Беспроводные антенны используют свет для декодирования сигналов клеточной коммуникации
Устройства для записи электрических сигналов в клеточных культурах и других жидких средах часто используют провода, что ограничивает количество точек записи. Исследователи из MIT разработали биосенсорную технику, которая устраняет необходимость в проводах: крошечные беспроводные антенны используют свет для обнаружения малейших электрических сигналов.
Биосенсинг с помощью света
Устройства, названные органическими электро-рассеивающими антеннами (OCEANs), состоят из полимера PEDOT:PSS. Когда поблизости возникает электрическая активность, полимер притягивает или отталкивает положительные ионы из окружающей жидкой среды. Это изменяет его химическую конфигурацию и электронную структуру, что, в свою очередь, меняет оптическое свойство — показатель преломления — и то, как он рассеивает свет.
Когда исследователи направляют свет на антенну, интенсивность рассеянного ею света меняется пропорционально электрическому сигналу в жидкости. Используя массив из тысяч крошечных антенн (каждая шириной в одну сотую человеческого волоса), можно измерять электрические сигналы, которыми обмениваются клетки, с экстремальным пространственным разрешением.
«Выращивание» антенн на чипе
Ключом к созданию устройств является точность изготовления массивов в объектах MIT.nano:
- На стеклянную подложку наносятся оптически прозрачные слои проводящего и изолирующего материала.
- С помощью сфокусированного ионного пучка (с разрешением 10 нанометров) в верхних слоях устройства вырезаются сотни наноразмерных отверстий.
- Чип погружается в раствор, содержащий строительные блоки-предшественники полимера.
- При подаче электрического тока материал притягивается в отверстия, и грибовидные антенны «растут» снизу вверх.
Весь процесс изготовления относительно быстрый и масштабируемый — можно создать чип с миллионами антенн.
Характеристики и перспективы
Устройства достаточно прочны для непрерывной записи сигналов более 10 часов. В смоделированных экспериментах они показали чувствительность к сигналам с напряжением всего 2,5 мВ (нейроны обычно общаются сигналами около 100 мВ) и время отклика в несколько миллисекунд.
«OCEANs, которые мы разработали, позволяют беспроводную запись электрических сигналов с микрометровым пространственным разрешением одновременно с тысяч точек записи. Это может создать беспрецедентные возможности для понимания фундаментальной биологии и измененной сигнализации при заболеваниях, а также для скрининга эффекта различных терапевтических средств», — говорит старший автор Деблина Саркар.
В будущем исследователи планируют:
- Тестировать устройства с реальными клеточными культурами.
- Изменить форму антенн для проникновения через клеточные мембраны и более точного обнаружения сигналов.
- Изучить интеграцию OCEANs в нанофотонные устройства.
Исследование опубликовано в Science Advances.