一種基于GaN光學(xué)芯片的高度集成、低成本微型光學(xué)顯微傳感系統(tǒng)

細(xì)胞功能與結(jié)構(gòu)解析一直是生命科學(xué)研究的關(guān)鍵，其中，活細(xì)胞無(wú)標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)一直是生物分析科學(xué)發(fā)展的核心熱點(diǎn)。

然而，現(xiàn)今的技術(shù)經(jīng)常需要耗時(shí)的準(zhǔn)備步驟、高度依賴復(fù)雜的檢測(cè)儀器且與其他設(shè)備很難兼容集成，從而限制了其在生物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的功能拓展和廣泛應(yīng)用。

由香港大學(xué)（簡(jiǎn)稱：港大）電機(jī)電子工程系褚智勤博士與機(jī)械工程系林原博士、南方科技大學(xué)李攜曦博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種基于GaN光學(xué)芯片的高度集成、低成本微型光學(xué)顯微傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在空間受限的情況下，高濕度細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)無(wú)標(biāo)記細(xì)胞活動(dòng)的監(jiān)測(cè)與分析。該團(tuán)隊(duì)成功將新技術(shù)應(yīng)用于藥物活性分析篩選和免疫細(xì)胞分化進(jìn)程的實(shí)時(shí)定量追蹤。

這款裝置將為細(xì)胞生物學(xué)和藥物研發(fā)的基礎(chǔ)研究提供新的見(jiàn)解，并有助于新一代生物傳感器的開(kāi)發(fā)。團(tuán)隊(duì)已為發(fā)明申請(qǐng)美國(guó)臨時(shí)專利。

相比于傳統(tǒng)的以熒光分子、核素等標(biāo)記分子為基礎(chǔ)的有源標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)，無(wú)標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)可以最大程度地減少對(duì)靶分子、細(xì)胞或者組織的功能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而揭示檢測(cè)樣本本征狀態(tài)下的信息。

目前，主流商業(yè)化的無(wú)標(biāo)記活細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)包括以電阻抗測(cè)量為基礎(chǔ)的微電子傳感技術(shù)，該技術(shù)利用活細(xì)胞與檢測(cè)板孔中微電極相互作用，產(chǎn)生電阻抗的改變來(lái)定量活細(xì)胞狀態(tài)。然而，這種微電場(chǎng)可能會(huì)給一些電信號(hào)敏感的樣品（神經(jīng)，心肌）帶來(lái)潛在的環(huán)境干擾。

近些年以倏逝波為基礎(chǔ)的生物友好、無(wú)標(biāo)記光學(xué)傳感技術(shù)（表面等離子諧振SPR，共振波導(dǎo)光柵RWG等）引起了人們極大的興趣，并被廣泛應(yīng)用于生物分子相互作用和活細(xì)胞活動(dòng)檢測(cè)。然而，這種高精密的光學(xué)測(cè)量手段對(duì)設(shè)備搭建、場(chǎng)地尺寸及測(cè)試環(huán)境的要求很高，極大地限制了它在多場(chǎng)景、復(fù)雜環(huán)境下的推廣應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)的光學(xué)芯片，是高度集成及低成本的微型光學(xué)顯微傳感系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)定量芯片表面細(xì)胞活動(dòng)引起的折射率變化并對(duì)細(xì)胞形貌進(jìn)行在線成像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)箱中無(wú)標(biāo)記細(xì)胞活動(dòng)的監(jiān)測(cè)與分析。

該系統(tǒng)核心是一種單片綠光“發(fā)光二極管 - 光電探測(cè)器（LED-PD）”光電集成器件。其采用的垂直堆棧的分布式布拉格反射鏡設(shè)計(jì)，能夠有效提高芯片的發(fā)光收集效率。

該芯片具有片上光電探測(cè)能力，能夠?qū)崟r(shí)讀取芯片表面集群細(xì)胞活動(dòng)引起的折射率變化。同時(shí)通過(guò)集成一個(gè)微型微分干涉顯微鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞形貌和運(yùn)動(dòng)的在線追蹤。該系統(tǒng)結(jié)合對(duì)此類細(xì)胞的實(shí)時(shí)折射率和細(xì)胞形態(tài)的分析，能夠定量識(shí)別分析細(xì)胞的沉降、黏附、伸展、收縮等行為，并成功將此技術(shù)應(yīng)用于藥物活性分析篩選和免疫細(xì)胞分化進(jìn)程的實(shí)時(shí)定量追蹤。

這個(gè)研究拓展了GaN光學(xué)芯片在生物測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展，特別是這種基于芯片傳感和光學(xué)成像結(jié)合的策略形成的光芯片顯微傳感系統(tǒng)（chipscope），將為生物傳感器的設(shè)計(jì)和發(fā)展提供新的思路。

該項(xiàng)研究結(jié)果經(jīng)已在Advanced Science刊登，題目為“A Versatile, Incubator-Compatible, Monolithic GaN Photonic Chipscope for Label-Free Monitoring of Live Cell Activities”。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202200910

審核編輯 ：李倩