的石墨烯相机代表了一种新的类型传感器用于研究产生电压的细胞和组织，包括神经元组或心肌细胞。迄今为止，电极或化学染料已被用于测量这些电池的电放电。但是电极和染料只能在一点上测量电压;石墨烯片在接触到的所有组织上连续测量电压。
这项研究是由加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的两个量子物理学家团队和斯坦福大学(Stanford University)的物理化学家合作完成的。“因为我们在相机上同时成像所有细胞，所以我们不需要扫描，也不需要仅仅进行点测量。我们可以同时对整个细胞网络进行成像，”Halleh Balch说，他是这篇论文的三位第一作者之一，最近在加州大学伯克利分校物理系获得了博士学位。
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虽然石墨烯传感器工作时不需要用染料或示踪剂标记细胞，但它可以很容易地与标准显微镜结合，以荧光标记的神经或肌肉组织成像，同时记录细胞用来交流的电信号。
该研究的另一位第一作者、最近获得斯坦福大学博士学位的阿利斯特·麦圭尔(Allister McGuire)说，“在研究涉及各种细胞类型的神经网络时，可以轻松地对样本的整个区域进行成像，这可能特别有用。”“如果你有一个荧光标记的细胞系统，你可能只针对特定类型的神经元。我们的系统将允许你以非常高的完整性捕捉所有神经元及其支持细胞的电活动，这将真正影响人们做这些网络水平研究的方式。”
石墨烯是一种单原子厚碳原子片，排列成二维六角形，让人联想起蜂窝状结构。二维结构由于其独特的电学特性和坚固性以及有趣的光学和光电子特性，几十年来吸引了物理学家的兴趣。
“这可能是第一个使用2D材料的光学读数来测量生物电场的例子，”资深作者、加州大学伯克利分校的物理学教授王峰说。“以前人们使用2D材料进行纯电读数传感，但这是独特的，因为它与显微镜一起工作，所以你可以进行平行检测。”
研究小组称这种工具为临界耦合波导放大石墨烯电场传感器，或称CAGE传感器。“这项研究只是初步研究;我们想向生物学家展示有这样一种工具可以使用，你可以做很好的成像。它具有快速的时间分辨率和强大的电场灵敏度，”第三位第一作者杰森·洪说，他是加州大学伯克利分校的博士，现在是国家标准与技术研究所的博士后研究员。“目前，它还只是一个原型，但未来，我认为我们可以改进这款设备。”
石墨烯对电场很敏感
十年前，王发现电场会影响石墨烯反射或吸收光线的方式。Balch和hong利用这一发现设计了石墨烯相机。他们在加州大学伯克利分校物理学教授迈克尔·克罗米(Michael Crommie)的实验室中，通过化学气相沉积的方法获得了一面约1厘米的石墨烯薄片，并在其上放置了一颗新鲜的从受精卵中取出的鸡胚胎的活心脏。这些实验是在斯坦福大学的bixiao Cui实验室进行的，他开发了纳米尺度的工具来研究神经元和心脏细胞的电信号。
该团队表明，当石墨烯被适当地调谐时，心跳时沿着心脏表面流动的电信号足以改变石墨烯片的反射率。
“当细胞收缩时，它们会激发动作电位，在细胞外产生一个小电场，”Balch说。“电池下方的石墨烯的吸收被改变了，所以我们将看到从该位置反射回来的光线量在大面积石墨烯上发生变化。”
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然而，在最初的研究中，洪发现反射率的变化太小，不易检测。电场使石墨烯的反射率最多降低2%;当心肌细胞发出动作电位时，电场的变化对心脏的影响要小得多。
Balch、hong和Wang一起发现了一种放大这种信号的方法:在石墨烯下方添加一个薄波导，迫使反射的激光在内部反射约100次后逃逸。这使得反射的变化可以被普通的光学摄像机检测到。
”思考的一种方式是石墨烯的多次反射,光线的传播通过这个小洞,光感的更多影响石墨烯的反应,这使我们能够获得非常,非常高的电场和电压敏感性微伏,”巴尔奇说。
增加的放大必然会降低图像的分辨率，但在10微米时，研究几十微米宽的心脏细胞就足够了，她说。
麦圭尔说，另一个应用是在这些药物进入临床试验之前，测试这些候选药物对心肌的影响，看看它们是否会引起不必要的心律失常。为了证明这一点，他和他的同事用CAGE和光学显微镜观察了跳动的鸡心脏，同时将其注入一种名为blebbistatin的药物，这种药物可以抑制肌肉蛋白肌球蛋白。他们观察到心脏停止跳动，但CAGE显示电信号不受影响。
因为石墨烯薄片在机械上很坚硬，所以它们也可以直接放置在大脑表面，以获得连续的电活动测量——例如，监测癫痫患者大脑中的神经元放电，或研究基本的大脑活动。如今的电极阵列只在几百个点上测量大脑活动，而不是在大脑表面上连续测量。
“这个项目让我惊讶的一点是，电场调节化学相互作用，调节生物物理相互作用——它们调节自然界中的各种过程——但我们从未测量过它们。我们测量电流和电压，”Balch说。“电场实际成像的能力让你看到了一种你以前很少了解的模式。”
这项研究发表在纳米快报．
来源:加州大学伯克利分校
