文獻回顧

圖 1.2.9、

seal resistance 與動作電位之關係[4]

圖 1.2.10、

細胞跨膜電位與膜外電位之關係[5]

1.3 文獻回顧

過去在細胞電生理的研究中，常用膜片箝制技術（patch-calmp technique）作為電生 理學中研究離子通道機制的工具[6] 。傳統膜片箝制方式是將玻璃微電極貼附在細胞上，

施予玻璃微電極適當的吸力，使細胞膜向微電極內部凹陷呈Ω 狀，確保細胞膜和微電極 間是緊密吸附的（Rseal約 10-100 GΩ），在膜內外施加一定程度的電壓，觀察細胞膜上 的離子流動所造成的電流變化；圖 1.3.1 所示即是描述四種基本的膜片箝制技術，分別 為貼附式（cell attached）、膜外朝外（outside-out patch）、膜內朝外（inside-out patch）

和全細胞（whole cell recording）式。利用膜片箝制技術所得到的資訊雖然精確，但操作

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技術複雜，必須經過長時間的訓練，累積足夠的經驗，才能使用；且膜片箝制技術每次 量測只能夠紀錄少量的離子通道，效率不彰。此外，因為膜片箝制技術是將玻璃微電極 深入細胞進行量測，對於細胞來說是一種侵入性的量測方式，因此若要長時間持續觀察 細胞的電生理特性，膜片箝制技術尚無法達成此一需求；是故為了能夠長時間觀察細胞 訊號傳遞的電傳導特性，必須設法維持細胞正常情況下的生理狀態。

圖 1.3.1、膜片箝制技術示意圖

為了達到上述的目的，陸續有學者提出各種非侵入式的量測方式，其中利用微電極 陣列（microelectrode array）量測細胞膜外電位[7-15]便是方法之一；細胞膜的電位變化 可藉由電極感測膜外電場的變化得知。利用微電極陣列除了對細胞的傷害性小之外，還

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可以利用微電極給予細胞刺激，使細胞產生動作電位，藉此觀測細胞電生理傳遞的資訊，

了解細胞如何傳遞訊息。1972 年，Thomas 等人是最早將細胞培養在微電極陣列上，進 行膜外電位量測的團隊[10]；他們是在玻璃基板上鍍金後，再沉積鉑黑（platinum black）

當作電極材料，量測膜外電位；其微電極陣列系統的剖面圖示於圖 1.3.2。在此一研究發 表之後，開始有各種不同的微電極陣列設計被提出，包括電極的材料選擇、形狀和大小 等，都成為研究的議題[16] 。而微電極陣列的應用也拓展到各式各樣不同的細胞和生物 組織上進行量測；1977 年，Gross 等人也陸續發表出相關的研究成果，並用於量測神經 組織的電性訊號[17]。

圖 1.3.2、微電極陣列示意圖

常見的電極排列設計為方形陣列，其次為矩形陣列、圓形陣列等。而材料的選擇（例 如：基板、電極和絕緣層）也很多樣；以基板材料為例，至少就有玻璃、矽晶片或高分 子材料三種[16]。電極形狀則多以方形或圓形為主。另外，考量到生物和電性的條件，

電極的尺寸大小要能與細胞的大小愈接近愈好；這是因為當細胞有動作電位產生時，膜 上的離子流動會造成膜外的電位改變，而微電極陣列的量測方式，就是利用金屬電極去 感受其表面的電位變化，因此當電極的尺寸大小與細胞貼附的大小一致時，能夠有效感 測表面電位變化的電極面積最大，理論上來說訊雜比（signal to noise ratio, SNR）較佳。

而為了營造良好的量測環境，必須慎選紀錄電極的材料， 通常會選用生物相容性

（biocompatibility）良好且阻抗低的材料，並且此微電極陣列要能夠刺激（stimulation）

細胞或記錄（recording）細胞產生的動作電位；要能達到這種要求，電極的阻抗大小佔 了很重要的因素；一般而言，電阻抗要小；常被用來當作電極材料的有 氧化銦錫

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（indium-tin oxide, ITO）、金（gold, Au）、銥（iridium, Ir）或鉑（platinum, Pt）；亦 可在這些電極上沉積鉑黑（platinum black）或氮化鈦（titanium nitride, TiN），藉由改變 電極表面形貌，增加電極的表面積，除了可降低電極阻抗外，也提升了感測面積。

在記錄細胞電生理的研究中，除了要有電極能夠將細胞的訊息轉換成電位變化之外，

因為細胞膜外電位變化非常微弱，大約是μV 的大小，因此必須連接濾波放大器，將訊 號做適當的處理；簡單的說，就是將不必要的雜訊濾除並放大細胞的膜外電位。小訊號 的處理過程首先會將訊號進行兩階段放大，再經由濾波器處理之後送出。2009 年，Charles M. Lieber 在 NANO LETTERS 所 發 表的研 究 成果 中， 是利 用自 製 的前 級放 大 器

（Home-made preamplifier）將訊號放大之後，再交由鎖相放大器（lock-in amplifier）對 訊號進行濾波處理，最後經由 NI-DAQ 將量測所得之心臟電生理訊號擷取出來紀錄之；

圖 1.3.3（a）所示為 Lieber 團隊所使用之量測儀器的架構圖，包括：放置元件的載台（chip carrier & interface）、前級放大器（Pre-amplifiers）、鎖相放大器（Lock-in amplifier）和 Multifunction I/O & NI-DAQ；圖 1.3.3（b）為心臟電訊號的量測示意圖，紅色箭頭所指 為心臟組織，黃色箭頭所指為銀/氯化銀參考電極，放大心臟組織的部分，如圖 1.3.3（c）。

[18-20]

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圖 1.3.3、量測儀器架設圖

在本篇論文中，將利用微電極陣列（microelectrode array, MEA） 在細胞與電性量 測儀器之間提供適當的介面，將細胞產生的訊息轉換成電子訊號，接著利用量測儀器紀 錄生物細胞的電生理訊號。而使用 MEA 記錄心肌細胞的動作電位（action potential, AP）。