一种用于无标记监测活细胞活动的新型光子芯片显微镜

细胞活动的无标记、非侵入性和定量监测对于了解各种生物过程和细胞对治疗药物的反应至关重要。然而，现有方法往往受到其多个耗时的制备步骤、复杂的设备和不相容性的阻碍，这些可能会干扰细胞并对它们造成不必要的影响。

由香港大学(港大)电机与电子工程学系朱志勤博士和香港大学机械工程学系林园博士领导的跨学科研究团队，与来自香港大学的李桂黑博士合作南方科技大学开发了一种低成本、高度小型化且与孵化器兼容的GaN芯片显微镜，可在孵化器有限且潮湿的空间内实时监测细胞。

这种实用的装置将为细胞生物学和药物发现的基础研究提供新的见解，并有助于开发新一代的生物传感器。该团队已申请美国临时专利。

与传统的荧光分子和基于放射性核素的标记技术相比，无标记分析可以实时监测生物信号的变化，而无需对单个样本进行人工操作。它允许目标样品保持其固有状态，最大限度地减少对目标配体、细胞或组织的天然构象和生物活性的副作用。

迄今为止，市场上领先的无标签传感技术是基于电阻抗传感的微电子传感器。该电传感器包含集成到孔板中的一系列金生物传感器，允许实时阻抗检测来跟踪和量化活细胞粘附相关的动态。然而，那里使用的电场可能会干扰对电信号敏感的样本，例如神经和心肌。

作为替代方案，基于光学倏逝场的传感方法，包括谐振波导光栅生物传感器(RWG)和表面等离子体共振(SPR)，由于其非侵入性和无标记的性质，近年来引起了广泛的兴趣。虽然这些技术具有优越的光学精度，并已广泛应用于生物分子相互作用研究和活细胞活性检测，但它们对测试条件和整体设置的要求很高，限制了其在多种环境中的广泛应用。

已建立的基于GaN的单片芯片显微镜集成了定制的微型微分干涉对比(DIC)显微镜，可以以无标记的方式定量监测不同细胞内过程的进展。它不仅可以光电读取细胞/亚细胞折射率(RI)变化，还可以实时成像培养箱中的细胞/亚细胞超微结构特征。

该系统的核心是一个小型化的GaN光子芯片，它集成了基于微尺度InGaN/GaN的发光和光电检测子单元(LED-PD)。其独特的分布式布拉格反射器堆叠设计可以显着提高集光效率。

微型化GaN光子芯片能够进行光电检测，能够实时监测芯片表面集体细胞行为引起的折射率。同时，得益于集成的mini-DIC成像系统，用户可以实时清晰地捕捉细胞形态变化。通过耦合成像单元和RI传感单元，该平台可以原位定量识别细胞行为，包括细胞沉淀、初始附着、扩散、收缩等。这种实用的即用型细胞分析仪已成功应用于制药活性筛选，免疫细胞表型转化轨迹。

该研究扩展了GaN光子芯片在生物传感领域的应用。特别是芯片传感器和光学成像的结合策略，超越了传统“光子芯片”和“显微镜”监测过程的界限。由此产生的“chipscope”代表了生物传感器发展的重大而令人兴奋的进步。