基于AlGaN/GaN HEMT器件的剪切力下细胞膜电位测量方法与应用技术研究

The shear stress plays an important role in the cell differentiation and its pathological process, and its impact mechanism still needs to be elucidated. The detection methods of the membrane potential under the influence of shear force more or less have the following drawbacks, including unable to detect living cells, unable to achieve real-time measurement, long period, complex operation, and poor biological compatibility. Therefore, developing a novel method to realize high precision dynamic membrane potential detection under the influence of shear force possesses an important practical value. GaN HEMT device is originally applied to detect membrane potential under the influence of shear force. The feasibility of measuring dynamic cell membrane potential using HEMT devices with a polymer micro flow chamber is investigated. Moreover, the research of material, structure parameter and Aluminum components of heterojunction, which aims to enhance transconductance under the cell membrane potential, is studied for the goal of improving the sensitivity of the HEMT biosensor. Hence, this provides theoretical basis for the development of novel membrane potential dynamic precision testing equipment.

剪切力在细胞的分化及其病理过程中，具有重要的作用。其影响机制亟待阐明。目前对剪切力影响下细胞膜电位的检测方法，或多或少都存在以下缺点，包括无法实现活体多细胞测量、无法实时测量、检测周期长、检测步骤繁琐、生物兼容性差等，因此研制新型剪切力影响下的膜电位检测装置，实现细胞膜电位的高精度动态表征，具有重要的应用价值。本项目将首次研究GaN基 HEMT器件在流体剪切力环境下细胞膜电位的测量应用，采用HEMT器件与高分子聚合物微流室封接形成流体动力学装置，探索其测量动态细胞膜电位的可行性，并研究从异质结材料、结构参数、铝组分等方面提高器件在对应细胞膜电位下的跨导，进而提高HEMT器件检测灵敏性的方法，为新型细胞膜电位动态高精度检测设备的开发奠定理论基础。

本课题研究GaN基HEMT器件在流体剪切力环境下细胞膜电位的测量应用，采用HEMT器件与高分子聚合物微流室封接形成流体动力学装置，探索其测量动态细胞膜电位的可行性，并研究从异质结材料、结构参数、铝组分等方面提高器件在对应电位下的跨导，进而提高HEMT器件检测灵敏性的方法。.本课题在执行过程中，严格按照课题前期制定的研究计划和研究方案展开研究工作，取得了较好的实验结果。本课题优化了AlGaN/GaN HEMT器件的异质结结构，设计了适用于生物化学检测的传感器结构的工艺方法，控制跨导峰值对应的栅电压在-70mV~0V以内，从而获得了接近理论极限的传感灵敏度效果。完成了pH值、抗原抗体等生物化学典型物质的检测实验，验证了传感器器件的可行性，获得了高分辨率的细胞膜电位传感结果，并对GaN生物化学传感器的可靠性问题进行了研究。同时，采用前沿的MoS2材料研制了生物传感器件，并进行了初步研究。研究并制备了适用于剪切力下活体多细胞膜电位检测的AlGaN/GaN HEMT器件，并搭建了流体环境下剪切力的细胞膜电位检测实验系统，对该检测系统的可行性进行了分析。.鉴于跨学科实验条件的限制，限制了实验过程中的细胞活性，对本课题的研究结果有一定的影响。同时整套细胞膜电位动态测试装置，还存在不足，需要继续进行优化和改进，以完全达到本课题的验证GaN传感器件检测流体下多细胞膜电位的可行性的研究目标。