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

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。