Name: 体外 通过微有机电荷调制场效应晶体管阵列进行多参数蜂窝分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-09-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 5 s
Description: 了解使用微有机电荷调制场效应晶体管阵列进行多参数细胞分析的方法。该技术可同时监测电生理和代谢活动，为神经科学和生物医学工程研究提供低成本、灵活的体外检测方案。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

作者感谢欧盟“地平线2020”研究与创新计划根据资助协议编号882897-Search&amp;#38;Rescue项目以及PON项目&#34;TEX-STYLE&#34; ARS01_00996、PNR 2015-2020提供的资金支持。

遵循所有适用的国际、国家和/或机构关于动物护理和使用的指南。已尽一切努力减少本项目所用动物的数量，并尽量减轻其痛苦。
1. 显影液、刻蚀液、有机半导体溶液和光刻掩模的制备
<ol>
	<li>通过将 NaOH 颗粒溶于去离子水中，配制浓度为 175 mM 的显影溶液。 
	注意：该反应为放热反应。若使用塑料容器，需持续搅动容器，直至所有颗粒完全溶解。</li>
	<li>通过将氢氟酸（HF）与去离子水混合（1 份浓度为 48% 的浓 HF，49 份去离子水），配制钛刻蚀溶液。 
	警告：氢氟酸可轻易穿透皮肤，对深层组织造成严重损伤。必须迅速中和 HF，以防止组织持续破坏，这种破坏可能持续数天，导致严重伤害甚至死亡。HF 的风险程度取决于其浓度以及与酸接触的时间。操作时必须在通风橱内进行，并佩戴面罩。强烈建议佩戴双层手套。</li>
	<li>通过将碘、碘化钾和去离子水混合（配制 250 g 溶液时，使用 200 mL 去离子水、20 g KI 和 5 g I2），配制金刻蚀溶液。在室温下搅拌 1 小时，使用前静置过夜。</li>
	<li>将 6,13-双(三异丙基硅乙炔基)并五苯（TIPS Pentacene）溶于苯甲醚中（质量分数 1%），在 80 °C 的加热板上轻轻搅拌 2 小时，以配制半导体溶液。 
	注意：持续搅动该溶液。使用棕色玻璃小瓶和/或在低光照条件下储存。</li>
	<li>使用矢量图形软件制备所需的光刻掩模组。整个工艺共需制备 5 套掩模：用于浮动栅极（FGs）图形化的掩模；用于电生理记录中通孔及传感区域开孔的掩模；用于自对准工艺的掩模；用于源极、漏极及控制栅顶接触图形化的掩模；以及用于 pH 通道等离子活化的掩模。 
	&#8203;注意：根据所需分辨率和特定的光刻装置，可使用不同类型的掩模。对于本方案中提出的器件（最大横向分辨率为 40 µm），已在本地复印店购买了简单的塑料柔性掩模。</li>
</ol>
2. 底物的选择与制备
<ol>
	<li>从干净的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）片材上裁剪一块 6 × 6 cm2 的正方形，厚度为 250 µm。 
	注意：起始基底应略大于最终器件尺寸，以留出足够宽的边缘，便于使用标准实验室镊子操作而不损坏基底。</li>
	<li>使用光学显微镜检查基底，排除存在深沟槽或划痕的情况。仔细选择划痕较少的基底，因为较大的缺陷可能导致最终器件失效。</li>
	<li>依次用丙酮、异丙醇和去离子水冲洗 PET 基底，并用氮气流吹干。将基底存放于洁净的塑料培养皿/容器中。</li>
</ol>
3. FG：钛沉积
<ol>
	<li>使用等离子体氧气对基底进行预清洗（100 W 下处理 30 秒），然后将其放置在热蒸发仪真空腔内的基底支架上。</li>
	<li>将 60 mg 钛放入坩埚中，关闭快门，抽真空至蒸发室压力低于 10-6 Torr。逐渐提高蒸发仪功率，直至坩埚发红，保持 30 秒。打开快门，继续增加功率至 60%（或直至坩埚发出明亮白光），保持 60 秒。随后关闭快门并降低功率。</li>
	<li>从蒸发仪中取出基底，依次用丙酮、异丙醇和去离子水清洗，并用氮气气流吹干。再进行第二次氧气等离子体处理（200 W 下处理 60 秒），以使钛表面轻微氧化。</li>
</ol>
4. FG 图案化
<ol>
	<li>将一个基底置于通风橱内的匀胶机上。使用一次性塑料移液管将4 mL光刻胶滴加到基底表面。采用以下匀胶参数获得厚度为2 µm的光刻胶层：旋转速度：3000 rpm；旋转时间：45 s；加速时间：0.5 s；减速时间：0.5 s。</li>
	<li>将基底置于加热板上进行前烘（70 °C，5 min）。将基底存放在铝箔包裹的培养皿或塑料容器内，以避免直接暴露于光照下。 
	注意：避免使用建议的烘焙温度（100 °C，50 s），以防基底变形。然而，较低温度下延长烘烤时间可确保良好效果。</li>
	<li>将器件放入曝光仪中，并将带有目标场效应电极（FG）布局的塑料光刻掩模精确放置在基底上。从上方用紫外光（UV）照射1分钟，然后小心取下掩模，注意尽量减少掩模在基底表面的横向移动，以防刮伤基底。</li>
	<li>将基底浸入装有显影液的玻璃容器中（步骤1.1），持续5秒。迅速用去离子水冲洗，并用氮气吹干。使用光学显微镜检查基底上是否存在显影不足或过度显影的区域。若出现显影不足，需重复将基底浸入显影液中。</li>
	<li>将暴露的钛层浸入钛刻蚀液（步骤1.2）中刻蚀15秒，随后用去离子水冲洗，并用氮气吹干。对基底进行光学检查，使用丙酮去除光刻胶。再用异丙醇和去离子水冲洗基底，并用氮气吹干。</li>
</ol>
5. 栅极介电层沉积
<ol>
	<li>使用实验室擦拭纸将2 mL的粘附促进剂（硅烷 - 3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯）均匀涂布于Parylene涂覆仪的沉积室壁上，以准备沉积室。将300 mg的Parylene C二聚体（对应最终厚度为150 nm）放入Parylene涂覆仪中。将低压力值设定为7 mbar，高压力值设定为10 mbar。沉积完成后，依次用丙酮、异丙醇和去离子水清洗基底，并用氮气吹干。</li>
</ol>
6. 打开OCMFET的传感区域以记录电活动，并形成通孔以接触浮栅的背面
<ol>
	<li>使用与步骤 4.1 和 4.2 相同的参数将光刻胶涂覆在基底上。</li>
	<li>将器件置于曝光机中，在体视显微镜下将塑料光刻掩模精确对准基底上的通孔位置（在传感区域上方为直径 50 µm 的圆形开口，在远离传感区域的浮栅（FG）上方为 100 × 100 µm2 的开口，如图 1和图 2中所示的 FG 背面接触点），以提高对准精度。从上方用紫外光照射 1 分钟，然后小心移除掩模，注意尽量减少掩模在基底表面的横向移动，以避免划伤基底。 
	注意：位于浮栅（FG）远离传感区域一侧的通孔（如图 1和图 2中所示的 FG 背面接触点）在晶体管表征过程中是必要的接触点。此外，能够实现对 FG 的电学接触可能在多种功能化方法（例如电沉积）中非常有用。</li>
	<li>按照步骤 4.4 中所述方法显影光刻胶。将带有图案化光刻胶（在此处作为掩模）的基底置于氧气等离子体中（200 W 下处理 180 秒），以去除传感区域上的聚对二甲苯 C（Parylene C）。 
	注意：在 200 W 功率下，各向同性等离子清洗机中聚对二甲苯 C 的刻蚀速率约为 90 nm/min。为彻底清洁传感区域，需进行轻微过刻蚀。在此过程中光刻胶也会被刻蚀，但其厚度（2 µm）远大于聚对二甲苯 C 的厚度。</li>
	<li>将基底放入超声波清洗仪中装有丙酮的玻璃容器内，超声处理 10 秒，以完全去除光刻胶。随后用丙酮、异丙醇和水冲洗基底，并用氮气吹干。 
	&#8203;注意：使用超声处理而非仅用丙酮冲洗基底，对于防止聚对二甲苯 C 碎片在传感区域表面发生不期望的折叠和再沉积至关重要。</li>
</ol>
7. 源极和漏极与浮栅的自对准
<ol>
	<li>使用与步骤 4.1 和 4.2 相同的参数将光刻胶涂覆在基底上。将器件放入曝光机中，并在基底上放置一个带有简单黑色矩形的塑料光刻掩模，完全覆盖晶体管区域。从上下两面同时进行紫外光曝光 1 分钟，然后小心取下掩模，注意尽量减少掩模在基底表面的横向移动，以避免划伤基底。 
	&#8203;注意：通过双面曝光，浮栅（FGs）在底面曝光时起到光刻掩模的作用，而顶部掩模的存在则确保只有晶体管沟道区域上的光刻胶保持未曝光状态。</li>
	<li>按照步骤 4.4 中所述方法进行光刻胶显影。</li>
</ol>
8. 源极、漏极和控制栅的金沉积、沟道形成及图形化
<ol>
	<li>使用温和的等离子体处理（30 W，30 s）清洁基底，以促进金属在派瑞林C（Parylene C）上的附着，并将基底放置于热蒸发镀膜仪真空腔内的样品托上。</li>
	<li>将30 mg金放入坩埚中，关闭快门，抽真空至蒸发腔达到10-5 Torr。逐渐增加蒸发源功率，直至坩埚呈现暗红色，保持30 s。打开快门，继续增加功率至40%（或直至坩埚呈现亮白色），保持60 s，随后关闭快门并降低功率。</li>
	<li>将基底放入超声波清洗仪中的丙酮容器内，超声10 s，以剥离光刻胶，从而去除晶体管沟道区域的金层。依次用丙酮、异丙醇和水冲洗基底，并用氮气吹干。采用与步骤4.1和4.2相同的参数，在基底上重新旋涂光刻胶。</li>
	<li>将器件置于曝光仪中，并在基底上放置带有预定源极、漏极和控制栅极图形的塑料光刻掩模。从上方进行1分钟紫外光曝光，随后小心取下掩模，注意尽量减少掩模在基底表面的横向移动，以防划伤样品。</li>
	<li>按照步骤4.4所述方法显影光刻胶。将暴露的金层浸入金刻蚀液（步骤1.3）中刻蚀10 s，用去离子水冲洗，并用氮气吹干。通过光学显微镜检查基底，使用丙酮去除剩余光刻胶，再依次用异丙醇和去离子水冲洗，并用氮气吹干。</li>
</ol>
9. 用于pH传感的聚对二甲苯C的沉积与活化
<ol>
	<li>使用与步骤 4.1 和 4.2 相同的参数，在基底上涂覆光刻胶。</li>
	<li>将器件放入曝光机中，并在基底上放置一个带有开口的塑料光刻掩模，开口位置对应于 OCMFET 的 pH 传感区域。从上方用紫外光照射 1 分钟，然后小心取下掩模，注意尽量减少掩模在基底上的横向移动，以避免划伤表面。</li>
	<li>按照步骤 4.4 所述方法显影光刻胶。使用聚酰亚胺绝缘胶带（见材料表）将整个器件除 pH 传感区域外的部分保护起来。采用与步骤 5.1 相同的参数，在基底上沉积一层 500 nm 厚的聚对二甲苯 C（对应 1 g 聚对二甲苯 C 二聚体）。 
	注意：pH 传感区域上的聚对二甲苯 C 总厚度为 650 nm。此沉积过程无需使用硅烷化处理。</li>
	<li>小心移除聚酰亚胺绝缘胶带。将基底置于氧气等离子体中（200 W 下处理 5 分钟 30 秒），以活化 OCMFET pH 传感区域上的聚对二甲苯 C。 
	注意：此处使用聚酰亚胺绝缘胶带是为了限制聚对二甲苯 C 的沉积范围。事实上，由于聚对二甲苯 C 形成的共形涂层几乎无针孔，仅依靠光刻胶进行简单的剥离工艺无法取得良好效果。</li>
	<li>将基底放入超声波清洗仪中的丙酮容器内处理 10 秒，以彻底去除光刻胶。用丙酮和异丙醇（不得使用水）冲洗基底，并用氮气吹干。</li>
</ol>
10. 半导体沉积、培养室放置以及从PET上最终切割出器件
<ol>
	<li>将基底置于50 °C的加热板上。取1 µL半导体溶液（步骤1.4）滴加至每个通道区域，用盖子覆盖整个基底，并在通风橱中干燥30分钟。</li>
	<li>使用3D打印机打印一个内径为15 mm、厚度为1 mm、高度为7 mm的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯环，以制备培养腔。使用聚二甲基硅氧烷（固化剂比例：15%重量比）将培养腔粘附至基底中央区域。通过手动或激光切割方式从PET基材上裁下器件。</li>
</ol>
11. 晶体管的电学表征
<ol>
	<li>使用源表仪对每个晶体管进行表征18,19,20,21（参见材料表）。 
	注意：应测量晶体管的输出特性和输入特性，以推导其参数（主要包括载流子迁移率、阈值电压、ION/IOFF 比值和亚阈值斜率）。</li>
</ol>

<ol><li>Hubel, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tungsten+microelectrode+for+recording+from+single+units%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Tungsten microelectrode for recording from single units.</a> Science. 125 (3247), 549-550 (1957).</li>
<li>Verzeano, M., Negishi, K., Angeles, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+activity+in+cortical+and+thalamic+networks.+A+study+with+multiple+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+General+Physiology%22%5BJournal%5D)">Neuronal activity in cortical and thalamic networks. A study with multiple microelectrodes.</a> Journal of General Physiology. 43 (6), 177-195 (1960).</li>
<li>Thomas, C. A. Jr, Springer, P. A., Loeb, G. E., Berwald-Netter, Y., Okun, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+miniature+microelectrode+array+to+monitor+the+bioelectric+activity+of+cultured+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Cell+Research%22%5BJournal%5D)">A miniature microelectrode array to monitor the bioelectric activity of cultured cells.</a> Experimental Cell Research. 74 (1), 61-66 (1972).</li>
<li>Grattarola, M., Martinoia, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+the+neuron-microtransducer+junction%3A+from+extracellular+to+patch+recording%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Modeling the neuron-microtransducer junction: from extracellular to patch recording.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 40 (1), 35-41 (1993).</li>
<li>Wallace, K., Strickland, J. D., Valdivia, P., Mundy, W. R., Shafer, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+multiplexed+assay+for+determination+of+neurotoxicant+effects+on+spontaneous+network+activity+and+viability+from+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroToxicology%22%5BJournal%5D)">A multiplexed assay for determination of neurotoxicant effects on spontaneous network activity and viability from microelectrode arrays.</a> NeuroToxicology. 49, 79-85 (2015).</li>
<li>Bergveld, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development%2C+operation%2C+and+application+of+the+tool+for+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Development, operation, and application of the tool for electrophysiology.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 19 (5), 342-351 (1972).</li>
<li>Bergveld, P., Wiersma, J., Meertens, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extracellular+potential+recordings+by+means+of+a+field+effect+transistor+without+gate+metal%2C+called+OSFET%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Extracellular potential recordings by means of a field effect transistor without gate metal, called OSFET.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 23 (2), 136-144 (1976).</li>
<li>Fromherz, P., Offenhausser, A., Vetter, T., Weis, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+neuron-silicon+junction%3A+a+Retzius+cell+of+the+leech+on+an+insulated-gate+field-effect+transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A neuron-silicon junction: a Retzius cell of the leech on an insulated-gate field-effect transistor.</a> Science. 252 (5010), 1290-1293 (1991).</li>
<li>Martinoia, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+ISFET+array-based+microsystems+for+bioelectrochemical+measurements+of+cell+populations%5BTitle%5D)+AND+%22Biosensors+and+Bioelectronics%22%5BJournal%5D)">Development of ISFET array-based microsystems for bioelectrochemical measurements of cell populations.</a> Biosensors and Bioelectronics. 16 (9-12), 1043-1050 (2001).</li>
<li>Heer, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CMOS+microelectrode+array+for+the+monitoring+of+electrogenic+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Biosensors+and+Bioelectronics%22%5BJournal%5D)">CMOS microelectrode array for the monitoring of electrogenic cells.</a> Biosensors and Bioelectronics. 20 (2), 358-366 (2004).</li>
<li>Berdondini, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Active+pixel+sensor+array+for+high+spatio-temporal+resolution+electrophysiological+recordings+from+single+cell+to+large+scale+neuronal+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Active pixel sensor array for high spatio-temporal resolution electrophysiological recordings from single cell to large scale neuronal networks.</a> Lab on a Chip. 9 (18), 2644-2651 (2009).</li>
<li>Maccione, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiscale+functional+connectivity+estimation+on+low-density+neuronal+cultures+recorded+by+high-density+CMOS+micro+electrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Multiscale functional connectivity estimation on low-density neuronal cultures recorded by high-density CMOS micro electrode arrays.</a> Journal of Neuroscience Methods. 207 (2), 161-171 (2012).</li>
<li>Kibler, A. B., Jamieson, B. G., Durand, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high+aspect+ratio+microelectrode+array+for+mapping+neural+activity+in+vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">A high aspect ratio microelectrode array for mapping neural activity in vitro.</a> Journal of Neuroscience Methods. 204 (2), 296-305 (2012).</li>
<li>Frega, M., Tedesco, M., Massobrio, P., Pesce, M., Martinoia, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Network+dynamics+of+3D+engineered+neuronal+cultures%3A+a+new+experimental+model+for+in-vitro+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Network dynamics of 3D engineered neuronal cultures: a new experimental model for in-vitro electrophysiology.</a> Scientific Reports. 4, 5489(2014).</li>
<li>Zuo, L., Yu, S., Briggs, C. A., Kantor, S., Pan, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+fabrication+of+a+three-dimensional+multi-electrode+array+for+neuron+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Design and fabrication of a three-dimensional multi-electrode array for neuron electrophysiology.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 139 (12), (2017).</li>
<li>Spanu, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+three-dimensional+micro-electrode+array+for+in-vitro+neuronal+interfacing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A three-dimensional micro-electrode array for in-vitro neuronal interfacing.</a> Journal of Neural Engineering. 17 (3), 036033(2020).</li>
<li>Spanu, A., Martines, L., Bonfiglio, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interfacing+cells+with+organic+transistors%3A+a+review+of+in+vitro+and+in+vivo+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Interfacing cells with organic transistors: a review of in vitro and in vivo applications.</a> Lab on a Chip. 21 (5), 795-820 (2021).</li>
<li>Spanu, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+organic+transistor-based+system+for+reference-less+electrophysiological+monitoring+of+excitable+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">An organic transistor-based system for reference-less electrophysiological monitoring of excitable cells.</a> Scientific Reports. 5, 8807(2015).</li>
<li>Viola, F. A., Spanu, A., Ricci, P. C., Bonfiglio, A., Cosseddu, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrathin%2C+flexible+and+multimodal+tactile+sensors+based+on+organic+field-effect+transistors%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Ultrathin, flexible and multimodal tactile sensors based on organic field-effect transistors.</a> Scientific Reports. 8, 8073(2018).</li>
<li>Napoli, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electronic+detection+of+DNA+hybridization+by+coupling+organic+field-effect+transistor-based+sensors+and+hairpin-shaped+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Electronic detection of DNA hybridization by coupling organic field-effect transistor-based sensors and hairpin-shaped probes.</a> Sensors. 18 (4), 990(2018).</li>
<li>Spanu, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+reference-less+pH+sensor+based+on+an+organic+field+effect+transistor+with+tunable+sensitivity%5BTitle%5D)+AND+%22Organic+Electronics%22%5BJournal%5D)">A reference-less pH sensor based on an organic field effect transistor with tunable sensitivity.</a> Organic Electronics. 48, 188-193 (2017).</li>
<li>Lundgaard, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+neuronal+glucose+uptake+heralds+activity-dependent+increases+in+cerebral+metabolism%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Direct neuronal glucose uptake heralds activity-dependent increases in cerebral metabolism.</a> Nature Communications. 6, 6807(2015).</li>
<li>Zhang, Y. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multisensor-integrated+organs-on-chips+platform+for+automated+and+continual+in+situ+monitoring+of+organoid+behaviors%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Multisensor-integrated organs-on-chips platform for automated and continual in situ monitoring of organoid behaviors.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (12), 2293-2302 (2017).</li>
<li>Yu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+design+of+multifunctional+integrated+cell-based+biosensors+for+simultaneously+detecting+cell+acidification+and+extracellular+potential%5BTitle%5D)+AND+%22Biosensors+and+Bioelectronics%22%5BJournal%5D)">A novel design of multifunctional integrated cell-based biosensors for simultaneously detecting cell acidification and extracellular potential.</a> Biosensors and Bioelectronics. 24 (5), 1462-1468 (2009).</li>
<li>Maccione, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+algorithm+for+precise+identification+of+spikes+in+extracellularly+recorded+neuronal+signals%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">A novel algorithm for precise identification of spikes in extracellularly recorded neuronal signals.</a> Journal of Neuroscience Methods. 177 (1), 241-249 (2009).</li>
<li>Spanu, A., Tedesco, M. T., Martines, L., Martinoia, S., Bonfiglio, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+organic+neurophysiological+tool+for+neuronal+metabolic+activity+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22APL+Bioengineering%22%5BJournal%5D)">An organic neurophysiological tool for neuronal metabolic activity monitoring.</a> APL Bioengineering. 2 (4), 046105(2018).</li>
<li>Díaz-García, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+stimulation+triggers+neuronal+glycolysis+and+not+lactate+uptake%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Neuronal stimulation triggers neuronal glycolysis and not lactate uptake.</a> Cell Metabolism. 26 (2), 361-374 (2017).</li>
<li>Xie, Y., Dengler, K., Zacharias, E., Wilffert, B., Tegtmeier, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+the+sodium+channel+blocker+tetrodotoxin+%28TTX%29+on+cellular+ion+homeostasis+in+rat+brain+subjected+to+complete+ischemia%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Effects of the sodium channel blocker tetrodotoxin (TTX) on cellular ion homeostasis in rat brain subjected to complete ischemia.</a> Brain Research. 652 (2), 216-224 (1994).</li>
<li>Caboni, A., Orgiu, E., Barbaro, M., Bonfiglio, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+organic+thin-film+transistors+for+pH+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sensors+Journal%22%5BJournal%5D)">Flexible organic thin-film transistors for pH monitoring.</a> IEEE Sensors Journal. 9 (12), 1963-1970 (2009).</li>
<li>Fraboni, B., Bonfiglio, A., Basiricò, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inkjet+printing+of+transparent%2C+flexible%2C+organic+transistors%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Inkjet printing of transparent, flexible, organic transistors.</a> Thin Solid Films. 520, 1291-1294 (2011).</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。

与以往用于细胞应用的OCMFET制备方法18,29不同，本研究所提出的方法专门设计用于制备可同时检测细胞电活动和代谢活动的MOA。此外，该实现pH敏感性的方法具有与标准制备工艺兼容的优势，且无需对传感区域进行任何化学修饰（这一特点确保了整个器件的生物相容性）。pH敏感性通过使用与栅极介电层相同的材料（即生物相容性材料聚对二甲苯C）来实现，从而使该方法快速且可重复。
该方法的最终成果是一种柔性、透明、低成本且具备多重传感功能的有机工具 体外 细胞应用。利用单个晶体管结构并通过简单物理修饰传感区域即可实现这一目标，这进一步凸显了使用有机电子材料和方法的优势。&#160;此外，由于OCMFET的换能原理并不严格依赖于特定的半导体或浮栅材料，因此整个过程可根据具体应用需求进行修改和放大。
该技术方案的一个关键方面与等离子体活化技术的可重复性相关。为了获得一致的结果，必须同时控制聚对二甲苯C（Parylene C）的厚度及其刻蚀速率。必须定期校准聚对二甲苯C的沉积过程以及等离子清洗仪。其他影响工艺可重复性的关键因素还包括对器件的小心操作以及有机半导体的沉积。本文中采用了一种简单的滴涂法，该方法本身存在可重复性方面的局限性。为尽量减少这些问题，如实验方案第10.1步所述，每次应使用相同量的半导体溶液，并尽可能标准化溶剂的蒸发过程。使用加热板保持恒定温度，并在每次滴加溶液后覆盖基底，有助于减缓溶剂蒸发速度。为进一步降低此问题的影响，可更换沉积技术（例如采用喷墨打印方法）30。
该方案的一个局限性源于用于pH传感的OCMFET功能化特性。pH传感器的稳定性仅能维持数周时间26。然而，本方法的稳定时间窗口已足够覆盖神经元培养生长所需的标准孵育时间（2–3周）。对于更长时间的实验，应考虑采用其他类型传感区域的功能化方法。器件制备工艺中采用了专用的背接触结构，可实现对浮栅（FGs）的电学访问。该接触点在器件正常工作时处于悬空状态，但在需要时可用于器件的电学表征，以及利用不同技术（例如电沉积）对传感区域进行功能化处理。
该方法为制备用于细胞研究的多传感装置提供了一种便捷途径，无需使用昂贵材料或洁净室设施。尽管由于采用有机半导体以及传感区域的物理（而非化学）功能化，其性能与稳定性存在一定局限，但类似策略仍可用于制备低成本（甚至一次性）、机械柔性且光学透明的传感器与生物传感器，为细胞生物学、组织工程学和神经科学领域的研究人员提供研究细胞系统的新颖专用工具 体外.

体内监测电活性细胞（如神经元和心肌细胞）是人类大脑基础研究、功能连接研究、药理学和毒理学等基本研究应用中一种有效且强大的方法。此类研究通常使用的工具主要基于微电极阵列（MEAs）1,2,3,4,5，以及日益高效和强大的场效应器件（FEDs）6,7,8,9,10,11,12。这两类器件能够实时监测和刺激神经元与心肌细胞的电活动，通常具有坚固、易于使用和可靠的特点。这些特性使MEAs和FEDs成为电生理应用的金标准，目前已被广泛用于与标准细胞培养、器官型脑切片以及三维类器官的接口连接13,14,15,16。尽管MEAs和FEDs应用广泛且性能优异，但仍存在一些局限性，例如成本高、材料刚性较强，以及需要一个通常体积较大的参比电极——该电极必须置于测量液体环境中，且对器件的正常运行至关重要。
为了探索细胞界面的替代方案，过去十年中，研究人员在基于有机材料和创新制造技术的电子器件研究方面投入了大量努力17。在已研究的多种用于克服上述局限性的有机器件中，一种称为OCMFET的特殊有机晶体管最近被提出，可作为微电极阵列（MEAs）和场效应器件（FEDs）的有效替代方案18。除了有机电子技术所具备的标准特性，如低成本材料与制造工艺、优异的机械和化学性能、光学透明性以及生物相容性之外，OCMFET还因其双栅结构而具备超高的电荷灵敏度，且无需外接参比电极。此外，该有机传感器具有显著的能力，可根据其传感区域的特定功能化方式检测不同的分析物或物理参数，而该传感区域与晶体管区域是分离的19,20。这些特性可被有效利用，以实现对细胞培养环境中多种参数的同时采集。特别是，除了能够检测神经元或心肌细胞的电活动外，还可通过简单的物理功能化方式，利用OCMFET独特的双栅结构所提供的超高pH灵敏度，可靠地监测由细胞代谢活动引起的局部微小pH变化21。
在 体外 细胞生物传感中，监测细胞代谢活性是评估细胞培养状态的有力指标，可用于评价细胞对多种刺激（如药物施加和电刺激）的响应22,23此外，在神经科学应用的特定情况下，同时监测电活动和代谢活动具有重要意义，尤其在药理学和毒理学领域。24旨在便捷地满足现代 体外 电生理学研究，同时兼具光寻址电场效应晶体管（OCMFET）的全部优势，一种名为微光寻址电场效应晶体管阵列（Micro OCMFET Array, MOA）的装置 recently introduced。MOA 是一种基于 OCMFET 的阵列，具有专为特定传感需求设计的特化感应区域。 体外 细胞界面，实现对电活性细胞培养物的多参数分析。特别是，其中两个MOA通道具有更大的传感区域，以最大化其灵敏度，并可选择性地进行功能化修饰，用于监测特定参数（如培养基的pH变化）。结构中的其他OCMFET则作为细胞外电活动传感器。 图1 显示了16通道微电极阵列（MOA）的结构。该特性结合无需外置参考电极的优势，使微电极阵列成为一种极具吸引力的工具 体外 应用。本研究展示了用于多传感的MOA的逐步制备方案 体外 神经元和心肌细胞电活动与代谢活动的检测 图2 展示了主要的制备步骤、所用材料及器件结构。

<table><tbody><tr><td>3-(三甲氧基硅基)丙基甲基丙烯酸酯</td><td>Sigma Aldrich</td><td>440159</td><td></td></tr><tr><td>3D 打印机 Makerbot Replicator 2x</td><td>Makerbot</td><td></td><td>https://www.makerbot.gr/. 估计价格：2,000–3,000 欧元。</td></tr><tr><td>ABS 线材</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>苯甲醚</td><td>Sigma Aldrich</td><td>296295</td><td></td></tr><tr><td>Bromograph 型号 Hellas</td><td>Bungard</td><td></td><td>https://www.bungard.de/. 估计价格：1,000–2,000 欧元。</td></tr><tr><td>金</td><td>本地供应商</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氢氟酸</td><td>Sigma Aldrich</td><td>695068</td><td></td></tr><tr><td>碘</td><td>Sigma Aldrich</td><td>207772</td><td></td></tr><tr><td>聚酰亚胺胶带</td><td></td><td></td><td>聚酰亚胺绝缘胶带</td></tr><tr><td>激光切割机 VLS2.30</td><td>Universal Laser Systems</td><td></td><td>https://www.ulsinc.com/it. 估计价格：20,000 欧元。</td></tr><tr><td>多通道系统数据采集板</td><td></td><td></td><td>www.multichannelsystems.com</td></tr><tr><td>氢氧化钠颗粒</td><td>Sigma Aldrich</td><td>567530</td><td></td></tr><tr><td>聚对二甲苯 C 二聚体</td><td>SCS special coating systems coating</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PDMS Silgard 184</td><td>Sigma Aldrich</td><td>761036</td><td></td></tr><tr><td>PDS 2010 LABCOATER 2 聚对二甲苯沉积系统</td><td>SCS special coating systems</td><td></td><td>https://scscoatings.com/. 估计价格：50,000 欧元</td></tr><tr><td>双向拉伸 PET 薄膜（厚度 0.25 mm）</td><td>Goodfellow</td><td>ES301450</td><td></td></tr><tr><td>培养皿</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>等离子清洗机 Gambetti &quot;Tucano&quot;</td><td>Gambetti</td><td></td><td>https://www.gambetti.it/. 估计价格：20,000 欧元。</td></tr><tr><td>正性光刻胶 AZ1518</td><td>MicroChemicals</td><td></td><td></td></tr><tr><td>碘化钾 KI</td><td>Sigma Aldrich</td><td>221945</td><td></td></tr><tr><td>源表 2636</td><td>Keithley</td><td></td><td>https://it.farnell.com/. 估计价格：18,000 欧元</td></tr><tr><td>旋涂仪</td><td>Ossila</td><td></td><td>https://www.ossila.com/. 估计价格：2,500 欧元。</td></tr><tr><td>体视显微镜 SMZ745T</td><td>Nikon</td><td></td><td>https://www.microscope.healthcare.nikon.&lt;br/&gt; com/. 估计价格：2,000–3,000 欧元。</td></tr><tr><td>热蒸发仪</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>TIPS 并五苯（6,13-双(三异丙基硅乙炔基)-并五苯）</td><td>Sigma Aldrich</td><td>716006</td><td></td></tr><tr><td>钛丝</td><td>Goodfellow</td><td>TI005129</td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗机</td><td>Falc Instruments</td><td></td><td>https://www.falcinstruments.it/. 估计价格：1,000 欧元。</td></tr></tbody></table>

体外 基于微米级有机电荷调控场效应晶体管阵列的多参数细胞分析

In Vitro Multiparametric Cellular Analysis by Micro Organic Charge-modulated Field-effect Transistor Arrays

现代电生理学的发展一直得益于日益先进的工具和材料的同步进步。反过来，该领域的发现又推动了技术的持续进步，这种双向互动过程最终促成了过去50年中令人瞩目的成就。然而，目前最常用的细胞界面器件（即微电极阵列和基于晶体管的微电子器件）仍然存在若干局限性，例如成本高昂、材料刚性以及需要外置参比电极。为了部分克服这些问题，有机生物电子学这一新兴科学领域应运而生，并带来了成本更低、材料更易获取以及创新制造技术等优势。
在过去十年中，已提出多种有趣的新型有机器件，用于方便地与细胞培养物进行交互。&#160;本文介绍了基于有机电荷调制场效应晶体管（OCMFET）的细胞接口器件的制备方案。这类器件被称为微OCMFET阵列（MOAs），结合了有机电子学的优势与OCMFET的独特特性，可制备出透明、柔韧且无需参比电极的工具，用于体外监测心肌细胞和神经元的电活动及代谢活动，从而实现对电活性细胞模型的多参数评估。

此处已验证了MOA在电活动记录和代谢活性监测两方面的潜力。对设备检测细胞外动作电位能力的精确评估，基于大鼠心肌细胞培养物（特别是培养8天的大鼠原代心肌细胞）的全面表征 体外 [DIV]18. 图3A 显示一个包含16个OCMFET的完整MOA。上方插图展示了一个大鼠心肌细胞在MOA表面形成融合单层培养的示例。为突出细胞的健康状态，在记录结束后对细胞进行了免疫染色，以标记肌节蛋白原肌球蛋白。下方插图显示了使用OCMFET测量的单个心肌细胞信号。
有趣的是，该设备能够检测到自发的电活动以及施加不同化学物质后诱导产生的电活动，如图3B所示。这一验证对于证明该方法用于电活性细胞接口的可行性至关重要。由于阵列结构的设计，MOA还能够重建心脏电信号的传播速度，从而表明该系统适用于细胞网络的研究（图3C）。为进一步验证以确定设备的实际检测限，研究人员还使用纹状体神经元（21 DIV）对MOA进行了测试18，在信号幅度和记录可靠性方面获得了令人关注的结果。如图3D所示，OCMFET能够以显著的稳定性放大神经元场电位，信噪比（SNR）最高可达3.2（与标准MEA获得的信噪比范围相当25）。记录系统由定制的多通道电子设备组成，用于晶体管偏置以及信号读取和调理。每个电记录通道的第一级包含一个I/V转换器，配备1 MΩ反馈电阻和150 Hz–1.3 kHz带通滤波器，电压增益为110。在所有展示的测量中，晶体管的偏置条件为VDS = VGS = -1 V。模数转换以及数据的可视化和存储通过数据采集板完成（见材料表）。所有测量均在法拉第笼内进行，以最大限度地减少系统受到的电学和环境噪声干扰。
如前所述，通过利用本方案中介绍的简单物理功能化方法，可制备出具有超能斯特响应的高灵敏度pH传感器。由于采用了上述制造方法，这些pH传感器可集成到微电极阵列（MOA）中，用于监测原代海马体大鼠神经元代谢活动所引起的微小pH变化26。具体而言，如图4所示，两个专用于低频传感的OCMFET中仅有一个被选择性地进行了功能化，以验证该方法的可行性。这种选择性功能化使得能够评估两个OCMFET对化学诱导的代谢变化的响应：特别是，可通过使用GABA A受体抑制剂荷包牡丹碱（bicuculline, BIC）诱导高代谢状态27，而通过添加河豚毒素（tetrodotoxin, TTX）可诱导低代谢状态，后者最终导致细胞死亡28。记录系统采用的是与电子活动测量相同的定制多通道电子设备。
与之前的情况不同，本实验使用了两个专用通道来记录由细胞代谢活动引起的缓慢变化。每个通道均由一个简单电路组成，该电路包含两个主要部分：一个带有1 MΩ反馈电阻的I/V转换器和一个截止频率为10 Hz的低通滤波器。晶体管的偏置条件为VDS = VGS = -1 V，所有测量均在法拉第笼内进行，以尽量减少外部噪声对记录信号的影响（考虑到细胞代谢活动引起的电流波动非常微弱，这一点尤为重要）。实验过程中，细胞培养物维持在低缓冲培养基中，整个系统置于受控环境中（37 °C，并持续通入CO2/空气混合气体）。正如预期，只有对pH敏感的OCMFET电流能够被25 µM BIC的加入所调节。这一点进一步通过细胞代谢活动变化所引发的电流变化得到证实。
在加入10 µM TTX后重复了相同的实验，结果导致细胞代谢逐渐减慢。加入TTX后，无论是对pH敏感的OCMFET还是对pH不敏感的OCMFET均未显示出任何响应，从而证明了该方法的有效性。这些结果表明，所提出的功能化方法具有良好的有效性，并且其相对稳定性可维持长达2周。从所提出的实验（包括电生理活性和代谢活性实验）中可以得出一个重要结论：通过在同一培养区域内选择性地对不同的OCMFET进行功能化，可以制备出多种类型的传感器。这一特点在用于细胞应用的生物传感领域中是一项非同寻常的成就，因为在同一细胞培养体系中能够监测多种参数，对于更全面地表征这些生物系统的复杂性至关重要。
<img alt="用于代谢和电活动检测的OCMFETs示意图；晶体管沟道；控制栅极；源漏电极。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62907/62907fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图1"> 
图1：用于电活性细胞代谢和电活动监测的16通道MOA顶视图。 比例尺 = 1 cm。缩写：OCMFETs = 有机电荷调制场效应晶体管；FG = 浮栅；S/D = 源极/漏极；MOA = 微型OCMFET阵列。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62907/62907fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="用于代谢和电生理活动监测的OCMFET器件示意图，展示其制备步骤与各功能层结构。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62907/62907fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图2"> 
图2用于电活性细胞代谢和电学监测的微电极阵列（MOA）主要制备步骤。 (A 和 B) 采用标准的光刻工艺对蒸镀的钛薄膜进行图形化，以制备OCMFET的浮栅。C) 沉积15 nm厚的聚对二甲苯C（Parylene C）。该层与天然形成的Ti氧化物共同作为晶体管的栅极介质。D 和 E使用氧气等离子体处理对聚对二氯苯层进行图案化。通过图案化的光刻胶层选择性暴露用于电记录的传感区域以及浮栅背接触区域。F) 顶部金电极的图形化，即源极、漏极、控制栅极和浮栅背接触电极。采用自对准技术以提升器件的电学性能。G-I在用于代谢活性监测的OCMFETs传感区域上沉积第二层聚对二甲苯C。经氧气等离子体处理后，该层将作为pH敏感膜。J). (K完整微有机电荷调制场效应晶体管阵列（MOA）在沉积有机半导体（TIPS 并五苯）及定位细胞培养腔室后的横截面示意图。缩写：OCMFETs = 有机电荷调制场效应晶体管；FG = 浮栅；S/D = 源极/漏极；MOA = 微有机电荷调制场效应晶体管阵列；CG = 控制栅；PET = 聚对苯二甲酸乙二醇酯；Par C = 派瑞林 C；TIPS = 6,13-双(三异丙基硅乙炔基)并五苯；ABS = 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62907/62907fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="微电极阵列检测装置；去甲肾上腺素对离子通道活性作用的图示" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62907/62907fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图3"> 
图3：使用膜片钳阵列（MOA）记录细胞电活动。 (A) 贴附于微电极阵列表面的大鼠心肌细胞融合培养物（8 DIV），在记录结束后经固定并针对肌节蛋白原肌球蛋白进行免疫染色（上插图）。下插图：使用OCMFET测量的单个心肌细胞信号示例。比例尺 = 150 µm. (B) 心肌细胞培养物电活动的化学调控。加入100 mM去甲肾上腺素导致电活动加速，而加入100 mM维拉帕米则导致电活动抑制。左图：搏动频率的调节；右图：5个OCMFET器件的统计结果——平均值与标准差：4分钟内基础状态（129 ± 4.6）、去甲肾上腺素介导（280 ± 28.6）和维拉帕米介导（15 ± 1.9）的放电次数。C) 心电信号传播过程的重建。右侧：培养物的自发活动栅格图，显示信号从位点14传播到位点41（右侧）。D大鼠胚胎纹状体细胞的动作电位（21 天体外培养）。该图已从 18缩写：OCMFET = 有机电荷调制场效应晶体管；MOA = 微型OCMFET阵列；NE = 去甲肾上腺素；VER = 维拉帕米；DIV = 培养天数 体外. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62907/62907fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="pH敏感型OCMFET分析；电流-时间关系图、半导体布局、显微图像。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62907/62907fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图4"> 
图4使用MOA进行代谢活性记录 (的响应ApH敏感的和（B对MOA添加pH不敏感通道 25 µM BIC 在添加前后的变化 10 µM TTX加入后，pH敏感型通道的行为变得与pH不敏感型通道相似。特别是由于TTX诱导的细胞死亡，加入BIC后无法观察到电流变化。C用于代谢活性记录的MOA。pH敏感型和pH非敏感型OCMFET分别用绿色和红色标出。插图：培养15天后在器件上生长的健康海马神经元。比例尺 = 50 µm此图已根据原图修改 26缩写：OCMFET = 有机电荷调制场效应晶体管；MOA = 微型OCMFET阵列；BIC = 荷包牡丹碱；TTX = 河豚毒素；DIV = 培养天数 体外. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62907/62907fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

在此，我们介绍一种基于有机电荷调制场效应晶体管（OCMFET）器件的制备方案 体外 细胞互接。该装置称为微型OCMFET阵列，是一种柔性、低成本且无需参比电极的设备，可用于监测电活性细胞培养物的电生理与代谢活动。

现代电生理学的发展一直得益于日益先进的工具和材料的同步进步。反过来，这些技术的进步又推动了……

该方法为细胞分析领域提供了一种创新性解决方案。目前该领域尚缺乏兼具多参数检测、生物相容性、机械柔顺性以及低成本等优点的合适记录系统。利用该方法，可获得具备不同传感功能的检测系统，例如仅使用一种有机电子器件即可同时监测细胞的电生理活性和代谢活性。体外多参数检测系统不仅有助于减少动物活体实验，还在个性化医疗、神经退行性疾病研究等多种生物医学领域展现出极大的应用前景。由于有机电荷、调制场效应晶体管具有高度的多功能性，因此还可以集成其他传感器，例如用于检测不同生物标志物体积的传感器。从新的250微米厚PET片材上裁剪出6厘米×6厘米的正方形片，然后用丙酮、异丙醇和去离子水冲洗PET基底。用氮气流吹干，并将其存放在洁净的塑料培养皿中。进行钛沉积时，先用氧气等离子体清洗基底，然后将其放置在热蒸发仪后室腔体内的基底托架上。接着，将60毫克钛放入坩埚中，关闭快门，并对蒸发腔抽真空至达到10⁻⁶托。逐渐提高蒸发仪的功率，直至坩埚发红，随后等待30秒。然后，打开快门，将功率调至60%，并等待60秒。60秒后，关闭快门并降低功率。进行图案化时，将基底逐个放置在通风橱内的旋涂仪上。使用一次性塑料移液管，在基底上滴加四毫升光刻胶，通过文中所述的旋涂参数获得厚度为两微米的光刻胶层。将基底置于加热板上对光刻胶进行前烘，随后将基底存放在用铝箔包裹的培养皿或塑料容器内。接着，将基底放入布拉马光刻机中，将具有目标浮栅布线图案的塑料光刻掩模置于基底上，从上方用紫外光照射掩模一分钟。然后小心取下掩模，注意尽量减少掩模在基底表面的横向移动，将基底浸入盛有显影液的玻璃容器中，显影10秒。随后迅速用去离子水冲洗，再将暴露的钛层浸入钛刻蚀液中刻蚀15秒，接着再次用去离子水冲洗，并用氮气吹干。通过光学方法检查基底，并用丙酮去除光刻胶。然后用异丙醇和去离子水冲洗基底，并用氮气吹干。进行栅极介电层沉积时，将300毫克聚对二甲苯C二聚体放入聚对二甲苯涂覆仪中，并设定压力值。沉积完成后，用丙酮、异丙醇和去离子水清洗基底，并如前所述用氮气吹干。如先前所示，在基底上涂覆光刻胶后，将基底放入溴曝光仪中，并在体视显微镜下将塑料光刻掩模准确放置在基底上以进行偏置。从上方进行一分钟紫外光曝光后，小心地按先前方法移除掩模。按先前方法显影光刻胶，然后将带有图案化光刻胶的基底暴露于氧气等离子体中，以去除传感区域上的聚对二甲苯C（Parylene C）。将基底放入盛有丙酮的玻璃容器中，置于超声波清洗仪内处理10秒，以彻底去除光刻胶，随后依次用丙酮、异丙醇和水冲洗基底，并用氮气吹干，操作方法如前所述。如前所述，在基底上涂覆光刻胶后，将基底放入Burmograph设备中，并在基底上放置带有简单黑色矩形图案的塑料光刻掩模，确保完全覆盖晶体管区域。从上下两面小心地进行一分钟紫外光曝光后，小心取下掩模，并按照之前所述方法显影光刻胶。使用温和的等离子体处理清洁基底，以促进金属在聚对二甲苯C上的附着，然后将基底放置于热蒸发仪真空腔室内的基底支架上。在坩埚中放入30毫克金，关闭快门，并将蒸发室抽真空至达到10⁻⁵托。逐渐提高蒸发仪的功率，直至坩埚发出红光，随后等待30秒。打开快门，将功率调至40%，等待60秒。然后关闭快门并降低功率。将基底放入超声波清洗仪中的丙酮容器内，处理10秒，以剥离光刻胶，从而去除晶体管沟道中的金。按照之前演示的方法，对基底进行冲洗、干燥，并涂覆光刻胶。将基底放入溴曝光仪（Bromograph）后，将带有预定的源极、漏极和控制栅极图案的塑料光刻掩模置于基底上。从上方进行一分钟紫外光曝光后，小心取下掩模，并按照先前演示的方法显影光刻胶。将暴露的金层浸入金刻蚀液中刻蚀10秒，随后用去离子水冲洗，并如示用氮气吹干。光学检查基底后，用丙酮去除光刻胶，再用异丙醇和去离子水冲洗，并用氮气吹干。在基底上涂覆光刻胶后，将基底和溴图仪定位，然后在基底上放置一个塑料光刻掩模，其开口对应于OCMFET的pH传感区域。从上方进行一分钟紫外光照射后，小心取下掩模，操作方式如前所述。按照之前的方法显影光刻胶，然后用聚酰亚胺绝缘胶带保护整个器件，仅暴露pH传感区域，并根据文中所述参数在基底上沉积500纳米厚的聚对二甲苯C（Parylene C）层。小心去除聚酰亚胺绝缘胶带后，将基底暴露于氧气等离子体中，以活化OCMFET器件pH传感区域上的聚对二甲苯C层。然后，将基底放入超声波清洗仪中的丙酮容器内处理10秒，以彻底去除光刻胶。用丙酮和异丙醇冲洗基底，并用氮气吹干。将基底置于50摄氏度的加热板上，随后在每个沟道区域滴加一微升半导体溶液。用盖子盖住整个基底，并在化学通风橱中干燥 30 分钟。从 PET 上裁剪出器件，可手动操作或使用激光切割机。将贴附在 MOA 表面的汇合生长的大鼠心肌细胞培养物针对肌节蛋白原肌球蛋白进行免疫染色。此处展示的是使用OCMFET测量的单个心肌细胞信号示例。该设备能够检测细胞的自发性电活动，以及在施加不同化学物质或药物后诱导产生的电活动。得益于MOA的阵列配置，可估算心脏信号在细胞培养物中的传播速度。OCMFET 还能够以显著的稳定性及良好的信噪比放大神经元场电位。MOA 的 pH 敏感通道与 pH 不敏感通道在经荷包牡丹碱和河豚毒素化学刺激后表现出的不同反应，证明了该器件区分不同细胞代谢状态的能力。在 fabrication 方案的每一步之前，都应仔细检查基底。这将显著提高该工艺的产率。通过采用不同的功能化方法，可以获得可用于“芯片实验室”和机器人皮肤等应用的化学和物理传感器。

in-vitro-multiparametric-cellular-analysis-micro-organic-charge

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

体外 通过微有机电荷调制场效应晶体管阵列进行多参数蜂窝分析

本文描述了一种组合功能性筛选方法，用于深入了解微环境分子组成对细胞功能的影响。该方法利用现有的基于微阵列的技术，构建支持细胞黏附和功能分析的、具有明确组合特征的微环境阵列。...

微环境微阵列（MEArrays）的制备与应用

我们开发了一种用于微尺度细胞刺激实验的自动化细胞培养与检测平台。该平台在培养和刺激少量细胞群体以及回收裂解液用于分子分析方面，具有操作简便、功能多样和控制精确的优点。该平台非常适合使用珍贵细胞和/或试剂的研究。...

一种用于微尺度细胞刺激实验的多功能自动化平台

本方案综述了电细胞基底阻抗传感技术，该方法用于记录和分析贴壁细胞的阻抗谱，以定量检测细胞黏附、增殖、运动性以及细胞对药理和毒性刺激的反应。重点强调内皮细胞通透性的检测以及细胞间和细胞-基底相互作用的评估。...

用于定量分析内皮细胞增殖、屏障功能及迁移活性的细胞电阻传感技术

已开发出多种微流控装置用于趋电性研究。然而，这些芯片均无法有效研究化学因素与电场（EF）对细胞的联合作用。我们开发了一种基于聚甲基丙烯酸甲酯的装置，可在趋电性研究中实现对共存电场与化学刺激的更精确控制。...

使用多通道双电场微流控芯片研究肺癌细胞的电趋性

本文描述了用于量化贴壁细胞与微结构基底之间机械相互作用的实验方案。这些相互作用与细胞迁移、增殖、分化和凋亡等基本细胞行为密切相关。本方案介绍了一款名为 MechProfiler...

微柱阵列上简便而精确的力学表征

细胞分化受到多种微环境因素的调控，包括基质成分和基底材料特性。本文介绍一种技术，该技术结合细胞微阵列与牵引力显微镜，用于评估在不同微环境背景下细胞的分化状态以及细胞与基底之间的生物力学相互作用。...

一种用于细胞分化与牵引力相关性分析的高通量细胞微阵列平台

我们展示了一种“卡扣芯片”技术，通过简单地将两张载玻片卡合，即可实现无交叉反应的多重夹心免疫测定。该技术使用一种卡扣装置，可可靠地将试剂从一个微阵列转移至另一个微阵列。这种卡扣芯片可用于任何需要不同试剂共定位且避免交叉污染的生化反应。...

用于无交叉反应和无点样多重夹心免疫测定的Snap Chip

本方案描述了一种通用策略，用于再生市售的阵列式金微电极，该电极专为无标记细胞分析仪设计，旨在降低基于微芯片检测的高昂运行成本。再生过程包括胰蛋白酶消化、乙醇和水冲洗以及离心步骤，可实现微芯片的重复使用。...

用于实时细胞分析仪的阵列式金微电极的再生

本文描述了制备用于高通量操控模拟物理与化学信号的多重人工细胞微环境（MACME）阵列的详细方法 体内...

构建多重人工细胞微环境阵列

本文所述方法的目的是展示如何制备微环境微阵列（MEMA），并利用其研究数千种简单组合微环境对培养细胞表型的影响。...

利用微阵列技术探究肿瘤微环境对细胞表型的影响

体外微核试验是一种评估遗传毒性和细胞毒性的成熟方法，但使用手动显微镜计数该试验费时费力，且存在主观性及不同评分者之间的变异性。本文描述了一种利用多光谱成像流式细胞术实现该试验完全自动化的操作方案。...

一种利用多光谱成像流式细胞术进行体外微核试验的自动化方法

了解使用微有机电荷调制场效应晶体管阵列进行多参数细胞分析的方法。该技术可同时监测电生理和代谢活动，为神经科学和生物医学工程研究提供低成本、灵活的体外检测方案。

体外基于微米级有机电荷调控场效应晶体管阵列的多参数细胞分析

探索更多视频

体外 基于微米级有机电荷调控场效应晶体管阵列的多参数细胞分析

探索更多视频

体外基于微米级有机电荷调控场效应晶体管阵列的多参数细胞分析