导读 湾区科学家捕捉到心脏跳动的实时电活动，使用一片石墨烯记录了心脏肌肉细胞有节奏地放电产生的微弱电场的光学图像——几乎就像一台摄像机。

湾区科学家捕捉到心脏跳动的实时电活动，使用一片石墨烯记录了心脏肌肉细胞有节奏地放电产生的微弱电场的光学图像——几乎就像一台摄像机。所述石墨烯相机代表了一种新类型的传感器用于研究有用的细胞和产生电的电压，包括神经元或心脏组组织的肌细胞。迄今为止，电极或化学染料已被用于测量这些细胞中的电激发。但电极和染料仅测量一点电压;石墨烯片在它接触的所有组织上连续测量电压。

这一进展于上周在线发表在Nano Letters 杂志上，来自加州大学伯克利分校的两个量子物理学家团队和斯坦福大学的物理化学家之间的合作。

“因为我们将所有细胞同时成像到相机上，所以我们不必扫描，也不需要点测量。我们可以同时对整个细胞网络进行成像，”Haleh Balch 说，该论文的三位第一作者和最近的博士学位。加州大学伯克利分校物理系获得者。

虽然石墨烯传感器无需用染料或示踪剂标记细胞即可工作，但它可以很容易地与标准显微镜相结合，对荧光标记的神经或肌肉组织进行成像，同时记录细胞用于交流的电信号。

该研究的另一位第一作者 Allister McGuire 说：“您可以轻松地对样本的整个区域进行成像，这对于研究涉及各种细胞类型的神经网络尤其有用，他最近获得了博士学位。 .D。来自斯坦福。“如果你有一个荧光标记的细胞系统，你可能只针对某种类型的神经元。我们的系统将允许你以非常高的完整性捕获所有神经元及其支持细胞的电活动，这可能会真正影响人们的方式做这些网络层面的研究。”

石墨烯是一种单原子厚的碳原子片，以二维六边形图案排列，让人联想到蜂窝。几十年来，二维结构因其独特的电学特性和鲁棒性以及有趣的光学和光电特性而引起了物理学家的兴趣。

“这可能是第一个可以使用 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物理学教授王峰说。“人们以前曾使用 2D 材料通过纯电读出进行一些传感，但这是独一无二的，因为它可以与显微镜配合使用，因此您可以进行并行检测。”

该团队称该工具为临界耦合波导放大石墨烯电场传感器，或 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，并且可以进行出色的成像。它具有快速的时间分辨率和极好的电场敏感性，”第三第一作者说，加州大学伯克利分校博士 Jason Horng 收件人，现在是国家标准与技术研究所的博士后研究员。“现在，它只是一个原型，但在未来，我认为我们可以改进设备。”

石墨烯对电场敏感

十年前，Wang 发现电场会影响石墨烯反射或吸收光的方式。Balch 和 Horng 在设计石墨烯相机时利用了这一发现。他们在加州大学伯克利分校物理学教授 Michael Crommie 的实验室通过化学气相沉积产生的一面上获得了约 1 厘米的石墨烯片，并将来自鸡胚胎的活心脏放在上面，鸡胚胎是从受精卵中新鲜提取的。这些实验是在 Bianxiao Cui 的斯坦福实验室进行的，他开发了纳米级工具来研究神经元和心肌细胞中的电信号。

研究小组表明，当石墨烯被适当调整时，在搏动期间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，”巴尔奇说。“该单元下方石墨烯的吸收被修改，因此我们将看到从大面积石墨烯上的该位置返回的光量发生变化。”

从鸡胚胎中取出的心脏位于 CAGE 设备中，该设备使用心脏下方的一片石墨烯来测量心脏跳动时产生的微小电场。图片来源：Haleh Balch、Allister McGuire 和 Jason Horng

然而，在最初的研究中，Horng 发现反射率的变化太小而无法轻易检测到。电场使石墨烯的反射率最多降低 2%;当心肌细胞激发动作电位时，电场变化的影响要小得多。

Balch、Horng 和 Wang 一起找到了一种方法，通过在石墨烯下方添加一个薄波导来放大该信号，迫使反射的激光在逃逸之前在内部反射约 100 次。这使得普通光学摄像机可以检测到反射率的变化。

“一种思考方式是，光在通过这个小腔体传播时从石墨烯反弹的次数越多，光从石墨烯的响应中感受到的影响就越多，这使我们能够获得对电场的非常非常高的灵敏度和电压低至微伏，”巴尔奇说。

她说，放大倍数的增加必然会降低图像的分辨率，但在 10 微米时，它足以研究几十微米的心脏细胞。

McGuire 说，另一个应用是在这些药物进入临床试验之前测试候选药物对心肌的影响，以查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，同时给它注入了一种抑制肌肉蛋白肌球蛋白的药物 blebbistatin。他们观察到心脏停止跳动，但 CAGE 显示电信号未受影响。

由于石墨烯片在机械上很坚固，因此它们也可以直接放置在大脑表面以连续测量电活动——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。今天的电极阵列测量几百个点的活动，而不是连续测量大脑表面的活动。

“这个项目让我感到惊奇的一件事是电场介导化学相互作用，介导生物物理相互作用——它们介导自然界中的各种过程——但我们从不测量它们。我们测量电流，我们测量电压，”巴尔奇说。“对电场进行实际成像的能力让你看到了一种你以前几乎不了解的模态。”