林原博士（左）和褚智勤博士（右）

細胞功能與結構解析一直是生命科學研究的關鍵，而其中活細胞無標記檢測技術開發一直是生物分析科學發展的核心熱點。然而,現今的技術經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測領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導的研究團隊針對上述問題，開發了一種基于GaN光學芯片的高度集成、低成本微型光學顯微傳感系統，實現了在空間受限的情況下，高濕度細胞培養箱內無標記細胞活動的監測與分析。團隊并成功將新技術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。團隊已為發明申請美國臨時專利。

相比于傳統的以熒光分子、核素等標記分子為基礎的有源標記檢測技術，無標記檢測技術可以最大程度地減少對靶分子、細胞或者組織的功能和結構產生影響，從而揭示檢測樣本本征狀態下的信息。

目前，主流商業化的無標記活細胞檢測技術包括以電阻抗測量為基礎的微電子傳感技術，該技術利用活細胞與檢測板孔中微電極相互作用，產生電阻抗的改變來定量活細胞狀態。然而，這種微電場可能會給一些電信號敏感的樣品（神經，心肌）帶來潛在的環境干擾。

近些年以倏逝波為基礎的生物友好、無標記光學傳感技術（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、場地尺寸及測試環境的要求很高，極大地限制了它在多場景、復雜環境下的推廣應用。

團隊合作開發的光學芯片，是高度集成及低成本的微型光學顯微傳感系統，能夠實時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，實現了對細胞培養箱中無標記細胞活動的監測與分析。

該系統核心是一種單片綠光“發光二極管-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光收集效率。

該芯片具有片上光電探測能力，能夠實時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，實現對細胞形貌和運動的在線追蹤。該系統結合對此類細胞的實時折射率和細胞形態的分析，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域的發展，特別是這種基于芯片傳感和光學成像結合的策略形成的光芯片顯微傳感系統（chipscope），將為生物傳感器的設計和發展提供新的思路。

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

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