來自加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的科學(xué)家展示了石墨烯的另一種用途，即將其作為一種先進(jìn)傳感器的基礎(chǔ)進(jìn)而讓來自活細(xì)胞和組織的電信號(hào)實(shí)現(xiàn)成像。據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)的“石墨烯相機(jī)”被用來記錄跳動(dòng)的心臟的電活動(dòng)，當(dāng)涉及到大腦時(shí)，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(gè)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(lǐng)域的科學(xué)家們的想象力。這些特性包括顯著的厚度、高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性及作為最強(qiáng)人造材料的地位。

加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們通過跟斯坦福大學(xué)的化學(xué)家們合作探索了這種材料將如何引領(lǐng)一種新型先進(jìn)醫(yī)療傳感器的可能性。據(jù)了解，這項(xiàng)工作建立在之前的研究基礎(chǔ)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(tuán)隊(duì)通過在跳動(dòng)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(dāng)細(xì)胞收縮時(shí)，它們發(fā)出動(dòng)作電位，進(jìn)而在細(xì)胞外產(chǎn)生一個(gè)小電場?！边@項(xiàng)研究的論文作者Halleh Balch解釋稱，“由于細(xì)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(gè)位置反射回來的光量發(fā)生了變化。”

不過這項(xiàng)技術(shù)需要一些調(diào)整。最初，由于跳動(dòng)的心肌細(xì)胞產(chǎn)生的電場太小，這使得對(duì)石墨烯的反射率不足以產(chǎn)生明顯的影響。為此，該團(tuán)隊(duì)在其下方添加了一個(gè)薄波導(dǎo)來放大它，該波導(dǎo)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(duì)石墨烯進(jìn)行了約100次的反射。

“一種思考方法是當(dāng)光線通過這個(gè)小腔時(shí)，從石墨烯上反射的次數(shù)越多石墨烯的反應(yīng)產(chǎn)生的光效應(yīng)越多，這使得我們對(duì)電場和微伏電壓擁有非常非常高的靈敏度。”Balch表示。

研究團(tuán)隊(duì)能夠使用這種“石墨烯相機(jī)”來研究心肌細(xì)胞以實(shí)時(shí)測量僅10微米寬的心肌細(xì)胞并產(chǎn)生它們通過跳動(dòng)產(chǎn)生的微弱電場的光學(xué)圖像。雖然電極和化學(xué)染料可以用來測量細(xì)胞的電活動(dòng)，但它們只能在一個(gè)特定的位置進(jìn)行，而薄片可以測量整個(gè)組織區(qū)域的電壓。該團(tuán)隊(duì)設(shè)想通過記錄細(xì)胞的電信號(hào)并與此同時(shí)對(duì)染色組織進(jìn)行成像將這些傳感技術(shù)結(jié)合起來。

該研究的論文第一作者、來自斯坦福大學(xué)的Allister mcGuire表示：“你可以輕松地對(duì)一個(gè)樣本的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行成像，這在涉及各種細(xì)胞類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究中尤其有用。如果你有一個(gè)熒光標(biāo)記的細(xì)胞系統(tǒng)，那么你可能只能針對(duì)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(xì)胞的電活動(dòng)，這可能會(huì)真正影響到人們進(jìn)行這些網(wǎng)絡(luò)水平研究的方式?！?/p>

這種被稱為“石墨烯相機(jī)”或耦合波導(dǎo)放大石墨烯電場（CAGE）傳感器可以在臨床試驗(yàn)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(dòng)并同時(shí)讓團(tuán)隊(duì)觀察到它對(duì)電場沒有影響證明了這一點(diǎn)。

另外，該設(shè)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(gè)地方進(jìn)行，但電極陣列可被用來研究腦細(xì)胞的電活動(dòng)。強(qiáng)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(dòng)的圖像。

“這個(gè)項(xiàng)目讓我感到驚訝的一件事是，電場介導(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(duì)電場進(jìn)行實(shí)際成像的能力讓你看到了一種你以前很少看到的形態(tài)。”Balch說道。

相關(guān)研究報(bào)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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