Емкостная сенсорная матрица на основе КМОП для определения характеристик и отслеживания биологических клеток

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13839 (2022) Цитировать эту статью

1811 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Характеристика и отслеживание биологических клеток с помощью биосенсоров необходимы для многих научных областей, в частности для мониторинга клеточных культур. Емкостные датчики представляют собой отличное решение благодаря своей способности извлекать многие характеристики, такие как положение, форма и емкость биологических клеток. В ходе этого исследования был разработан и смоделирован биочип на основе КМОП, который состоит из матрицы емкостных датчиков (CSM), использующей схему считывания пикселей (PRC) на основе кольцевого генератора, для отслеживания и определения характеристик отдельной биологической клетки на основе ее вышеупомянутых характеристик. разные особенности. Предлагаемый биочип моделируется для характеристики одной клетки гепатоцеллюлярной карциномы (HCC) и одной нормальной клетки печени (NLC). COMSOL Multiphysicals использовался для извлечения значений емкости HCC и NLC и тестирования производительности CSM на разных расстояниях от аналита. Способность PRC обнаруживать извлеченные значения емкости HCC и NLC оценивается с использованием среды Virtuoso Analog Design Environment. Разработан новый алгоритм для анимации и прогнозирования местоположения и формы тестируемой биологической клетки в зависимости от показаний емкости CSM одновременно с использованием сценария MATLAB R2022a. Результаты обеих моделей, измеренная емкость CSM и коррелированная частота схемы считывания, показывают способность биочипа характеризовать и различать HCC и NLC.

Мониторинг и визуализация движения и роста клеток в условиях физического привода или культуры клеток являются критически важными приложениями для многих ученых-биологов1. Биосенсоры широко используются благодаря их способности предоставлять непрерывную физиологическую информацию в режиме реального времени посредством динамических, неинвазивных измерений физических свойств биологических клеток в биожидкостях, таких как пот, слезы, слюна и интерстициальная жидкость2. Кроме того, они обеспечивают высокую точность, скорость, портативность, низкую стоимость и низкое энергопотребление2. Это отличает интегрированные чипы для таких приложений от традиционных методов, таких как обработка микроскопических изображений, которые более сложны, лишены портативности и стоят дороже3.

Кроме того, эти традиционные методы отнимают много времени, поскольку требуют нескольких этапов подготовки проб. Иногда они токсичны, что делает их непригодными для непрерывного чтения и требует более обширной площади4.

Внедрение биосенсоров на основе технологий дополнительных оксидов металлов и полупроводников (КМОП) обеспечивает высокую производительность1. Технология КМОП имеет множество других преимуществ, таких как возможность установки большого количества датчиков с соответствующими электронными схемами для создания единой лаборатории на кристалле (LOC), что сокращает время, затрачиваемое на биологические анализы, такие как анализ ДНК5, обнаружение рака6,7. , непрерывный мониторинг уровня глюкозы8 и нейрохимическое обнаружение9.

Емкостные датчики на основе КМОП не только компактны, но и обладают высокой чувствительностью для многих биологических приложений4. Емкостные датчики основаны на обнаружении изменения диэлектрической проницаемости над или между емкостными электродами. Диэлектрическое изменение происходит из-за ионного облака в клеточной мембране, когда ячейку помещают над емкостными датчиками10. Это изменение незначительно и поэтому требует измерения с использованием чувствительной емкостной схемы считывания.

Предыдущие работы в области емкостных датчиков на основе КМОП были сосредоточены на определении характеристик аналитов или визуализации. Сеневиратна, Батия Прашан и др. разработали емкостную матрицу на основе КМОП для количественной оценки пролиферации и адгезии клеток11,12. Набовати и др. разработали емкостную матрицу на основе КМОП для мониторинга непрерывного роста адгезивных клеток13. Куниот и др. разработали емкостную матрицу на основе КМОП для обнаружения отдельной бактериальной клетки14. Чжан и др. разработала емкостный датчик на основе изображений для обнаружения дефектов15. Лаборде и др. разработали емкостную сенсорную матрицу высокой плотности для получения изображений микрочастиц и живых клеток16.