【光學(xué)資訊】麻省理工學(xué)院開發(fā)新型無線生物傳感技術(shù)

    監(jiān)測生物系統(tǒng)中的電信號對于科學(xué)家了解細胞通信機制至關(guān)重要，這不僅有助于揭示生命活動的基本規(guī)律，還能為心律失常、阿爾茨海默氏癥等疾病的診斷和治療提供重要依據(jù)。然而，傳統(tǒng)的記錄設(shè)備通常依賴電線連接電極和放大器，由于電線數(shù)量有限，限制了記錄點的數(shù)量，從而限制了從細胞中收集的信息量，影響了研究的全面性和深入性.

    一、研究成果與創(chuàng)新點

    1.無線生物傳感技術(shù)：麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的生物傳感技術(shù)，無需使用電線，而是采用微型無線天線利用光來檢測微小的電信號。這種技術(shù)突破了傳統(tǒng)設(shè)備的局限，極大地擴展了記錄點的數(shù)量，能夠更全面地監(jiān)測細胞間的電信號交流.

    2.高空間分辨率的微型天線陣列：研究人員使用一組微型天線陣列，每個天線的寬度僅為人類頭發(fā)的百分之一，能夠以極高的空間分辨率測量細胞間交換的電信號。這種高精度的檢測能力使得科學(xué)家能夠更細致地觀察細胞通信的細節(jié)，獲取更豐富的信息.

    3.耐用且穩(wěn)定的記錄能力：這些設(shè)備非常耐用，可以連續(xù)記錄信號超過10小時，為生物學(xué)家提供了長時間觀察細胞響應(yīng)環(huán)境變化進行交流的機會，有助于深入理解細胞通信的動態(tài)過程和復(fù)雜機制.

    二、技術(shù)原理與制造過程

    1.有機電散射天線(OCEAN)：OCEAN設(shè)備由PEDOT:PSS組成，這是一種聚合物，當(dāng)附近有電活動時，它會吸引或排斥周圍液體環(huán)境中的正離子，從而改變其化學(xué)構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)，進而改變其折射率等光學(xué)特性，導(dǎo)致其散射光的方式發(fā)生變化.

    2.光檢測機制：當(dāng)研究人員將光照射到天線上時，光的強度會根據(jù)液體中的電信號成比例變化。通過陣列中數(shù)千甚至數(shù)百萬個微型天線，每個天線只有1微米寬，研究人員可以用光學(xué)顯微鏡捕捉散射光并以高分辨率測量來自細胞的電信號.

    3.制造過程：研究人員從玻璃基板開始，依次在其上沉積導(dǎo)電和絕緣材料層，每層都是光學(xué)透明的。然后使用聚焦離子束在設(shè)備的頂層切割數(shù)百個納米級孔，這種聚焦離子束可以實現(xiàn)高通量納米制造。接著將芯片浸入含有聚合物前體構(gòu)建塊的溶液中，通過施加電流使前體材料被吸引到芯片上的微小孔中，蘑菇形天線從下往上“生長”.

    4.靈敏度與響應(yīng)速度：研究人員優(yōu)化了天線的尺寸并調(diào)整了參數(shù)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)足夠高的靈敏度，以在模擬實驗中監(jiān)測電壓低至2.5毫伏的信號。OCEAN還能夠在短短幾毫秒內(nèi)對變化的信號做出反應(yīng)，使其能夠以快速動力學(xué)記錄電信號.

    三、應(yīng)用前景與未來展望

    1.疾病研究與治療：這項技術(shù)能夠幫助生物學(xué)家更深入地了解細胞如何響應(yīng)環(huán)境變化進行交流，為疾病的診斷和治療提供新的思路和方法。例如，在心律失常研究中，可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測心肌細胞的電信號活動，從而更好地理解心臟的異常節(jié)律機制；在阿爾茨海默氏癥研究中，可以更細致地觀察神經(jīng)元之間的信號傳遞，為疾病的早期診斷和干預(yù)提供依據(jù).

    2.細胞培養(yǎng)與分析：OCEAN陣列旨在用于體外研究，其設(shè)計目的是讓細胞直接在其上培養(yǎng)，然后放在光學(xué)顯微鏡下進行分析。這將為細胞培養(yǎng)和分析提供一種高效、高精度的工具，有助于科學(xué)家更好地研究細胞生長、分化、遷移等過程.

    3.納米光子設(shè)備集成：研究人員還希望將OCEAN集成到納米光子設(shè)備中，這些設(shè)備可以在納米尺度上操縱光，用于下一代傳感器和光學(xué)設(shè)備的開發(fā)。這將為生物傳感技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用拓展新的領(lǐng)域和方向.

    4.更精確的信號檢測：未來，研究人員計劃重塑天線，使其能夠穿透細胞膜，從而實現(xiàn)更精確的信號檢測。這將為細胞內(nèi)信號的監(jiān)測和研究提供一種全新的手段，有助于揭示細胞內(nèi)部復(fù)雜的信號傳導(dǎo)機制.