监测生物系统中的电信号对于科学家了解细胞通信机制至关重要,这不仅有助于揭示生命活动的基本规律,还能为心律失常、阿尔茨海默氏症等疾病的诊断和治疗提供重要依据。然而,传统的记录设备通常依赖电线连接电极和放大器,由于电线数量有限,限制了记录点的数量,从而限制了从细胞中收集的信息量,影响了研究的全面性和深入性.
一、研究成果与创新点
1.无线生物传感技术:麻省理工学院的研究人员开发了一种创新的生物传感技术,无需使用电线,而是采用微型无线天线利用光来检测微小的电信号。这种技术突破了传统设备的局限,极大地扩展了记录点的数量,能够更全面地监测细胞间的电信号交流.
2.高空间分辨率的微型天线阵列:研究人员使用一组微型天线阵列,每个天线的宽度仅为人类头发的百分之一,能够以极高的空间分辨率测量细胞间交换的电信号。这种高精度的检测能力使得科学家能够更细致地观察细胞通信的细节,获取更丰富的信息.
3.耐用且稳定的记录能力:这些设备非常耐用,可以连续记录信号超过10小时,为生物学家提供了长时间观察细胞响应环境变化进行交流的机会,有助于深入理解细胞通信的动态过程和复杂机制.
二、技术原理与制造过程
1.有机电散射天线(OCEAN):OCEAN设备由PEDOT:PSS组成,这是一种聚合物,当附近有电活动时,它会吸引或排斥周围液体环境中的正离子,从而改变其化学构型和电子结构,进而改变其折射率等光学特性,导致其散射光的方式发生变化.
2.光检测机制:当研究人员将光照射到天线上时,光的强度会根据液体中的电信号成比例变化。通过阵列中数千甚至数百万个微型天线,每个天线只有1微米宽,研究人员可以用光学显微镜捕捉散射光并以高分辨率测量来自细胞的电信号.
3.制造过程:研究人员从玻璃基板开始,依次在其上沉积导电和绝缘材料层,每层都是光学透明的。然后使用聚焦离子束在设备的顶层切割数百个纳米级孔,这种聚焦离子束可以实现高通量纳米制造。接着将芯片浸入含有聚合物前体构建块的溶液中,通过施加电流使前体材料被吸引到芯片上的微小孔中,蘑菇形天线从下往上“生长”.
4.灵敏度与响应速度:研究人员优化了天线的尺寸并调整了参数,使其能够实现足够高的灵敏度,以在模拟实验中监测电压低至2.5毫伏的信号。OCEAN还能够在短短几毫秒内对变化的信号做出反应,使其能够以快速动力学记录电信号.
三、应用前景与未来展望
1.疾病研究与治疗:这项技术能够帮助生物学家更深入地了解细胞如何响应环境变化进行交流,为疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。例如,在心律失常研究中,可以更准确地监测心肌细胞的电信号活动,从而更好地理解心脏的异常节律机制;在阿尔茨海默氏症研究中,可以更细致地观察神经元之间的信号传递,为疾病的早期诊断和干预提供依据.
2.细胞培养与分析:OCEAN阵列旨在用于体外研究,其设计目的是让细胞直接在其上培养,然后放在光学显微镜下进行分析。这将为细胞培养和分析提供一种高效、高精度的工具,有助于科学家更好地研究细胞生长、分化、迁移等过程.
3.纳米光子设备集成:研究人员还希望将OCEAN集成到纳米光子设备中,这些设备可以在纳米尺度上操纵光,用于下一代传感器和光学设备的开发。这将为生物传感技术的进一步发展和应用拓展新的领域和方向.
4.更精确的信号检测:未来,研究人员计划重塑天线,使其能够穿透细胞膜,从而实现更精确的信号检测。这将为细胞内信号的监测和研究提供一种全新的手段,有助于揭示细胞内部复杂的信号传导机制.