基于ECIS细胞传感器和图像检测的海洋毒素分析系统设计

【摘要】近年来,海洋污染日益严重,已经严重影响我国经济发展及人民健康。赤潮等海洋污染现象频繁发生,导致海洋污染在海洋动物体内富集,最终成为海洋动物体内毒素。贝类水产品作为人们最喜爱的食物之一,却是经常引发食物中毒的凶手。因此,检测海洋水产品贝类毒素是迫在眉睫的任务。海洋水产品贝类毒素一般分为四类：贝类毒素主要有腹泻性贝毒、麻痹性贝毒、神经性贝毒和记忆缺损性贝毒等四类。本学位论文以检测贝类腹泻性毒素大田软海绵酸(OA)为目标,结合细胞传感器技术中的细胞阻抗技术和细胞图像信息处理技术,研究、设计并实现了基于ECIS的毒素检测系统和基于光学图像处理的毒素检测系统平台。细胞传感器是以活细胞为传感元件并搭配合适二级换能器的生物传感器。细胞阻抗传感器作为细胞传感器的一种,通过检测细胞阻抗来反映细胞生长在芯片上的贴附性和细胞数量最终分析细胞毒性。本学位论文依据细胞阻抗传感器检测原理设计检测系统,其中包括硬件设计和软件设计。系统下位机采用AD5933阻抗变换解决方案芯片,搭配MSP430FG4619作为MCU,通过RS232串口与上位机通讯。上位机软件采用QT平台进行编写,主要作为系统主控部分负责系统工作流程控制及后续数据处理。通过性能检测,系统阻抗监测结果中变异系数均在0.054%之下,换算CI值波动均在0.01之内。经过系统性能测试,采用小鼠神经母细胞瘤细胞进行25ug/L.50ug/L和100ug/L大田软海绵酸毒素标准液进行检测,从结果可以看出具有明显的区分性,证明系统检测大田软海绵酸的可行性。细胞传感器的二级换能器除了将细胞的生理参数变化转换为电信号的改变外也能转换为光信号的改变。心肌细胞的电生理构造及其兴奋-收缩偶联机制,将心肌细胞生理状态的变化反映在其机械搏动变化上。依据此原理,本学位论文研究并开发出目标在于将心肌细胞机械搏动图像转换为搏动曲线的核心算法。对搏动曲线进行分析将得出心肌细胞生理状态的变化。本学位论文搭建基于光学图像处理的毒素检测系统平台,系统平台包括光学显微镜、CCD和PC机。通过PC端软件系统对系统平台进行控制。通过系统性能测试,对于静态图像,系统测试搏动差异值理论值为0,实测平均值为3.0272,均方差为0.4529。经过性能测试,采用新生乳鼠心肌细胞进行1μM、4μM和16μM浓度的心脏毒素阿霉素溶液毒性分析,心肌细胞搏动速率与对照组细胞相比分别降为57.35%、51.15%和35.29%。最后采用系统对lOng/ml、40ng/ml和160ng/ml浓度的OA标准溶液进行实验,心肌细胞搏动速率与对照组细胞相比分别降为62.41%、57.14%和37.65%。实验结果表明,光学图像分析系统能对海洋水产品贝类毒素进行快速和自动化检测。
【作者】苏凯麒；
【导师】王平；
【作者基本信息】浙江大学，生物医学工程，2014，硕士
【关键词】细胞阻抗传感器；光学图像分析；心肌细胞；腹泻性毒素；大田软海绵酸；

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