نظارت بر سیگنال های الکتریکی در سیستم های بیولوژیکی به دانشمندان کمک می کند تا چگونه سلول ها ارتباط برقرار کنند ، که می تواند به تشخیص و درمان آریتمی و آلزایمر کمک کند.
با این حال ، دستگاه هایی که سیگنال های الکتریکی را در کشت سلولی ضبط می کنند و سایر محیط های مایع معمولاً از کابل ها برای اتصال هر الکترود به تقویت کننده خود استفاده می کنند. از آنجا که فقط کابل زیاد می تواند به دستگاه وصل شود ، این اطلاعات را می توان با محدود کردن تعداد سایت های ثبت نام از سلول ها جمع آوری کرد.
محققان MIT اکنون یک تکنیک زیست سنجی ایجاد کرده اند که نیاز به کابل را از بین می برد. در عوض ، آنتن های بی سیم کوچک و بی سیم از نور برای تشخیص سیگنال های الکتریکی کوچک استفاده می کنند.
تغییرات الکتریکی کوچک در محیط مایع اطراف نحوه توزیع آنتن ها را تغییر می دهد. محققان با استفاده از یک سری از آنتن های کوچک که هر یک از آنها یک درصد از موهای انسانی است ، می توانند سیگنال های الکتریکی اعم از سلول هایی با وضوح مکانی بیش از حد اندازه گیری کنند.
دستگاه هایی که دائماً در برابر ثبت سیگنال ها برای بیش از ۱۰ ساعت مقاوم هستند ، می توانند به زیست شناسان کمک کنند تا نحوه برقراری ارتباط با تغییرات پیرامون خود را درک کنند. در دراز مدت ، چنین درک علمی می تواند راه را برای پیشرفت در تشخیص ، ارتقاء درمان های هدفمند و حساسیت بیشتری به ارزیابی درمان های جدید هموار کند.
Benoît Desbiolles ، یک پست دکتری سابق در آزمایشگاه MIT Media ، گفت: “برای ثبت فعالیت الکتریکی سلول های با عملکرد بالا و سلولهای با تکامل بالا همچنان یک مشکل واقعی است. ما باید برخی از ایده های نوآورانه و رویکردهای جایگزین را امتحان کنیم.” مقاله ای در مورد دستگاه هابشر
جاد هانا ، دانشجویی که از آزمایشگاه رسانه بازدید کرده بود ، به مقاله پیوست. دانش آموز مهمان قدیمی Raphael Ausiliio ؛ مارتا جی ایراگی لکاردی بعد از دکترای قدیمی ؛ یانگ یو ، Raith America ، Inc. و نویسنده ارشد Deblina Sagar ، استادیار توسعه شغلی AT&T و مهندسی عصب شناسی در آزمایشگاه رسانه و رئیس آزمایشگاه بیوترک نانو-سیبرنتیک. تحقیقات امروز پدیدار می شود پیشرفت علمیبشر
“بیوالکتریک پایه و اساس عملکرد سلول ها و فرآیندهای مختلف زندگی است.” آنتن های اسکیت ارگانیک (اقیانوس ها) در همان زمان ، ما اطمینان حاصل کرده ایم که وضوح مکانی میکرومتر و سیگنال های الکتریکی در هزاران منطقه ثبت نام ثبت می شود.
بیوسنس با نور
محققان شروع به طراحی یک دستگاه زیست سنجی کردند که نیازی به کابل یا تقویت کننده نداشت. استفاده از زیست شناسان که با ابزارهای الکترونیکی چنین دستگاهی آشنا نیستند ، آسان تر خواهد بود.
DER ما تعجب کردیم که آیا می توانیم در هر آزمایشگاه زیست شناسی از میکروسکوپ نوری استفاده کنیم ، که سیگنال های الکتریکی را به نور تبدیل می کند و سپس در هر آزمایشگاه زیست شناسی یک میکروسکوپ نوری پیدا می کند تا این سیگنال ها را بررسی کند.
در ابتدا ، آنها از یک پلیمر مخصوص به نام PEDOT استفاده کردند: PSS برای طراحی مبدل های نانو -صفحه حاوی قطعات رشته طلای کوچک. نانوذرات طلا مجبور به توزیع نور بودند – فرایندی که توسط پلیمر القا و اصلاح می شود. با این حال ، نتایج با مدل های نظری مطابقت نداشت.
محققان سعی کردند طلا را از بین ببرند و با کمال تعجب با نتایج نتایج بسیار دقیق تر مطابقت داشته باشند.
وی گفت: “ظاهراً سیگنال ها را از پایین اندازه گیری نکرده است ، بلکه از خود پلیمر است. این یک نتیجه بسیار شگفت آور اما هیجان انگیز بود. ما این یافته را برای توسعه آنتن های الکترو مضحک ارگانیک ساختیم.
آنتن های ارگانیک مضحک یا اقیانوس ها از PEDOT تشکیل شده اند: PSS. این پلیمر در صورت وجود فعالیت الکتریکی در این نزدیکی ، یونهای مثبت را از محیط مایع اطراف جذب یا فشار می دهد. این پیکربندی شیمیایی و ساختار الکترونیکی را تغییر می دهد ، یک ویژگی نوری را که به عنوان شاخص شکستن شناخته می شود ، تغییر می دهد که نور را تغییر می دهد.
هنگامی که محققان آنتن را روشن کردند ، چگالی نور به نسبت سیگنال الکتریکی موجود در مایع تغییر می کند.
هزاران یا حتی میلیون ها آنتن کوچک در یک سری ، تنها ۱ میکرومتر عرض ، محققان می توانند نور پراکنده را با میکروسکوپ نوری بگیرند و سیگنال های الکتریکی را از سلولهای با وضوح بالا اندازه گیری کنند. از آنجا که هر آنتن یک سنسور مستقل است ، محققان برای نظارت بر سیگنال های الکتریکی نیازی به جمع آوری آنتن چندگانه ندارند ، بنابراین اقیانوس ها می توانند سیگنال هایی را با وضوح میکرومتر تشخیص دهند.
طراحی شده برای آزمایشگاهی این مطالعات به گونه ای طراحی شده است که سری اقیانوس را مستقیماً در زیر میکروسکوپ نوری برای تجزیه و تحلیل قرار دهد.
آنتن های “در حال رشد” روی یک تراشه
نکته اصلی دستگاه ها حساسیت محققان برای تولید توالی در امکانات MIT.NANO است.
یک بستر شیشه ای ، هر نوری شفاف ، مواد انباشته شده پس از لایه های رسانا با یک ماده عایق را شروع می کند. آنها سپس از پرتوی یون متمرکز متمرکز بر برش صدها سوراخ در مقیاس نانو به لایه های بالایی دستگاه استفاده می کنند. این پرتو یون مخصوصاً متمرکز اجازه می دهد تا نانوذرات با راندمان بالا باشد.
وی گفت: “این ساز اساساً مانند کالایی است که می توانید با وضوح ۱۰ نانومتر هر چیزی را از بین ببرید ، یا او می گوید.
آنها تراشه را در محلول حاوی بلوک های ساختمانی پیشگام برای پلیمر فرو می برند. با استفاده از یک جریان الکتریکی به محلول ، این ماده پیشگام به سوراخ های کوچک روی تراشه و آنتن های شکل قارچ “از پایین به بالا” رشد می کند.
کل فرآیند تولید نسبتاً سریع است و محققان می توانند از این تکنیک برای ساخت تراشه با میلیون ها آنتن استفاده کنند.
وی گفت: “این تکنیک می تواند به راحتی با کاملاً مقیاس پذیر سازگار شود. عامل محدود کننده این است که تعداد آنتن ها را می توانیم همزمان نمایش دهیم ، یا او می گوید.
محققان اندازه آنتن ها و پارامترهای بهینه شده را بهینه کرده اند که به آنها امکان می دهد حساسیت بالایی برای نظارت بر سیگنال ها با ولتاژهای کم مانند ۲.۵ میلی ولت در آزمایشات شبیه سازی شده داشته باشند. سیگنال های ارسال شده توسط نورون ها برای برقراری ارتباط معمولاً ۱۰۰ میلی ولت هستند.
IZ ما می توانیم حساسیت آنتن ها را به حداکثر برسانیم ، زیرا واقعاً وقت خود را برای حفر و درک مدل نظری در پشت این روند می گیریم ، یا او می گوید.
اقیانوس ها همچنین به تغییر سیگنال ها تنها در چند میلی ثانیه پاسخ دادند و آنها را قادر ساختند تا سیگنال های الکتریکی را با سینتیک سریع ذخیره کنند. در آینده ، محققان می خواهند دستگاه هایی را با فرهنگ سلولی واقعی آزمایش کنند. آنها همچنین می خواهند آنتن ها را تغییر شکل دهند تا بتوانند به غشای سلولی نفوذ کنند و به آنها اجازه دهند سیگنال حساس تر را درک کنند.
علاوه بر این ، آنها می خواهند بررسی کنند که چگونه اقیانوس ها می توانند در دستگاه های نانوفوتونی که نور را بر روی نور نانو برای سنسورهای نسل جدید و دستگاه های نوری دستکاری می کنند ، ادغام کنند.
این تحقیق تا حدودی توسط مؤسسات بهداشت ملی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم سوئیس تأمین می شود. تحقیقات گزارش شده در این بیانیه مطبوعاتی توسط مؤسسات ملی انستیتوی بهداشت توسط موسسه ملی قلب ، ریه و خون (NHLBI) پشتیبانی می شود و نیازی به نمایندگی دیدگاههای رسمی NIH ندارد.