" 初步研究结果证明，对于表面细胞运动、分化等行为引起的折射率变化，该微型化芯片有着非常灵敏的反应。基于此，可用这款芯片开发基于细胞的微环境检测器，以进行药物筛选、以及细胞行为比如细胞增殖、凋亡、运动等方面的研究。

我们预计它将迎来广泛的应用前景，并已为它申请了美国专利（US non-provisional application No. 17/846,056）。除用于和细胞相关的检测，原则上还可用于可穿戴设备，比如检测生命数据或运动数据。" 香港大学工程学院电机与电子工程学系、同时受聘于李嘉诚医学院生物医学学院的助理教授褚智勤表示。

▲图 | （从左到右）香港大学机械工程系林原教授、褚智勤教授、侯勇（博后）、景纪祥（博士生）

近日，他和团队研发一款基于微型化氮化镓的光学芯片，其中所使用的显微传感技术，是他们深耕于细胞生物传感器领域的典型应用案例。

近年来，课题组的研究方向之一，在于探索新型微纳光电器件在环境监测和生物传感方面的应用。其研究始终以现实中存在的生物医学问题为导向，旨在利用革命性的光学传感技术，来解决目前细胞生物检测分析领域的难题，以期为微型化氮化镓光学芯片在生物学上的潜在应用做贡献。

（来源：Advanced Science）

就该工作来说，他们的初衷在于开发一款简单易用的活细胞无标记检测技术，以对细胞功能和微环境之间的相互作用进行实时分析。

据介绍，活细胞无标记检测技术开发，一直是生物分析科学发展的热点。传统的有源标记检测技术，主要基于荧光分子、放射性核素等标记分子。相比之下，无标记检测技术的好处在于，能最大程度减少靶分子对细胞、或组织的影响，让样本本征状态下的信息得以揭示。

当下，在主流的商业化无标记活细胞检测中，基于电阻抗测量的微电子传感技术，是最具代表性的一种。其原理在于，借助活细胞和检测板孔中微电极的相互作用，去改变电阻抗，最终对活细胞状态进行定量处理。

但是，这种微电场可能会给一些电信号敏感的样品比如神经、心肌等，带来无法避免的干扰。最近几年，表面等离子谐振、共振波导光栅等无标记光学传感技术，凭借其基于倏逝波的生物友好性，得到了学界的广泛研究，已被用于生物分相互作用和活细胞活动检测中。

▲图 | 微型化氮化镓芯片可用于集群细胞的粘附铺展行为实时追踪（来源：Advanced Science）

不过，作为一种高精密的光学测量手段，它对设备搭建、场地规模、测试环境等要求极高，也让多场景、以及复杂环境下的推广应用受到限制。

基于上述问题，该团队和南方科技大学深港微电子学院李携曦教授、香港大学机械工程系林原教授合作开发出一种微型光学显微传感系统，具备高度集成、低成本的 " 一体化 " 优势，在空间受限的高湿度细胞培养箱中，也能以无标记的方式，实现实时监测和分析细胞活动。

该系统所搭载的芯片，则具备片上光电探测能力，对于芯片表面的集群细胞活动引起的折射率变化，能够进行实时解读。

另据悉，当给该芯片集成一个微型的微分干涉显微镜，还可对细胞形貌和细胞运动，实现在线追踪。

借助该系统，可对细胞行为进行定量识别和分析，比如沉降、黏附、伸展、收缩；针对药物活性的分析筛选、以及免疫细胞的分化进程，也可实现实时的定量追踪。

近日，相关论文以《一种多功能，生物培养箱可兼容的单片氮化镓光电器件用于无标记检测细胞生理活动的光学芯片显微传感系统》（A Versatile, Incubator-Compatible, Monolithic GaN Photonic Chipscope for Label-Free Monitoring of Live Cell Activities）为题，发表在 Advanced Science 上 [ 1 ] 。侯勇、景纪祥担任第一作者，褚智勤、李携曦和林原担任共同通讯作者。

▲图 | 相关论文（来源：Advanced Science）

审稿人均非常欣赏此次开发的低成本、多功能的细胞功能监测系统，并对能和细胞培养箱可兼容的 " 一体化 " 优势予以点赞，同时高度认可该工作的重要性、创新性以及学术性。

可以 " 实时追踪 " 免疫细胞的芯片

据了解，此次工作建立在褚智勤团队和李携曦课题组之前的合作成果 " 微型化氮化镓芯片测量液体折射率 " 的基础之上 [ 2 ] 。

考虑到合作团队前期开发的单片集成微型化氮化镓光电芯片，在探测外部环境的折射率上具有响应速度快、测量精度高、探测范围广等一系列优势。同时，器件的小型化也便于其在更多场景中使用，故他们尝试将研究方向扩展到生物医学领域。

由于细胞的不同行为通常会伴随着其内部折射率的变化，且这种核心的生物物理指标被广泛用于表征细胞的生理行为和状态。因此，双方进一步把研究目标锁定在细胞行为的监测上，希望通过对细胞折射率的监测，来反馈细胞对外界环境刺激下的不同反应，进而为生物体内一些疾病探测和预防提供量化的详细信息。

确定好目标之后，他们开始进行预实验，首先在微型化氮化镓芯片表面培养细胞，并记录细胞在不同时间下的黏附、铺展状态所对应的芯片感应光电流，进而观测光电流信号的变化规律。

▲图 | 微型化氮化镓芯片应用于在线分析抗癌药物 - 癌细胞相互作用（来源：Advanced Science）

然后，分析其是否与文献报道的细胞内折射率变化规律一致。在预实验过程中，研究人员发现当观察不同时间下的细胞形态时，总是需要将其从细胞培养箱中取出，并置于显微镜下进行观察，而细胞培养箱内外环境温度差异容易造成测量信号误差。

为解决这一问题，他们想出的策略是：搭建小型化的显微镜装置，并使其能被轻松地放置于一般的细胞培养箱中、从而进行实时信号探测与细胞形貌观察。事实证明，这大大拓展了系统的可用性。

在预实验中，合作团队遇到一个很有意思的问题：由于需要探测细胞不同生长状态，他们最开始在细胞培养箱外，利用芯片对初始状态的细胞进行探测后，便放回到培养箱中进行长时间培养，然后定时取出进行测量，同时对芯片进行光电流信号读取，这时候测量到的光电流信号总是波动很大，且没有规律性。

经过反复尝试和分析，最终发现是芯片自身对环境温度比较敏感造成的。虽然这是一个很小的问题，但有时候这些小问题往往会对整个实验造成很大的影响，这也说明在实验中要注意每一个细节，细节往往决定成败。

结合预实验的结果与分析，他们又设计出一套小型化的微分干涉显微镜装置，来对细胞进行实时成像。另外，获取的图像也可从另一个角度证明：芯片光电流的变化是由细胞形态变化引起的，从而验证了微型化氮化镓芯片在探测细胞行为方面的可靠性。

此外，他们进一步探究了不同药物刺激下细胞的一系列行为变化，证明该芯片在药物筛选方向上的适用性。最后，利用该芯片对免疫细胞分化的整个过程进行监控，实现了实时追踪。

可用于癌症初筛并计划推广到临床

据介绍，片上集成化光电器件一直是生物微电子传感领域的热门方向。实现生物检测设备的微型化、功能多样化、测量高通量化一直是领域内的研究难点。

基于此，该课题的后续方向主要有两个：一是硬件制备方面，比如芯片的进一步小型化和高通量测量。目前，研究人员所用的芯片尺寸是 1mm*1mm，比较适合研究集群细胞的行为。

但是，对于单细胞测量和多样本同时在线测量确是无能为力的。因此，他们计划在不影响灵敏度的前提下继续把芯片做小，比如将尺寸缩小到 100 μ m *100 μ m。

▲图 | 微型化氮化镓芯片应用于免疫细胞分化过程在线监测。（来源：Advanced Science）

二是打算将这种芯片阵列化，从而实现高通量单细胞行为检测。目前，该芯片阵列的制备已经取得一定进展。可通过芯片阵列实现其他的生物功能检测，比如结合微流控实现对细胞折射率的高通量检测。

利用这种方法，也能实现对细胞种类的鉴别比如癌细胞检测等，这意味着它能用于癌症的初筛，从而为临床诊断提供量化依据。但是，如何把新技术转化到临床上使用，是他们接下来要追求的梦想。

参考资料：

1.Hou, Y., Jing, J., Luo, Y., Xu, F., Xie, W., Ma, L., ... & Chu, Z. ( 2022 ) . A Versatile, Incubator ‐ Compatible, Monolithic GaN Photonic Chipscope for Label ‐ Free Monitoring of Live Cell Activities. Advanced Science, 2200910.

2.ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 44, 49748 – 49754