科学家打造出能对跳动心脏电场成像的“石墨烯相机”

来自加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的科学家展示了石墨烯的另一种用途，即将其作为一种先进传感器的基础进而让来自活细胞和组织的电信号实现成像。据悉，该团队的“石墨烯相机”被用来记录跳动的心脏的电活动，当涉及到大脑时，其还可以开辟出新的感知能力。

石墨烯是一种二维的碳薄片，其能测量出单个原子的厚度，并且它令人难以置信的特性列表还已经俘获了来自广泛研究领域的科学家们的想象力。这些特性包括显著的厚度、高导热性和导电性及作为最强人造材料的地位。

加州大学伯克利分校的科学家们通过跟斯坦福大学的化学家们合作探索了这种材料将如何引领一种新型先进医疗传感器的可能性。据了解，这项工作建立在之前的研究基础上，之前的研究表明电场可以影响一片石墨烯反射或吸收光线的方式，该团队通过在跳动的鸡胚胎心脏上放置约1平方厘米的石墨烯来探索这一问题。

“当细胞收缩时，它们发出动作电位，进而在细胞外产生一个小电场。”这项研究的论文作者Halleh Balch解释称，“由于细胞下方石墨烯的吸收被改变了，所以我们将看到从大面积石墨烯的那个位置反射回来的光量发生了变化。”

不过这项技术需要一些调整。最初，由于跳动的心肌细胞产生的电场太小，这使得对石墨烯的反射率不足以产生明显的影响。为此，该团队在其下方添加了一个薄波导来放大它，该波导跟输入的激光一起工作，在离开装置之前，激光通过棱镜发射将对石墨烯进行了约100次的反射。

“一种思考方法是当光线通过这个小腔时，从石墨烯上反射的次数越多石墨烯的反应产生的光效应越多，这使得我们对电场和微伏电压拥有非常非常高的灵敏度。”Balch表示。

研究团队能够使用这种“石墨烯相机”来研究心肌细胞以实时测量仅10微米宽的心肌细胞并产生它们通过跳动产生的微弱电场的光学图像。虽然电极和化学染料可以用来测量细胞的电活动，但它们只能在一个特定的位置进行，而薄片可以测量整个组织区域的电压。该团队设想通过记录细胞的电信号并与此同时对染色组织进行成像将这些传感技术结合起来。

该研究的论文第一作者、来自斯坦福大学的Allister mcGuire表示：“你可以轻松地对一个样本的整个区域进行成像，这在涉及各种细胞类型的神经网络的研究中尤其有用。如果你有一个荧光标记的细胞系统，那么你可能只能针对特定类型的神经元。我们的系统可以让你以非常高的完整性捕获所有神经元及其支持细胞的电活动，这可能会真正影响到人们进行这些网络水平研究的方式。”

这种被称为“石墨烯相机”或耦合波导放大石墨烯电场（CAGE）传感器可以在临床试验之前用于测试心肌上的候选药物。通过给鸡胚胎注射抑制肌肉蛋白质的药物使心脏停止跳动并同时让团队观察到它对电场没有影响证明了这一点。

另外，该设备还可能为直接感知大脑开辟新的可能性。现在，尽管只能在几百个地方进行，但电极阵列可被用来研究脑细胞的电活动。强石墨烯薄片可以放置在表面以获得更广泛的连续电活动的图像。

“这个项目让我感到惊讶的一件事是，电场介导化学相互作用、介导生物物理相互作用--它们介导自然界的各种过程--但我们从未测量过它们。我们测量电流、我们测量电压。而对电场进行实际成像的能力让你看到了一种你以前很少看到的形态。”Balch说道。

相关研究报告已发表在《Nano Letters》上。

论文链接：

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

编辑：jq