组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
A549癌细胞活性/密度（A549 cell viability/density）；样品基质为金电极上三维溶胶-凝胶（alginate/MAPTrix/Matrigel）细胞培养体系
检测原理
该传感器以金丝网印刷电极为换能器，A549细胞与溶胶-凝胶共凝胶化形成三维细胞层。细胞膜及凝胶-细胞复合层构成界面屏障，改变K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6氧化还原对在电极表面的电子转移。当细胞密度、活性或增殖/死亡状态变化时，复合层厚度、孔隙和界面阻抗随之改变，使方波伏安峰电流发生可测变化。0.5 mM K3Fe(CN)6/10 mM KCl作为可逆氧化还原介质，提供电子媒介并增强界面信号；SWV快速扫描降低背景电流，提高信噪比。25% Matrigel体系中峰电流随细胞接种密度增加而升高，表明优化凝胶结构可增强三维细胞电学响应。
检测灵敏度
R^2 = 0.9785
效应效果
该传感器在25% Matrigel条件下信号增强最明显，含细胞凝胶SWV峰电流由1.95±0.04 µA升至3.09±0.07 µA（p<0.001）；海藻酸钠0.25%和1%分别由2.17±0.05 µA升至2.70±0.04 µA、由2.07±0.04 µA升至2.92±0.04 µA（p<0.01），胶原体系差异不显著（<5 µA）。25% Matrigel中无细胞与10^6 cells/mL峰电流为1.93 µA和3.28 µA，随细胞密度增加呈线性（R^2=0.9785）。活死染色显示0–10^6 cells/mL死细胞无显著增加，10^6 cells/mL存活良好。作者认为可实时监测细胞活性、弥补2D培养局限并用于高通量药物筛选；未报告RSD、回收率或与ELISA/HPLC/qPCR对比。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：金丝网印刷电极（gold screen-printed electrode, DropSens），Ø1.6 mm，工作电极面积2 mm²，三电极配置，提供电子转移动态界面
- 界面交联/粘附层：氯化钡-聚-L-赖氨酸（BaCl2-PLL），滴于金电极并干燥，提供Ba²⁺交联海藻酸钠并增强细胞附着
- 三维凝胶基质层：海藻酸钠（alginate, 0.25%–1%）、胶原I肽偶联贻贝粘蛋白水凝胶（MAPTrix HyGel, 0.5–4 wt%）或Matrigel（25%），形成3D支架并固定细胞
- 识别元件/全细胞层：A549肺癌细胞（A549 cells, 10^6 cells/mL），作为全细胞识别单元，其状态影响界面电子转移
- 细胞培养介质：RPMI 1640 + 10% FBS，维持A549细胞活性与三维培养
- 氧化还原介质/电子媒介：0.5 mM K3Fe(CN)6 + 10 mM KCl，提供可逆电子转移并放大界面阻抗变化
- 信号读出：电化学分析仪（CH Instruments model 1040）方波伏安（SWV）读取峰电流
中文摘要
本研究针对三维细胞基电化学生物传感器中信号有效性不足的问题，优化并评价了多种溶胶-凝胶体系与癌细胞共凝胶化条件。二维培养虽均一但难以模拟体内质量传输与细胞异质性，三维培养可更接近体内细胞对外源化合物的响应，因此可用于乳腺癌药物评价。尽管三维培养细胞已用于电学测量，但细胞在电极上产生的电信号强度极低。作者将A549癌细胞与海藻酸钠、胶原I肽偶联贻贝粘蛋白水凝胶或Matrigel混合后滴加到金丝网印刷电极上，在37℃、5%CO2条件下形成三维细胞结构，并采用方波伏安法在铁氰化钾/亚铁氰化钾介质中监测峰电流变化。结果显示，25%Matrigel条件下含细胞凝胶的SWV峰电流显著高于无细胞凝胶，且随细胞接种密度增加呈线性趋势；活死细胞染色表明10^6 cells/mL接种密度下细胞存活良好。该工作可为实时监测细胞活性、弥补二维培养局限以及高通量药物筛选提供方法。
英文摘要
This study addresses the optimization for enhancement of signal effectiveness in 3D cell based electrochemical biosensor. While 2D culture has a structural limitation to mimic an in vivo, 3D culture can provide more similar cell responses. In addition, although 3D cultured cells have been applied to measure electrically, the intensity of electrical signal from cells on the electrode was extremely low. Thus, we have optimized and evaluated the condition of gelation between several types of sol-gel and cancer cells using the electrical measurement to make fine 3D cell structure on the electrode. These results show that our work can be an useful method for monitoring cell activity by compensating a limitation of 2D culture in real time.