Новое исследование, опубликованное 3 марта в журнале Nature Photonics, показывает, что эти ультратонкие полупроводники, которые улавливают электроны в двух измерениях, могут быть использованы для измерения биологической электрической активности живых клеток с высокой скоростью и разрешением.

Ученые постоянно ищут более совершенные способы отслеживания электрической активности наиболее возбудимых клеток организма, таких как нейроны, волокна сердечной мышцы и клетки поджелудочной железы. Эти крошечные электрические импульсы управляют всем - от мысли до движения и обмена веществ, но улавливание их в режиме реального времени и в больших масштабах остается сложной задачей.

Традиционная электрофизиология, которая опирается на инвазивные микроэлектроды, обеспечивает точные записи, но ограничена в масштабируемости. Имплантация электродов на большие участки ткани может привести к значительному повреждению, и даже самые совершенные зонды ограничены возможностью одновременной записи всего нескольких сотен каналов. Оптические методы, такие как кальциевая визуализация, хотя и способны отслеживать большие популяции клеток, дают лишь косвенное представление об электрической активности. Вместо того чтобы регистрировать фактические сдвиги напряжения, которые управляют сотовой связью, они фиксируют вторичные изменения, которые могут привести к значительным расхождениям.

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали новый подход, который мог бы восполнить этот пробел: высокоскоростной полностью оптический метод регистрации изменений напряжения с использованием полупроводников толщиной в атом. Ключ заключается в том, как электроны этих материалов взаимодействуют со светом: под воздействием электрического поля они переключаются между двумя состояниями - экситонами (электронно-дырочными парами, которые электрически нейтральны) и трионами (заряженными экситонами). Исследователи обнаружили, что преобразование экситонов в трионы в полупроводниках толщиной в атом может быть использовано для обнаружения электрических сигналов клеток сердечной мышцы - без необходимости в привязных электродах или чувствительных к напряжению красителях, которые могут нарушать работу клеток.

Другими словами, квантовые свойства самого материала могут быть использованы в качестве датчика.

"Мы считаем, что чувствительность экситонов к напряжению в монослойных полупроводниках потенциально позволяет проводить пространственно-временные исследования схем мозга", - сказал старший автор исследования Эртугрул Кубукку, профессор кафедры химической и нанотехнологии Aiiso Yufeng Li Family, а также кафедры электротехники и вычислительной техники., в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс.

Кубукчу и его команда изучали квантовые свойства монослойного сульфида молибдена. В дополнение к своей биосовместимости они обнаружили, что этот полупроводниковый материал обладает особым преимуществом: при его производстве естественным образом образуются вакансии серы, что создает высокую плотность трионов. Этот встроенный дефект делает его исключительно чувствительным к изменениям близлежащих электрических полей, в том числе генерируемых живыми клетками, которые, в свою очередь, обеспечивают спонтанное преобразование экситонов в трионы.

Исследователи отметили, что, отслеживая изменения в фотолюминесценции материала, исследователи могли отображать электрическую активность клеток сердечной мышцы в режиме реального времени со скоростью, не сравнимой ни с одной другой технологией визуализации на сегодняшний день.

Эта технология имеет множество потенциальных применений. Это могло бы позволить исследователям составить карту сетевых дисфункций на больших участках возбудимой ткани, от поверхности до более глубоких слоев. Это могло бы дать представление о механизмах, лежащих в основе неврологических и сердечных расстройств, и дать более четкое представление о том, как болезни нарушают электрические цепи организма. Это также может усовершенствовать терапевтические стратегии, основанные на электрической нейромодуляции, такие как глубокая стимуляция мозга при болезни Паркинсона или кардиостимуляция при аритмиях. Кроме того, эта работа может привести к открытию новых квантовых материалов, которые могут предложить неинвазивный, высокоскоростной метод исследования электрической активности в живых системах.

Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (ECCS-2139416, ECCS-2024776, ECCS-1752241 и ECCS-1734940), Национальными институтами здравоохранения (1R21EY033676, 21EY029466, R21EB026180 и DP2 EB030992 и R01AG045428), Управлением военно-морских исследований ( N000142012405, N000142312163 и N000141912545 ) и стипендии от NSF GRFP, NIH (грант T32HL007444), стипендия Сан-Диего и программа Seibel Scholars. Изготовление устройств было выполнено в нанотехнологической инфраструктуре Сан-Диего (SDNI) Калифорнийского университета в Сан-Диего, входящей в Национальную координируемую инфраструктуру нанотехнологий, которая поддерживается NSF (грант ECCS-1542148).