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
神经元细胞外电活动/动作电位（neuronal extracellular electrical activity/action potentials, APs）；样品基质：GT1-7神经元样细胞培养物（Tyrode溶液）
检测原理
该器件以氢终止导电金刚石作为细胞外记录电极。GT1-7神经元样细胞贴附于聚-L-赖氨酸修饰的金刚石表面后，自发去极化并产生动作电位。动作电位引起细胞膜两侧电荷分布变化，细胞膜与导电金刚石界面通过细胞外液形成电容耦合；膜电位变化导致界面电荷重分布，在金刚石电极上感应出细胞外双相电位。单个神经元放电主要产生持续时间约8 ms的快双相信号，多个神经元同步簇放电则叠加为约60 ms的慢双相信号。信号经Ag/AgCl参考电极、低噪声放大器和数据采集系统读出。加入TTX或去除Ca2+可抑制电压门控Na+/Ca2+内流，使信号可逆消失，证明信号来源于神经元电活动而非电极伪迹。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
在5次实验中，该金刚石电极均能从高密度贴附的GT1-7细胞记录到阵发性细胞外电活动。快信号平均约8 ms，慢信号约60 ms；与TiN微电极阵列（MEA）记录相比，两者波形和上升时间分布高度一致，且与膜片钳胞内动作电位负导数相符。使用300 nM TTX和0 mM Ca2+溶液时，信号完全且可逆消失，表明对电压门控离子通道依赖的电活动具有良好选择性。HTD表面电阻为(58±2) kΩ，面片电阻约(23±1) kΩ/sq，记录面积约1 mm²；作者称其信噪比与所用MEA相当。金刚石化学惰性、光学透明、机械稳健且导电稳定，可同时进行电生理和荧光光学记录，适合长期多参数细胞传感。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：高纯IIa型金刚石外延层（5 μm，(100)取向）生长在Ib型HPHT金刚石衬底上，经氢终止形成导电记录面（H-terminated diamond, HTD），有效记录面积约1 mm²
- 表面功能化/导电调控：氧化-高温真空退火-热丝CVD氢终止处理，形成疏水表面；空气暴露后形成水化层并诱导空穴积累，面片电阻约(23±1) kΩ/sq
- 细胞粘附层：聚-L-赖氨酸（poly-l-lysine, PL）涂覆于HTD表面，促进GT1-7细胞贴附并改善细胞-基底接触
- 识别/传感界面：GT1-7神经元样细胞（自发兴奋、自律性神经元细胞系）贴附于金刚石表面，其细胞膜动作电位通过电容耦合产生细胞外信号
- 绝缘/封装层：硅橡胶弹性体（silicone elastomer）包覆金线、互连和金刚石非记录区，隔离电解质并防止短路
- 电极互连：20 μm金线键合与银浆键合将HTD表面连接至高阻印刷电路板铜走线
- 参考电极：氯化银/银（Ag/AgCl）参考电极置于细胞外液中，提供电位参考
- 读出电路：低噪声放大器（增益G=10^4，带宽0.02–24 kHz）与Digidata 1440/pClamp10系统完成信号放大、滤波和数字化
中文摘要
本文报道了一种基于氢终止（H-terminated）导电金刚石记录培养神经元网络细胞外电活动的生物传感器器件。具有自发动作电位发放能力的GT1-7神经元样细胞在氢终止金刚石表面培养数天后仍能保持功能特性。记录到的细胞外电活动表现为清晰可辨的快、慢双相信号爆发，其中快事件平均持续时间约8 ms，慢事件约60 ms。这些信号的时间过程与常规微电极阵列（MEA）记录结果以及单细胞膜片钳胞内动作电位的负导数高度一致，表明疏水导电氢终止金刚石表面主要通过细胞膜与电极之间的电容耦合揭示神经元自发电活动。作者此前已证明氢终止金刚石的光学性质允许利用荧光探针记录细胞活动，因此本文进一步提供了金刚石基细胞生物传感器用于活细胞电活动多参数记录可行性的证据。
英文摘要
We have developed a device for recording the extracellular electrical activity of cultured neuronal networks based on a hydrogen terminated (H-terminated) conductive diamond. GT1-7 cells, a neuronal cell line showing spontaneous action potentials firing, could maintain their functional properties for days in culture when plated on the H-terminated diamond surface. The recorded extracellular electrical activity appeared in the form of well-resolved bursts of fast and slow biphasic signals with a mean duration of about 8ms for the fast and 60ms for the slow events. The time courses of these signals were in good agreement with those recorded by means of conventional microelectrode array (MEAs) and with the negative derivative of the action potentials intracellularly recorded with the patch clamp technique from single cells. Thus, although hydrophobic in nature, the conductive H-terminated diamond surface is able to reveal the spontaneous electrical activity of neurons mainly by capacitative coupling to the cell membrane. Having previously shown that the optical properties of H-terminated diamond allow to record cellular activity by means of fluorescent probes (Ariano, P., Baldelli, P., Carbone, E., Giardino, A., Lo Giudice, A., Lovisolo, D., Manfredotti, C., Novara, M., Sternschulte, H., Vittone, E., 2005. Diam. Relat. Mater. 14, 669-674), we now provide evidence for the feasibility of using diamond-based cellular biosensors for multiparametrical recordings of electrical activity from living cells.