Kwantumeigenschappen in atoomdikke halfgeleiders bieden een nieuwe manier om elektrische signalen in cellen te detecteren

Al tientallen jaren vertrouwd zijn wetenschappers op elektroden en kleurstoffen om de elektrische activiteit van levende cellen te volgen. Nu hebben ingenieurs van de Universiteit van Californië San Diego ontdekt dat kwantummaterialen slechts één atoom dik het werk kunnen doen – alleen licht gebruikt.

Een nieuwe studie, gepubliceerd in Natuurfotonicalaat zien dat deze ultradunne halfgeleiders, die elektronen in twee dimensies vangen, kunnen worden gebruikt om de biologische elektrische activiteit van levende cellen met hoge snelheid en resolutie te voelen.

Wetenschappers hebben voortdurend gezocht naar betere manieren om de elektrische activiteit van de meest opwindende cellen van het lichaam te volgen, zoals neuronen, hartspiervezels en pancreaskellen. Deze kleine elektrische pulsen orkestreren alles, van gedachte tot beweging tot metabolisme, maar het vastleggen in realtime en op grote schalen is een uitdaging gebleven.

Traditionele elektrofysiologie, die afhankelijk is van invasieve micro -elektroden, biedt precieze opnames maar is beperkt in schaalbaarheid. Implanterende elektroden in grote gebieden van weefsel kunnen aanzienlijke schade veroorzaken, en zelfs de meest geavanceerde sondes zijn beperkt tot het opnemen van slechts enkele honderd kanalen tegelijk.

Optische technieken zoals calciumbeeldvorming, hoewel ze in staat zijn om grote populaties van cellen te monitoren, bieden slechts een indirecte blik in elektrische activiteit. In plaats van de werkelijke spanningsverschuivingen op te nemen die cellulaire communicatie stimuleren, leggen ze secundaire veranderingen vast die aanzienlijke discrepanties kunnen introduceren.

UC San Diego-ingenieurs hebben een nieuwe aanpak aangetoond die deze kloof zou kunnen overbruggen: een snelle, all-optische methode voor het opnemen van spanningsveranderingen met behulp van atoomdikke halfgeleiders. De sleutel ligt in hoe de elektronen van deze materialen interageren met licht: wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld, schakelen ze tussen twee toestanden-excitonen (elektronengatparen die elektrisch neutraal zijn) en trions (geladen excitonen).

De onderzoekers ontdekten dat de conversie van excitonen naar trions in atoomdikke halfgeleiders kan worden benut om de elektrische signalen van hartspiercellen te detecteren-zonder de behoefte aan gebonden elektroden of spanningsgevoelige kleurstoffen, die de cellulaire functie kunnen verstoren.

Met andere woorden, de kwantumeigenschappen van het materiaal zelf kunnen als sensor worden gebruikt.

“Wij zijn van mening dat de spanningsgevoeligheid van excitons in monolayer -halfgeleiders het potentieel heeft om een ​​hoog spatiotemporaal onderzoek naar het circuit van de hersenen mogelijk te maken”, zei senior auteur Ertugrul Cubukcu, een professor in de Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering, evenals de afdeling Electrical and Computer Engineering, At the UC San Disego Jacobs School of Engineering.

Cubukcu en zijn team bestudeerden de kwantumeigenschappen van monolaag molybdeen sulfide. Naast zijn biocompatibiliteit ontdekten ze dat dit halfgeleidermateriaal een bepaald voordeel bezit: het vormt natuurlijk zwavelvacatures tijdens de productie, die een hoge dichtheid van trions creëert. Dit ingebouwde defect maakt het uitzonderlijk reageren op veranderingen in nabijgelegen elektrische velden, inclusief die van levende cellen, die op hun beurt spontane exciton-naar-trion-conversie mogelijk maken.

Door het bijhouden van veranderingen in de fotoluminescentie van het materiaal, konden de onderzoekers de elektrische activiteit van hartspiercellen in realtime toewijzen, met snelheden die tot nu toe ongeëvenaard zijn door andere beeldvormingstechnologie, merkten ze op.

Deze technologie heeft verschillende potentiële toepassingen. Het kan onderzoekers in staat stellen netwerkdisfuncties in kaart te brengen over grote gebieden van opgewonden weefsel, van het oppervlak tot diepere lagen. Het zou inzicht kunnen bieden in de mechanismen die ten grondslag liggen aan neurologische en hartaandoeningen, en een duidelijker beeld geven van hoe ziekten de elektrische circuits van het lichaam verstoren. Het kan ook therapeutische strategieën verfijnen die afhankelijk zijn van elektrische neuromodulatie, zoals diepe hersenstimulatie voor de ziekte van Parkinson of hartstimulatie voor aritmieën.

Bovendien kan dit werk leiden tot de ontdekking van nieuwe kwantummaterialen die een niet-invasieve, snelle methode kunnen bieden om elektrische activiteit in levende systemen te onderzoeken.