細胞功能與結(jié)構(gòu)解析一直是生命科學研究的關(guān)鍵，而其中活細胞無標記檢測技術(shù)開發(fā)一直是生物分析科學發(fā)展的核心熱點。相比于傳統(tǒng)的以熒光分子、核素等標記分子為基礎(chǔ)的有源標記檢測技術(shù)，無標記檢測技術(shù)可以最大程度地減少對靶分子、細胞或者組織的功能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而揭示檢測樣本本征狀態(tài)下的信息。

目前主流商業(yè)化的無標記活細胞監(jiān)測技術(shù)以電阻抗測量為基礎(chǔ)的微電子傳感技術(shù)為代表，該技術(shù)利用活細胞與檢測板孔中微電極相互作用，產(chǎn)生電阻抗的改變來定量活細胞狀態(tài)。然而，這種微電場可能會給一些電信號敏感的樣品（如神經(jīng)細胞，心肌細胞）帶來潛在的環(huán)境干擾。近些年以倏逝波為基礎(chǔ)的生物友好、無標記光學傳感技術(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胞活動檢測。然而，這種高精密的光學測量手段對設(shè)備搭建、場地尺寸及測試環(huán)境要求很高，極大地限制了它在多場景、復(fù)雜環(huán)境下的推廣應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，香港大學電機與電子工程系褚智勤教授與南方科技大學深港微電子系李攜曦教授、香港大學機械工程系林原教授針對上述問題合作開發(fā)了一種基于GaN光學芯片的高度集成、微型化、低成本光學顯微傳感系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r定量芯片表面細胞活動引起的折射率變化并對細胞形貌進行在線成像，實現(xiàn)了在空間狹小的高濕度細胞培養(yǎng)箱內(nèi)無標記細胞活動的監(jiān)測與分析。相關(guān)結(jié)果現(xiàn)以論文形式發(fā)表在《Advanced Science》上。

該系統(tǒng)核心是基于單片設(shè)計的“發(fā)光二極管-光電探測器（LED-PD）”光電集成器件。在設(shè)計上，創(chuàng)新性地采用了垂直堆疊的分布式布拉格反射鏡（DBR），能夠有效提高芯片的發(fā)光收集效率，并通過芯片具有的片上光電探測能力，實時讀取芯片表面集群細胞活動引起的折射率變化。此外，通過集成一個微型微分干涉顯微鏡，實現(xiàn)對細胞形貌和運動的在線追蹤。最終，系統(tǒng)結(jié)合對細胞的實時折射率和細胞形態(tài)的分析，能夠定量識別分析細胞的沉降、黏附、伸展、收縮等行為，并可應(yīng)用于藥物活性分析篩選和免疫細胞分化進程的實時定量追蹤。

基于GaN光學芯片的生物顯微傳感系統(tǒng)工作原理

與主流的復(fù)雜光學活細胞生物傳感技術(shù)（如 SPR 和 RWG）相比，基于GaN光學芯片的生物顯微傳感系統(tǒng)，極大地降低了生物傳感器的設(shè)計、制造和實際使用中的技術(shù)門檻。具體來說，采用單片策略將InGaN/GaN光電發(fā)射器和光電探測器集成在同一芯片上，從而避免了使用昂貴的光譜分析儀和其他光學設(shè)備。此外，由于其具有微型尺寸，且對傳感裝置的要求較低，該芯片可以很容易地與其他器件集成，并應(yīng)用于一些特殊環(huán)境，如與顯微鏡集成、可穿戴設(shè)備中的快速檢測或在高濕度的狹小空間（如細胞培養(yǎng)箱）內(nèi)工作。

但是此系統(tǒng)也存在一定的缺陷，使其離實際應(yīng)用和量產(chǎn)還存在一定的距離。首先，其加載樣本的數(shù)量有限。由于處在開發(fā)的初期，芯片在設(shè)計上只有一個傳感單元，每次只能在線進行一次測試和觀察。目前，褚智勤教授團隊正在開發(fā)一種傳感器陣列，該陣列允許所需數(shù)量或尺寸的傳感模塊組裝在一個芯片上，從而使系統(tǒng)能夠在不久的將來具備高通量單細胞分析的功能。另一個缺陷是成像系統(tǒng)的質(zhì)量，這可以通過更靈敏的相機傳感器來改善，從而能夠捕捉到更多的細胞動力學細節(jié)。

假設(shè)可以克服這些缺陷，基于GaN光學芯片的生物顯微傳感系統(tǒng)作為一種無標記監(jiān)測與分析活細胞活動的工具具有相當大的潛力，它超越了傳統(tǒng)“光子芯片”和“顯微鏡”監(jiān)測過程的界限。新的“chipscope”集成了更多功能，從定性和定量兩個方面高度豐富了數(shù)據(jù)輸出。特別是，它們的易加工和極低的制造成本（單價低于10美分）特性使它們具有良好的實用性和市場潛力，是生物傳感器發(fā)展中一個重要而令人興奮的進步。

作者：永侯，吉祥經(jīng)，羅玉夢，馮旭，謝文艷，馬林杰，夏興宇，強偉，袁琳，葵黑里，褚志勤