组成图示
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传感器类型
其他（微腔阵列阻抗谱/细胞外记录生物传感器）
检测对象
3D细胞球（人黑色素瘤球 Bro melanoma spheroids、新生大鼠心肌球 neonatal rat cardiomyocyte spheroids），样品基质为细胞培养液（RPMI/DMEM）；药物处理物：喜树碱（Camptothecin, CTT）、硝苯地平（Nifedipin）。
检测原理
该芯片以微腔阵列物理捕获3D细胞球，使球体与四边金电极形成稳定接触，无需贴壁或标记。当细胞球存在或药物处理时，细胞膜、细胞间接触、细胞外基质及外层细胞形态改变，引起电极间介电性质变化；心肌球收缩则产生细胞外场电位。阻抗模式下，施加100 mV交流信号，在1 kHz–1 MHz扫描，约100 kHz处记录阻抗幅值与相位，并用ΔZ=(Zspheroid−ZElectrode)/ZElectrode归一化，反映球体对电极的隔离/形态变化。细胞外记录模式下，金电极采集0.1–10 kHz带宽的场电位，4 kHz采样、增益1200，输出收缩波形。四电极组合可交叉验证位置与接触状态。
检测灵敏度
未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
芯片可重复使用，耐121 ℃高压蒸汽、乙醇、超声和表面活性剂清洗。人黑色素瘤球经1 μM CTT处理后，caspase-3阳性细胞由对照约0.5±0.2%升至第8天2.3±0.4%；133 kHz归一化阻抗ΔZ由对照约34±5%升至4 h 40.4±4.5%、6 h 47.2±5.0%、8 h 44.0±4.2%，4–8 h差异显著（p<0.05，n=3）。心肌球收缩频率约180–240 min−1，10−5 M Nifedipin可完全消除动作电位。25个球体定位与记录可在10 min内完成；4孔/9孔多腔盖支持单芯片平行测试。作者认为其无标记、非破坏、可长期监测，适合高内容药物筛选。
传感器的构成
- 基底/换能器：4英寸硅晶圆（Si）经各向异性湿法刻蚀形成15个方形微腔（MCA，200/300/400 μm，深100 μm），作为机械支撑与微腔捕获结构。
- 绝缘层：热氧化二氧化硅（SiO2，约1800 nm）覆盖晶圆，提供电极间电绝缘。
- 电极层：侧壁接触垫和导线采用10 nm钛（Ti）/500 nm金（Au）溅射，形成四边金电极，用于阻抗谱和细胞外电位记录。
- 钝化层：等离子体增强化学气相沉积（PECVD）氮化硅（Si3N4，约700 nm）覆盖表面，RIE开窗露出电极与键合垫，保证电绝缘与生物相容。
- 载体/封装：FR4电路板材料载体含镀金焊盘与电路，金线键合连接芯片，Loctite 5366硅胶密封，提供机械固定、电连接与可灭菌封装。
- 识别/捕获元件：微腔几何尺寸与重力接触物理捕获并固定3D细胞球，无需抗体、适配体、酶或标记物。
- 样品/信号源：人黑色素瘤球（Bro）或新生大鼠心肌球置于培养液中，作为被测三维组织模型并产生介电/电生理信号。
- 平行测试模块：4孔或9孔多腔盖（适配384孔几何）固定于芯片，形成独立测量腔，用于同步平行药物测试。
中文摘要
多细胞肿瘤球可模拟天然细胞环境，广泛用于药物测试。为实时研究药物对三维培养的影响，作者设计并制备了一种新型微腔阵列（MCA）生物传感器芯片，用于快速、非破坏性阻抗谱和细胞外记录。预培养细胞球被捕获在四个金电极之间；芯片含15个深100 μm、边长200–400 μm的方形微腔，便于优化定位。喜树碱（CTT）可诱导人黑色素瘤球凋亡，但处理组未发生解体，8 h后阻抗幅值较对照升高，源于外层细胞形态改变。该芯片还可记录心肌球收缩产生的细胞外电位。硅基电极阵列可作为急性测试系统监测多种三维细胞培养；无需细胞贴壁或标记，可为高内容药物筛选降低成本和检测时间，并提出了单芯片平行测试不同物质的改进方案。
英文摘要
Multicellular tumour spheroids that mimic a native cellular environment are widely used as model systems for drug testing. To study drug effects on three-dimensional cultures in real-time we designed and fabricated a novel type of sensor chip for fast, non-destructive impedance spectroscopy and extracellular recording. Precultured spheroids are trapped between four gold electrodes. Fifteen individual 100microm deep square microcavities with sizes from 200 to 400microm allow an optimised positioning during the measurement. Although apoptosis was induced in human melanoma spheroids by Camptothecin (CTT), treated cultures did not show disintegration but displayed increased impedance magnitudes compared to controls after 8h resulting from an altered morphology of the outer cells. Contractions in cardiomyocyte spheroids were monitored when the innovative chip was used for recording of extracellular potentials. The silicon-based electrode array is used as an acute test system for the monitoring of any kind of 3D cell cultures. Since no adherence of cells or labelling is necessary the multifunctional sensor chip provides a basis for improved drug development by high content screenings with reduced costs and assay times. Additional improvements for parallel testing of different substances on one chip are presented.