生体細胞の特性評価と追跡のための CMOS ベースの静電容量センサー マトリックス

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13839 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

バイオセンサーを使用した生体細胞の特性評価と追跡は、多くの科学分野、特に細胞培養モニタリングに必要です。 静電容量センサーは、生体細胞の位置、形状、静電容量などの多くの特徴を抽出できるため、優れたソリューションを提供します。 この研究を通じて、リングオシレーターベースのピクセル読み出し回路 (PRC) を利用した容量性センサー (CSM) のマトリックスで構成される CMOS ベースのバイオチップが設計され、シミュレーションされ、前述のデータに基づいて単一の生物学的細胞を追跡および特徴付けることができます。さまざまな機能。 提案されたバイオチップは、単一の肝細胞癌細胞 (HCC) と単一の正常肝細胞 (NLC) を特徴付けるためにシミュレートされます。 COMSOL Multiphysics を使用して、HCC および NLC の静電容量値を抽出し、検体からさまざまな距離で CSM の性能をテストしました。 HCC および NLC の抽出された静電容量値を検出する PRC の機能は、Virtuoso アナログ設計環境を使用して評価されます。 MATLAB R2022a スクリプトを使用して、同時に CSM の静電容量の読み取り値に応じて、テストされた生体細胞の位置と形状をアニメーション化し、予測する新しいアルゴリズムが開発されました。 両方のモデルの結果、CSM から測定された静電容量と読み出し回路からの相関周波数は、HCC と NLC を特徴づけて区別するバイオチップの能力を示しています。

物理的アクチュエータや細胞培養条件下での細胞の動きと成長を監視し視覚化することは、多くの生物学者にとって重要なアプリケーションです1。 バイオセンサーは、汗、涙、唾液、間質液などの生体液中の生体細胞の物理的特性を動的かつ非侵襲的に測定することで、継続的なリアルタイムの生理学的情報を提供できるため、広く使用されています2。 さらに、高精度、速度、携帯性、低コスト、低消費電力を実現します2。 これは、このようなアプリケーションに関して統合チップを、より複雑で移植性に欠け、コストが高い顕微鏡画像の画像処理などの従来の方法とは区別します3。

さらに、これらの従来の技術は、サンプル前処理にいくつかの手順を必要とするため、時間がかかります。 これらは有毒な場合があるため、継続的な読書には不向きであり、より広範囲の領域が必要になります4。

相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) テクノロジーに基づいてバイオセンサーを実装すると、高いスループットが得られます1。 CMOS テクノロジーには、多数のセンサーとそれに関連する電子回路を取り付けて単一のラボオンチップ (LOC) を作成できるなど、他にも多くの利点があります。これにより、DNA 分析 5、がん検出 6,7 などの生物学的分析にかかる時間を短縮できます。 、継続的なグルコースモニタリング8および神経化学的検出9。

CMOS ベースの静電容量センサーはコンパクトであるだけでなく、多くの生物学的アプリケーションに対して高感度であるという特徴もあります4。 容量センサーは、容量電極上または容量電極間の誘電変化の検出に依存しています。 細胞が容量センサーの上に導入されると、細胞膜内のイオン雲により誘電変化が発生します10。 この変化は非常に小さいため、影響を受けやすい容量性読み出し回路を使用して測定する必要があります。

CMOS ベースの容量性センサーの分野におけるこれまでの研究は、分析物の特性評価またはイメージングに焦点を当てていました。 セネヴィラスナ、バティヤ・プラシャン、他細胞の増殖と接着を定量化するための CMOS ベースの容量性アレイを開発しました 11,12。 ナボバティら。 は、継続的な接着細胞の増殖を監視するために CMOS ベースの容量性アレイを設計しました 13。 クニオットら。 は、単一の細菌細胞を検出するための CMOS ベースの容量性アレイを設計しました 14。 張ら。 は、欠陥検出用の画像ベースの静電容量センサーを設計しました15。 ラボルドら。 は、微粒子と生細胞を画像化するための高密度容量性センサーアレイを開発しました16。