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

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

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

　　因為我們將所有細胞同時成像到相機上，所以我們不必掃描，也不需要點測量。我們可以同時對整個細胞網(wǎng)絡(luò)進行成像，Haleh Balch 說，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需用染料或示蹤劑標(biāo)記細胞即可工作，但它可以很容易地與標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡相結(jié)合，對熒光標(biāo)記的神經(jīng)或肌肉組織進行成像，同時記錄細胞用于交流的電信號。

　　該研究的另一位第一作者 Allister McGuire 說，您可以輕松地對樣本的整個區(qū)域進行成像，這對于研究涉及各種細胞類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尤其有用，他最近獲得了博士學(xué)位。如果你有一個熒光標(biāo)記的細胞系統(tǒng)，你可能只針對某種類型的神經(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)元及其支持細胞的電活動，這可能會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，二維結(jié)構(gòu)因其獨特的電學(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。激光通過棱鏡進入波導(dǎo)，被石墨烯反射并在波導(dǎo)內(nèi)部反彈，然后離開以被相機記錄。波導(dǎo)內(nèi)的內(nèi)部反射放大了石墨烯對樣品電場的響應(yīng)。(圖片：Haleh Balch、Allister McGuire 和 Jason Horng)

　　這可能是第一個可以使用 2D 材料的光學(xué)讀數(shù)來測量生物電場的例子，資深作者、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授王峰說，人們以前曾使用 2D 材料通過純電讀出進行一些傳感，但這是獨一無二的，因為它可以與顯微鏡配合使用，因此您可以進行并行檢測。

　　該團隊稱該工具為臨界耦合波導(dǎo)放大石墨烯電場傳感器，或 CAGE 傳感器。

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

　　石墨烯對電場敏感

　　十年前，Wang 發(fā)現(xiàn)電場會影響石墨烯反射或吸收光的方式。Balch 和 Horng 在設(shè)計石墨烯相機時利用了這一發(fā)現(xiàn)。他們在加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授 Michael Crommie 的實驗室通過化學(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。這些實驗是在 Bianxiao Cui 的斯坦福實驗室進行的，他開發(fā)了納米級工具來研究神經(jīng)元和心肌細胞中的電信號。

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

　　當(dāng)細胞收縮時，它們會激發(fā)動作電位，在細胞外產(chǎn)生一個小電場，巴爾奇說，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法輕易檢測到。電場使石墨烯的反射率最多降低 2%;當(dāng)心肌細胞激發(fā)動作電位時，電場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，每個圖像相隔 5 毫秒。心肌細胞表面不斷變化的電場模式可以與其他細胞變化相關(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，通過在石墨烯下方添加一個薄波導(dǎo)來放大該信號，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)攝像機可以檢測到反射率的變化。

　　光在通過這個小腔體傳播時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電場的非常非常高的靈敏度和電壓低至微伏，巴爾奇說。

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

　　McGuire 說，另一個應(yīng)用是在這些藥物進入臨床試驗之前測試候選藥物對心肌的影響，以查看它們是否會引起不必要的心律失常。為了證明這一點，他和他的同事用 CAGE 和光學(xué)顯微鏡觀察了跳動的雞心，同時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，但 CAGE 顯示電信號未受影響。

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

　　這個項目讓我感到驚奇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)自然界中的各種過程，但我們從不測量它們。我們測量電流，我們測量電壓，巴爾奇說，對電場進行實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)。