林原博士（左）和褚智勤博士（右）

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。然而,現(xiàn)今的技術(shù)經(jīng)常需要耗時的準備步驟、高度依賴復雜的檢測儀器且與其他設備很難兼容集成，從而限制了其在生物監(jiān)測領(lǐng)域的功能拓展和廣泛應用。

由香港大學（港大）電機電子工程系褚智勤博士與機械工程系林原博士、南方科技大學李攜曦博士領(lǐng)導的研究團隊針對上述問題，開發(fā)了一種基于GaN光學芯片的高度集成、低成本微型光學顯微傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了在空間受限的情況下，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。團隊并成功將新技術(shù)應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。

這款裝置將為細胞生物學和藥物研發(fā)的基礎研究提供新的見解，并有助于新一代生物傳感器的開發(fā)。團隊已為發(fā)明申請美國臨時專利。

相比于傳統(tǒng)的以熒光分子、核素等標記分子為基礎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)化的無標記活細胞檢測技術(shù)包括以電阻抗測量為基礎的微電子傳感技術(shù)，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（神經(jīng)，心?。頋撛诘沫h(huán)境干擾。

近些年以倏逝波為基礎的生物友好、無標記光學傳感技術(shù)（表面等離子諧振SPR，共振波導光柵RWG等）引起了人們極大的興趣，并被廣泛應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備搭建、場地尺寸及測試環(huán)境的要求很高，極大地限制了它在多場景、復雜環(huán)境下的推廣應用。

團隊合作開發(fā)的光學芯片，是高度集成及低成本的微型光學顯微傳感系統(tǒng)，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)了對細胞培養(yǎng)箱中無標記細胞活動的監(jiān)測與分析。

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計，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能力，能夠?qū)崟r讀取芯片表面集群細胞活動引起的折射率變化。同時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。該系統(tǒng)結(jié)合對此類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，并成功將此技術(shù)應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。

這個研究拓展了GaN光學芯片在生物測量領(lǐng)域的發(fā)展，特別是這種基于芯片傳感和光學成像結(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計和發(fā)展提供新的思路。

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

論文連結(jié):https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202200910