微生理计的原理与应用

　　1 引言

　　微生理计(Mlerophysiometer)最早报道于1989年^L1』，是一种基于细胞水平体外实时监测细胞代谢速率的生物传感器的新颖仪器。依据细胞的生理变化与代谢活性密切相关这一生理学基础，微生理计对分析研究各种化学物质以及诸如神经递质、生长因子、激素、细胞因子、神经营养素和MHC抗原肤复合物等生物活性物质对细胞生理过程的影响有很大的应用潜力，为研究细胞配体受体之间的相互作用、寻找新的受体配体、检测毒物与病毒对细胞代谢与生长的影响、筛选新药、评估化疗药物的疗效等研究领域提供了一种方便而有效的新方法和新技术。商品化产品CytosensorTM微生理计系统已由美国加利福尼亚州的分子器件公司(MolecularDevieeSCorporation)推出。

　　2微生理计的原理

　　2.1生理学基础^【2、3】

　　除少数例外，细胞酸化胞外液主要是由能量代谢的酸性物质引起的。图1表示哺乳类动物细胞产生与分泌质子的主要机理，以及受体的激活对代谢过程的调节作用。在正常情况下，乳酸和碳酸主要以游离形式存在，质子以多种转运方式通过质膜，导致细胞外液的pH发生变化。另一方面，能量代谢产生的ATP的量与细胞消耗ATP的量紧密相关，细胞的生理学变化能使能量耗损发生变化，因而也引起胞外酸化速率

　　的变化。对于质子介导的生理变化，随着质子通过质膜同样引起胞外pH的变化。实验证明，与在体情况相比，体外培养细胞的糖酵解相当活跃。对一典型的哺乳动物细胞，如成纤维细胞，培养液中稳定状态的能量代谢每秒产生1少个质子口。在一定条件卜，专一受体的配体对细胞的作用将导致质子分泌速率加强达15一300%「’」，这些变化足以用微生理计检出IAPS微生理计是以80年代后期发展起来的光寻址电位传感器(LightAd-dressablePotentiometrieSensor，I一APS卢〕为基本敏感器件的生物传感技术与传统的流动注射分析技术有机结合的产物，其原理框图如下页图2(a)所示。

　　LAPS是微生理计的关键器件。I一APS是一种功能类似于化学敏场效应管而结构比较简单的半导体无源敏感器件，其输出对绝缘层表面的H十浓度具有极高的敏感性与稳定性，下页图2(b)为LAPS的原理图。半导体可选用N型或P型硅片，绝缘层是5102膜，并在51()2上生长一层Si3N4以改善对H-的敏感性;利用控制电极和硅片的欧姆接触，在待测溶液与半导体这间施加一直流偏置电压，并选用红外二极管作为半导体的激发光源。当调制的激发光束照射半导体硅片时，半导体因激发产生电子空穴对导致外电路形成光电流，其幅值取决于偏置电压和绝缘层与溶液间的界面电位(该电位是H十依赖性的，满足Nernst方程)[5二。LAPS己广泛应用于诸如酶或底物、受体或激素、抗原或抗体等生物成分的检测川。在微生理计中，LAPS作为H+敏感器件，实时监测细胞代谢过程中乳酸和CO:等酸性代谢产物所引起的细胞外液(培养液)的pH变化。