药物开发和食品安全是与人类健康和发展休戚相关的问题。传统药物开发的周期久、成本高、成功率低,最终能通过药监部门审批上市的候选药物寥寥无几。为了提高药物开发的成功率,临床前研究阶段的药理学研究尤其是药效学分析的准确性具有至关重要的影响。在食品安全方面,日益严重的环境破坏导致贝类毒素污染的海洋水产品越来越多。贝类毒素通过食物链的传递作用,严重威胁了人类的健康和公共安全。因此,对于高精度的药物筛选传感器和高灵敏度的贝类毒素检测传感器的研究具有十分重要的意义。本论文以生物传感器技术为基础,针对生命健康领域中的药物筛选和毒素检测对于高精度、高灵敏传感器的需求,开展了用于药物筛选的3D细胞传感器和用于毒素检测的分子传感器研究。3D细胞传感器采用更接近于在体情况的3D细胞作为敏感元件,与特殊设计的传感器芯片耦合,构建了 3D细胞阻抗传感器,用于3D细胞生长状态动态监测和抗肿瘤药物筛选;分子传感器采用高度特异性和亲和性的抗体和适配体作为敏感元件,以免疫磁珠和叉指电极作为换能器,建立了两种用于贝类毒素高灵敏现场快速检测的方法。本文的主要研究内容和创新性工作包括:1、提出了 3D细胞传感器的分析模型,设计加工了一种工艺简单的3D细胞阻抗传感器芯片,实现了对3D细胞生长状态的动态监测。本文开发了一种动态、实时、无标记的3D细胞传感器用于3D细胞的生长状态及药物敏感性监测。针对3D细胞培养方式与2D细胞培养的区别,重新建立了 3D细胞等效电路模型并仿真验证。设计加工了 3D细胞阻抗传感器芯片,结合电化学阻抗检测技术对细胞/凝胶混合物的总体阻抗值进行分析,提出了实时监测3D细胞生长状态的新方法,动态监测了 3D肝癌细胞的生长状态及抗肿瘤药物作用后的细胞活性变化。实验结果表明,本论文研制的3D细胞传感器可以有效地用于3D细胞生长状态检测和药效评价,与金标准荧光染色法具有较好的一致性,相比2D细胞传感器具有更高的药物筛选准确度,是一种很有潜力的抗肿瘤药物筛选的方法。2、提出了基于微纳技术的3D细胞阻抗传感器的加工工艺,设计了具有特殊微腔结构用于3D肿瘤细胞活性及药物作用高通量监测的传感器芯片。本文采用微纳技术设计加工了稳定性和测试通量更高的3D微腔阻抗传感器(MGIS)芯片,用于3D细胞生长状态动态监测。针对3DMGIS芯片结构和电极尺寸的变化,重新测试优化了电化学阻抗检测的工作参数,调整了 3D细胞等效电路模型并仿真验证。建立了 3D肺癌细胞模型,与3D MGIS芯片耦合构建了 3D肺癌细胞传感器,对顺铂、吉西他滨和培美曲塞等肺癌相关治疗药物进行了作用效果评价。实验结果表明,3D MGIS芯片可以高通量地动态监测3D肺癌细胞的生长状态,与荧光共聚焦显微镜检测结果具有高度一致性。同时,与2D肺癌细胞传感器的对照实验表明,3D肺癌细胞传感器可以有效地区分出不同种肺癌药物之间的疗效差异,有效提高了细胞水平的抗肿瘤药物筛选准确度。3、提出了一种基于便携式流式细胞仪结合磁珠免疫传感器的贝类毒素检测方法,相对于标准检测方法具有检测下限低、精度高以及检测时间短的优点。本文选用链霉亲和素偶联的磁珠作为载体,构建了基于间接竞争性抑制免疫反应的流式分析方法。将生物素化的大田软海绵酸(Okadaicacid,OA)修饰在磁珠表面构建免疫磁珠。免疫磁珠会与检测样品溶液中的游离OA毒素竞争性地与OA抗体免疫结合。随后利用荧光试剂标记的第二抗体进行信号放大,采用便携式流式细胞仪对反应后的免疫磁珠进行荧光分析。该免疫传感器对OA的检出限为0.05 μg/L,动态检测范围是0.5～20μg/L,加标回收率在92.5%～108%之间,总体检测耗时在1小时之内。贝肉样品加标回收率实验的结果说明了该免疫传感器具有良好的基质效应和实际样品检测能力。磁珠的引入简化了传统免疫传感器复杂的清洗步骤,有效缩短了检测时长,显著提升了免疫传感器的抗干扰能力。与小鼠生物法和液相色谱法等传统贝类毒素检测方法相比,流式磁珠免疫传感器具有检测下限低、检测速度快、操作简便和便携性好的特点,表明该方法适用于贝类毒素的高灵敏现场快速检测。4、提出了基于适配体传感器的贝类毒素检测方法,该传感器具有稳定性高、特异性好以及成本低的优点。本文为了满足贝类毒素现场检测低成本、高精度和高稳定的需求,利用纳米金信号放大原理,构建了以理化性质更稳定的适配体作为敏感元件的适配体传感器。将纳米金颗粒修饰在硅烷化处理后的叉指电极表面,通过静电吸附作用将OA适配体固定在叉指电极上。OA适配体会封闭纳米金的催化活性位点。待测溶液中的游离OA与OA适配体结合后,纳米金活化位点释放并开始自催化生长,引起叉指电极的导电性上升。利用线性扫描伏安法分析叉指电极的电导,进而对OA进行定量分析测定。OA适配体传感器的检出限为1 μg/L,动态检测范围是5～80 μg/L,实际样品回收率在97.68%到107.88%之间,实际样品平均回收率为103.36%,变异系数小于15%。相对抗体作为敏感元件的免疫传感器,以适配体作为敏感元件的适配体传感器在保证检测性能的同时,有效降低了检测成本,提高了检测稳定性。结果表明,结合了通用性广泛的电化学分析方法的适配体传感器比较适合在贝类毒素一线筛查中使用和推广。