活体细胞对刺激信号的响应反映在多种细胞参数的变化,例如细胞代谢,动作电位和细胞阻抗变化等。细胞传感器(Cell-based Biosensors, CBB)利用活体细胞作为传感单元,通过二级换能器将细胞响应参数转换为电学信号进行检测。光寻址细胞传感器(Light addressable cell-based biosensors, LACBB)作为一种特殊的细胞传感器,利用光寻址电位传感器(Light addressable potentiometric sensor, LAPS)作为二级换能器,利用激光进行细胞寻址,能有效解决其他类型细胞传感器需定位培养细胞的难点。本文从细胞传感器设计和仪器制作等关键技术入手,对基于LAPS的多功能光寻址细胞传感器在检测细胞阻抗,胞外电位和胞外微环境中的应用进行了研究：结合阻抗检测技术和LAPS技术,提出了一种光寻址细胞阻抗传感器(Light addressable cell impedance sensor, LACIS),用以检测细胞贴附阻抗特性；结合LAPS胞外电位检测技术和干细胞技术设计了干细胞分化的心肌细胞芯片并将其用于药物筛选；将胞外电位和离子检测结合,实现了能同时检测细胞电生理参数和代谢参数的LAPS细胞传感器；最后,结合LAPS离子检测技术和仪器开发技术,设计并完成了能够实时检测多种细胞代谢参数的细胞微环境检测仪。本文的创新点和贡献在于：1.提出了一种基于LAPS的光寻址检测细胞阻抗的方法。细胞阻抗可以反映细胞的迁移、增殖、衰亡等生理过程,是一种重要的细胞生理参数。传统细胞阻抗检测采用金属电极进行,反应的是与电极接触的所有细胞阻抗的平均值。本文采用电解液-绝缘层-半导体(EIS)结构器件,结合LAPS的光寻址原理以及电化学阻抗检测技术,首次提出了一种光寻址检测细胞阻抗的方法,通过激光对细胞进行寻址,检测光照区域的局部细胞阻抗变化而非全部细胞的平均阻抗变化。这种细胞阻抗检测方法更适用于少量细胞甚至单细胞的检测,也可以应用于细胞阻抗成像。2.提出了基于LAPS的干细胞分化的心肌细胞芯片设计方法并应用于药物筛选利用小鼠胚胎干细胞作为新型细胞来源并优化LAPS传感器结构,设计并实现了LAPS干细胞分化的心肌细胞芯片用于细胞电生理的检测。将干细胞诱导分化为心肌细胞后,通过LAPS检测得到稳定的胞外动作电位信号,并分析了四种药物作用对心肌细胞电生理的影响。基于LAPS的干细胞分化的心肌细胞芯片研究可以有效解决传统胞外电位检测传感器如微电极阵列(Micro-electrode array, MEA),场效应晶体管(Field effect transistor, FET)等,在细胞定位培养上的难点,并且验证了干细胞可以作为细胞传感器的新型细胞来源。3.提出了基于LAPS的多功能细胞传感器的设计方法,实现了心肌细胞电位和胞外离子的多功能检测。为了能更准确的描述外界刺激作用下细胞的生理状态响应,需要对多种生理活动进行评价,因此开发能检测多种细胞生理参数的细胞传感器具有重要的意义。本文设计了一种基于LAPS的多功能细胞传感器,以心肌细胞为例,实现了对胞外电位和胞外酸化率的同时检测,用以同时表征细胞的电生理状态和代谢水平。4.共同完成了细胞微环境检测仪器的系统设计和加工制作,初步实现了细胞微环境自动检测的功能。传统细胞微生理计的缺点在于其检测参数单一,仪器成本昂贵,以及难以实现高通量检测。基于敏感膜技术、传感器封装技术、流体通路设计、检测电路设计以及样机加工技术,本文设计并完成了基于LAPS的细胞微环境检测仪用于测量细胞代谢引起的胞外微环境成分的变化。该仪器具有八通道测量能力,并能测量多种参数,成本相比微生理计显著降低,初步的细胞试验证明该仪器能有效用于细胞微环境的自动检测。