Квантовые свойства полупроводников толщиной в атом позволяют по-новому детектировать электрические сигналы в клетках

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что квантовые материалы толщиной в один атом могут отслеживать электрическую активность живых клеток, используя только свет.

Исследование, опубликованное в Nature Photonics, показывает, что эти ультратонкие полупроводники, удерживающие электроны в двух измерениях, можно использовать для детектирования биологической электрической активности клеток с высокой скоростью и разрешением.

Традиционные методы имеют ограничения:

• Электроды дают точные записи, но инвазивны и плохо масштабируются.
• Оптические методы (например, кальциевая визуализация) масштабируемы, но фиксируют лишь косвенные признаки электрической активности.

Новый подход — это высокоскоростной, полностью оптический метод регистрации изменений напряжения с использованием атомарно тонких полупроводников. Ключевой механизм — взаимодействие электронов материала со светом под действием электрического поля: они переключаются между двумя состояниями — экситонами (электрон-дырочные пары, электрически нейтральные) и трионами (заряженные экситоны).

Учёные выяснили, что конверсию экситонов в трионы в таких материалах можно использовать для детектирования электрических сигналов клеток сердечной мышцы — без электродов или красителей, которые могут мешать клеточной функции.

«Мы считаем, что чувствительность экситонов в монослойных полупроводниках к напряжению может позволить проводить высокопространственно-временное исследование схем мозга», — заявил старший автор исследования Эртугрул Чубукчу.

Команда изучала квантовые свойства монослойного дисульфида молибдена. Помимо биосовместимости, этот материал обладает естественными дефектами — вакансиями серы, которые создают высокую плотность трионов. Это делает материал исключительно чувствительным к изменениям в близлежащих электрических полях, включая поля живых клеток, что позволяет спонтанную конверсию экситон-трион.

Отслеживая изменения в фотолюминесценции материала, исследователи смогли в реальном времени картировать электрическую активность клеток сердечной мышцы с рекордной скоростью.

Потенциальные применения технологии:

• Картирование дисфункций сетей в больших областях возбудимой ткани.
• Изучение механизмов неврологических и сердечных расстройств.
• Совершенствование методов электрической нейромодуляции (например, глубокая стимуляция мозга при болезни Паркинсона).
• Открытие новых квантовых материалов для неинвазивного высокоскоростного зондирования электрической активности в живых системах.