激光共聚焦荧光显微镜电学、电化学参数检测功能开发wg2011060

项目名称：用于细胞研究的激光共聚焦荧光显微镜电学、电化学参数检测功能开发wg2011060

项目承担单位：中科院上海微系统与信息技术研究所

一、【项目概述】

激光共聚焦显微镜具有较高的空间分辨率，是生物学特别是细胞生物学研究的重要技术手段。与光学检测方法相比，电学和电化学检测方法具有更高的时间分辨率，且便于长时间持续观测细胞的功能，能够弥补激光共聚焦显微成像时间分辨率较低的缺陷。本项目基于激光共聚焦显微镜系统开发能够同时对细胞进行光学、电学、电化学高灵敏检测的系统，该系统将多通道电学检测模块和电化学检测模块集成到激光共聚焦显微镜系统中，能对细胞进行多参数的实时分析，适用于细胞生物学的基础研究和神经生物学研究，可推广应用于细胞学或神经生物学的研究机构、临床病理学实验室以及大型药物研发公司等。

 

二、【功能开发内容】（包括主要的创新技术、项目组的工作重点等）

本项目的主要特色是集成创新。激光共聚焦显微镜具有较高的空间分辨率，但图像获取速率较慢。而微电极阵列便于同时监测多个单细胞的电学行为，而且电学检测自身具有较高的时间分辨率，这将弥补激光共聚焦显微镜的不足，使整个系统不但具有高空间分辨率还具有高时间分辨率，从而为细胞生物学研究提供了新的更为强大的技术手段。激光共聚焦显微镜系统包含多个部件，较为复杂，为了能够和电学、电化学检测模块联用，接口是关键。本项目基于含有微电极阵列的微流控芯片研制自动进样装置和与外围电路的接口，并设计适用于芯片的多通道外围放大和数据采集模块，在激光共聚焦显微成像的同时实现电学、电化学检测。本项目的工作内容包括：1） 含有微电极阵列的微流控芯片的设计和加工制作；2） 自动化液体分配模块的设计和加工制作；3） 微流控芯片固定架的设计和加工制作；4） 电学、电化学检测模块的设计和加工制作；5） 数据的整理和分析。

 

 

三、【取得效果】（包括各阶段的关键难题及解决办法、达到的效果）

1.   集成微电极阵列的微流控芯片的设计与制作

研制了能够便于进行荧光显微成像和多通路电学检测的细胞芯片。先在石英玻璃上制作金或石墨烯的微电极阵列（MEA），然后将含有细胞培养腔室结构的PDMS膜片与MEA基片键和形成MEA细胞芯片。每个腔室体积小于20nl。

图1. 集成金微电极阵列的细胞芯片

 

2.   微弱电信号的检测

多通道电压信号检测采用两级放大，MEA细胞芯片嵌入含有前置放大电路的铁盒中，各通路的电压模拟信号被前置放大器放大1000倍后输入后一级放大器进行数模转换和进一步放大。电化学信号的检测利用恒电位仪实现。

多通路电学检测模块设计如图能够同时进行64通道电压信号检测，每个检测通道的采样率为30KHz，能够检测10微伏以下的电压信号。电化学检测模块能够检测设定电压下的电流信号，能够检测纳安级以下的信号。

图2. MEA上64个电极位点的电压信号输出

图3. MEA芯片TiN微电极作为工作电极在浓度为0.01mol/l的PBS溶液的循环伏安图。

 

3.   系统整体构建

含前置放大电路的铁盒中间开孔，可嵌入MEA细胞芯片，并便于置于激光共聚焦显微镜下观察记录。与MEA细胞芯片接触的金属提供恒定的温度控制（精度0.1ºC），通过精密注射泵控制芯片中液体的流动与分配，从而提供细胞生长所需必要条件。

图4. 能同时进行多通道电学检测和电化学检测的激光共聚焦显微成像系统

 

 

4.        系统用于细胞学研究

系统检测MEA细胞芯片上培养21天的神经元的显微照片和动作电位见图5.

图5.  用MEA细胞芯片检测大鼠大脑皮质神经元（培养第21天）。(A) 荧光显微镜照片；（B）两个电极位点的自发动作电位实时记录；（C）B中两个动作电位放大；（D）诱发动作电位记录