科學家打造出能對跳動心臟電場成像的“石墨烯相機”

來自加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的科學家展示了石墨烯的另一種用途，即將其作為一種先進傳感器的基礎進而讓來自活細胞和組織的電信號實現(xiàn)成像。據(jù)悉，該團隊的“石墨烯相機”被用來記錄跳動的心臟的電活動，當涉及到大腦時，其還可以開辟出新的感知能力。

石墨烯是一種二維的碳薄片，其能測量出單個原子的厚度，并且它令人難以置信的特性列表還已經(jīng)俘獲了來自廣泛研究領域的科學家們的想象力。這些特性包括顯著的厚度、高導熱性和導電性及作為最強人造材料的地位。

加州大學伯克利分校的科學家們通過跟斯坦福大學的化學家們合作探索了這種材料將如何引領一種新型先進醫(yī)療傳感器的可能性。據(jù)了解，這項工作建立在之前的研究基礎上，之前的研究表明電場可以影響一片石墨烯反射或吸收光線的方式，該團隊通過在跳動的雞胚胎心臟上放置約1平方厘米的石墨烯來探索這一問題。

“當細胞收縮時，它們發(fā)出動作電位，進而在細胞外產(chǎn)生一個小電場?！边@項研究的論文作者Halleh Balch解釋稱，“由于細胞下方石墨烯的吸收被改變了，所以我們將看到從大面積石墨烯的那個位置反射回來的光量發(fā)生了變化?！?/p>

不過這項技術需要一些調(diào)整。最初，由于跳動的心肌細胞產(chǎn)生的電場太小，這使得對石墨烯的反射率不足以產(chǎn)生明顯的影響。為此，該團隊在其下方添加了一個薄波導來放大它，該波導跟輸入的激光一起工作，在離開裝置之前，激光通過棱鏡發(fā)射將對石墨烯進行了約100次的反射。

“一種思考方法是當光線通過這個小腔時，從石墨烯上反射的次數(shù)越多石墨烯的反應產(chǎn)生的光效應越多，這使得我們對電場和微伏電壓擁有非常非常高的靈敏度?！盉alch表示。

研究團隊能夠使用這種“石墨烯相機”來研究心肌細胞以實時測量僅10微米寬的心肌細胞并產(chǎn)生它們通過跳動產(chǎn)生的微弱電場的光學圖像。雖然電極和化學染料可以用來測量細胞的電活動，但它們只能在一個特定的位置進行，而薄片可以測量整個組織區(qū)域的電壓。該團隊設想通過記錄細胞的電信號并與此同時對染色組織進行成像將這些傳感技術結合起來。

該研究的論文第一作者、來自斯坦福大學的Allister mcGuire表示：“你可以輕松地對一個樣本的整個區(qū)域進行成像，這在涉及各種細胞類型的神經(jīng)網(wǎng)絡的研究中尤其有用。如果你有一個熒光標記的細胞系統(tǒng)，那么你可能只能針對特定類型的神經(jīng)元。我們的系統(tǒng)可以讓你以非常高的完整性捕獲所有神經(jīng)元及其支持細胞的電活動，這可能會真正影響到人們進行這些網(wǎng)絡水平研究的方式?！?/p>

這種被稱為“石墨烯相機”或耦合波導放大石墨烯電場（CAGE）傳感器可以在臨床試驗之前用于測試心肌上的候選藥物。通過給雞胚胎注射抑制肌肉蛋白質(zhì)的藥物使心臟停止跳動并同時讓團隊觀察到它對電場沒有影響證明了這一點。

另外，該設備還可能為直接感知大腦開辟新的可能性?，F(xiàn)在，盡管只能在幾百個地方進行，但電極陣列可被用來研究腦細胞的電活動。強石墨烯薄片可以放置在表面以獲得更廣泛的連續(xù)電活動的圖像。

“這個項目讓我感到驚訝的一件事是，電場介導化學相互作用、介導生物物理相互作用--它們介導自然界的各種過程--但我們從未測量過它們。我們測量電流、我們測量電壓。而對電場進行實際成像的能力讓你看到了一種你以前很少看到的形態(tài)?！盉alch說道。

相關研究報告已發(fā)表在《Nano Letters》上。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00543

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