 0 i 州i 蜥n 1 i 波鯫n 耐 a d c a r c h i l h t t r e 5 r a i nx5 m i n 2 0 m l 缸 2 1 1 1 8 x 2 4 坼b 1 1 5 lc p 婦 j m 2 9b i i so d oc a l i h m t k m 8 4 f j l 4 5 1 6 0 x2 1 5 2 1 0 0 1 0 0 h 捌 0 2 2 m s 1 0 4 t o l l 如 c e n e i l t m 曲 a o r d e r2 i 堿 l t 畦tl 蕊f 融 n 埴缸 礬kt i m e8 肚f 12 h i l 鷲i u m c 淞k si r a s a m p b 4 0 9 6t a d j n s i l e 型幽 塑豎圭 避 3 臺灣交大的研究小組采用0 2 5 mc m o s 工藝制作了傳感芯片 用于生化反 應(yīng)的發(fā)光現(xiàn)象 2 2 1 傳感單元中制作了n pw e l l 結(jié)構(gòu)光電管 并利用電流鏡電路 將光電流放大1 0 6 倍后讀出 電路結(jié)構(gòu)如圖1 1 1 封裝后芯片和芯片版圖設(shè)計如圖 1 1 2 魚塑蘭叁蘭墮 堡壘圭 圖1 1 1 光電流放大的電路結(jié)構(gòu)及器件參數(shù) 圖1 1 2 封裝后芯片照片及芯片版圖圖形 山葵過氧化物 h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e h r p 氨發(fā)光酶化物 s u b s t r a t e l u m i n 0 1 和h 2 0 2 反應(yīng)系統(tǒng)是最常規(guī)的化學(xué)發(fā)光酶化物反應(yīng)系統(tǒng) 這個反應(yīng)經(jīng)常用 來衡量產(chǎn)生h 2 0 2 的反應(yīng) 完成制作的傳感芯片對其進行了測量 實驗結(jié)果表明當(dāng) 傳感到的光電流在3 0 2 4 0 p a 范圍 電路能夠線性放大所得光電流信號 1 3 3c m o s 生物化學(xué)傳感器技術(shù) 1 英國d 觸i s l l 觸i 等人采用標準0 酃螄c m 0 s 工藝制作了p h 值傳感芯片 2 3 l 魚堂蘭查蘭 主蘭堡壘查 芯片照片和各電路模塊分布如圖1 1 3 所示 圖1 1 3 芯片照片 芯片采用差分測量的方法 結(jié)構(gòu)如圖1 1 4 并采用紫外照射的方法來消除參考 場效應(yīng)管r e f e t 和傳感場效應(yīng)管i s f e t 之間域值電壓的差異 溶液測試結(jié)果表明 傳感器的靈敏度達到了4 0 0 m v p h v o o 圖1 1 4 傳感原理圖 2 低噪聲電化學(xué)生物傳感陣列讀出電路 2 4 2 5 美國m i c h i g a n 州立大學(xué)m a s o n 教授的研究小組制作了低噪的電化學(xué)傳感界面 電路 滿足基于蛋白質(zhì)生物傳感陣列等的需要 芯片的系統(tǒng)如圖1 1 5 主要模塊包 含了恒壓源電路 高靈敏度的電流讀出放大電路 魚塑蘭查蘭塑 蘭壘壘圭 圖1 1 5 芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電化學(xué)測量中的三電極系統(tǒng)由工作電極 w e 參考電極 r e 和輔助電極 a e 組成 恒壓源電路與三電極的連接關(guān)系如圖1 1 6 所示 圖1 1 6 恒壓源電路與三電極的連接關(guān)系 這一電路工作在兩個工作相位 相位1 集成的電容被從工作電極流入的電荷 充電 在相位1 結(jié)束的時候 電容上的電壓到達可編程放大器 然后到采樣保持電 路中 在芯片完成標準c m o s 工藝后還進行了后續(xù)加工 制作片上集成的三電極系 統(tǒng) 如圖1 1 7 所示 三電極材料為w e t i a u a e t i a u 和固態(tài)r e t i a u a g a g c i n a t i o n 層起到保護r e 的作用 圖1 1 7 芯片電極工藝剖面圖 墮塑蘭查蘭墨主蘭壁壘圭 1 3 4 基于c m o s 工藝的細胞傳感器 c m o sc e l l b a s e ds e n s o r c e l l b a s e ds e n s o r 是目前國際上生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)研究的熱點之一 研究者們 將c m o s 技術(shù)的先進制作工藝和電路技術(shù)與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)融合 取得眾多研究 成果 其中 c m o s 細胞電信號傳感器是本文研究的重點 它們的測量機理和研究 情況將在第二章中詳細展開 在這部分中先介紹其他幾種c m o s 細胞傳感技術(shù) 1 實現(xiàn)細胞與c m o s 傳感器表面結(jié)合技術(shù) 細胞傳感器中 如何使細胞和傳感器表面形成良好的接觸是目前面臨的難點 在之前的研究中 研究者采用了機械手或吸管搬運的方法 將細胞安置在傳感區(qū) 域 或者采用讓細胞在傳感芯片表面隨意生長 通過制作大規(guī)模傳感陣列的方法來 提高細胞和傳感區(qū)域有效結(jié)合的概率 這些方法都存在一定不足 研究者們探求更 為有效的方法 實現(xiàn)細胞與傳感電極的結(jié)合 意大利n m a n a m s i 等人利用電泳 d i e l e c t r o p h o r e t i cf o r c e s 原理 不僅能夠在不 觸碰細胞膜的情況下移動甚至旋轉(zhuǎn)單個細胞 如圖1 1 8 a 所示 因為細胞膜內(nèi)外 介電常數(shù)存在差異 不均勻的 i n h o m o g e n e o u s 的低頻電場對細胞產(chǎn)生不斷作用 在 2 6 1 q 電場由固定的c a g e 產(chǎn)生 在 2 7 1 q b 電場由平面金屬電極產(chǎn)生 電極排列成 3 2 0 x 3 2 0 的陣列 平面電極陣列采用保準0 3 跏mc m o s i 藝制作 無需其他工藝 每一傳感單元的面積為2 m m x 2 0 p m 內(nèi)部包含選擇電路 1l b ii c i 圖1 1 8 通過n e g a t i v ed i e l e c t r o p h o r e s i so n d e p 方法實現(xiàn)對單個細胞的操縱 a 將非均勻的電 場作用于細胞 b c m o s 陣列中單元電路結(jié)構(gòu) c 獨立控制不同的細胞 魚堂蘭查蘭 蘭壘堡查 瑞士w f r a n k s 等人通過改造c m o s 芯片的表面 引導(dǎo)細胞在芯片表面的生長 2 8 芯片采用o 印mc m o s 工藝制作 3 m e t a l 2 p o l y 芯片面積為6 5 m m x 6 5 m m 包含電極陣列和信號預(yù)處理電路 a d c 和d a c 電路 以及溫度傳感電路等 在完 成c m o s 工藝后 還采用兩道工序使電極具有生物兼容性 首先在表面濺射生長一 層t i w 層 5 0 n m l 然后生長p t 層 2 7 0 r i m 通過l i f t o f f 工藝制作圖形 然 后使用等離子加強化學(xué)氣相沉積 p e c v d 的方法制作s i 3 n 4 和s i 0 2 層 然后用離子 刻蝕的方法來定義和形成最終電極的圖形 曲 b 圖1 t 1 9 a c m o s 芯片表面提高生物親和力的改造 b 芯片照片 之后進行c m o s 芯片表面的生物改造 使金電極表面覆蓋a m i n e t e r m i n a t e ds a m 芯片表面s i 0 2 部分覆蓋p l l g p e g 引導(dǎo)細胞生長在金電極表面 細胞生長情況如 圖1 2 0 a b 為記錄到的細胞信號 h v il m s 2 q 一 女辮八l a a b 圖1 2 0 a 細胞生長圖形 b