科學(xué)家捕捉到心臟跳動(dòng)的實(shí)時(shí)電活動(dòng)，使用一片石墨烯記錄了一個(gè)光學(xué)圖像，幾乎就像一個(gè)攝像機(jī)，由有節(jié)奏的發(fā)射產(chǎn)生的微弱電場(chǎng)。

　　石墨烯相機(jī)代表了一種新型傳感器，可用于研究產(chǎn)生電壓的細(xì)胞和組織，包括神經(jīng)元組或心肌細(xì)胞。迄今為止，電極或化學(xué)染料已被用于測(cè)量這些細(xì)胞中的電激發(fā)。但電極和染料僅測(cè)量一點(diǎn)電壓;石墨烯片在它接觸的所有組織上連續(xù)測(cè)量電壓。

　　這一進(jìn)展于在線發(fā)表在Nano Letters(“Graphene Electric Field Sensor Enables Single Shot Label-Free Imaging of Bioelectric Potentials”)雜志上，來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的兩個(gè)量子物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，以及斯坦福大學(xué)的物理化學(xué)家展開(kāi)了合作。

　　因?yàn)槲覀儗⑺屑?xì)胞同時(shí)成像到相機(jī)上，所以我們不必掃描，也不需要點(diǎn)測(cè)量。我們可以同時(shí)對(duì)整個(gè)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行成像，Haleh Balch 說(shuō)，該論文的三位第一作者和最近的博士學(xué)位，也是加州大學(xué)伯克利分校物理系獲得者。

　　雖然石墨烯傳感器無(wú)需用染料或示蹤劑標(biāo)記細(xì)胞即可工作，但它可以很容易地與標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡相結(jié)合，對(duì)熒光標(biāo)記的神經(jīng)或肌肉組織進(jìn)行成像，同時(shí)記錄細(xì)胞用于交流的電信號(hào)。

　　該研究的另一位第一作者 Allister McGuire 說(shuō)，您可以輕松地對(duì)樣本的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行成像，這對(duì)于研究涉及各種細(xì)胞類(lèi)型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尤其有用，他最近獲得了博士學(xué)位。如果你有一個(gè)熒光標(biāo)記的細(xì)胞系統(tǒng)，你可能只針對(duì)某種類(lèi)型的神經(jīng)元。我們的系統(tǒng)將允許你以非常高的完整性捕獲所有神經(jīng)元及其支持細(xì)胞的電活動(dòng)，這可能會(huì)真正影響人們的方式做這些網(wǎng)絡(luò)層面的研究。

　　石墨烯是一種單原子厚的碳原子片，以二維六邊形圖案排列，讓人聯(lián)想到蜂窩。幾十年來(lái)，二維結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的電學(xué)特性和魯棒性以及有趣的光學(xué)和光電特性而引起了物理學(xué)家的興趣。

　　在 CAGE 設(shè)備中，生物樣品被放置在石墨烯片頂部的圓柱形腔室中，石墨烯片位于波導(dǎo)上。激光通過(guò)棱鏡進(jìn)入波導(dǎo)，被石墨烯反射并在波導(dǎo)內(nèi)部反彈，然后離開(kāi)以被相機(jī)記錄。波導(dǎo)內(nèi)的內(nèi)部反射放大了石墨烯對(duì)樣品電場(chǎng)的響應(yīng)。(圖片：Haleh Balch、Allister McGuire 和 Jason Horng)

　　這可能是第一個(gè)可以使用 2D 材料的光學(xué)讀數(shù)來(lái)測(cè)量生物電場(chǎng)的例子，資深作者、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授王峰說(shuō)，人們以前曾使用 2D 材料通過(guò)純電讀出進(jìn)行一些傳感，但這是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗梢耘c顯微鏡配合使用，因此您可以進(jìn)行并行檢測(cè)。

　　該團(tuán)隊(duì)稱(chēng)該工具為臨界耦合波導(dǎo)放大石墨烯電場(chǎng)傳感器，或 CAGE 傳感器。

　　這項(xiàng)研究只是初步研究;我們想向生物學(xué)家展示，有這樣一種工具可以使用，并且可以進(jìn)行出色的成像。它具有快速的時(shí)間分辨率和極好的電場(chǎng)敏感性?，F(xiàn)在，它只是一個(gè)原型，但在未來(lái)，我認(rèn)為我們可以改進(jìn)設(shè)備。

　　石墨烯對(duì)電場(chǎng)敏感

　　十年前，Wang 發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)會(huì)影響石墨烯反射或吸收光的方式。Balch 和 Horng 在設(shè)計(jì)石墨烯相機(jī)時(shí)利用了這一發(fā)現(xiàn)。他們?cè)诩又荽髮W(xué)伯克利分校物理學(xué)教授 Michael Crommie 的實(shí)驗(yàn)室通過(guò)化學(xué)氣相沉積產(chǎn)生的一面上獲得了約 1 厘米的石墨烯片，并將來(lái)自雞胚胎的活心臟放在上面，雞胚胎是從受精卵中新鮮提取的。這些實(shí)驗(yàn)是在 Bianxiao Cui 的斯坦福實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，他開(kāi)發(fā)了納米級(jí)工具來(lái)研究神經(jīng)元和心肌細(xì)胞中的電信號(hào)。

　　該團(tuán)隊(duì)表明，當(dāng)石墨烯被適當(dāng)調(diào)整時(shí)，在心跳期間沿著心臟表面流動(dòng)的電信號(hào)足以改變石墨烯片的反射率。

　　當(dāng)細(xì)胞收縮時(shí)，它們會(huì)激發(fā)動(dòng)作電位，在細(xì)胞外產(chǎn)生一個(gè)小電場(chǎng)，巴爾奇說(shuō)，該單元下方石墨烯的吸收被修改，因此我們將看到從大面積石墨烯上的該位置返回的光量發(fā)生變化。

　　然而，在最初的研究中，Horng 發(fā)現(xiàn)反射率的變化太小而無(wú)法輕易檢測(cè)到。電場(chǎng)使石墨烯的反射率最多降低 2%;當(dāng)心肌細(xì)胞激發(fā)動(dòng)作電位時(shí)，電場(chǎng)變化的影響要小得多。

　　與視頻中顯示的心跳相同的一系列圖像，每個(gè)圖像相隔 5 毫秒。心肌細(xì)胞表面不斷變化的電場(chǎng)模式可以與其他細(xì)胞變化相關(guān)聯(lián)，以確定潛在的心臟藥物如何影響心臟節(jié)律和電激發(fā)。(圖片：Haleh Balch、Alister McGuire 和 Jason Horng)

　　Balch、Horng 和 Wang 一起找到了一種方法，通過(guò)在石墨烯下方添加一個(gè)薄波導(dǎo)來(lái)放大該信號(hào)，迫使反射的激光在逃逸之前在內(nèi)部反射約 100 次。這使得普通光學(xué)攝像機(jī)可以檢測(cè)到反射率的變化。

　　光在通過(guò)這個(gè)小腔體傳播時(shí)從石墨烯反彈的次數(shù)越多，光從石墨烯的響應(yīng)中感受到的影響就越多，這使我們能夠獲得對(duì)電場(chǎng)的非常非常高的靈敏度和電壓低至微伏，巴爾奇說(shuō)。

　　她說(shuō)，放大倍數(shù)的增加必然會(huì)降低圖像的分辨率，但在 10 微米時(shí)，它足以研究幾十微米的心臟細(xì)胞。

　　McGuire 說(shuō)，另一個(gè)應(yīng)用是在這些藥物進(jìn)入臨床試驗(yàn)之前測(cè)試候選藥物對(duì)心肌的影響，以查看它們是否會(huì)引起不必要的心律失常。為了證明這一點(diǎn)，他和他的同事用 CAGE 和光學(xué)顯微鏡觀察了跳動(dòng)的雞心，同時(shí)給它注入了一種抑制肌肉蛋白肌球蛋白的藥物 blebbistatin。他們觀察到心臟停止跳動(dòng)，但 CAGE 顯示電信號(hào)未受影響。

　　由于石墨烯片在機(jī)械上很堅(jiān)固，因此它們也可以直接放置在大腦表面上以連續(xù)測(cè)量電活動(dòng)——例如，監(jiān)測(cè)癲癇患者大腦中的神經(jīng)元放電或研究基本的大腦活動(dòng)。今天的電極陣列測(cè)量幾百個(gè)點(diǎn)的活動(dòng)，而不是連續(xù)測(cè)量大腦表面的活動(dòng)。

　　這個(gè)項(xiàng)目讓我感到驚奇的一件事是電場(chǎng)介導(dǎo)化學(xué)相互作用，介導(dǎo)生物物理相互作用，它們介導(dǎo)自然界中的各種過(guò)程，但我們從不測(cè)量它們。我們測(cè)量電流，我們測(cè)量電壓，巴爾奇說(shuō)，對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際成像的能力讓你看到了一種你以前幾乎不了解的模態(tài)。