생물학적 세포의 특성화 및 추적을 위한 CMOS 기반 정전 용량 센서 매트릭스

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13839(2022) 이 기사 인용

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바이오센서를 사용한 생물학적 세포의 특성화 및 추적은 많은 과학 분야, 특히 세포 배양 모니터링에 필요합니다. 정전 용량 센서는 생물학적 세포의 위치, 모양 및 정전 용량과 같은 많은 특징을 추출할 수 있는 능력으로 인해 훌륭한 솔루션을 제공합니다. 본 연구를 통해 링 발진기 기반 픽셀 판독 회로(PRC)를 활용하는 용량성 센서(CSM) 매트릭스로 구성된 CMOS 기반 바이오칩을 설계하고 시뮬레이션하여 앞서 언급한 기반으로 단일 생물학적 세포를 추적하고 특성화합니다. 다른 기능. 제안된 바이오칩은 단일 간세포 암종 세포(HCC)와 단일 정상 간 세포(NLC)를 특성화하기 위해 시뮬레이션되었습니다. COMSOL Multiphysics는 HCC와 NLC의 커패시턴스 값을 추출하고 분석물로부터 다양한 거리에서 CSM의 성능을 테스트하는 데 사용되었습니다. HCC 및 NLC의 추출된 정전 용량 값을 감지하는 PRC의 능력은 Virtuoso 아날로그 설계 환경을 사용하여 평가됩니다. MATLAB R2022a 스크립트를 사용하여 동시에 CSM의 커패시턴스 판독값에 따라 테스트된 생물학적 세포의 위치와 모양을 애니메이션화하고 예측하는 새로운 알고리즘이 개발되었습니다. CSM에서 측정된 정전용량과 판독 회로에서 상관된 주파수인 두 모델의 결과는 HCC와 NLC를 특성화하고 구별하는 바이오칩의 능력을 보여줍니다.

물리적 작동기나 세포 배양 조건에서 세포의 움직임과 성장을 모니터링하고 시각화하는 것은 많은 생물학자들에게 중요한 응용 분야입니다1. 바이오센서는 땀, 눈물, 타액, 간질액2과 같은 생체액에 있는 생물학적 세포의 물리적 특성에 대한 동적, 비침습적 측정을 통해 연속적인 실시간 생리학적 정보를 제공할 수 있는 능력 때문에 널리 사용됩니다2. 또한 높은 정확성, 속도, 휴대성, 저렴한 비용 및 낮은 전력 소비를 제공합니다2. 이는 이러한 애플리케이션과 관련하여 통합 칩을 더 복잡하고 휴대성이 부족하며 비용이 더 많이 드는 현미경 이미지의 이미지 처리와 같은 전통적인 방법과 구별합니다3.

더욱이 이러한 전통적인 기술은 시료 준비를 위해 여러 단계가 필요하기 때문에 시간이 많이 걸립니다. 때때로 독성이 있어 지속적인 독서에 부적합하고 더 넓은 영역이 필요합니다4.

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술을 기반으로 한 바이오센서를 구현하면 높은 처리량을 얻을 수 있습니다1. CMOS 기술은 다수의 센서를 관련 전자 회로에 장착하여 단일 LOC(Laboratory on Chip)를 생성하고 DNA 분석5, 암 탐지6,7 등 생물학적 분석에 소요되는 시간을 줄이는 등 많은 장점을 가지고 있습니다. , 지속적인 혈당 모니터링8 및 신경화학적 검출9.

CMOS 기반 용량성 센서는 컴팩트할 뿐만 아니라 많은 생물학적 응용 분야에서 높은 감도를 제공합니다4. 용량성 센서는 용량성 전극 위 또는 전극 사이의 유전 변화를 감지하는 데 의존합니다. 세포가 용량성 센서 위에 도입될 때 세포막의 이온 구름으로 인해 유전 변화가 발생합니다. 이 변화는 미미하므로 민감한 용량성 판독 회로를 사용한 측정이 필요합니다.

CMOS 기반 용량성 센서 분야의 이전 작업은 분석물 특성화 또는 이미징에 중점을 두었습니다. Senevirathna, Bathiya Prashan 등. 세포 증식 및 접착을 정량화하기 위해 CMOS 기반 용량성 어레이를 개발했습니다. Nabovatiet al. 지속적인 부착 세포 성장을 모니터링하기 위해 CMOS 기반 용량성 어레이를 설계했습니다. Couniotet al. 단일 박테리아 세포를 감지하기 위해 CMOS 기반 용량성 어레이를 설계했습니다. Zhang et al. 결함 감지를 위한 이미징 기반 용량성 센서를 설계했습니다. Labordeet al. 미세입자와 살아있는 세포를 이미지화하기 위한 고밀도 용량성 센서 어레이를 개발했습니다.