数十年来，科学家们依靠电极和染料来跟踪活细胞的电活动。现在，加州大学圣地亚哥分校的工程师们发现，仅由一个原子厚的量子材料可以仅使用光来完成这个任务。
一项新的研究在《自然光子学》杂志上于3月3日发表，显示这些超薄半导体可以以高速度和高分辨率感应活细胞的生物电活动。
科学家们一直在寻求更好的方法来跟踪身体最兴奋细胞的电活动，例如神经元、心肌纤维和胰腺细胞。这些微小的电脉冲协调着从思维到运动再到新陈代谢的一切，但在大规模实时捕获它们仍然是一个挑战。
传统的电生理学依赖于侵入性微电极，提供精确的记录，但在可扩展性上有限。在大区域组织中植入电极可能会造成重大损伤，即使是最先进的探头也仅限于一次记录几百个通道。虽然像钙成像这样的光学技术能够监测大量细胞，但只能间接窥视电活动。它们捕捉到的是驱动细胞通讯的实际电压变化，而是捕获的次级变化，可能会引入显著的差异。
加州大学圣地亚哥分校的工程师们展示了一种新方法，可能弥合这一差距：一种高速度、全光学的电压变化记录方法，使用原子厚的半导体。关键在于这些材料中电子如何与光相互作用：当暴露在电场中时，电子在两个状态之间切换——激子（中性电子-空穴对）和三激子（带电激子）。研究人员发现，在原子厚的半导体中，激子转化为三激子的过程可以用来检测心肌细胞的电信号——无需依附电极或电压敏感染料，这些设备可能会干扰细胞功能。
换句话说，材料本身的量子特性可以用作传感器。
“我们相信，单层半导体中激子的电压敏感性有潜力促进对大脑电路的高时空调查，”研究 senior author Ertugrul Cubukcu说，他是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院化学和纳米工程系以及电气与计算机工程系的教授。
Cubukcu和他的团队研究了单层二硫化钼的量子特性。除了其生物相容性，他们发现这种半导体材料具有一个独特的优势：在生产过程中自然形成硫空位，创造了高密度的三激子。这一内置缺陷使其对附近电场的变化（包括活细胞生成的电场）异常敏感，从而实现自发的激子到三激子的转换。
通过跟踪材料光致发光的变化，研究人员可以实时映射心肌细胞的电活动，这种速度超过了目前任何其他成像技术，研究人员指出。
这项技术具有多种潜在应用。它可以使研究人员能够对大面积兴奋组织的网络功能障碍进行定位，从表面到更深层次。它可以提供对神经和心脏疾病机制的见解，提供更清晰的疾病如何破坏身体电路的图景。它还可能完善依赖于电神经调节的治疗策略，例如用于帕金森病的深脑刺激或用于心律失常的心脏起搏。此外，这一工作可能导致新量子材料的发现，这些材料可以提供非侵入性、高速电活动探测的方法。
这项工作得到了国家科学基金会（ECCS-2139416, ECCS-2024776, ECCS-1752241 和 ECCS-1734940）、国家卫生研究院（1R21EY033676, 21EY029466, R21EB026180 和 DP2 EB030992 和 R01AG045428）、海军研究办公室（N000142012405, N000142312163 和 N000141912545）以及来自国家科学基金会GRFP、国家卫生研究院（T32HL007444）、圣地亚哥奖学金和Seibel Scholars项目的奖学金的支持。设备的制造是在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施(SDNI)进行的，该机构是国家纳米技术协调基础设施的成员，获得国家科学基金会的资助（ECCS-1542148）。
