高分辨率“透视眼”：MIT团队新方法无需导线即可观察细胞活动

（来源：MIT News）

监测生物系统中的电信号能够帮助科学家深入了解细胞之间的交流机制，这对于诊断和治疗心律失常、阿尔茨海默症等疾病具有重要意义。

然而，目前用于记录细胞培养或液体环境中电信号的设备通常依赖导线将每个电极连接到相应的放大器。导线数量的限制不仅减少了记录点的数量，也显著降低了从细胞中获取信息的能力。

对此， MIT 的研究人员开发出了一种无需导线的生物传感技术。他们设计了一种微型无线天线，通过光学方法检测微小的电信号。周围液体环境中细微的电变化会影响天线散射光的方式。研究团队利用由微型天线组成的阵列（每个天线的宽度仅为人类头发直径的百分之一），以极高的空间分辨率捕捉细胞间的电信号。

这些设备足够坚固，能够连续记录超过 10 小时的信号。该技术为研究细胞如何应对环境变化提供了全新的工具。从长远来看，这些科学发现有望推动疾病诊断技术的进步，助力靶向治疗的研发，并提升新疗法的精准评估能力。

“以高通量和高分辨率记录细胞的电活动仍然是一项巨大的挑战，需要我们探索创新的方法和替代方案。”MIT 媒体实验室的前博士后、研究论文第一作者 Benoît Desbiolles 说道。

该研究团队成员还包括媒体实验室的访问学生 Jad Hanna，前访问学生 Raphael Ausilio，前博士后 Marta J. I. Airaghi Leccardi，以及来自 Raith America, Inc. 的科学家 Yang Yu。资深作者是 MIT 媒体实验室和神经生物工程中心的 AT&T 职业发展助理教授，同时也是 Nano-Cybernetic Biotrek 实验室负责人Deblina Sarkar。研究成果已于近期发表在Science Advances期刊上。

“生物电活动是细胞功能和生命过程的核心。然而，精准记录这些信号一直是一个挑战。”Sarkar 表示，“我们开发的有机散射天线（OCEANs）能够以微米级分辨率无线记录数千个点的电信号。这项技术为我们理解基础生物学以及疾病状态下的异常信号传递提供了前所未有的机会，同时也为评估不同治疗方案和开发新疗法奠定了基础。”

利用光进行生物传感

研究人员设计了一种无需导线或放大器的生物传感设备，这种设备对不熟悉电子仪器的生物学家更为友好。

“我们想知道，是否可以设计一种设备将电信号转化为光信号，并利用每个生物实验室常用的光学显微镜来探测这些信号？”Benoît Desbiolles 表示。

起初，团队尝试使用一种特殊的聚合物 PEDOT:PSS，设计出纳米级传感器，并在其中加入金纳米颗粒，期望这些颗粒能够通过聚合物的激发和调制来散射光。然而，实验结果与理论预测并不一致。

在去除了金颗粒后，研究人员意外发现实验结果与理论模型更加吻合。

“我们发现，信号的来源并不是金颗粒，而是聚合物本身。这一意外的发现非常振奋人心，也为我们开发 OCEANs 奠定了基础。”Desbiolles 说。

OCEANs 由 PEDOT:PSS 制成。附近的电活动会使聚合物吸引或排斥周围液体环境中的正离子，从而改变其化学构型和电子结构。这种变化会影响聚合物的折射率，进而改变散射光的方式。

当研究人员向天线照射光线时，光的强度会随周围液体中电信号的强弱而发生变化，从而实现电信号的光学探测。

（来源：MIT News）

OCEANs 由成千上万甚至数百万个微型天线组成的阵列构成，每个天线仅约 1 微米宽。研究人员利用光学显微镜直接捕捉散射光，以高分辨率记录细胞的电信号。由于每个天线都是独立的传感器，无需整合多个天线的数据，OCEANs 可以实现微米级分辨率的信号检测。

这种阵列专为体外研究设计，细胞可以直接在阵列表面培养，并在光学显微镜下进行分析。

在芯片上“生长”天线

这些设备的核心优势在于研究人员在 MIT.nano 设施中对天线阵列的精确制造能力。

首先，研究人员以玻璃作为基底，依次沉积导电层和绝缘层，每一层都具有光学透明性。随后，他们使用聚焦离子束在设备顶层蚀刻出数百个纳米级的小孔。这项技术实现了高通量的纳米制造，研究人员形容它“就像一支能够以 10 纳米分辨率绘图的笔。”

接着，他们将芯片浸泡在含有聚合物前体材料的溶液中，通过施加电流，使前体材料被吸引到微孔内，从底部逐渐“生长”出蘑菇状的天线。这一制造过程高效快捷，能够生产出包含数百万个天线的芯片。

“这种技术具备完全的可扩展性，目前的瓶颈在于我们能同时成像的天线数量，”研究人员指出。

通过优化天线的尺寸和参数，研究人员提升了其灵敏度，使其能够检测低至 2.5 毫伏的信号，而神经元通信时的信号通常约为 100 毫伏。“正是因为我们对理论模型进行了深入研究和理解，才能最大化天线的性能。”研究人员补充道。

OCEANs 还能够在毫秒级时间内响应信号变化，适合记录快速动态的电信号。接下来，研究人员计划在实际的细胞培养环境中测试这些设备，同时探索重新设计天线的几何结构，使其可以穿透细胞膜，以实现更精确的信号检测。

此外，他们希望将 OCEANs 集成到纳米光子学设备中，通过在纳米尺度上操控光，为下一代传感器和光学设备铺平道路。

这项研究得到了美国国立卫生研究院和瑞士国家科学基金会的资助，部分工作由美国国立卫生研究院下属的国家心肺血液研究所支持。不过，研究内容并不一定反映美国国立卫生研究院的官方观点。

https://news.mit.edu/2024/tiny-wireless-antennas-use-light-monitor-cellular-communication-1220