光学和光子学

等离子纳米探针可光学监测神经活动

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-11-02 16:48

加州大学圣克鲁斯分校的工程师Ahsan Habib(左)和Ali Yanik开发了超灵敏的纳米级光学探针,用于监测神经元和其他电细胞的生物电活动。信用:卡罗琳拉加图塔 可以监测神经元(以及其他产生电脉冲的细胞)的生物电活动的新型超灵敏纳米级光学探针,可以通过同时测量大量单个神经元的活动,帮助研究人员更

  

等离子纳米探针可光学监测神经活动

 

  加州大学圣克鲁斯分校的工程师Ahsan Habib(左)和Ali Yanik开发了超灵敏的纳米级光学探针,用于监测神经元和其他电细胞的生物电活动。信用:卡罗琳·拉加图塔

  可以监测神经元(以及其他产生电脉冲的细胞)的生物电活动的新型超灵敏纳米级光学探针,可以通过同时测量大量单个神经元的活动,帮助研究人员更好地了解神经回路如何以迄今未开发的规模发挥作用。 。该设备还可以帮助将来开发高带宽的脑机接口。

  “科学家们希望利用光的前所未有的时空分辨率的探测能力,从电的细胞(神经元和心脏细胞)电生理信号超过50年,说:” 阿里·亚尼克的的加州大学圣克鲁兹分校,谁领导这个新的研究工作。“由于缺少电光转换器,无法有效地将电活动转换为高光子数的光信号,因此这一目标仍然遥不可及。”

  “在这项工作中,我们开发了一种新颖的电等离子体纳米天线,首次实现了细胞外(即非侵入性),高信噪比和实时光学记录电生理信号。”

  空间分辨率和生物相容性差

  如今,研究人员使用微电极阵列监控神经元的电活动,但它们无法同时处理大量神经元。该技术还具有较差的空间分辨率。Yanik解释说,这些设备中电子线路的极其有限的带宽(由于电子的本性而造成)也是一个瓶颈。

  “我们之所以选择光子,是因为电信行业转向了光纤,因为光提供了10 9倍的增强的多路复用和信息承载能力。通过将生物电信号转换为光子,我们现在能够光学传输大带宽的神经活动。”

  

等离子纳米探针可光学监测神经活动

 

  电源细胞和电等离子体纳米天线的SEM图像。礼貌:加州大学圣克鲁斯分校亚尼克(Yanik)

  尽管光学生物传感器已经存在,但是许多生物传感器需要对细胞进行遗传修饰,以便荧光分子可以插入细胞膜中。这意味着这些技术不能在人体细胞中使用。

  等离子体生物传感器通过检测在其附近发生的有效折射率变化来检测生物分子。Yanik说:“例如,无标签生物传感技术相对先进,我们已经使用它们直接检测埃博拉病毒。” “但是,光学检测神经元和其他可激发细胞产生的局部电场的动态仍然很困难。这是因为这些探针中常用的贵金属的等离子体共振对这些小电场的灵敏度较低。”

  新型纳米天线加载机制

  UCSC 巴斯金工程学院的 Yanik实验室与Notre Dame大学的同事们现在已经使用一种新颖的纳米天线加载机制克服了这个问题,该机制基于适应射频通信的概念。他们首先制造了直径小于100 nm的纳米级等离激元纳米天线,然后在其上涂覆了对局部电场高度敏感的生物相容性纳米级电致变色聚合物,即聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。 。

  “在这种耦合系统中,PEDOT:PSS用作电场控制的负载,可实现对等离子体纳米天线谐振的主动和可逆调谐–就像可调负载电路可以控制普通无线电天线的谐振频率一样, ” Yanik解释道。“神经元或心肌细胞着火时产生的局部电场控制着电致变色聚合物的掺杂状态,从而控制了单个纳米天线的电容性和电感性负载以及它们的远场光学响应或共振波长。”

  他告诉《物理学世界》,这种局部场控制的加载机制使从细胞散射的光谱产生很大的变化。“通过这种方式,我们可以通过追踪电离等离子体纳米天线的共振波长来从衍射极限空间远程观察局部场振荡。”

  根本不同

  他补充说,这项新技术从根本上不同于基因编码的电压敏感荧光报道分子。“我们的纳米探针的工作方式与微电极阵列相同,但是读出机制本质上是光学的,不需要荧光团翻译器。

  “我们的器件具有10个6的10倍增强的横截面4纳米2 相比,只是10的典型值-2纳米2 为电压敏感的荧光染料,以及这种什么使我们能够实现从衍射受限高光子计数测量点。”

  研究人员说,由于等离振子共振具有很强的光散射特性,他们证明了单个纳米天线的高信噪比测量结果,其强度比荧光分子的测量强度高几个数量级。而且,由于新型探头可能具有较大的光子计数,因此它们可以使用三个数量级的低强度光(11 mW / mm 2)在千赫兹频率下执行高分辨率的电场测量。实时测量而不会加热生物细胞。

  脑机接口

  研究人员说,他们现在希望使用光纤技术将电等离子体纳米电极用于脑植入物。“我们相信这种光子学方法在该领域的未来应用中具有广阔的前景,” Yanik说。“例如,脑电计算机接口近来引起了人们极大的兴趣,但是由于前面提到的原因,将电子设备用于这些接口带来了根本性的挑战。

  光学微纤维可详细照亮大脑动力学

  “光纤可以在这里发挥作用,我们可以使用以10 14 位/秒的速度运行的单根光纤在人脑与外界之间建立一条灵活的,生物相容的,高带宽的信息高速公路。假设大脑每秒处理10 16 位信息(相当于每10秒输出Netflix的全部信息),那么使用光子学是不可避免的。

  他补充说,除了被植入外,这些探针还可以合成为悬浮在胶体溶液中的纳米颗粒,并附着有表面蛋白,从而使它们与特定的细胞类型结合。这些装置可以注射到血液或器官中。

  “这些设备的关键特征尺寸为10至15微米,”这项研究的主要作者团队成员Ahsan Habib说。最近的实验表明,较小尺寸的植入物会导致固有免疫反应大大降低。从这个意义上讲,我们的纳米级电等离子体探头对于长期运行特别有利。”

  这项工作在《科学进展》中进行了报道,并得到了美国国家科学基金会的资助。

转载请注明出处。

1.本站遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源;2.本站的原创文章,请转载时务必注明文章作者和来源,不尊重原创的行为我们将追究责任;3.作者投稿可能会经我们编辑修改或补充。转载请注明seohttp://www.swlxs.com