Nyt grafen-baseret system kan hjælpe os med at se elektrisk signalering i hjerte- og nerveceller

Forskere har skaffet sig de eksotiske egenskaber af grafen, et et-atom-tykt lag kulstof, at fungere som filmen af ​​et utroligt følsomt kamerasystem i visuel kortlægning af bittesmå elektriske felter i en væske. Forskere håber, at den nye metode vil muliggøre mere omfattende og præcis billeddannelse af de elektriske signalnetværk i vores hjerter og hjerner.

Evnen til visuelt at afbilde styrken og bevægelsen af ​​meget svage elektriske felter kunne også hjælpe med udviklingen af ​​såkaldte lab-on-a-chip enheder, der bruger meget små mængder væske på en mikrochip-lignende platform til at diagnosticere sygdom eller hjælpe. i udvikling af lægemidler, for eksempel, eller som automatiserer en række andre biologiske og kemiske analyser.

Opsætningen kan muligvis tilpasses til at registrere eller fange specifikke kemikalier, også, og til studier af lysbaseret elektronik (et felt kendt som optoelektronik).

En ny måde at visualisere elektriske felter på

"Dette var en helt ny, innovativ idé om, at grafen kunne bruges som et materiale til at fornemme elektriske felter i en væske, " sagde Jason Horng, en co-lead forfatter af en undersøgelse offentliggjort 16. december i Naturkommunikation der beskriver den første demonstration af dette grafen-baserede billeddannelsessystem. Horng er tilknyttet Kavli Energy NanoSciences Institute, et fælles institut ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, og er postdoc-forsker ved UC Berkeley.

Ideen udsprang af en samtale mellem Feng Wang, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, hvis forskning fokuserer på styring af lys-stof-interaktioner på nanoskala, og Bianxiao Cui, som leder et forskerhold ved Stanford University, der har specialiseret sig i studiet af nervecellesignalering. Wang er også lektor i fysik ved UC Berkeley, og Cui er lektor i kemi ved Stanford University.

"Det grundlæggende koncept var, hvordan grafen kunne bruges som en meget generel og skalerbar metode til at løse meget små ændringer i størrelsen, position, og tidsmønster for et lokalt elektrisk felt, såsom de elektriske impulser produceret af en enkelt nervecelle, " sagde Halleh B. Balch, en medforfatter i værket. Balch er også tilknyttet Kavli Energy NanoSciences Institute og er fysik-ph.d.-studerende ved UC Berkeley.

"Et af de udestående problemer ved at studere et stort netværk af celler er at forstå, hvordan information forplanter sig mellem dem, " sagde Balch.

Andre teknikker er blevet udviklet til at måle elektriske signaler fra små arrays af celler, selvom disse metoder kan være svære at skalere op til større arrays og i nogle tilfælde ikke kan spore individuelle elektriske impulser til en specifik celle.

Også, Cui sagde, "Denne nye metode forstyrrer ikke celler på nogen måde, som er fundamentalt forskellig fra eksisterende metoder, der bruger enten genetiske eller kemiske modifikationer af cellemembranen."

Den nye platform skulle nemmere tillade enkeltcellemålinger af elektriske impulser, der rejser på tværs af netværk, der indeholder 100 eller flere levende celler, sagde forskere.

Tap på grafens lysabsorberende egenskaber

grafen, som er sammensat af et honeycomb-arrangement af kulstofatomer, er i fokus for intens R&D på grund af dens utrolige styrke, evne til meget effektivt at lede elektricitet, høj grad af kemisk stabilitet, den hastighed, hvormed elektroner kan bevæge sig hen over dens overflade, og andre eksotiske egenskaber. Noget af denne forskning er fokuseret på brugen af ​​grafen som en komponent i computerkredsløb og skærme, i medicinafgivelsessystemer, og i solceller og batterier.

I den seneste undersøgelse, forskere brugte først infrarødt lys produceret på Berkeley Labs Advanced Light Source til at forstå virkningerne af et elektrisk felt på grafens absorption af infrarødt lys.

I forsøget de rettede en infrarød laser gennem et prisme til et tyndt lag kaldet en bølgeleder. Bølgelederen blev designet til at matche grafenens lysabsorberende egenskaber præcist, så alt lyset blev absorberet langs grafenlaget i fravær af et elektrisk felt.

Forskere affyrede derefter bittesmå elektriske impulser i en flydende opløsning over grafenlaget, der meget lidt forstyrrede grafenlagets lysabsorption, lader noget lys slippe ud på en måde, der bærer en præcis signatur af det elektriske felt. Forskere fangede en sekvens af billeder af dette undslippende lys i tusindedele af en sekunds intervaller, og disse billeder gav en direkte visualisering af det elektriske felts styrke og placering langs overfladen af ​​grafen.

Milliontedele af en volt følsomhed

Den nye billeddannelsesplatform - kaldet CAGE for "Critical coupled waveguide-Amplified Graphene Electric field imaging device" - viste sig følsom over for spændinger på nogle få mikrovolt (milliontedele af en volt). Dette vil gøre det ultrafølsomt over for de elektriske felter mellem celler i netværk af hjerteceller og nerveceller, som kan variere fra snesevis af mikrovolt til nogle få millivolt (tusindedele af en volt).

Forskere fandt ud af, at de kunne udpege et elektrisk felts placering langs grafenarkets overflade ned til titusinder af mikron (milliontedele af en meter), og fange dens fadingstyrke i en sekvens af tidstrin adskilt med så få som fem millisekunder, eller tusindedele af et sekund.

I én sekvens, forskere detaljerede position og spredning, eller falme, af et lokalt elektrisk felt genereret af en 10 tusindedele af en volt-impuls over en periode på omkring 240 millisekunder, med følsomhed ned til omkring 100 milliontedele af en volt.

Næste op:levende hjerteceller

Balch sagde, at der allerede er planer om at teste platformene med levende celler. "Vi arbejder med samarbejdspartnere for at teste dette med rigtige hjerteceller, " sagde hun. "Der er flere potentielle anvendelser for denne forskning i hjertesundhed og lægemiddelscreening."

Der er også potentiale til at bruge andre atomisk tynde materialer udover grafen i billedopsætningen, hun sagde.

"Den slags elegance bag dette system kommer fra dets almindelighed, " sagde Balch. "Det kan være følsomt over for alt, der bærer ladning."