基于dfp-ito电极的细胞阻抗传感器及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于细胞阻抗传感器技术领域，具体涉及一种基于DFP-IT0电极的细胞阻 抗传感器及其应用，所述应用具体涉及利用该细胞阻抗传感器实现细胞形态学和阻抗信息 的同时检测。
【背景技术】
[0002] 细胞阻抗传感器作为一种具有连续性、无侵袭性特点的体外细胞分析技术能够对 细胞粘附、增殖、凋亡等生物学行为进行检测，在药物筛选、毒物测试、细胞生理参数分析研 宄等领域中得到广泛研宄及应用。
[0003] 细胞阻抗传感器技术最先由Giaever和Keese等报道，该技术构建的细胞阻抗生 物传感器由一对金材质的双电极系统构建，包括一个面积为250ym直径的工作电极和一 个大面积的对电极。当细胞在电极表面发生形态学改变时，细胞作为具有频率依赖性的电 学元件，它的存在导致系统的阻抗谱发生改变，通过对系统阻抗谱进行解析来获取细胞对 应的生物学行为，该技术被称为电子细胞-基底阻抗传感技术（electriccell-substrate impedancesensing,ECIS)。在细胞阻抗传感器研宄中，金电极具有优良的导电性、生物相 容性而被广泛用于检测细胞粘附、增殖、肿瘤细胞间质转化、细胞对药物响应等信息，其基 本策略是将测量得到的阻抗数据谱数据与理论等效电路拟合来间接获取细胞信息，具有无 侵入性、连续性检测的优点。然而以贵金属金作为电极材料，不但成本高，而且透光性差，限 制了金材料电极上细胞形态学的观察。而事实上，细胞的形态学数据是一类重要的细胞生 物学行为信息，通过形态学数据获取细胞的增殖、凋亡、亚细胞微观结构、细胞蛋白表达等 信息。相比阻抗学数据，形态学数据更为直观、更易理解。因此，构建一种能够同时获取细 胞的阻抗信息和形态学的细胞阻抗生物传感器将有助于提高生物传感器的准确性和多功 能性。
[0004] 铟锡氧化物（IT0)具有良好透光性、生物相容性的导电材料，因此可作为一种电 极材料构建各种细胞生物传感器。IT0导电膜通过平面磁控技术溅射在玻璃表面，具有表面 电阻均匀、良好透光率和热稳定性，市场上可获得不同导电率的商品化IT0导电玻璃。IT0 能够在中性电解质溶液中保持电势稳定性，因此可作为电极材料检测培养环境中的细胞的 电学特性，同时IT0电极材料良好的透光性能与光学显微镜集成，通过数字图像技术获取 IT0电极上细胞的形态学信息。此外，现有技术中已报到了将聚硅氧烷树脂涂覆的IT0微电 极用于记录神经元细胞峰电位的应用，及通过光刻技术和反应离子蚀刻技术加工光学透明 的IT0氮化硅电极作为内皮细胞阻抗生物传感器的应用，并且研宄发现，IT0电极材料比金 电极具有更优的透光性，能够检测细胞松弛素D对猪肺动脉内皮细胞的响应行为。尽管上 述研宄报道了IT0电极材料在细胞阻抗生物传感器的应用价值，但IT0电极加工需依赖昂 贵的溅射和光刻设备，且工艺复杂，限制了IT0电极在细胞阻抗生物传感器的制备及推广。
[0005] 基于上述原因和现有的技术，仍然需要进一步开发及优化IT0电极及其制备方 法，使其工艺简单、制作成本降低，广泛适用于细胞阻抗生物传感器，并且实现细胞形态学 和阻抗信息同时检测。
【发明内容】
[0006] 感光干膜作为一种光聚合物材料主要应用于印刷板电路板工艺。相对于液体光刻 胶，感光干膜具有诸多优势，如良好的适应性，基材粘附性、平整性、感光材料均匀分布性、 低曝光功耗及低成本。更为重要的是，感光干膜光刻不需要超洁净空间和昂贵的光刻设备， 作为液态光刻胶的替代物还可应用在微流体通道加工、电铸模具等。基于感光干膜的上述 特性，本申请的发明人发现将感光干膜应用于IT0电极加工，不仅不需要对IT0进行刻蚀， 降低了工艺复杂性，而且还降低了IT0电极的接触电阻，且能够获得最小直径为100ym的 IT0电极。采用感光干膜制备的感光干膜-ITO(DFP-ITO)电极作为细胞阻抗传感器能实现 细胞形态学和阻抗信息的双通道获取。本发明正是基于发明人的上述发现而完成的。
[0007] 因此，本发明首先提供了一种感光干膜-铟锡氧化物电极及其制备方法，该电极 透光性好，其制备方法简单；本发明的目的之二在于提供一种基于感光干膜-铟锡氧化物 (DFP-IT0)电极的细胞阻抗传感器，该细胞阻抗传感器结构简单，可实现细胞形态学和阻 抗信息的双通道获取；本发明的目的之三在于提供所述的基于DFP-IT0电极的细胞阻抗传 感器的应用，具体涉及利用该细胞阻抗传感器实现细胞形态学和阻抗信息的同时检测的方 法，该方法操作简单。
[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0009] 感光干膜-铟锡氧化物电极，包括导电基底层和位于所述导电基底层上的绝缘 层，所述绝缘层上设置有电极孔，所述导电基底层上还设置有引线接口，通过引线接口与电 源连接；所述导电基底层为铟锡氧化物导电玻璃，所述绝缘层为感光干膜。
[0010] 铟锡氧化物（IT0)具有良好透光性、生物相容性的导电材料，IT0导电膜通过平面 磁控技术溅射在玻璃表面，具有表面电阻均匀、良好透光率和热稳定性，市场上可获得不同 导电率的商品化IT0导电玻璃。IT0能够在中性电解质溶液中保持电势稳定性，可作为电极 材料检测培养环境中的细胞的电学特性，同时IT0电极材料良好的透光性能与光学显微镜 集成，通过数字图像技术获取IT0电极上细胞的形态学信息。因此，IT0电极具有实现细胞 阻抗谱信息和形态学信息同时检测的潜力。
[0011] 为实现细胞阻抗谱信息采集，需要加工IT0工作电极。现有技术中，加工IT0电极 主要采用两类方法：一类是top-down途径，即在IT0板上通过化学刻蚀加工出IT0电极；另 一类是bottom-up途径（approach)，即在图形化的基底上通过派射方式加工出IT0电极。 然而，蚀刻和溅射形成的IT0电极接触电阻较大，导致细胞阻抗传感器灵敏度降低；另外， 蚀刻和溅射途径加工IT0电极采用液态光刻胶作为电极图像牺牲层，以光刻技术为基础， 加工工艺、成本较高。
[0012] 感光干膜是一种基于丙烯酸酯的光聚合物，具有诸如良好的适应性、基材粘附性、 平整性、感光材料均匀分布性、低曝光功耗及低成本等特点，除应用于PCB工艺中，在其它 细胞生物学研宄领域中也有报道，如微流控芯片。然而，感光干膜的细胞生物相容性却未见 报道。本申请的发明人从细胞粘附和细胞毒性考察了感光干膜细胞生物相容性，结果显示 细胞能在感光干膜粘附并铺展，罗丹明123对细胞线粒体荧光染色显示粘附在感光干膜表 面的细胞具有良好的生物活性，说明感光干膜可为细胞提供适宜的生长界面。并且，实验发 现，未经曝光步骤的感光干膜细胞毒性显著高于经过曝光处理的感光干膜，且随孵育时间 延长，细胞毒性效率更为明显。
[0013] 本申请发明人将现有文献报道的采用IT0微电极构建细胞阻抗生物传感器涉及 到的加工工艺及参数与本发明的感光干膜-铟锡氧化物电极加工工艺进行比较，结果见表 1，本发明的以感光干膜作为绝缘层，以商品化IT0导电玻璃为基底，通过对感光干膜进行 选择性紫外照射、显影获得IT0电极的方法不需要对IT0进行刻蚀，降低了工艺复杂性和 IT0电极的接触电阻，且能够获得最小直径为100ym的IT0电极。
[0014] 基于感光干膜-铟锡氧化物电极的细胞阻抗传感器，包括感光干膜-铟锡氧化物 电极和测量小池，所述测量小池置于感光干膜-铟锡氧化物电极的电极孔上，并与电极孔 连通。以DFP-IT0电极为基础构建的细胞阻抗传感器能够耦合光学显微成像技术和电化学 阻抗谱技术，实现细胞形态学和阻抗信息的同时检测。在同一电极上获取的细胞形态学数 据和阻抗信息互为补充、验证，提高细胞信息检测的全面性和准确性。
[0015] 进一步，所述的细胞阻抗传感器，在所述测量小池与电极孔之间还设置有垫圈。垫 圈可以是硅胶环、橡胶环等，起防滑及防培养液渗漏的作用。
[0016] 进一步，所述的细胞阻抗传感器，还包括固定感光干膜-铟锡氧化物电极和测量 小池的夹具。为便于细胞培养及电化学阻抗谱测量，将DFP-IT0电极和测量小池通过夹具 固定。
[0017] 进一步，所述的细胞阻抗传感器，所述夹具包括上夹板和下夹板，所述上夹板和下 夹板通过螺栓连接。
[0018] 进一步，所述夹具可为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)夹具。
[0019] 进一步，所述的细胞阻抗传感器，所述感光干膜-铟锡氧化物电极的电极孔的直 径为 〇