硅–聚合物芯片分别记录 pH 与神经电活动

在同一培养区整合两类电学传感器

体外神经模型的功能评价需要记录细胞电活动，也需要了解培养环境是否发生变化。代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）与莱顿大学医学中心（Leiden University Medical Centre）团队开发硅–聚合物混合器件，希望把不同类型的电学监测放在同一培养区内。

芯片外围的硅框架承载晶体管及其连接端，中央透明聚合物膜用于细胞培养和光学观察。浮栅电极延伸至这一培养区，既可通过电荷变化影响晶体管电流，也可作为被动微电极记录细胞外电信号。芯片包含 8 个浮栅晶体管传感单元，本次 pH 检测受配套设备能力限制，只使用其中 1 个。

浮栅晶体管把表面电荷变化转换为电流

浮栅场效应晶体管（floating-gate field-effect transistor，FG-FET）的浮栅不直接接收外加电压，而是通过电容与控制端及电极附近环境耦合。溶液中的离子改变感测表面的电荷状态，进而改变晶体管阈值电压和漏极电流。研究用电双层和表面结合模型描述这一转换关系，并与标准溶液实验比较。

传感区使用电极表面的天然氧化钛层感知 pH 变化。研究还开发了便携测量单元，把晶体管电流转换为电压，经数字转换后通过蓝牙传输数据。这套装置用于 pH 实验；神经细胞电活动实验则连接商业微电极阵列记录系统，分别检验两种感测模式。

标准溶液测试显示秒级响应和可逆变化

研究用 pH 为 4、7、9 的标准缓冲液比较电流响应。更换标准溶液后，传感器可以回到接近初始状态；标准溶液校准共进行 15 次测量，平均响应时间为 5.48 秒，标准差为 1.3 秒。

在另一块芯片上，作者还测试了较小的 pH 改变，记录到 0.1 个 pH 单位变化对应的信号。更低的检测下限需要更高电流分辨率的测量设备。模型计算与实验呈现相同变化趋势，但计算中加入了拟合参数，用于处理表面层厚度、滞留电荷等未完全确定的因素。

不同晶体管的初始电流和阈值电压可能受尺寸及制造差异影响。因此，作者提出每个传感器应先用已知 pH 的溶液单独校准，再用于生理环境中的测量。多电极同时工作还可能带来串扰和额外噪声，这一问题仍需在后续器件中处理。

微电极记录到人源神经细胞的自发放电

为检验生物相容性，研究使用人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）来源的神经细胞，在芯片上分化和成熟。培养后可见 β3-tubulin 和突触囊泡相关染色，说明细胞能够在该界面维持神经表型。透明培养区也使显微观察与电极记录能够使用同一器件。

微电极记录到细胞的自发放电。作为参考药理干预，研究用 picrotoxin 改变抑制性神经信号后，观察到放电率由 0.31 ± 0.10 Hz 增至 1.38 ± 0.25 Hz，并出现簇发样事件。均值来自 3 次记录；这一比较检验的是器件能否记录神经活动变化，没有建立不同治疗药物的筛选性能。

两种模式的同步测量仍属于后续工作

本研究分别证明器件能够区分不同 pH 的标准溶液，以及记录细胞外神经电活动。作者把在同一芯片上同步获得两类信号列为后续目标；直接跟踪真实细胞培养液的 pH 随时间变化，也尚待进一步实验。

作者提出，后续可将该器件接入器官芯片平台，用于多器官模块的生物信号监测。