革命性的基于光的天线将改变蜂窝通信监测

传统上，旨在捕获来自细胞培养物和其他液态环境中的电信号的设备依赖于将每个电极连接到放大器的电线。连接电线的数量限制了可用的记录位置数量，从而减少了可以从细胞中收集到的数据量。

麻省理工学院的研究人员开发了一种新的生物传感技术，完全避免使用电线。相反，小型无线天线利用光来检测微妙的电变化。

这些周围液体中的微小电变化影响着天线散射光的方式。通过采用一组微小的天线，每个天线的直径仅为人类头发的百分之一，研究小组成功测量了细胞之间交换的电信号，具有显著的空间精度。

设备足够坚固，可以连续记录超过10小时的信号，这可能帮助生物学家理解细胞通信在环境变化中的反应。从长远来看，这些洞察力可以改善诊断技术，创造针对性疗法，以及增强对新治疗方法的评估。

前麻省理工学院媒体实验室的博士后研究员、该设备论文的第一作者Benoît Desbiolles表示：“以高通量和高分辨率记录细胞的电活动是一个重大挑战。我们必须探索创新的思路和替代方法。”

论文的其他作者包括媒体实验室的访问学生Jad Hanna；前访问学生Raphael Ausilio；前博士后研究员Marta J. I. Airaghi Leccardi；拉斯美国公司的科学家Yang Yu；以及高级作者、媒体实验室和麻省理工学院神经生物工程中心的AT&T职业发展助理教授、纳米网络生物探测实验室负责人Deblina Sarkar。这项研究发表在《科学进展》上。

Sarkar解释道：“生物电对于细胞功能和各种生物过程至关重要。然而，准确捕获这些电信号一直很困难。我们创建的有机电散射天线（OCEANs）允许对来自成千上万位置的电信号进行无线记录，空间分辨率达到微米级。这可能极大地改善我们对基础生物学、疾病中信号变化以及评估各种疗法以开发新治疗方法的理解。”

使用光进行生物传感

研究人员的目标是创建一种不需要电线或放大器的生物传感设备，使其更易于生物学家使用，而无需具备电子设备的专业知识。

Desbiolles提到：“我们考虑是否可以构建一个将电信号转换为光的设备，使我们能够使用任何生物实验室中的标准光学显微镜分析这些信号。”

最初，他们实验了一种叫做PEDOT:PSS的特定聚合物，以构建整合了小金丝的纳米级传感器。这些金纳米颗粒预计会散射光，而这种效果则由聚合物调制。然而，结果与他们的理论预期并不一致。

在去除金粒后，研究人员惊讶地发现，结果与他们的模型更为接近。

“我们发现实际上是在测量聚合物的信号，而不是金，这虽然出乎意料但令人兴奋。这一见解帮助我们开发了有机电散射天线。”

这些OCEANs由PEDOT:PSS构成，当电活动发生时，它会与液体中的正离子相互作用。这种相互作用影响聚合物的化学结构和电子特性，改变一种称为折射率的属性，从而改变其散射光的方式。

当光照射在天线上时，返回的光量根据液体中存在的电信号变化。

通过利用成千上万甚至数百万个每个宽仅1微米的微小天线，研究人员能够使用光学显微镜捕获散射光，并准确测量细胞的电信号。每个天线作为独立传感器，允许精确检测信号，而无需组合多个天线。这种能力确保OCEANs能够实现高分辨率的信号检测。

为体外研究设计，OCEAN阵列旨在使细胞直接在其上培养，并在光学显微镜下观察。

在芯片上“生长”天线

这些设备的一个关键方面是在MIT.nano设施中制造时所实现的精度。

这个过程从一个玻璃基材开始，在其上放置导电和绝缘材料的层。每层都是光学透明的。然后，他们利用聚焦离子束在上层创建数百个纳米级的孔。这种专用类型的离子束允许高通量纳米制造。

Desbiolles描述道：“这个仪器的行为像笔，能够以10纳米的精度进行刻蚀。”

芯片浸入含有聚合物前驱体材料的溶液中。施加电流将这些材料拉入微小孔中，使蘑菇状的天线从底部逐渐形成。

整个制造过程相对较短，研究人员可以生产出含有数百万个天线的芯片。

“这种方法可以很容易地进行修改以便扩展，唯一的限制是能够同时成像的天线数量，”他提到。

团队微调了天线的形状并调整了各种参数，使他们的敏感度足以在模拟实验中记录低至2.5毫伏的信号。用于沟通的神经元信号通常在100毫伏左右。

“投入时间彻底掌握理论模型使我们能够最大化天线的敏感度，”他补充道。

OCEANs还可以在毫秒内对信号变化做出反应，使它们能够捕获具有快速动力学的电信号。在未来，研究人员计划使用实际的细胞培养进行这些设备的试验。他们还计划修改天线的形状，以便更好地穿透细胞膜，以更加准确地检测信号。

此外，他们还希望探索OCEANs如何与操纵光的纳米光子设备集成，以用于下一代传感器和光学设备。

这项研究得到了美国国立卫生研究院和瑞士国家科学基金会的部分支持。