Графеновая камера представляет собой сенсор нового типа, полезный для изучения клеток и тканей, генерирующих электрическое напряжение, включая группы нейронов или клеток сердечной мышцы. На сегодняшний день электроды или химические красители используются для измерения электрического воспламенения в этих элементах.
Но электроды и красители измеряют напряжение только в одной точке; графеновый лист непрерывно измеряет напряжение на всей ткани, которой он касается.
Разработка, опубликованная на прошлой неделе в журнале Nano Letters, является результатом сотрудничества двух групп квантовых физиков из Калифорнийского университета в Беркли и физиков-химиков из Стэнфордского университета.
"Поскольку мы одновременно отображаем все клетки на камере, нам не нужно сканировать, и у нас нет только точечного измерения. Мы можем отображать всю сеть ячеек одновременно ", – сказал Халлех Балч, один из трех первых авторов статьи и недавний доктор философии.D. получатель на факультете физики Калифорнийского университета в Беркли.
Хотя графеновый датчик работает без необходимости маркировать клетки красителями или индикаторами, его можно легко комбинировать со стандартной микроскопией для получения изображения флуоресцентно меченой нервной или мышечной ткани, одновременно записывая электрические сигналы, которые клетки используют для связи.
«Легкость, с которой вы можете изобразить целую область образца, может быть особенно полезна при изучении нейронных сетей, в которых задействованы все типы клеток», – сказал другой первый автор исследования Аллистер МакГуайр, недавно получивший докторскую степень.D. из Стэнфорда и. "Если у вас есть флуоресцентно меченая клеточная система, вы можете нацеливаться только на определенный тип нейронов. Наша система позволит вам регистрировать электрическую активность во всех нейронах и поддерживающих их клетках с очень высокой степенью целостности, что действительно может повлиять на то, как люди проводят исследования на уровне сети."
Графен представляет собой лист атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в двухмерном гексагональном узоре, напоминающем соты.
Двухмерная структура привлекала внимание физиков в течение нескольких десятилетий благодаря своим уникальным электрическим свойствам и надежности, а также интересным оптическим и оптоэлектронным свойствам.
«Это, возможно, первый пример, в котором вы можете использовать оптическое считывание 2D-материалов для измерения биологических электрических полей», – сказал старший автор Фэн Ван, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли. "Люди раньше использовали 2D-материалы для измерения с чисто электрическими показаниями, но это уникально тем, что работает с микроскопией, так что вы можете проводить параллельное обнаружение."
Команда называет этот инструмент графеновым датчиком электрического поля с критически связанной волноводной системой или датчиком CAGE.
"Это исследование является лишь предварительным; мы хотим продемонстрировать биологам, что есть такой инструмент, который вы можете использовать, и вы можете делать отличные изображения. "У него быстрое разрешение по времени и отличная чувствительность к электрическому полю", – сказал третий первый автор, Джейсон Хорнг, доктор философии Калифорнийского университета в Беркли.D. получатель, который сейчас является докторантом в Национальном институте стандартов и технологий. «Сейчас это всего лишь прототип, но в будущем, я думаю, мы сможем улучшить устройство."
Графен чувствителен к электрическим полям
Десять лет назад Ван обнаружил, что электрическое поле влияет на то, как графен отражает или поглощает свет. Балч и Хорнг использовали это открытие при создании графеновой камеры.
В лаборатории профессора физики Майкла Кромми из Калифорнийского университета в Беркли они получили лист графена примерно 1 сантиметр со стороны, полученный путем химического осаждения из паровой фазы, и поместили на него живое сердце куриного эмбриона, свежевыпущенного из оплодотворенного яйца. Эти эксперименты проводились в Стэнфордской лаборатории Бяньсяо Цуй, который разрабатывает наноразмерные инструменты для изучения передачи электрических сигналов в нейронах и сердечных клетках.
Команда показала, что при правильной настройке графена электрических сигналов, протекающих по поверхности сердца во время биения, было достаточно, чтобы изменить коэффициент отражения графенового листа.
«Когда клетки сокращаются, они запускают потенциалы действия, которые создают небольшое электрическое поле вне клетки», – сказал Балч. "Поглощение графена прямо под этой ячейкой изменено, поэтому мы увидим изменение количества света, который возвращается из этого положения на большую площадь графена."
Однако в первоначальных исследованиях Хорнг обнаружил, что изменение отражательной способности слишком мало, чтобы его можно было легко обнаружить.
Электрическое поле снижает коэффициент отражения графена не более чем на 2%; эффект был намного меньше от изменений электрического поля, когда клетки сердечной мышцы запускали потенциал действия.
Вместе Балч, Хорнг и Ван нашли способ усилить этот сигнал, добавив под графен тонкий волновод, заставляя отраженный лазерный свет отскакивать внутрь примерно 100 раз, прежде чем уйти.
Это сделало изменение отражательной способности обнаруживаемым обычной оптической видеокамерой.
"Один из способов думать об этом заключается в том, что чем больше раз свет отражается от графена, когда он распространяется через эту маленькую полость, тем больше эффектов, которые свет испытывает от реакции графена, и это позволяет нам получить очень, очень высокую чувствительность к электрическим полям. и напряжения до микровольт », – сказал Балч.
По ее словам, повышенное усиление обязательно снижает разрешение изображения, но при 10 микронах этого более чем достаточно для изучения сердечных клеток размером в несколько десятков микрон.
Еще одно приложение, по словам Макгуайра, – это испытание действия лекарств-кандидатов на сердечную мышцу до того, как эти лекарства пойдут в клинические испытания, чтобы увидеть, например, вызывают ли они нежелательную аритмию.
Чтобы продемонстрировать это, он и его коллеги наблюдали биение куриного сердца с помощью CAGE и оптического микроскопа, вводя в него препарат блеббистатин, который ингибирует мышечный белок миозин. Они наблюдали, как сердце перестало биться, но CAGE показала, что электрические сигналы не пострадали.
Поскольку графеновые листы механически прочны, их также можно размещать непосредственно на поверхности мозга, чтобы постоянно измерять электрическую активность – например, для отслеживания срабатывания нейронов в мозгу людей с эпилепсией или для изучения фундаментальной активности мозга.
Современные наборы электродов измеряют активность в нескольких сотнях точек, а не постоянно на поверхности мозга.
"В этом проекте меня удивляет то, что электрические поля опосредуют химические взаимодействия, опосредуют биофизические взаимодействия – они опосредуют все виды процессов в мире природы – но мы никогда их не измеряем.
Мы измеряем ток и напряжение », – сказал Балч. "Возможность фактически отображать электрические поля дает вам возможность взглянуть на модальность, о которой вы раньше не имели представления."
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = 4Ewpj1TBK5o