本發明涉及一種動態實時測量細胞膜電位的裝置，包括：用于作為生物傳感器的氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）器件、微流室、微注射泵和儲液瓶。微流室、微注射泵和儲液瓶依次連接，構成一個封閉的循環系統。微流室作為液體流動和細胞注入之用，微流室內的液體通過微注射泵傳輸給儲液瓶。作為生物傳感器的HEMT器件與微流室耦合，用于檢測所述微流室內細胞在動態條件下的實時細胞膜電位。

1.一種動態實時測量細胞膜電位的裝置，包括：用于作為生物傳感器的氮化鎵(GaN)高
電子遷移率晶體管(HEMT)器件、微流室、微注射泵和儲液瓶，其特征在于，將所述微流室、微
注射泵和儲液瓶依次連接，構成一個封閉的循環系統；所述微流室作為液體流動和細胞注
入之用，所述微流室內的液體通過所述微注射泵傳輸給所述儲液瓶，所述作為生物傳感器
的HEMT器件與所述微流室耦合，用于檢測所述微流室內細胞在動態條件下的實時細胞膜電
位，所述實時細胞膜電位是根據HEMT器件的源漏電流計算得到的；在所述微流室內，根據檢
測的實時流量數據，計算該流量下的剪切力，最后通過該流量數據與實時監控的細胞膜電
位相結合，實現模擬實際生物血管流體環境下的細胞膜電位的檢測。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述的HEMT器件由底層到上層的累積層依次為藍
寶石襯底層、GaN緩沖層、AlN插入層、AlGaN勢壘層、GaN帽層和Si₃N₄鈍化層；其中所述GaN緩
沖層厚度為1.6μm；所述的AlN插入層厚度為1.2nm；所述的AlGaN勢壘層厚度為8～15nm；所
述的GaN帽層厚度為1.5nm；所述的HEMT器件的勢壘層鋁組分在25％～40％之間；所述的
HEMT器件的鈍化層中間有一塊長方形槽狀的裸柵區域；所述的HEMT器件的裸柵區域無電極
引出，尺寸在10μm～10mm范圍內；所述的HEMT器件的上方的覆蓋物的材質為高分子聚合材
料，形狀為與裸柵相同的槽狀圖形。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中所述的微流室安裝在HEMT器件與高分子聚合材料
形成的槽形空間內，微流室反應室尺寸設計與器件柵極圖形保持一致。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中所述的微流室的制造材料選用以下中的任一種：聚
二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、以及聚酰亞胺；微流室包括其兩側的封接口，微流室與
微注射泵連接。
5.一種用于如權利要求1所述的裝置的HEMT器件，其特征在于，其是通過以下步驟來構
造的：
1)臺面刻蝕，即采用ICP方法刻蝕異質結材料形成器件的臺面隔離；
2)淀積源漏極歐姆金屬，采用電子束蒸發的方法獲得歐姆金屬層，歐姆金屬采用Ti/
Al/Ni/Au四層結構，并在830℃下退火形成合金，獲得良好的源漏極歐姆接觸；
3)采用PECVD方法淀積Si₃N₄材料作為鈍化層；
4)光刻并采用ICP方法刻蝕Si₃N₄，露出裸柵區域。
6.一種用于如權利要求1所述的裝置的微流室，其特征在于，其是通過以下步驟來構造
的：
1)采用光刻的方法或反應離子刻蝕的方法制造出微流室凸突的陽模，然后在陽模上澆
鑄PDMS，在約50℃下固化后使PDMS從陽模上剝離，即制得微流室部件；
2)微流室兩端的小孔采用鉆孔法得到；
3)微流室部件與HEMT芯片封接工藝采用熱壓法或粘合法。
7.根據權利要求1所述的裝置測量細胞膜電位的方法，所述方法包括步驟：
1)在無菌條件下，將獲取的新鮮的人體臍帶靜脈血加入等體積比的1g/L膠原酶與
2.5g/L胰蛋白酶的混合液15mL，置于37℃水浴箱中孵育8min；
2)將步驟1)得到的液體收集入離心管，用磷酸鹽緩沖液沖洗臍靜脈2次，將沖洗后的液
體一同收集入離心管，1000r/min離心10min，取上清液，加入完全培養液重懸細胞；
3)取0.1mL細胞懸液用4g/L臺盼藍染色后作活細胞計數；
4)將2×10⁴/L細胞接種到24孔板中，每孔加入完全培養液1mL，置于37℃、950mL/L O₂、
50mL/L CO₂培養箱內靜置培養，并采用臺盼藍排斥法，將0.1mL混勻的內皮細胞懸液與4g/L
臺盼藍0.9mL混勻后，取1滴在顯微鏡下計數100個細胞；
5)用酒精對HEMT器件消毒后，使用纖連蛋白溶液進行處理30min，并使用磷酸鹽緩沖液
沖洗，然后接種細胞，使細胞密度達到5000～12000cells/mm²，并保證細胞全程置于含5％
CO₂的37℃恒溫箱中；
6)采用微注射泵與細胞膜電位檢測裝置連接形成血液動力系統，該系統架設在37℃恒
溫箱中維持溫度穩定，實驗中使用磷酸鹽緩沖液作為流體，并且實驗全程通入含5％CO₂的
空氣以保持流體環境的酸堿度；
7)器件裸柵上培養的細胞受到的剪切力由以下公式推導：
$\mathrm{\τ}=\frac{6Q\mathrm{\η}}{{\mathrm{wh}}^2}$
其中τ為細胞受到的剪切力，單位為dyne/cm²；η為流體即培養液的粘滯度(viscosity)，
單位為g/(cm·s)；Q為流體每秒的流量，單位為cm³/s；w為器件的柵寬，h為微流室內壁高
度；
8)采用半導體測試分析儀器，來測試HEMT器件的源漏電流，并通過如下公式，轉化成對
應的細胞膜電位：
$V_J^D={\mathrm{\ΔV}}_{GS}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{DS}}{{\left(g_m\right)}_{V_{DS}}}$
其中，為細胞膜電位，為所加漏源電壓V_DS下，且柵電壓V_GS在-70mV～0V處對
應的HEMT器件跨導，由于柵電壓的變化較小，可認為為一個常數，由預先測量得到。
8.根據權利要求7所述的測量細胞膜電位的方法，所述預先測量為：對在同一晶圓上、
且采用相同版圖的常規三端HEMT器件，加相同漏源電壓V_DS，測試其轉移曲線(V_G-I_D)，得到
柵電壓在-70mV～0V處對應的器件跨導值。