微小的“有机电散射天线”可以利用光来探测微弱的生物电信号

作为没有电线的高分辨率生物传感设备的一部分，天线可以帮助研究人员解码细胞发出的复杂电信号。

监测生物系统中的电信号有助于科学家了解细胞是如何交流的，这有助于心律失常和阿尔茨海默氏症等疾病的诊断和治疗。

但是，在细胞培养物和其他液体环境中记录电信号的设备通常使用电线将设备上的每个电极连接到各自的放大器。因为只有这么多电线可以连接到设备上，这限制了记录位点的数量，限制了可以从细胞中收集的信息。

麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种生物传感技术，消除了对电线的需求。取而代之的是，微小的无线天线利用光来探测微小的电信号。

周围液体环境的微小电变化会改变天线散射光线的方式。利用一组微小的天线，每个天线的宽度只有人类头发的百分之一，研究人员可以以极高的空间分辨率测量细胞之间交换的电信号。

这种设备足够耐用，可以连续记录超过10小时的信号，可以帮助生物学家了解细胞如何对环境变化做出反应。从长远来看，这样的科学见解可以为诊断的进步铺平道路，刺激靶向治疗的发展，并使新疗法的评估更加精确。

“能够以高通量和高分辨率记录细胞的电活动仍然是一个真正的问题。我们需要尝试一些创新的想法和替代方法，”benot Desbiolles说，他是麻省理工学院媒体实验室的前博士后，也是一篇关于这些设备的论文的主要作者。

与他一起撰写论文的还有媒体实验室的访问学生贾德·汉纳（Jad Hanna）；前访问学生拉斐尔·奥西利奥；前博士后Marta J. I. Airaghi Leccardi；瑞思美国公司的科学家杨宇；资深作者Deblina Sarkar是AT&T媒体实验室和麻省理工学院神经生物工程中心的职业发展助理教授，也是纳米控制论生物跋涉实验室的负责人。这项研究发表在今天的《科学进展》杂志上。

“生物电是细胞功能和不同生命过程的基础。然而，精确地记录这些电信号一直是一项挑战，”Sarkar说。“我们开发的有机电散射天线（OCEANs）可以同时从数千个记录点以微米空间分辨率无线记录电信号。这可以为理解基本生物学和疾病状态下改变的信号，以及筛选不同治疗方法的效果创造前所未有的机会，从而实现新的治疗方法。”

光生物传感

研究人员着手设计一种不需要电线或放大器的生物传感装置。对于不熟悉电子仪器的生物学家来说，这种装置更容易使用。

Desbiolles说：“我们想知道我们是否可以制造一种设备，将电信号转换为光，然后使用光学显微镜，即每个生物实验室都有的那种，来探测这些信号。”

最初，他们使用一种叫做PEDOT:PSS的特殊聚合物来设计纳米级换能器，其中包含了微小的金丝。金纳米粒子被认为可以散射光 —— 这一过程将由聚合物诱导和调节。但结果与他们的理论模型并不相符。

研究人员试图去除黄金，令人惊讶的是，结果与模型更加吻合。

“事实证明，我们测量的不是来自黄金的信号，而是来自聚合物本身。这是一个非常令人惊讶但又令人兴奋的结果。我们在这一发现的基础上开发了有机电散射天线。

有机电散射天线，或OCEAN，是由PEDOT:PSS组成的。当周围有电活动时，这种聚合物会吸引或排斥周围液体环境中的正离子。这改变了它的化学结构和电子结构，改变了被称为折射率的光学特性，从而改变了它散射光的方式。

当研究人员将光照射到天线上时，光的强度与液体中的电信号成比例地变化。

研究人员将数千甚至数百万个微小的天线排成一列，每个天线只有1微米宽，他们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。因为每个天线都是一个独立的传感器，研究人员不需要汇集多个天线的贡献来监测电信号，这就是为什么OCEAN可以以微米级的分辨率检测信号。

用于体外研究，OCEAN阵列被设计成将细胞直接培养在其上，并置于光学显微镜下进行分析。

在芯片上“生长”天线

该设备的关键在于研究人员在麻省理工学院制造阵列的精度。纳米设备。

他们从玻璃基板开始，在上面沉积导电和绝缘材料层，每层都是光学透明的。然后，他们使用聚焦离子束在设备的顶层切割数百个纳米级的孔。这种特殊类型的聚焦离子束使高通量纳米制造成为可能。

“这个仪器基本上就像一支笔，你可以在上面蚀刻任何10纳米分辨率的东西，”他说。

他们将芯片浸入含有聚合物前体构建块的溶液中。通过对溶液施加电流，前驱体材料被吸引到芯片上的小孔中，蘑菇状的天线从下向上“生长”。

整个制造过程相对较快，研究人员可以用这种技术制造出含有数百万根天线的芯片。

“这项技术可以很容易地适应，所以它是完全可扩展的。限制因素是我们能同时成像多少根天线，”他说。

研究人员优化了天线的尺寸并调整了参数，这使它们能够在模拟实验中获得足够高的灵敏度，以监测电压低至2.5毫伏的信号。神经元发送的交流信号通常在100毫伏左右。

他说：“因为我们花了时间去深入研究和理解这个过程背后的理论模型，我们可以最大限度地提高天线的灵敏度。”

OCEAN也能在几毫秒内对变化的信号做出反应，使它们能够以快速的动力学记录电信号。展望未来，研究人员希望用真正的细胞培养来测试这种设备。他们还想重塑天线，使其能够穿透细胞膜，从而实现更精确的信号检测。

此外，他们还想研究如何将OCEAN集成到纳米光子器件中，以在纳米尺度上操纵下一代传感器和光学器件的光。

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