CN112673252A - 使用基于chemfet传感器阵列的系统进行细胞分析 - Google Patents

Abstract

本发明教导的各个细胞分析系统可以在单次分析中针对介于约10个细胞到约500,000个细胞之间利用亚细胞可寻址能力和同时数据获取来测量单一活细胞的电和代谢活动。本发明教导的各个传感器阵列装置可以具有带有被建设成大规模并行阵列的介于2000万个到6.6亿个之间的ChemFET传感器的传感器阵列并且可以以千赫兹(kHz)范围内的数据获取速率提供对细胞的同时测量。在本发明教导的各个ChemFET传感器阵列可以检测化学分析物并且检测细胞膜电位的变化，本发明教导的各个细胞分析系统还提供对细胞的受控化学和电询问。帧速率可以通过选择较小的像素子集来监测(即，通过在其之上收集数据的传感器阵列装置的区域向下窗口化)而提高。

Description

使用基于CHEMFET传感器阵列的系统进行细胞分析

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月13日提交的美国临时申请第62/730,960号和于2019年5月16日提交的美国临时申请第62/848,842号的权益。在本节中命名的两个申请均通过引用整体并入本文中。

背景技术

细胞行为的电生理学和代谢表型仍然是现代细胞生物学研究的重要途径，并且研究人员在例如工程化组织、原代细胞类型和肿瘤学发现的领域中的大量需求未得到满足。当前，对细胞兴奋性的成功测量被繁琐的膜片钳和微电极伏安法所阻碍，而对代谢功能进行的询问仍然受到大规模人群和生化工作流程的技术局限性的阻碍，无法有效用来获取单个细胞行为的关键度量。

越来越明显的是，虽然测量细胞内的20,000个基因与200,000个蛋白质之间的所有可能的相互作用不可能或不可行，但是在单个细胞水平上对模型系统进行的研究将会在病理病状(如癌症、糖尿病和神经退行性疾病)期间提供对正常细胞生理学和改变的更深入了解。突出显示单个细胞研究相对于细胞群研究的优点的最新应用包含例如对转录组学和衰老的研究、对细胞内的信号传导途径的研究以及对代谢的生物能量学测量。

因此，在本领域中需要可以为终端用户提供用于询问群中的单个细胞并且将会允许以高通量复用方式对时间响应进行细胞水平离散测量的工具的系统和方法。

附图说明

通过参考阐述了说明性实施例的以下详细说明并通过参考附图，将获得对本发明教导的特征和优点的更好理解，在所述附图中：

图1是描绘了根据本发明教导的系统和方法的各个实施例的基于化学场效应晶体管(ChemFET)的细胞分析系统的框图。

图2A是定位于本发明教导的细胞分析系统上的细胞的示意性描绘。图2B是定位于本发明教导的传感器装置上的细胞的示意性截面图。

图3是显示用于跨一系列细胞大小进行细胞分析的ChemFET系统属性的表格。

图4A到图4C是根据本发明教导的传感器和各种设计的相关结构的横截面图示。

图4D是对具有孔(如图4A和图4B所展示的)与不具有孔(如图4C所展示的)的阵列装置上的U-2OS细胞响应的比较，其中在用于使膜电位去极化并且然后返回到静息电位的条件下对细胞进行询问。

图5A是描绘了根据本发明教导的系统和方法的各个实施例的基于ChemFET的细胞分析系统的传感器阵列、阵列控制器和计算机接口的各个实施例的框图。

图5B是描绘了根据本发明教导的系统和方法的各个实施例的基于ChemFET的细胞分析系统的传感器阵列和阵列控制器的各个实施例的框图。

图6A和图6B是描绘了根据本发明教导的系统和方法的各个实施例的与细胞分析有关的工作流程的流程图。

图7A和图7B是具有处于静息电位的膜、然后在用于使膜电位去极化并且返回到静息电位的条件下被询问的细胞的时间响应曲线。

图8A是在图8B中所指示的时间点处从传感器阵列产生的细胞电镜图像。图8B是图8A的图像的线图渲染。

图9A展示了U-2OS细胞(C₁和C₂)相较于用电压门控钙通道亚基转染的U-2OS细胞(C₃和C₄)的时间响应曲线，其中型用钙离子通道阻滞剂维拉帕米(verapamil)对每种细胞类进行处理。

图9B是在与如图9A中所指示的帧25相对应的时间(1.7秒)处拍摄的图9A的合成电镜图像，所述合成电镜图像比较了两个所关注区域，其中将U-2OS细胞(左)与经过转染的U-2OS细胞(右)的响应进行了比较。

图9C是图9B的合成电镜图像，其中细胞内的指示区域的正方形已经被去除以提供细胞的清晰图像。

图10A是经受4.5mM KCl的脉冲的大鼠新生儿细胞的电镜图像，其中一些细胞(C₁)相对于群中仍处于静息状态的其它示例性细胞(C₂)展现出去极化响应。

图10B是对经受4.5mM KCl脉冲的大鼠新生儿细胞的时间响应曲线进行的比较，其中在具有不同数据获取速率的两种不同装置上执行实验。

图11是经受线粒体毒素羰基氰化物-4-(三氟甲氧基)苯腙(FCCP)的HEPG2细胞的电镜图像，其中指示一些示例性细胞与细胞流出相关。

图12A展示了用FCCP处理的U-2OS细胞的平均的减去背景的时间剂量-响应曲线。

图12B展示了在用FCCP处理之前用含有寡霉素的营养溶液预处理的U-2OS细胞的平均的减去背景的时间剂量-响应曲线。

图13A到图13C是经受FCCP的不同细胞类型的混合物的平均的减去背景的时间剂量-响应曲线。

图14A展示了图13A到图13C中所呈现的细胞的混合物中的选择的细胞的时间剂量-响应曲线。

图14B是在与帧40相对应的时间(2.7秒)处拍摄的图14A的实验的电镜图像。

图14C是图14B的电镜图像，其中图13B中的细胞内的正方形已经被去除以提供细胞的清晰图像。

图15A和图15B是在连续的时间点处用各个电压门控钙通道亚基转染的U-2OS细胞(C₃和C₄)的电镜图像。图15C是针对图15A和图15B的在包含时间点的间隔内的时间响应曲线。

图16是显示用于对图7A到图15C的细胞系进行细胞分析的ChemFET系统属性的表格。

具体实施方式

本发明教导的系统和方法涉及基于化学场效应晶体管(ChemFET)传感器阵列技术的细胞分析系统。本发明教导的各个细胞分析系统可以在单次分析中针对介于约10个细胞到约500,000个细胞之间利用亚细胞可寻址能力和同时数据获取来测量单一活细胞的电和代谢活动。本发明教导的各个传感器阵列装置可以具有带有被建设成大规模并行阵列的介于2000万个到6.6亿个之间的ChemFET传感器的传感器阵列，其中传感器阵列的传感器的间距可以分别介于约3.36μm到约850nm。进一步地，本发明教导的各个细胞分析系统可以以千赫兹(kHz)范围内的数据获取速率提供对细胞进行的同时测量。进一步地，集成到本发明教导的各个细胞分析系统中的全自动流体系统允许严格受控应用例如用于指示对各种类型的化学询问的细胞响应的测量的各种研究中的化学剂。由于本发明教导的各个ChemFET传感器阵列可以检测化学分析物以及检测细胞膜电位的变化，因此受控电刺激也可以用于在本发明教导的各个细胞分析系统中对细胞进行询问。

用于进行细胞分析的化学场效应晶体管(ChemFET)阵列

图1总体上展示了根据本发明教导的细胞分析系统100的示例性组件的框图。如图1中所描绘的，细胞分析系统100可以包含各个流体系统以及阵列控制器50、用户接口60和传感器阵列装置组合件115。如将在本文中更详细地描述的，各个细胞分析可以使用传感器阵列装置组合件115的传感器阵列装置110来执行。

图2A总体上展示了细胞分析系统100A的图形描绘。如图2A中所描绘的，具有核2和细胞膜4的细胞5定位于微孔子集中的多个微孔之上，从而限定细胞5在对应的传感器子集之上占据的接触面积或占用面积。如本文所述，“接触面积”和“占用面积”可以互换地使用。细胞分析系统100A的许多特征与图1的细胞分析系统100的示意描绘所描述的特征相同。图2A的细胞分析系统100A可以包含试剂流体系统10和洗涤溶液流体系统20。试剂流体系统10可以包含多个试剂容器，如图2A的试剂容器11A-11D。每个试剂容器可以与试剂流体管线(如图2A的试剂流体管线13A-13D)流体连通。来自本发明教导的细胞分析系统的每个试剂流体管线的流量可以通过阀(如图2A的试剂流体管线阀15A-15D)来控制。洗涤溶液流体系统20可以包含洗涤溶液容器21，所述洗涤溶液容器可以含有已知的电解质组成的洗涤溶液以及洗涤溶液流体管线23、洗涤溶液流体管线阀25和洗涤溶液流体管线23中的参考电极27。如将在本文中更详细地描述的，参考电极27可以为传感器阵列装置中的传感器提供稳定的参考电压127。因此，图2A的传感器阵列装置110可以与试剂流体系统10和洗涤溶液流体系统20流体连通。虽然在图2A中未示出，但是可以利用可以与传感器阵列装置连通的另外的电极来向传感器阵列上的细胞(如图2A的细胞5)提供电刺激。

传感器阵列装置110可以包含传感器阵列或像素阵列120。如本文所述，术语“传感器”和“像素”以及术语“装置”和“芯片”和这些术语的衍生词可以互换地使用。另外，“传感器阵列”和“ChemFET传感器阵列”和其衍生词可以互换地使用。尽管在图2A中未描绘为规则阵列的二维阵列，本发明教导的传感器阵列的各个实施例可以以各种阵列几何形状布置，例如以六角形最密堆积几何形状布置。传感器阵列装置110可以包含微孔阵列122，所述微孔阵列如图2A中所展示的描绘了每个微孔与传感器阵列120中的每个传感器或像素协作地接合，使得每个微孔122A1到微孔122A6与对应的传感器120A1到传感器120A6协作地接合。然而，对于本发明教导的传感器阵列装置的各个实施例，每孔可以有多于一个像素。如将在本文中更详细地描述的，本发明教导的各种类型的传感器阵列装置可以以限定但不同的微孔深度来制造。本发明教导的仍其它类型的传感器阵列装置可以没有在传感器阵列之上形成的微孔结构。传感器阵列120的每个传感器可以具有与微孔阵列122中的流体流体联通的感测表面。对于本发明教导的细胞分析系统100的各个实施例，传感器阵列120的每个传感器可以是化学场效应晶体管(ChemFET)，其中传感器阵列120中的每个传感器包含至少一个化学敏感场效应晶体管。根据本发明教导，传感器阵列120可以包含可以用被改性以对细胞生物学所关注的目标化学物种如葡萄糖、蔗糖、乳酸盐和尿素的分析具有选择性的感测表面制造的ChemFET。通过另一个非限制性实例，离子敏感场效应晶体管(ISFET)可以具有被改性以对特别是各种细胞代谢研究所关注的各种离子(如氢、钾、钙和氯化物)具有选择性的感测表面。

在这方面，本发明人已经认识到，本发明教导的细胞分析系统的各个实施例可以用于监测例如经受各种条件或刺激中的任何条件或刺激的细胞的细胞电生理学和代谢的变化。而且，本发明人已经认识到，可以引起ChemFET传感器的感测表面的电位的变化的细胞的状态的任何变化可以通过本发明教导的ChemFET传感器阵列的各个实施例的传感器来监测。例如，本发明人已经认识到，细胞电容耦接到传感器的感测表面，使得在跨细胞膜的电位响应于化学或电刺激而变化时，跨细胞膜的变化的电位可以通过本发明教导的ChemFET传感器阵列的各个实施例的传感器来检测。另外地，可以引起ChemFET传感器的感测表面的电位的变化的例如细胞代谢中的任何变化可以通过本发明教导的ChemFET传感器阵列的各个实施例的传感器来检测。如将在本文中更详细地描述的，此类变化可以与锚定在传感器阵列表面上的细胞的接触面积或占用面积相关地局部检测，或者可以在与细胞占用面积不相关的(例如，可能响应于条件或刺激而从细胞中流出的细胞流出的)区域中检测到。

用本发明教导的ChemFET传感器阵列装置的各个实施例监测对各种刺激的细胞响应的实验中收集的数据可以以多种格式呈现给终端用户。在一种格式中，时间响应呈现为可以容易地与感测表面电位随时间的毫伏(mV)变化相关的检测器计数。在另一种格式中，针对选择的应用的时间进程内的选择的时间中的任何选择的时间，细胞的空间可视化可以呈现为电镜图像。本发明人已经认识到，由于电镜成像以可以针对活细胞引发的各种响应为基础，因此其可以用作例如用于使传感器阵列上的细胞可视化的通用工具。例如，通过查看锚定在传感器阵列上的细胞的电镜图像，终端用户可以在运行实验之前选择所关注区域作为应用配置的一部分。如将在本文中更详细地描述的，在传感器阵列装置的选择的区域向下窗口化由此增加实验的数据速率。根据本发明教导，细胞的占用面积之上的相当大的像素覆盖范围加上高数据速率可以提供对例如可能需要亚毫秒范围内的数据速率的各个可兴奋细胞的动作电位的亚细胞监测。

在图2B中，描绘了具有第一传感器120-1和第二传感器120-2的传感器阵列120的局部截面图。在本发明教导的传感器阵列装置的各个实施例中，传感器阵列120可以包含耦接到传感器浮栅结构140的浮栅上部部分130。可替代地，对于本发明教导的传感器阵列装置的各个实施例，传感器阵列120可以包含传感器浮栅结构140。如将在本文中更详细描述的，浮栅上部部分130可以包含形成在电介质135中的顶部金属层、传感器板132以及金属通孔134。

传感器浮栅结构140可以具有通过金属通孔134耦接到传感器板132的金属层136。金属层136是传感器浮栅结构140中的最上部浮栅导体。在所展示的实例中，传感器浮栅结构140包含在介电材料150的层内的多层导电材料。传感器120-1和120-2可以包含导电端子，所述导电端子包含半导体衬底160内的源极/漏极区域142和源极/漏极区域144。源极/漏极区域142和源极/漏极区域144包括具有与衬底160的导电类型不同的类型的导电性的掺杂半导体材料。例如，源极/漏极区域142和源极/漏极区域144可以包括掺杂P型半导体材料，并且衬底160可以包括掺杂N型半导体材料。沟道区域152将源极/漏极区域142和源极/漏极区域144隔开。浮栅结构140位于沟道区域146之上并且通过栅极电介质152与衬底160隔开。栅极电介质152可以是例如二氧化硅。可替代地，其它合适的电介质可以用于栅极电介质152，例如具有较高介电常数的材料，碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、氮氧化硅(Si₂N₂O)、氮化铝(AlN)、二氧化铪(HfO₂)、氧化锡(SnO₂)、氧化铯(CeO₂)、氧化钛(TiO₂)、氧化钨(WO₃)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化镧(La₂O₃)、氧化钆(Gd₂O₃)和其任何组合。

如将在本文中更详细地描述的，传感器板132的感测表面126S可以充当用于监测例如经受各种条件或刺激中的任何条件或刺激的细胞的细胞电生理学和代谢的变化的传感器表面。在这方面，作为细胞的部分截面的图2B中所示出的细胞5被描绘为定位于传感器120-1和120-2的传感器板132之上。细胞5被描绘为通过表面涂层124锚定到传感器阵列120。表面涂层124可以是任何细胞相容性材料(如各种生物聚合物材料，包含聚-D-赖氨酸、层粘连蛋白、纤连蛋白、胶原蛋白和其组合)以及各种细胞外基质(ECM)制剂。终端用户可以使用本发明教导的细胞分析系统来运行应用，所述细胞分析系统可控制地使各种试剂和溶液如图2B的顶部处的箭头所指示的流动经过传感器阵列120的表面。

传感器120-1和120-2响应于接近感测表面126S的离子层128的表面电位的变化，这可能导致浮栅140上的电压的变化。因此，如先前在本文中针对图2A所描述的所施加的参考电压确保浮栅的电压超过阈值电压，条件是浮栅电压的微小变化可以使电流流动通过沟道区域146，从而产生传感器120-1和120-2的输出信号。在这方面，离子层128的表面电位的变化可以通过测量例如源极区域142与漏极区域144之间的沟道区域146中的电流来测量。因此，传感器120-1和120-2可以直接用于在连接到源极区域142或漏极区域144的阵列线上提供基于电流的输出信号，或者间接地与另外的电路系统一起使用以提供基于电压的输出信号。

如本文所描述的，可以改变离子层128中的表面电位的细胞5的状态的任何变化可以通过本发明教导的ChemFET传感器阵列装置的各个实施例来监测。关于输出信号，可以增加表面电位的任何细胞活性都会产生ChemFET传感器的正振幅的输出信号，而可以降低表面电位的任何细胞活性都会产生ChemFET传感器的负振幅的输出信号。在这方面，可以改变ChemFET传感器的表面电位的细胞的状态的任何变化都可以产生可测量的输出信号。例如，可以增加ISFET传感器对其具有选择性的阳离子物种的离子浓度的任何代谢活动都会引起表面电位的增加。结果将是所述ISFET传感器的正振幅的输出信号。相反，可以降低ISFET传感器对其具有选择性的阳离子物种的离子浓度的任何代谢活动都会引起表面电位的降低。结果将是所述ISFET传感器的负振幅的输出信号。在另一个实例中，表面电位可以通过将细胞5电容耦接到传感器阵列120来改变，使得在跨细胞膜4的电位响应于化学或电刺激而变化时，跨细胞膜的变化的电位可以通过ChemFET传感器120-1和120-2来检测。

表I总结了本发明教导的示例性ChemFET传感器的属性。

表I：示例性传感器阵列装置

本发明教导的传感器阵列装置的各个实施例可以具有介于约20M到约660M之间的像素，并且每个传感器之间有中心到中心的间隔；或具有介于约850nm到约3.36μm之间的间距。关于数据收集，来自阵列中所有传感器的传感器输出信号的收集构成数据帧。对于具有介于约2000万像素到约6.6亿像素之间的本发明教导的各个传感器阵列装置，帧是每秒以赫兹(Hz)为单位收集为帧的具有相当大的大小的数据文件。进一步地，在选择的表示像素数量的所关注区域与可以收集数据的速率之间存在反比关系，使得帧速率可以通过选择较小的像素子集来监测(即，通过在其之上收集数据的传感器阵列装置的区域向下窗口化)而提高。向下窗口化的影响在表I中通过第二列到最后一列中输入的值(所述值是用于从整个装置收集数据的最大帧速率)与输入到最后一列中的值(所述值是用于从单行装置收集数据的最大帧速率)的比较得到证实。因此，帧速率通过向下窗口化以从单行收集数据而显著提高。

另外地，如表I中所提供的，装置A与装置B之间的唯一区别是每个装置的传感器总数，其中每个装置A的传感器数量是装置B的两倍。如表1中所示出的，装置B的帧速率是装置A的帧速率的一半，这与像素数量与和可以收集数据的速率之间的反比关系一致。因此，可以选择具有与应用匹配的令人期望的帧速率的装置。

因此，对于本发明教导的细胞分析系统的各个实施例，终端用户可以从具有可以与所关注细胞分析匹配的不同属性的各个传感器阵列装置中选择传感器阵列装置。例如，用于检测细胞的电生理学活性的传感器阵列装置可以具有与用于检测代谢研究的特定分析物的传感器阵列装置不同的属性。

可以改变以提供本发明教导的各个传感器阵列装置的传感器阵列装置属性包含像素尺寸以及可以从传感器阵列装置收集数据的速率。图3提供了与变化的传感器(像素)尺寸的四个示例性传感器阵列装置有关的按大小分类的五个类别的细胞的概述，如表1中针对装置B到装置E所给出的。以描述方式以及按平均直径和平均占用面积对五个类别的细胞进行标识。

通过检查图3，对于锚定在传感器阵列表面上的平均直径为5μm并且平均面积为20μm²的非常小的细胞，针对芯片1装置，最小接触面积或占用面积对应于约1行和约2像素，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积增加到6行和32像素。类似地，对于锚定在传感器阵列表面上的平均直径为10μm并且平均面积为78μm²的小细胞，针对芯片1装置，最小接触面积或占用面积对应于约3行和约8像素，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积增加到12行和126像素。对于锚定在传感器阵列表面上的平均直径为25μm并且平均面积为491μm²的中等细胞，针对芯片1装置，最小接触面积或占用面积对应于约7行和约50像素，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积增加到29行和792像素。针对芯片1，锚定在传感器阵列表面上的平均直径为50μm并且平均面积为1,964μm²的大细胞可以具有对应于约15行和约201像素的最小接触面积或占用面积，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积增加到59行和3,168像素。最后，对于锚定在传感器阵列表面上的平均直径为100μm并且平均面积为7,854μm²的超大细胞，针对芯片1装置，最小接触面积或占用面积对应于约30行和约803像素，针对芯片4装置，所述最小接触区域或占用面积增加到118行和12,668像素。根据对图3的检查，趋势是像素覆盖范围随细胞大小增加和像素大小减小而增加。

从像素角度来看，像素覆盖范围百分比列是单个像素覆盖的细胞的面积的百分比。对于锚定在传感器阵列表面上的非常小的细胞，针对芯片1装置的单个像素对应于50％覆盖范围，而针对芯片4装置的单个像素对应于3％覆盖范围。类似地，对于锚定在传感器阵列表面上的小细胞，针对芯片1装置，单个像素对应于12％覆盖范围，而针对芯片4装置，单个像素对应于0.8％覆盖范围。对于锚定在传感器阵列表面上的中等细胞，针对芯片1装置，单个像素对应于2％覆盖范围，而针对芯片4装置，单个像素对应于0.1％覆盖范围。针对芯片1装置，锚定在传感器阵列表面上的大细胞的可以具有对应于0.5％覆盖范围的单个像素，而针对芯片4装置，单个像素对应于0.03％覆盖范围。最后，对于锚定在传感器阵列表面上的超大细胞，针对芯片1装置，单个像素对应于0.1％覆盖范围，而针对芯片4装置，单个像素对应于0.008％覆盖范围。根据对图3的检查，趋势是每个像素的细胞覆盖范围的百分比随细胞大小增加和像素大小减小而减小。

考虑到在图3的表中所呈现的内容，可以针对各个平均细胞直径来进行对本发明教导的示例性传感器阵列装置的像素覆盖范围的选择。例如，对于约5μm到约100μm的细胞，可以进行对传感器阵列装置的选择以为锚定在传感器阵列表面上的细胞的对应的占用面积提供3行像素内的约8像素到约118行像素内的12,668像素的覆盖范围。在所述范围的细胞大小内，像素大小可以变化，使得选择的传感器阵列装置的每个像素可以覆盖细胞的约12％到细胞的约0.008％。基于图3中所呈现的数据，清楚的是，对于任何细胞大小，可以选择可以提供与细胞可以在传感器阵列装置上占据的接触面积相关的相当大数量的传感器的示例性传感器阵列装置。可以由本发明教导的各个传感器阵列装置提供的空间分辨率可以允许信号的亚细胞辨别；因此提供亚细胞分析。

关于数据收集，对于本发明教导的各个细胞分析系统，来自阵列中所有传感器的传感器输出信号的收集构成数据帧。考虑到本发明教导的各个传感器阵列装置可以具有约2000万像素到约6.6亿像素，来自本发明教导的各个传感器阵列装置的数据帧是具有相当大的大小的数据文件。另外地，本发明教导的各个细胞分析系统包含与被配置成每秒从传感器阵列装置生成相当大数量的数据帧的传感器阵列装置耦接的控制电路系统。此外，在选择的所关注区域与可以收集数据的速率之间存在反比关系，使得帧速率可以通过选择较小的像素子集来监测(即，通过在其之上收集数据的传感器阵列装置的区域向下窗口化)而提高。

例如，参考表I，具有4000万像素的传感器阵列装置可以以约每秒120帧(fps)的帧速率收集数据。然后，如果选择2000万像素的所关注区域，则可以以约每秒240帧(fps)的帧速率收集数据，并且对于选择单个传感器阵列行的所关注区域，可以以约每秒75,000帧(fps)的帧速率收集数据。具体地，关于图3中所呈现的本发明教导的示例性传感器阵列装置，倒数第二列中提供了每行传感器的最大帧速率。在最后一列中，呈现了针对细胞覆盖的行的一小部分的可以收集数据的最大帧速率，如通过将每行的最大帧速率除以每细胞直径的行得出的。

如通过检查图3的最后一列可以看出的，对于跨一定范围的细胞大小的目标所关注区域，每秒可以收集相当大数量的帧，从而在kHz范围内舒适地提供数据收集。对于锚定在传感器阵列表面上的非常小的细胞，针对芯片1装置，可以以75,000fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以27,000fps的最大帧速率收集数据。类似地，对于锚定在传感器阵列表面上的小细胞，针对芯片1装置，可以以25,000fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以13,500fps的最大帧速率收集数据。对于锚定在传感器阵列表面上的中等细胞，针对芯片1装置，可以以10,714fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以5,587fps的最大帧速率收集数据。针对芯片1装置，锚定在传感器阵列表面上的大细胞可以具有5,000fps的最大帧速率，而针对芯片4数据，可以以2,746fps的最大帧速率收集数据。对于锚定在传感器阵列表面上的超大细胞，针对芯片1装置，可以以2,500fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以1,373fps的最大帧速率收集数据。

根据对图3的检查，趋势是帧速率随细胞大小增加和像素大小减小而减小，这与选择的所关注区域和可以收集数据的速率之间的反比关系一致。因此，帧速率可以通过选择较小的像素子集来监测(即，通过在其之上收集数据的传感器阵列装置的区域向下窗口化)而提高。另外地，参考表1，可以选择具有与应用匹配的令人期望的帧速率的装置。

可以改变的另外的传感器阵列装置属性涉及可以与本发明教导的各个传感器阵列装置相关的各种类型的微孔结构。对于定位在图2A的传感器阵列120之上的微孔阵列122，可以在传感器阵列之上制造微孔阵列，针对所述微孔阵列，每个微孔可以至少有一个传感器或像素。对于本发明教导的传感器阵列装置的各个实施例，每微孔可以有多于一个传感器或像素。

图4A到图4C展示了传感器阵列装置(如图2A的传感器阵列110)的顶部部分的总体上放大的局部截面图。图4A的传感器阵列120是在其上已经制造微孔阵列122A的本发明教导的传感器阵列的实施例的局部截面图。说明微孔阵列122A的所有微孔的示例性微孔122A1可以具有侧壁124A，所述侧壁是可以防止各种化学分析物(例如，由接近传感器的细胞释放的所关注分析物)从传感器扩散的容纳结构。图4B的传感器阵列120是在其上已经形成微孔阵列122B的本发明教导的传感器阵列的实施例的局部截面图。示例性微孔122B1具有侧壁124B，所述侧壁提供具有比图4A的微孔阵列122A基本上更浅的微孔的微孔阵列。图4C是在传感器阵列120C上没有制造微孔阵列的本发明教导的传感器阵列的实施例的局部截面图。

图4D是对具有孔(如图4A和图4B所展示的)与不具有孔(如图4C所展示的)的阵列装置上的U-2OS细胞响应的比较，其中在用于使膜电位去极化并且然后返回到静息电位的条件下对细胞进行询问。考虑到细胞电位的所测得的变化随细胞距传感器的距离的平方而下降，可以通过使用具有浅微孔的传感器阵列(如图4B的微孔阵列122B)或根本没有孔的传感器阵列(如图4C的传感器阵列120)来使距离最小化。图4D中所展示比较例示了对没有孔的装置的响应的幅度增加。

对于各种类型的传感器阵列装置，每个传感器之间的中心到中心的间隔或间距可以介于约850nm到约3.36μm之间，而传感器板132的宽度可以介于约600nm到约3.1μ之间。根据本发明教导，在传感器板之上的微孔的底部处的微孔的宽度不能大于传感器板132的宽度的约90％。通过非限制性实例，对于宽度为约600nm的传感器板如图4A-图4C的传感器板132，各个微孔阵列在传感器板之上的微孔的底部处的宽度可以为约540nm，而对于宽度为3.1μ的传感器板，各个微孔阵列在传感器板之上的微孔的底部处的宽度可以为约2.8μ。根据本发明教导，对于微孔阵列的各个实施例，微孔的宽度与高度的比率可以介于约1:2到约1:4之间。通过非限制性实例，对于具有宽度为约540nm的微孔的各个微孔阵列，微孔高度可以高达约1.1μ，而对于具有宽度为约2.8μ的微孔的各个微孔阵列，微孔高度可以高达约5.6μ。通过另外的非限制性实例，对于具有宽度为约540nm的微孔的各个微孔阵列，微孔高度可以高达约2.2μ，而对于具有宽度为约2.8μ的微孔的各个微孔阵列，微孔高度可以高达约11.2μ。虽然已经给出非限制性实例，但是本发明教导的微孔阵列的各个实施例可以具有介于约1:2到约1:4之间的任何宽度与高度的比率。

对于图4A到图4C，浮栅结构的上部部分的局部截面图被描绘为浮栅上部部分130。例如，在美国专利9,128,044和美国专利9,841,398中已经描述了结合有浮栅结构的传感器阵列的各个实施例，所述两个专利均通过引用整体并入本文。

图4A到图4C的浮栅上部部分130可以包含顶部金属层、传感器板132以及金属通孔134和金属层136，所有这些均形成在介电衬底135中。钝化层126可以沉积以在限定微孔阵列的每个微孔的表面之上形成连续的顶层。感测表面126S是形成于传感器板132之上的钝化层的一部分。金属层132、134和136可以是合适的金属材料或其合金，例如钛、银、金、铂和钨。介电衬底135可以是介电材料，如二氧化硅或氮化硅。钝化层126可以是金属氧化物层，如氧化钛、氮化钛和氧氮化钛。对于ChemFET装置的各个实施例，在形成于与感测层(如图4A到图4C的感测层126S)接触的溶液之间的固液界面处的电位的变化可以引起浮栅上的电压变化。如本文先前针对图2A所描述的所施加的参考电压确保浮栅的电压超过阈值电压，条件是浮栅电压的微小变化产生例如传感器(如图2B的传感器阵列120的传感器120-1和120-2)的输出信号。

可以对感测表面的组成进行各种改性，以提供对各种所关注分析物(例如，各种细胞代谢和营养研究所关注的分析物)的选择性。例如，可以通过使用钝化层本身或通过使用涂覆到钝化层上的离子载体来完成对各种离子的检测。例如，可以在没有使感测层(如图4A到图4C的感测层126S)改性的情况下检测氢离子，所述感测层可以是氧化钛、氮化钛或氧氮化钛。可以通过用例如缬氨霉素(valinomycin)或盐霉素(salinomycin)涂覆感测层来选择性检测钾离子。可以通过用莫能菌素(monensin)、制霉菌素(nystatin)或合成离子载体SQI-Pr(CAS#1022595-16-9)涂覆感测层来选择性检测钠离子。可以通过用例如离子霉素(ionomycin)、钙霉素(calcimycine)或ETH 1001(CAS#58801-34-6)涂覆感测层来选择性地检测钙。另外地，对于各种分析，离子载体的选择性可能不需要针对单个物种，但此外能够结合离子属中的多于一种离子。例如，通过用白僵菌素(beauvericin)涂覆感测层，可以对钙和钡离子进行检测，而通过用尼日利亚霉素(nigericin)涂覆感测层，则可以检测到钾、氢和铅离子。可以将短杆菌素(gramicidin)涂覆在感测层上以检测氢、钠和钾离子。根据本发明教导，对离子属具有选择性的各种离子载体可以用于不需要单个离子特异性或不太可能存在或产生化合物结合的其它离子的应用中。另外地，各种类别的可光固化聚合物可以提供对细胞生物学研究所关注的各种各样的分析物(包含一系列离子(如钾、钙、铵、氯和硝酸盐)以及葡萄糖、蔗糖和尿素)的选择性(参见例如，《传感器(Sensors)》,2009,9,7097-7100)。

除通过改变与传感器板接触的钝化层的感测表面部分的组成来提供对各种分析物的检测选择性之外，钝化层可以用提供细胞相容性的材料来处理，如图2B中所描绘的。另外地，如图2A中所描绘的，具有定位于传感器阵列之上的微孔阵列的传感器阵列装置的传感器表面可以通过在将细胞相容性材料涂覆在包含微孔阵列的传感器阵列表面上来处理。为了涂覆本发明教导的传感器阵列装置的各个实施例，终端用户可以从各种细胞相容性材料中选择可能最适合于所关注细胞系和一组实验的特定材料，并且可以在用细胞样品制备传感器阵列之前用细胞相容性材料涂覆传感器阵列表面。可以涂覆在传感器装置表面上的示例性细胞相容性材料包含各种生物聚合物材料，如聚-D-赖氨酸、层粘连蛋白、纤连蛋白、胶原蛋白和其组合以及细胞外基质(ECM)的各种制剂。

如图2A和图2B中所描绘的，在传感器阵列之上提供细胞相容性涂层可以在传感器阵列表面上提供各种类型的细胞可以锚定在其上的界面。一旦细胞通过提供不断更新的营养溶液(例如，通过使营养溶液流动通过流动池)而稳定地锚定，细胞就可以生长和分裂。

因此，本发明教导的各个传感器阵列装置可以具有可以提供可以被选择用于目标细胞分析的各个传感器阵列装置的几个属性。此类属性可以包含在传感器阵列之上制造的微孔阵列的存在或不存在、用于包含微孔阵列的传感器阵列装置的微孔阵列中的每个微孔的深度、用于提供对化学分析的选择性而对感测表面进行的表面处理的性质、用于提供细胞相容性涂层而对传感器阵列装置进行的表面处理的类型、像素间距和大小以及可以收集数据的速率。通过非限制性实例，本发明教导的各个传感器阵列装置可以具有布置在传感器阵列之上的微孔阵列，或者不具有布置在传感器阵列之上的微孔阵列。本发明教导的各个传感器阵列装置可以具有提供对细胞分析中所关注的各种化学分析物的选择性的感测表面。此类传感器阵列装置可以用于例如各种细胞代谢和电生理学研究中，并且可以提供对各种自发和时间细胞活性的监测。

用于进行细胞分析的基于化学场效应晶体管(ChemFET)阵列的系统

如本文先前所描述的，图1总体上展示了根据本发明教导的细胞分析系统100的示例性组件的框图。如图1中所描绘的，细胞分析系统100可以包含各个流体系统以及阵列控制器50、用户接口60和传感器阵列装置组合件115。

关于用于对传感器阵列装置110执行各个细胞分析的流体递送和控制，细胞分析系统100可以包含试剂流体系统10、洗涤溶液流体系统20、流体多路复用器系统30和阀控制器40。另外地，因为流动池107可以在传感器阵列装置110之上为各种试剂和洗涤溶液限定流动路径，所以流动池107是细胞分析系统100的流体系统的整体部分。根据本发明教导的试剂流体系统10可以包含多个试剂容器，如可以被放置成通过流动池入口管线103A与传感器阵列装置110可控制地流体连通的试剂容器11A-11N。试剂流体系统10可以包含用于每个试剂容器的试剂流体管线，如分别对应于试剂容器11A-11N的试剂流体管线13A-13N。另外地，每个流体试剂管线可以具有由阀(如图1中所描绘的分别作为用于试剂流体管线13A-13N中的每个试剂流体管线的内联阀的试剂流体管线阀15A-15N)控制的流体流动。洗涤溶液流体系统20可以包含可以被放置成通过洗涤溶液流体管线阀25与流动池入口管线103A可控制地流体连通的洗涤溶液洗涤溶液容器21。流体多路复用器系统30可以包含通过流体多路复用器流体管线33与流体多路复用器35流体连通的流体多路复用器系统废物容器31。

如图1中所描绘的，试剂流体管线阀15A-15N可以由阀控制器40控制。在这方面，阀控制器40可以控制从每个试剂容器11A-11N到流体多路复用器35的流体流动。另外地，如图1中所描绘的，阀控制器40可以通过控制在图1中被描绘为洗涤溶液流体管线23上的内联洗涤溶液流体管线阀25的洗涤溶液流体管线阀25来控制从洗涤溶液流体系统20的洗涤溶液容器21的流体流动。如在图1中由从阀控制器40到每个试剂容器11A-11N的控制管线所指示的，阀控制器40还可以致动来自惰性气体源(未示出)的气动管线上的气动阀的控制，所述惰性气体源为每个试剂容器11A-11N并为洗涤溶液容器21提供可控制压头。因此，可以使用从源到出口的压力差作为动力将来自细胞分析系统100的各个试剂和洗涤溶液容器的流体可控制地移动通过流体管线。

结合由阀控制器40提供的控制，图1的流体多路复用器35可以可控制地执行流体操作，所述流体操作包含但不限于：向传感器阵列装置110提供选择的试剂递送；对流体多路复用器35和流动池107进行洗涤；以及用选择的试剂填装流体多路复用器35。此类流体操作可以提供试剂到流动池107的无交叉污染的递送，可以提供试剂流体流之间的急剧转变，以及为洗涤溶液流体管线23中的参考电极27提供恒定的电解质流体环境，由此向传感器阵列装置110提供恒定的稳定参考电压。在美国专利公开2010/0137143、美国专利8,546,128和美国专利8,673,627中已经描述了用于在传感器阵列系统的流体系统的各个实施例中引导流动的流体多路复用器35的各个实施例的功能，所有这些专利均通过引用整体并入本文中。

例如，结合阀控制器40，图1的流体多路复用器35可以选择性地提供试剂流体管线13A-13N中的任何试剂流体管线与流动池入口管线103A之间的流体连通，由此提供通过传感器阵列装置组合件115的流动池107的选择性试剂流动。本发明教导的非限制性说明性试剂溶液流体路径是通过试剂递送操作给出的，在所述试剂递送操作中，洗涤溶液流体管线阀25处于关闭状态，并且试剂流体管线阀15A-15N之一处于打开状态，条件是选择的试剂之一与流体多路复用器35流体连通。在此种条件下，选择的试剂可以流动通过流体多路复用器35并且然后通过流体多路复用器流体管线33到流体多路复用器废物容器31。另外地，选择的试剂可以流动通过流体多路复用器35到流动池入口管线103A，所述选择的试剂可以然后在所述流动池入口管线处从入口端口102流动通过流动池107到出口端口104，并且最后通过流动池出口管线103B到流动池废物容器101。

关于对洗涤溶液的流体控制，结合阀控制器40，图1的流体多路复用器35可以选择性地在洗涤溶液容器21与流动池入口管线103A之间提供流体连通。因此，在洗涤溶液流体管线阀25处于打开状态的情况下，溶液容器21可以与流体多路复用器废物容器31以及流动池废物容器101流体连通，条件是可以进行对流体多路复用器35和流动池107的洗涤。本发明教导的非限制性说明性洗涤溶液流体路径是通过洗涤操作给出的，在所述洗涤操作中，洗涤溶液流体管线阀25处于打开状态，并且试剂流体管线阀15A-15N中的每个试剂流体管线阀均处于关闭状态，条件是洗涤溶液可以流动通过洗涤溶液流体管线23到带有流动池入口管线103A的T型接头。当流动池入口管线103A与流体多路复用器35流体连通时，洗涤溶液可以通过流体多路复用器流体管线33流动到流体多路复用器废物容器31。当流动池入口管线103A另外地与传感器阵列装置组合件115流体连通时，洗涤溶液可以通过流动池107从入口端口102到出口端口104，并且然后可以流动通过流动池出口管线103B到流动池废物容器101。

根据本发明教导，可以例如按顺序在洗涤操作之后并且在选择的试剂被放置成与图1的流动池107流体连通之前进行用选择的试剂填装流体多路复用器35。本发明教导的非限制性说明性试剂填装流体路径是通过试剂填装操作给出的，在所述试剂填装操作中，洗涤溶液流体管线阀25处于打开状态，并且试剂流体管线阀15A-15N之一处于打开状态，条件是选择的试剂之一与流体多路复用器35流体连通。在此类操作下，洗涤溶液相对于试剂的流动速率的流动速率被选择成使得洗涤溶液通过除与选择的试剂流体流体连通的流体多路复用器35中的通路(如试剂流体管线13A-13N)之外的流体多路复用器流体管线33流动通过流体多路复用器35到流体多路复用器废物容器31。因此，当启动如本文先前所描述的试剂递送操作时，在试剂填装操作中选择的试剂与流动池入口管线103A直接流动连通。

因此，本发明教导的流体系统的各个实施例被配置程执行可以包含洗涤、填装和试剂递送的一系列操作。按顺序执行的此类操作可以避免系统流体管线和隔室中的试剂的交叉污染，提供试剂流体流之间的急剧转变，并且为参考电极提供恒定的电解质流体环境，由此向传感器阵列提供恒定的稳定参考电压。

根据本发明教导，从流体管线产生的噪声源可以影响参考电压(例如，由定位于图1的洗涤溶液流体管线23中的参考电极27提供的参考电压)。如本文先前所描述的，来自用于图1的传感器阵列装置110的参考电极27的稳定参考电压可以通过具有确保参考电极27与已知电解质组成的洗涤溶液持续接触的流体系统来提供。另外地，来自流体管线(例如，试剂流体管线13A-13N和流体多路复用器流体管线33)的高频噪声可以通过将定位于流体管线中的电极电容耦接到参考电极而被滤除。根据本发明教导，电极可以是例如惰性金属的中空圆柱形结构，所述惰性金属的非限制性实例包含铂或钛。此类中空圆柱形金属结构可以提供与流动流中的流体的有效欧姆接触。如图1中所描绘的，定位于试剂流体管线13A-13N中的试剂流体管线电极17A-17N分别通过单独的试剂流体管线电容器19A-19N耦接到参考电极27，所述单独的试剂流体管线电容器中的每个单独的试剂流体管线电容器分别耦接到试剂流体管线电极17A-17N。以类似的方式，定位于流体多路复用器流体管线33中的流体多路复用器流体管线电极37通过流体多路复用器流体管线电容器39耦接到参考电极27。

如图1中所描绘的，细胞分析系统100可以另外地包含阵列控制器50和用户接口60。根据本发明教导，阵列控制器50可以向传感器阵列装置110提供各个电源和偏置电压以及控制和定时信号，并且另外地提供用于从传感器阵列装置110高速获取数据的数据和处理器接口。在这方面，图5A和图5B描绘了与本发明教导的传感器阵列装置110的各种功能相关的阵列控制器50的各种功能。

图5A总体上展示了阵列控制器50与传感器阵列装置110的传感器阵列120之间以及阵列控制器50与用户接口60之间的函数的各个方面。根据本发明教导的细胞分析系统的各个实施例，阵列控制器50可以具有用于向传感器阵列装置110提供功率的多个电源52以及支持数字接口54，所述支持数字接口是被配置成读取由传感器阵列装置110生成的数据的高速数字接口。另外地，阵列控制器50被配置成向传感器阵列装置110提供信号，如来自信号控制器56的控制信号以及来自定时发生器58的定时信号。可以向传感器阵列装置110提供多个电源，包含模拟电源、数字电源、I/O电源和接地。在一个示例性实施方案中，电源电压中的每个电源电压在1.2到3.3V的范围内可以是可控制的。这些电源电压中的每个电源电压可以通过单独的导电路径提供给传感器阵列装置110以促进噪声隔离。这些电源电压可以源自相应的电源，或者这些电源电压中的一个或多个电源电压可以源自阵列控制器50中的公共源极。根据本发明教导的阵列控制器的各个实施例，电源可以包含可以由系统处理器62控制的一个或多个数模转换器(DAC)，以允许任何或所有电源电压在软件控制下改变。例如，取决于如从存储在传感器阵列装置的各个实施例上的数据中读取的在使用中的传感器阵列装置的类型的需求，响应于计算机控制的电源可以促进在1.6伏的电源电压与1.8伏的电源电压之间进行切换。

图5A中所展示的硬件控制器70可以被实施为一个或多个单独的电路板或实施为接口板的一部分。硬件控制器70的一个功能是提供气动和流体控制，例如以控制流动经过传感器阵列120中的每个传感器的感测表面的各种流体和试剂的定时和持续时间以及读取如由系统处理器62软件确定的与气动和流体流动控制有关的压力和流动传感器。另外地，硬件控制器70可以支持针对传感器阵列装置110的温度测量和控制，以及针对系统的组合件和子组合件的温度测量和控制。根据本发明教导，通过非限制性实例，可以使用热敏电阻和热电偶来进行温度测量。响应于温度测量，系统处理器62可以控制可以包含非限制性实例如风扇、加热器和热电冷却器的装置。

阵列控制器50可以被制造为“独立”电路板或制造为形成计算机的一部分的一个或多个计算机兼容“卡”。一方面，本发明教导的阵列控制器的功能可以由系统处理器62通过处理器接口55(例如，PCI总线、以太网连接等)来控制。在一个实施例中，阵列控制器的全部或一部分被制造为一个或多个印刷电路板，并且传感器阵列装置被配置成附接到印刷电路板之一。到系统处理器62的外部连接可以包含标准计算机接口，如以太网和USB。最后，系统处理器62可以包含显示器64。

如图5B中所描绘的，各个电源和偏置电压从阵列控制器50提供给传感器阵列装置。图5B的传感器阵列装置110可以结合一个或多个模数转换器(ADC)114和一个或多个数据多路复用器和高速串行输出116，以将传感器阵列120的模拟输出信号转换成高速串行数据接口54，由此通过处理器接口55从传感器阵列装置110向系统处理器62(参见图5A)提供数字数据。对于传感器阵列装置110的各个实施例，模数转换器(ADC)114可以具有计算机可选择的输入范围(例如，200mV、300mV)，以促进与不同范围的传感器输出信号的兼容性。

根据本发明教导，对于图5B的传感器阵列装置110的各个实施例，阵列行选择和定序112、ADC 114和数据多路复用器和高速串行输出116可以由传感器阵列装置110的定时定序器118上的逻辑以阵列控制器50提供的定时来控制。在一个示例性实施方案中，从其获取数据的行的数量以及获取的采样速率可以基于从阵列控制器50提供给传感器阵列装置110的控制数据来控制。在一个非限制性实例中，定时发生器58可以被实施为由系统处理器62控制的可编程时钟发生器集成电路，以便允许控制不同的传感器阵列装置类型、操作模式和获取数据速率。阵列控制器50与传感器阵列装置定时定序器118之间的控制信号可以使用标准串行接口类型(如I2C或SPI)来交换。写入传感器阵列装置110的信息可以包含存储或写入到传感器阵列装置定时定序器118的装置上寄存器的值，以控制传感器阵列装置110的操作模式以及从传感器阵列装置110读取数据。从传感器阵列装置110读取的信息可以包含存储的数据，包含芯片类型、序列号、制造日期等。

图5B的参考电极27可以耦接到电源，以为来自传感器阵列120的每个传感器的输出电压(输出信号)提供参考电位。通过非限制性实例，参考电极27的参考电极电压可以通过使具有已知且稳定的pH的溶液流动经过传感器阵列装置110(参见图2A)来设置。在此种限定的pH条件下，参考电极电压可以调节，直到传感器阵列中的传感器(例如图2A的传感器阵列120的传感器)的输出信号指示传感器具有处于期望的参考电平的电压为止。一旦使用具有已知且稳定的pH的溶液设置了参考电压，传感器电压的后续变化就可以反映pH的局部变化已经在传感器阵列的传感器的感测表面处发生。

用于进行细胞分析的使用基于ChemFET传感器阵列的系统的应用和方法

图6A的流程图200呈现了可以使用本发明教导的细胞分析系统和相关装置、组件和组合件来运行的与本发明教导的应用和方法的实施例有关的工作流程。例如，流程图200可以使用图1的细胞分析系统100来运行，所述细胞分析系统可以包含与阵列控制器和系统处理器接口的传感器阵列装置，如图1、图5A和图5B的传感器阵列装置110、阵列控制器50和用户接口60。

图6A的流程图200可以以步骤210启动：用细胞样品平板接种ChemFET传感器阵列装置。可以将已知密度的细胞悬浮液冲洗或以其它方式抽取到传感器阵列装置组合件(如图1的传感器阵列装置组合件)中。平板接种细胞样品后，可以将传感器阵列装置组合件覆盖并放置目标时间段进行温育，以使细胞沉淀并锚定在传感器阵列表面上。在用细胞样品平板接种传感器阵列装置组合件之前，流程图200可以另外地包含用用户选择的细胞相容性材料(如各种生物聚合物材料，包含聚-D-赖氨酸、层粘连蛋白、纤连蛋白、胶原蛋白和其组合)以及各种细胞外基质(ECM)制剂制备传感器阵列表面的步骤。可以在平板接种之前用细胞相容性材料制备传感器阵列表面，并且可以将传感器阵列装置存储以供将来使用。可替代地，可以在用细胞样品平板接种传感器阵列装置组合件之前进行用细胞相容性材料原位制备传感器阵列表面。

在细胞已经与传感器阵列表面稳定相关之后，在流程图200的步骤212处，可以执行活细胞成像应用，并且在步骤214处，可以显示结果。在步骤214处来自活细胞成像应用的信息可以为终端用户提供传感器表面上的细胞分布的概况、有关单独的细胞形态的信息以及单独的细胞活力的评估。例如，图1的细胞分析系统100可以为终端用户提供电镜细胞成像。对于此类成像应用，可以引起ChemFET传感器的感测表面的电位的变化的锚定在传感器阵列装置的表面上的细胞的状态的任何变化可以通过响应于细胞活性细胞的传感器阵列中的每个传感器来检测。在例如活细胞成像应用期间的选择的时间处的响应细胞的电镜图像可以例如在显示器(如图5A的用户接口60的显示器64)上呈现给终端用户。如本文先前所描述的，考虑到电镜成像以可以针对活细胞引发的各种响应为基础，因此获得传感器阵列表面上的响应细胞的电镜图像可以用作可视化和评估细胞的初始步骤。作为电镜成像的替代或补充，可以使用其它使细胞可视化的方法，如光学显微镜。

在流程图200的步骤216处，基于从活细胞图像显示步骤214提供的信息，可以基于例如标识关于细胞的分布和活性的最佳区域并考虑所关注应用来选择所关注区域。如本文先前所描述的，因为可以收集数据的速率与所关注区域的选择之间存在反比关系。例如，为了监测各个可兴奋细胞的动作电位可能需要亚毫秒到毫秒范围内的数据获取速率，而为了监测氧化磷酸化产生的乳酸盐可能需要数秒到数分钟的数据获取速率。在步骤218处，终端用户可以从例如在图形用户接口(GUI)上呈现的菜单中选择应用并且然后启动如步骤220中所给出的运行。最终，在步骤222处，终端用户可以接收实验的结果，例如但不限于如在显示器(如图5A的用户接口60的显示器64)上所提供的结果、如通过作为报告发送到系统处理器(如图5A的用户接口60的系统处理器62)来提供的结果或两者。

可替代地，终端用户可以在没有首先运行活细胞成像应用以选择所关注区域的情况下运行应用。图6B的流程图300可以以步骤310启动：如先前针对6A的步骤210所描述的，用细胞样品平板接种ChemFET传感器阵列装置。根据本发明教导，可以在用细胞相容性材料处理的传感器阵列装置上进行细胞的平板接种。在步骤320处，终端用户可以从例如在图形用户接口(GUI)上呈现的菜单中选择应用并且然后启动如步骤330中所给出的运行。最终，在步骤340处，终端用户可以接收实验的结果，例如但不限于如在显示器(如图5A的用户接口60的显示器64)上所提供的结果、如通过作为报告发送到系统处理器(如图5A的用户接口60的系统处理器62)来提供的结果或两者。当应用在没有选择所关注区域的情况下运行时，将数据以例如如表I中所示出的与传感器阵列装置相关的帧速率收集。尽管终端用户可以放大并扩展例如电镜图像的装置上的任何区域，但是最终呈现的数据的分辨率通过与装置相关的帧速率来固定。

对传感器阵列装置进行原位处理以在传感器阵列表面上提供细胞相容性材料的涂层的各种方法适用于例如如图3的表格中所呈现的本发明教导的各个传感器阵列装置。关于用于用细胞相容性材料对传感器阵列表面进行原位改性的示例性方法，以下示例性细胞相容性材料的溶液用于涂覆对感测氢离子(pH)具有选择性的三个ISFET传感器的表面：

1.含0.1％聚-D-赖氨酸(PDL)的磷酸盐缓冲盐水(PBS)

2.含0.1％聚-D-赖氨酸(PDL)+0.05％层粘连蛋白的PBS

3.商业的细胞外基质(ECM)调配物

无需稀释即可使用

将属于在图3的表中被标识为芯片1的类型的三个传感器阵列装置在无菌的层流细胞培养罩中打开，并且然后在无菌条件下用无菌的溶液和材料进行所有操纵。将每个传感器阵列装置用通过移液管注射到溶液端口中的一个溶液端口并从另一个溶液端口中轻轻吸出的200μL的含由70％乙醇构成的溶液的水冲洗两次。一旦将溶液施加到芯片表面，请注意不要将流动池下方的表面或腔室吸至干燥或干燥运行，因此真空管线被定位成与用于溶液注射的端口相对的出口端口上方并且芯片从未被真空干燥。使70％乙醇溶液在室温下在传感器阵列装置上停留30分钟，并且然后用200μL的细胞培养级PBS重复冲洗。然后，将传感器阵列装置如上所描述的用200μL的溶液冲洗，并使其在用200μL的新鲜PBS冲洗三次之前在室温下静置一小时，之后所述传感器阵列装置即可使用。可替代地，可以将被制备成提供如所描述的细胞相容性表面的传感器阵列装置密封和储存，以供以后使用。

为了验证用于如上文所描述的经过处理以提供细胞相容性传感器表面的传感器阵列装置的传感器阵列功能，细胞分析系统(如图1的细胞分析系统100)用于评价经过处理的传感器阵列装置。将洗涤溶液容器和三个试剂容器用以下组合物的以下溶液来填充：

1.将洗涤溶液容器和第一试剂容器用具有以下组合物和特性的溶液填充：

20mM HEPES，pH 7.4

140mM NaCl

2.5mM KCl

1.8mM CaCl₂

1.0mM Mg Cl₂

同渗浓摩：300mOsm

2.将第二试剂容器用具有以下组合物和特性的溶液填充：

20mM HEPES，pH 7.6

140mM KCl

2.5mM NaCl

1.8mM CaCl₂

1.0mM Mg Cl₂

同渗浓摩：300mOsm

3.将第三试剂容器用具有用于填充第二试剂容器的组合物和特性但使用盐酸稀释溶液调节到pH为7.1的溶液填充。

对每个传感器阵列装置和具有未经处理的表面的对照进行如下测试方案：

1.将洗涤缓冲溶液用于设置参考电极电位以及调节传感器阵列装置。

2.对于每个传感器装置，选择不同传感器区域中的两个像素以对测试期间的电位进行测量。

3.将溶液通过每个装置的流动池吸入的顺序如下：

a.从洗涤溶液切换到第一试剂容器中的溶液，以便验证它们对在不同容器中在相同溶液之间切换没有很大影响。

b.切换回到洗涤溶液，然后切换到第二试剂容器溶液，以便测量pH从7.4变化到7.6的影响。

c切换回到洗涤溶液，然后切换到第三试剂容器溶液，以便测量pH从7.4变化到7.1的影响。

从测试方案生成的数据验证了经过处理以提供细胞相容性表面的传感器阵列装置具有指示由于装置的涂层而对传感器阵列装置性能没有不利影响的响应。下图中呈现了装置的pH响应的图：

图7A到图8B呈现了与细胞膜电位在诱导的去极化、然后恢复期的时间进程内的变化的测量有关的数据。本研究中使用的传感器阵列装置是对感测氢离子具有选择性的如图3的表中所示出的芯片1装置并且包含微孔阵列。对装置进行处理以提供如本文先前所描述的细胞相容性聚-D-赖氨酸涂层。U-2OS细胞(ATCC目录编号ATCC-HB-96)是通常用于异源表达研究的人骨肉瘤细胞系，将其用绿色荧光蛋白(GFP)转导以使用荧光显微镜对传感器阵列表面上的细胞进行监测以及用离子通道构建体转导以提供对去极化刺激的响应。使用标准解离程序制备用于平板接种的U-2OS，在200×g下使用离心来沉淀，并以250,000个细胞/毫升的密度重悬于完整的细胞培养基中。然后，通过传感器阵列装置吸入200μL的细胞悬浮液。然后，将传感器阵列装置放置于无菌的10cm细胞培养皿中并覆盖。然后，将以这种方式制备的传感器阵列装置转移到温育器中，并在本发明教导的细胞分析系统中使用之前在37℃下温育至少过夜。

图7A中所呈现的图是时间响应曲线，其表示在细胞成像研究的进程期间聚焦在两个细胞C₁和C₂的活性上的所关注区域之上收集的数据。两种溶液用于图7A到图8B中所呈现的细胞成像研究：

1.将洗涤溶液容器和第一试剂容器用具有以下组合物和特性的溶液填充：

20mM HEPES，pH 7.3

140mM NaCl

2.5mM KCl

1.8mM CaCl₂

1.0mM Mg Cl₂

同渗浓摩：300mOsm

2.剩余的试剂容器；将第二到第4容器用具有以下组合物和特性的溶液填充：

20mM HEPES，pH 7.3

140mM KCl

2.5mM NaCl

1.8mM CaCl₂

1.0mM Mg Cl₂

同渗浓摩：300mOsm

在启动细胞成像研究之前，针对初始条件的流动池中的溶液是洗涤溶液。研究在将第二到第四试剂容器之一通过流动池吸入并经过传感器阵列时启动。由于所述溶液中的主要浓度的阳离子是钾，因此其可以为细胞提供去极化刺激。除监测细胞的活性之外，还在没有细胞锚定的传感器阵列的区域中监测参考响应FET_R。

关于细胞C₁和C₂的细胞成像研究的进展，在图7B中，当去极化溶液到达图上所指示的阶段I处的细胞时，通过细胞C₁和C₂的信号增加证实了去极化的早期指示，并且在阶段II中继续增加，直到在其中响应持续的阶段III处达到平衡为止。当将洗涤溶液引入流动池中并将去极化溶液从流动池中洗涤时，在图的阶段IV处指示恢复，所述恢复一直进行到细胞C₁和C₂在阶段V处平衡到洗涤溶液为止。与参考曲线的轻微负响应相比，细胞的响应是其在传感器阵列表面上存在的特征标签，经历去极化的细胞表现出比基线噪声水平高约20倍的强的正电压响应。

图7B上由30帧处的阴影线所指示的时间的是与图8A的电镜图像相对应的时间。图8B是在图8A的电镜图像中可视化的主要特征的线图。基于传感器阵列上的细胞的电镜成像，考虑到研究中使用的针对传感器阵列装置的像素间距为3μ，估计跨传感器阵列的细胞的大小具有约10到20像素或30μ到60μ的直径。如本文先前所提到的，将U-2OS细胞用绿色荧光蛋白(GFP)转导，使得针对图7A到图8B中所呈现的电镜成像实验制备的传感器阵列也可以使用荧光显微镜来成像。根据从传感器阵列的荧光显微镜成像收集的数据得到的结果确认，跨传感器阵列的细胞的直径的范围为30μ到60μ。

图9A展示了U-2OS细胞(C₁和C₂)和用电压门控钙通道α、β和α-2-δ亚基转染的U-2OS细胞(C₃和C₄)的时间响应曲线。图9A中所呈现的时间响应曲线表示针对U-2OS细胞相较于经过转染的U-2OS细胞在所关注区域之上收集的数据，其中通过静息电位的初始状态的循环、然后通过用于使膜电位去极化并且返回到静息电位的条件对用钙离子通道阻滞剂维拉帕米处理的每种类型的细胞的细胞响应的影响。图9B是在与帧25相对应的时间(1.7秒)处拍摄的图9A的电镜图像，其中图9B中的细胞内的正方形指示针对图9A的数据采样的像素。图9C是图9B的电镜图像，其中图9B中的细胞内的正方形已经被去除以提供细胞的清晰图像。

图9A到图9C的数据从其中生成的实验中使用的传感器阵列装置是对感测氢离子具有选择性的如图3的表中所总结的芯片2装置并且包含微孔阵列。如本文先前所描述的制备具有聚-D-赖氨酸表面的装置。简而言之，将传感器阵列装置表面用含70％乙醇的水浸泡30分钟，然后在添加0.1％聚-D-赖氨酸的溶液之前用PBS冲洗，使所述传感器阵列装置表面静置两小时。然后，将装置用200μL的细胞培养基(例如，含有10％胎牛血清的经过McCoy's5A改性的培养基)冲洗两次。用细胞培养基冲洗后，准备用细胞悬浮液对装置进行平板接种。

使用1×10^6个细胞/mL的细胞悬浮液来进行经过转染的细胞的制备。将编码电压门控钙离子通道α、β和α-2-δ亚基的混合物的哺乳动物化BacMam基因递送颗粒添加到细悬浮液中以重构功能通道。功能性电压门控钙离子通道至少需要α亚基和β亚基两者，其中α-2-δ用于增强表面表达和离子通量。BacMam病毒转导是通过将颗粒预混合并以病毒颗粒对细胞数量的十倍过量的粗略比例添加到细胞来实现的。将对照(无病毒)和经过病毒处理的细胞平板接种到传感器装置上并放置在细胞培养温育器中过夜，以允许在次日进行实验之前粘附和表达功能性离子通道。

在实验期间，在存在10μM的钙离子通道阻滞剂维拉帕米的情况下，将对照或经过病毒转导的细胞暴露于升高的30mM KCl去极化刺激。图9A的时间响应曲线展示了从对照组(C₁和C₂)中的细胞对用电压门控钙通道转染的细胞(C₃和C₄)获得的特征标签响应的可分辨差异。图9A到图9C中所呈现的发现证实了本发明教导的细胞分析系统和方法可以基于阻滞剂对表达靶蛋白的培养物的选择性活性而容易地区分表达或不表达电压门控钙离子通道的细胞。

图10A是经受4.5mM KCl的脉冲的大鼠新生儿海马神经细胞的电镜图像。图10B是对经受4.5mM KCl脉冲的大鼠新生儿细胞的时间响应曲线进行的比较，其中在具有不同数据获取速率的两种不同装置上执行实验。

参考总结了阵列装置属性的图3的表，在图10A和图10B的数据从其中生成的实验中使用的传感器阵列装置是具有芯片2的尺寸的装置，对于所述芯片，数据以30个样品/秒的帧速率收集。在其中生成图10B I中的数据的实验中使用的传感器阵列装置是具有芯片1的尺寸的装置，其中装置的活性区域向下窗口化占装置总区域的50％的所关注区域以提供240个样品/秒的最大帧速率。芯片1装置和芯片2装置两者均是对感测氢离子具有选择性的ISFET装置并且包含微孔阵列。如本文所描述的制备具有聚-D-赖氨酸表面的装置以制备在图9A到图9C的用电压门控钙通道进行的实验中使用的装置。将大鼠新生儿海马神经细胞与完整的大鼠E18新生儿海马神经细胞解离，并以1×10^6个细胞/mL的密度重悬，然后平板接种到装置上。将装置放置于细胞培养温育器中，每隔三天在平板接种的细胞之上更换新鲜的神经元培养基，持续时段十天，这使细胞粘附并成熟成能够显示出自发去极化活性的可兴奋表型。对大鼠新生儿海马神经细胞在来自基底氯化钾(KCl)浓度为2.5mM到4.5mM的溶液脉冲期间的自发活性进行了测试。

如图10A的电镜图像中所证实的，观察到制剂的细胞活性的自发去极化。图10B证实了帧速率对数据分辨率的影响。在图10B中，观察到针对帧速率为240个样品/秒的传感器装置的时间响应曲线具有两个峰值(图10B-I)，而针对帧速率为30个样品/秒的传感器装置的时间响应曲线具有单个峰值(图10B-II)。图10A的电镜数据和图10B的时间响应曲线展示了本发明教导的细胞分析系统和方法可视化来自已知在十天的成熟期后在培养物中激发动作电位的原代细胞类型的固有电活动的能力。

图11是来自经受线粒体毒素羰基氰化物-4-(三氟甲氧基)苯腙(FCCP)的永生化人肝细胞系的细胞(HEPG2细胞；ATCC目录号ATCC-HB-8065)的电镜图像，其中指示一些示例性细胞与细胞流出的流相关。HEPG2细胞系在细胞生物学中用作肝脏肝细胞癌的模型，并且另外地还用于LDL和胆固醇输入以及肝脏毒理学的研究。

图11的数据从其中生成的实验中使用的传感器阵列装置是对感测氢离子具有选择性的图3的芯片2装置并且包含微孔阵列。如本文所描述的制备具有聚-D-赖氨酸表面的装置以制备在图9A到图9C的用电压门控钙通道进行的实验中使用的装置。将HEPG2细胞以1×10^6个细胞/mL重悬并平板接种到芯片上以在细胞培养温育器中培养过夜，以使细胞粘附到芯片的所制备的表面。测试出线粒体质子载体FCCP的浓度为100μM，所述浓度是已知会引发导致细胞死亡的响应的浓度。来自实验的电镜图像呈现于图11中。

在FCCP的应用期间，观察到细胞响应，这证实本发明教导的细胞分析系统和方法可视化细胞内容物流出到层流系统中的能力。针对图11中的两个细胞C_HEPG1和C_HEPG2对所述能力进行了描绘，针对所述两个细胞的细胞内容物的流出分别由C_efflux1和C_efflux2指示。值得注意的是，并非所有细胞证实了流出活性，如图11中针对C_HEPG3所描绘的。这些结果指示，本发明教导的细胞分析系统和方法可以进一步区分响应于毒素治疗而表现出的急性新型表型。

图12A展示了用FCCP处理的U-2OS细胞的平均的减去背景的时间剂量-响应曲线。图12B展示了在用FCCP处理之前用含有寡霉素的营养溶液预处理的U-2OS细胞的平均的减去背景的时间剂量-响应曲线。

参考总结了阵列装置属性的图3的表，在图12A和图12B的数据从其中生成的实验中使用的传感器阵列装置使用针对图12A中所呈现的数据的芯片2装置和针对图12B中所呈现的芯片1装置。芯片1装置和芯片2装置两者均是对感测氢离子具有选择性的ISFET装置并且包含微孔阵列。如本文所描述的制备具有聚-D-赖氨酸表面的装置以制备在图9A到图9C的用电压门控钙通道进行的实验中使用的装置。将U-2OS细胞以1×10^6个细胞/mL重悬并平板接种到芯片上以在细胞培养温育器中培养过夜，以使细胞粘附到芯片的所制备的表面。为了测试FCCP处理的剂量依赖性，如图12A和图12B中所指示的在实验期间将细胞暴露于一系列浓度突变。在图12A中，在不存在寡霉素的情况下进行实验，并且在图12B中，在存在寡霉素的情况下生成FCCP剂量-响应曲线。

图12A和图12B中的数据由来自用FCCP测试的样品的平均细胞响应构成。数据示出，在不存在和存在寡霉素的情况下，剂量依赖性FCCP响应很容易区分。对于细胞分析工具的当前现有技术，寡霉素经常被用作对FCCP的预处理以增强细胞中的FCCP响应。相反，本发明教导的细胞分析系统不需要药理学填装即可证明稳健的、剂量依赖性FCCP时间响应曲线。

对于针对其的数据呈现于图13A到图13C中的实验，选择了三种不同的细胞类型以测试仪器基于对FCCP的响应来区分细胞类型的能力。为了生成对广泛不同的细胞类型进行比较的数据集，供体衍生的原代人主动脉平滑肌(HASM)细胞(HASMC；Gibco目录号C0075C)、人宫颈癌细胞(海拉(HeLa)细胞；ATCC目录号CRM CCL 2)和小鼠衍生的白血病细胞系(MMM细胞；ATCC目录号J774A.1)被选择进行研究。

图13A到图13C是在单独的装置上单独地测试的每种类型的细胞系的平均的减去背景的时间剂量-响应曲线。图13A是针对HASM细胞的一组剂量-响应曲线，图13B是针对海拉细胞的一组剂量-响应曲线，并且图13C是针对MMM细胞的一组剂量-响应曲线。对于图14A到图14C中所示出的数据，将细胞的混合物暴露于100μM FCCP，并记录其响应，以便了解是否可以通过其对FCCP的响应来鉴定不同的细胞类型。图14A展示了针对其中细胞经受FCCP的不同细胞类型的混合物中的选择的细胞的合成时间剂量-响应曲线。图14B是在与帧40相对应的时间(2.7秒)处拍摄的图14A的实验的电镜图像，其中细胞内的正方形指示针对图14A的数据采样的像素。图14C是图14B的电镜图像，其中图13B中的细胞内的正方形已经被去除以提供细胞的清晰图像。

图13A到14C的数据从其中生成的实验中使用的传感器阵列装置是对感测氢离子具有选择性的图3的芯片2装置并且包含微孔阵列。如本文所描述的制备具有聚-D-赖氨酸表面的装置以制备在图9A到图9C的用电压门控钙通道进行的实验中使用的装置。将每个细胞系以1×10^6个细胞/mL重悬并且然后按均匀比例混合，然后平板接种到装置上以在细胞培养温育器中培养过夜，以使细胞粘附到芯片的所制备的表面。

在图13A到图13C的时间响应曲线表示在单独的装置上单独地测试的不同组织源的三种细胞类型中的每种细胞类型时，值得注意的是，每种细胞类型显示出对FCCP的不同动力学和振幅响应。图13A到图13C中呈现的数据表明通过其对药理学探针的特征标签响应来鉴定每个细胞系的潜力。图14A表示从单个芯片上的所有三种细胞类型的分析中收集的数据。对图14A中所呈现的时间响应数据使用波形分析，C₁和C₂被鉴定为HASM细胞，C₃为MMM细胞，并且C₄和C₅被鉴定为海拉细胞。在图14C的电镜图像被拍摄的时间处，电镜图像捕获到海拉细胞(C₄和C₅)相较于HASM细胞和MMM细胞(C₁-C₃)的行为差异。总的来说，图13A到图13C和图14A到图14C中所呈现的数据证实了本发明教导的系统和方法使用特征标签细胞响应和行为来鉴定混合细胞群中的明显不同的细胞系的潜力。

图15A到图15C的数据是代表性数据的实验中使用的传感器阵列装置是对感测氢离子具有选择性的如图3的表中所总结的芯片1装置并且没有微孔阵列。为了测试本发明教导的各个细胞分析系统记录具有亚细胞分辨率和高时间保真度的细胞信号的能力，针对大量细胞平板接种于细胞相容性表面之上的芯片1装置，以每秒120帧收集数据。如先前针对图9A到图9C所描述的进行装置和细胞制备。简而言之，制备具有聚-D-赖氨酸表面的装置并用电压门控钙离子通道转染U-2OS细胞的制剂。使用1×10^6个细胞/mL的细胞悬浮液将芯片1装置用经过转染的U-2OS细胞平板接种。如本文先前所描述的，哺乳动物化BacMam基因递送颗粒编码电压门控钙离子通道α、β和α-2-δ亚基的混合物以提供具有重构功能通道的细胞悬浮液。功能性电压门控钙离子通道至少需要α亚基和β亚基两者，其中α-2-δ用于增强表面表达和离子通量。

图15A和15B示出了来自两个示例性时间点的两个电镜图像，所述两个示例性时间点与以约一到两秒的间隔捕获的数据间隔345毫秒(ms)。在启动数据收集之前大约500毫秒，将细胞用以下等渗剂灌注：

20mM HEPES，pH 7.3

130mM NaCl

12.5mM KCl

1.8mM CaCl₂

1.0mM Mg Cl₂

同渗浓摩：300mOsm

图15A和图15B是显示电镜图像中所呈现的几个细胞的亚细胞结构域中的瞬时信号的实例的电镜图像。例如，对于被指定为细胞i的细胞，信号在1577毫秒时间点处清晰可见，而信号在1922毫秒时间点处基本上减小。对于指定为细胞ii的细胞，在1577毫秒时间点处存在明显可见的信号，而信号在1922毫秒时间点处减小以显示相邻细胞中的信号。对于指定为细胞iii的细胞，在1577毫秒时间点处不存在可见信号，而在1922毫秒时间点处存在清晰可见的信号。

图15C是在包含被指定为图15A和图15B中的细胞i-iii的细胞的电镜图像的时间点的时间间隔内的时间响应曲线。图15C的时间响应曲线还包含针对非响应细胞iv(即，细胞响应对照)收集并平均的信号以及针对传感器区域v(即，装置响应对照)收集并平均的信号。如通过检查图15C的时间响应曲线可以看出的，两个对照在数据捕获期间保持不变。在图15A到图15C中所呈现的数据的采样间隔处于约8.3毫秒处时，在整个实验内的时间响应曲线如图15C中针对示例性细胞所显示的捕获了随后的许多细胞的上升阶段和指数衰减信号。对于图15A到图15C中所呈现的数据，亚细胞结构域的高帧速率记录揭示了如图15A和图15B的电镜图像中所示出的易于可视化的以及如图15C的时间响应曲线中所示出的数量和强度量化的离散活性区域。

图15A到图15C中所呈现的以高帧速率收集的具有亚细胞分辨率的数据的影响证实了在离散微结构域中的细胞活性与生物电或生化活性一致。此类微结构域区域中的细胞活性与先前在TIRF显微镜中对局部化囊泡释放的描述一致。另外地，数据还指示本发明教导的基于ChemFET传感器阵列的系统的各个实施例测定可能潜在地控制强调正常和患病细胞功能中的囊泡融合和释放的机制的遗传或药理学干预的潜力。

如本文先前针对图3所描述的，可以改变以提供本发明教导的各个传感器阵列装置的传感器阵列装置属性包含像素尺寸以及可以从传感器阵列装置收集数据的速率。图16提供了如本文中的应用和方法部分中所描述的对细胞的类似总结。

通过检查图16，对于锚定在传感器阵列表面上的平均直径为6μm并且平均面积为28μm²的MMM细胞，针对芯片1装置，最小接触面积或占用面积对应于约2行和约3像素，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积增加到7行和45像素。类似地，对于锚定在传感器阵列表面上的平均直径为15μm并且平均面积为177μm²的HEPG2细胞，针对芯片1装置，最小接触面积或占用面积对应于约4行和约18像素，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积增加到18行和285像素。类似地，对于锚定在传感器阵列表面上的平均直径为18μm并且平均面积为254μm²的海拉细胞或平均直径为19μm并且平均面积为284μm²的U-2OS细胞，针对芯片1装置，最小接触面积或占用面积对应于介于约5行和约26像素之间或约6行和约29像素，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积分别增加到介于约21行和410像素之间或约22行和458像素。对于锚定在传感器阵列表面上的平均直径为25μm并且平均面积为491μm²的HASM细胞，针对芯片1装置，最小接触面积或占用面积对应于约7行和约50像素，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积增加到29行和792像素。大鼠新生儿海马神经(RNH)细胞的细胞体可以在约20μm和314μm²的平均面积到约100μm和7,854μm²的平均面积之间变化。对于锚定在传感器阵列表面上的各个RNH细胞，针对芯片1装置，RNH细胞体的最小接触面积或占用面积的范围可以分别介于约6行和约32像素到约30行和约803像素之间，针对芯片4装置，所述最小接触面积或占用面积的范围分别增加到介于约24行和506像素到约118行和12,668像素之间。根据对图16的检查，如针对图3所指出的，趋势是像素覆盖范围随细胞大小增加和像素大小减小而增加。

从像素角度来看，像素覆盖范围百分比列是单个像素覆盖的细胞的面积的百分比。对于锚定在传感器阵列表面上的MMM细胞，针对芯片1装置，单个像素对应于33％覆盖范围，而针对芯片4装置，单个像素对应于2％覆盖范围。对于锚定在传感器阵列表面上的HEPG2细胞，针对芯片1装置，单个像素对应于6％覆盖范围，而针对芯片4装置，单个像素对应于0.4％覆盖范围。相比之下，对于锚定在传感器阵列表面上的海拉细胞，针对芯片1装置，单个像素对应于4％覆盖范围，而针对芯片4装置，单个像素对应于0.2％覆盖范围。对于锚定在传感器阵列表面上U-2OS细胞，针对芯片1装置，单个像素对应于3％覆盖范围，而针对芯片4装置，单个像素对应于0.2％覆盖范围。对于锚定在传感器阵列表面上的各个RNH细胞，在芯片1装置上，单个像素覆盖范围的范围可以为平均直径为20μm的RNH细胞的3％到平均直径为100μm的RNH细胞的0.1％覆盖范围。相比之下，对于芯片4装置，单个像素对应于平均直径为20μm的RNH细胞的0.2％覆盖范围到平均直径为100μm的RNH细胞的0.008％覆盖范围。根据对图16的检查，如针对图3所指出的，趋势是每个像素的细胞覆盖范围的百分比随细胞大小增加和像素大小减小而减小。

考虑到在图16的表中所呈现的内容，可以针对各个平均细胞直径来进行对本发明教导的示例性传感器阵列装置的像素覆盖范围的选择。装置属性与在本发明教导的各个应用中使用的细胞系的相关性落在如图3中所叙述的范围内。在这方面，对于约5μm到约100μm的细胞，可以进行对传感器阵列装置的选择以为锚定在传感器阵列表面上的细胞的对应的占用面积提供3行像素内的约8像素到约118行像素内的约12,668像素的覆盖范围。在所述范围的细胞大小内，像素大小可以变化，使得选择的传感器阵列装置的每个像素可以覆盖细胞的约12％到细胞的约0.008％。基于图3环绕图16中所呈现的数据，明显的是，对于任何细胞大小，可以选择可以提供与细胞可以在传感器阵列装置上占据的接触面积相关的相当大数量的传感器的示例性传感器阵列装置。可以由本发明教导的各个传感器阵列装置提供的空间分辨率可以允许信号的亚细胞辨别；因此提供亚细胞分析。

类似地，与图3中所呈现的内容一致，通过检查图16的最后一列明显的是，对于跨一定范围的细胞大小的目标所关注区域，每秒可以收集相当大数量的帧，从而在kHz范围内舒适地提供数据收集。回顾，在最后一列中，呈现了针对细胞覆盖的行的一小部分的可以收集数据的最大帧速率，如通过将每行的最大帧速率除以每细胞直径的行得出的。

对于锚定在传感器阵列表面上的MMM细胞，针对芯片1装置，可以以37,500fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以23,142fps的最大帧速率收集数据。对于锚定在传感器阵列表面上HEPG2细胞，针对芯片1装置，可以以18,750fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以9,000fps的最大帧速率收集数据。对于锚定在传感器阵列表面上的海拉细胞，针对芯片1装置，可以以15,000fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以7,714fps的最大帧速率收集数据。类似地，对于锚定在传感器阵列表面上的U-2OS细胞，针对芯片1装置，可以以12,500fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以7,364fps的最大帧速率收集数据。对于锚定在传感器阵列表面上的HASM细胞，针对芯片1装置，可以以10,714fps的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以5,586fps的最大帧速率收集数据。最后，对于各个RNH细胞，锚定在传感器阵列表面上的此类细胞的体，针对芯片1装置，可以以介于约2,500fps到约12,500fps之间的最大帧速率收集数据，而针对芯片4，可以以介于约1,373fps到约6,750fps的最大帧速率收集数据。

根据本发明教导，图16中所呈现的内容清楚的是，针对在根据本发明教导的各个应用中使用的细胞系的各个最大帧速率落入如图3中所呈现的约1,250fps到约75,000fps的范围内。根据对图3和图16的检查，趋势是帧速率随细胞大小增加和像素大小减小而减小，这与选择的所关注区域和可以收集数据的速率之间的反比关系一致。因此，帧速率可以通过选择较小的像素子集来监测(即，通过在其之上收集数据的传感器阵列装置的区域向下窗口化)或通过选择具有与应用匹配的令人期望的帧速率的装置而提高。

本文已经描述的内容涉及用于基于化学场效应晶体管(ChemFET)传感器阵列技术的各个细胞分析系统的系统、应用和方法。本发明教导的各个细胞分析系统可以在单次分析中针对介于约10个细胞到约500,000个细胞之间利用亚细胞可寻址能力和同时数据获取来测量单一活细胞的电和代谢活动。本发明教导的各个传感器阵列装置可以具有带有被建设成大规模并行阵列的介于2000万个到6.6亿个之间的ChemFET传感器的传感器阵列，其中传感器阵列的传感器的间距可以分别介于约3.36μm到约850nm。进一步地，本发明教导的各个细胞分析系统可以以千赫兹(kHz)范围内的数据获取速率提供对细胞进行的同时测量。进一步地，集成到本发明教导的各个细胞分析系统中的全自动流体系统允许严格受控应用例如用于指示对各种类型的化学询问的细胞响应的测量的各个研究中的化学剂。由于本发明教导的各个ChemFET传感器阵列可以检测化学分析物以及检测细胞膜电位的变化，因此受控电刺激也可以用于在本发明教导的各个细胞分析系统中对细胞进行询问。

尽管本文中已经示出并描述了本发明教导的优选实施例，但对于本领域的技术人员而言显而易见的是此类实施例仅通过举例的方式提供。在不背离本发明教导的情况下，本领域的技术人员现在将会想到众多变体、变化以及取代。应理解，本文所描述的各个实施例的不同替代方案可以用于实践本文中所公开的内容。预期的是以下权利要求限定了本公开的范围以及由此覆盖在这些权利要求和其等效物的范围内的系统、装置、应用和方法。

Claims (40)

1.一种细胞分析系统，其包括：

装置，所述装置包含化学场效应晶体管(ChemFET)传感器阵列；所述传感器阵列的传感器间距介于约850nm到约3.3μ之间，其中所述装置具有经过处理以促进细胞粘附的基本上平面的表面；

流动池，所述流动池安装在所述装置上，其中所述流动池被配置成为所述装置提供与所述细胞分析系统的流体界面；

参考电极，所述参考电极与所述流动池流动连通，其中所述参考电极被配置成向所述传感器阵列提供稳定的参考电位；以及

阵列控制器，所述阵列控制器被配置成向所述装置提供功率和偏置电压以及控制和定时信号并向系统处理器提供从所述装置获取的数据。

2.根据权利要求1所述的细胞分析系统，其中所述ChemFET传感器是离子选择性场效应晶体管(ISFET)传感器。

3.根据权利要求2所述的细胞分析系统，其中所述ISFET传感器对氢离子具有选择性。

4.根据权利要求1所述的细胞分析系统，其中所述细胞分析系统进一步包括流体系统，所述流体系统被配置成用于通过所述流动池进行可控制的流体递送。

5.根据权利要求1所述的细胞分析系统，其中所述表面用涂层进行处理。

6.根据权利要求5所述的细胞分析系统，其中所述涂层选自聚-D-赖氨酸、层粘连蛋白和其组合。

7.根据权利要求5所述的细胞分析系统，其中所述涂层是基底膜基质制剂。

8.根据权利要求1所述的细胞分析系统，其中所述装置进一步包含安置在所述传感器阵列上的微孔结构阵列，其中每个微孔结构安置在至少一个传感器上。

9.根据权利要求8所述的细胞分析系统，其中所述微孔结构不超过所述传感器阵列中的传感器的传感器板的宽度的90％。

10.根据权利要求9所述的细胞分析系统，其中微孔结构的高度介于所述微孔结构的宽度的约两倍到约四倍之间。

11.根据权利要求1所述的细胞分析系统，其进一步包括去极化电极，所述去极化电极与所述装置流动连通，其中所述去极化电极被配置成将电刺激施加到细胞。

12.一种用于细胞分析的方法，所述方法包括：

将细胞样品平板接种于ChemFET传感器阵列装置的传感器阵列表面上；所述传感器表面被制备成促进细胞粘附，其中所述细胞样品中的每个细胞在所述传感器阵列表面之上具有限定的占用面积；

从平板接种于所述传感器阵列表面上的所述细胞样品的图像中选择所关注区域，其中选择所述所关注区域限定用于数据获取的帧速率；

运行细胞分析应用，以便以限定的帧速率获取选择的所关注区域的数据；以及

针对所述细胞分析应用显示所述选择的所关注区域的结果。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所显示的所述结果是至少一个细胞的电镜图像。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所显示的所述结果是至少一个细胞的时间响应曲线。

15.根据权利要求12所述的方法，其中对于占用面积覆盖约30行像素的细胞，所述帧速率为约1,250fps。

16.根据权利要求12所述的方法，其中对于占用面积覆盖约4行像素的细胞，所述帧速率为约40,500fps。

17.根据权利要求12所述的方法，其中限定所述帧速率是选择具有限定的装置帧速率的ChemFET传感器阵列装置。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述限定的装置帧速率介于约15fps到约240fps之间。

19.根据权利要求12所述的方法，其中所述ChemFET传感器阵列装置的传感器间距介于约850nm到约3.3μ之间。

20.根据权利要求12所述的方法，其中在选择所关注区域之前，所述方法进一步包括：

对平板接种于所述传感器阵列表面上的所述细胞样品进行引起细胞膜去极化的刺激；以及

显示分散在ChemFET传感器阵列上的每个响应细胞的电镜图像。

21.一种用于使用基于ChemFET传感器阵列的系统进行细胞成像的方法，所述方法包括：

将细胞样品平板接种于安装在流动池中的ChemFET传感器阵列装置的传感器阵列表面上；其中所述细胞样品中的每个细胞在所述传感器阵列表面之上具有占用面积，

对所述细胞样品执行实验，其中所述基于ChemFET传感器阵列的系统被配置成在所述实验期间输出所述ChemFET传感器阵列中的每个传感器的信号；以及

显示所述实验的电镜图像，其中所述电镜图像包括所述ChemFET传感器阵列中的每个传感器在所述实验期间在选择的时间处的输出信号。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所显示的所述电镜图像包含所述细胞样品中的至少一个细胞的图像。

23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括显示所述至少一个细胞的时间响应曲线。

24.根据权利要求21所述的方法，其中所显示的所述电镜图像包含至少一个细胞的细胞流出图像。

25.根据权利要求21所述的方法，其中执行所述实验包括对所述细胞样品进行刺激。

26.根据权利要求25所述的方法，其中对所述细胞样品进行所述刺激包含使试剂流动通过所述流动池，以引发细胞响应。

27.根据权利要求25所述的方法，其中对所述细胞样品进行所述刺激包含引发细胞响应的电刺激。

28.根据权利要求21所述的方法，其中执行所述实验包括监测所述细胞样品的自发活动。

29.根据权利要求21所述的方法，其中所述ChemFET传感器阵列的传感器间距介于约850nm到约3.36μ之间。

30.根据权利要求21所述的方法，其中细胞在所述传感器阵列表面之上的所述占用面积介于约2个传感器到约12,668个传感器之间。

31.根据权利要求21所述的方法，其中细胞在所述传感器阵列表面之上的所述占用面积介于3行传感器中的约8个传感器到约118行传感器中的约12,668个传感器。

32.根据权利要求21所述的方法，其中所述ChemFET传感器阵列装置提供的每个像素介于细胞的所述占用面积的12％覆盖范围到约0.008％覆盖范围之间。

33.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：在执行所述实验之后：

选择所述ChemFET传感器阵列装置的所关注区域，其中所述所关注区域包括至少一个所关注细胞；以及

显示所述所关注区域的电镜图像。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所显示的所述电镜图像包含所关注区域中的至少一个细胞的图像。

35.根据权利要求34所述的方法，其进一步包括显示所述所关注区域中的所述至少一个细胞的时间响应曲线。

36.根据权利要求21所述的方法，其中在将所述细胞样品平板接种于所述传感器阵列表面上之前，所述方法进一步包括对所述传感器阵列表面进行处理以促进到所述传感器阵列表面的细胞粘附。

37.根据权利要求36所述的方法，其中对所述传感器阵列表面进行处理包括利用促进到所述传感器阵列表面的细胞粘附的材料将涂层施加到所述传感器阵列表面。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述涂层选自聚-D-赖氨酸、层粘连蛋白和其组合。

39.根据权利要求37所述的方法，其中所述涂层是基底膜基质制剂。

40.根据权利要求37所述的方法，其中将所述涂层原位施加到所述传感器表面。

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