一種用于無標記監測活細胞活動的新型光子芯片顯微鏡

細胞活動的無標記、非侵入性和定量監測對于了解各種生物過程和細胞對治療藥物的反應至關重要。然而，現有方法往往受到其多個耗時的制備步驟、復雜的設備和不相容性的阻礙，這些可能會干擾細胞并對它們造成不必要的影響。

由香港大學(港大)電機與電子工程學系朱志勤博士和香港大學機械工程學系林園博士領導的跨學科研究團隊，與來自香港大學的李桂黑博士合作南方科技大學開發了一種低成本、高度小型化且與孵化器兼容的GaN芯片顯微鏡，可在孵化器有限且潮濕的空間內實時監測細胞。

這種實用的裝置將為細胞生物學和藥物發現的基礎研究提供新的見解，并有助于開發新一代的生物傳感器。該團隊已申請美國臨時專利。

與傳統的熒光分子和基于放射性核素的標記技術相比，無標記分析可以實時監測生物信號的變化，而無需對單個樣本進行人工操作。它允許目標樣品保持其固有狀態，最大限度地減少對目標配體、細胞或組織的天然構象和生物活性的副作用。

迄今為止，市場上領先的無標簽傳感技術是基于電阻抗傳感的微電子傳感器。該電傳感器包含集成到孔板中的一系列金生物傳感器，允許實時阻抗檢測來跟蹤和量化活細胞粘附相關的動態。然而，那里使用的電場可能會干擾對電信號敏感的樣本，例如神經和心肌。

作為替代方案，基于光學倏逝場的傳感方法，包括諧振波導光柵生物傳感器(RWG)和表面等離子體共振(SPR)，由于其非侵入性和無標記的性質，近年來引起了廣泛的興趣。雖然這些技術具有優越的光學精度，并已廣泛應用于生物分子相互作用研究和活細胞活性檢測，但它們對測試條件和整體設置的要求很高，限制了其在多種環境中的廣泛應用。

已建立的基于GaN的單片芯片顯微鏡集成了定制的微型微分干涉對比(DIC)顯微鏡，可以以無標記的方式定量監測不同細胞內過程的進展。它不僅可以光電讀取細胞/亞細胞折射率(RI)變化，還可以實時成像培養箱中的細胞/亞細胞超微結構特征。

該系統的核心是一個小型化的GaN光子芯片，它集成了基于微尺度InGaN/GaN的發光和光電檢測子單元(LED-PD)。其獨特的分布式布拉格反射器堆疊設計可以顯著提高集光效率。

微型化GaN光子芯片能夠進行光電檢測，能夠實時監測芯片表面集體細胞行為引起的折射率。同時，得益于集成的mini-DIC成像系統，用戶可以實時清晰地捕捉細胞形態變化。通過耦合成像單元和RI傳感單元，該平臺可以原位定量識別細胞行為，包括細胞沉淀、初始附著、擴散、收縮等。這種實用的即用型細胞分析儀已成功應用于制藥活性篩選，免疫細胞表型轉化軌跡。

該研究擴展了GaN光子芯片在生物傳感領域的應用。特別是芯片傳感器和光學成像的結合策略，超越了傳統“光子芯片”和“顯微鏡”監測過程的界限。由此產生的“chipscope”代表了生物傳感器發展的重大而令人興奮的進步。