无线天线利用光来解码蜂窝通信信号

监测生物系统中的电信号有助于科学家了解细胞如何交流，这有助于诊断和治疗心律失常和阿尔茨海默氏症等疾病。

但是，在细胞培养和其他液体环境中记录电信号的设备通常使用电线将设备上的每个电极连接到其各自的放大器。因为只有这么多电线可以连接到设备上，这限制了记录位点的数量，限制了可以从细胞中收集的信息

麻省理工学院的研究人员现在开发了一种生物传感技术，消除了对电线的需求。相反，微型无线天线利用光来检测微小的电信号

周围液体环境中的微小电气变化会改变天线散射光的方式。研究人员使用一系列微小的天线，每个天线的宽度是人类头发的百分之一，可以以极高的空间分辨率测量细胞之间交换的电信号

这些设备足够耐用，可以连续记录信号超过10小时，可以帮助生物学家了解细胞如何对环境变化做出反应。从长远来看，这些科学见解可以为诊断的进步铺平道路，刺激靶向治疗的发展，并使新疗法的评估更加精确

“能够以高通量和高分辨率记录细胞的电活动仍然是一个真正的问题。我们需要尝试一些创新的想法和替代方法，”麻省理工学院媒体实验室前博士后、一篇关于这些设备的论文的主要作者Benoît Desbiolles说

媒体实验室的访问生Jad Hanna也加入了他的行列；前访问学生拉斐尔·奥西里奥；前博士后Marta J.I.Airaghi Leccardi；杨宇，美国Raith公司的科学家，股份有限公司。；资深作者Deblina Sarkar，AT&；T媒体实验室和麻省理工学院神经生物工程中心职业发展助理教授，纳米控制论Biotrek实验室负责人。

该研究发表在《科学进展》上

Sarkar说：“生物电是细胞和不同生命过程运作的基础。然而，精确记录这些电信号一直是一项挑战。”

“我们开发的有机电散射天线（OCEAN）能够同时以微米级空间分辨率无线记录来自数千个记录位点的电信号。这可以为理解基础生物学和疾病状态下改变的信号以及筛选不同治疗方法的效果以实现新的治疗创造前所未有的机会。”

光生物传感

研究人员着手设计一种不需要电线或放大器的生物传感装置。对于可能不熟悉电子仪器的生物学家来说，这样的设备更容易使用

Desbiolles说：“我们想知道是否可以制造一种将电信号转换为光的设备，然后使用每个生物实验室都有的光学显微镜来探测这些信号。”

最初，他们使用一种名为PEDOT:PSS的特殊聚合物来设计纳米级传感器，该传感器包含微小的金线。金纳米粒子本应散射光，这一过程将由聚合物诱导和调节。但结果与他们的理论模型不符

研究人员试图去除黄金，令人惊讶的是，结果与模型更接近

“事实证明，我们没有测量来自黄金的信号，而是来自聚合物本身的信号。这是一个非常令人惊讶但令人兴奋的结果。我们基于这一发现开发了有机电散射天线，”他说

有机电散射天线或OCEAN由PEDOT:PSS组成。当附近有电活动时，这种聚合物会吸引或排斥周围液体环境中的正离子。这会改变其化学结构和电子结构，改变其折射率这一光学特性，从而改变其散射光的方式

当研究人员将光照射到天线上时，它散射回来的光的强度与液体中存在的电信号成比例变化

阵列中有数千甚至数百万个微小天线，每个天线只有1微米宽，研究人员可以用光学显微镜捕获散射光，并以高分辨率测量细胞的电信号。由于每个天线都是一个独立的传感器，研究人员不需要汇集多个天线的贡献来监测电信号，这就是为什么OCEANs可以检测到微米分辨率的信号

OCEAN阵列旨在用于体外研究，其设计目的是直接在其上培养细胞，并将其置于光学显微镜下进行分析

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芯片上“生长”天线

这些设备的关键是研究人员在MIT.nano设施中制造阵列的精度

他们从玻璃基板开始，在顶部沉积导电层，然后是绝缘材料，每层都是光学透明的。然后，他们使用聚焦离子束在设备的顶层切割出数百个纳米级的孔。这种特殊类型的聚焦离子束能够实现高通量的纳米制造

“这个仪器基本上就像一支笔，你可以用10纳米的分辨率蚀刻任何东西，”他说

他们将芯片浸入含有聚合物前体构建块的溶液中。通过向溶液中施加电流，前驱体材料被吸引到芯片上的小孔中，蘑菇形天线从下往上“生长”

整个制造过程相对较快，研究人员可以使用这种技术制造出具有数百万个天线的芯片

“这项技术可以很容易地适应，因此它是完全可扩展的。限制因素是我们可以同时成像多少个天线，”他说

研究人员优化了天线的尺寸并调整了参数，这使他们能够在模拟实验中实现足够高的灵敏度来监测电压低至2.5毫伏的信号。神经元发出的通信信号通常在100毫伏左右

他说：“因为我们花了时间真正深入了解这一过程背后的理论模型，我们可以最大限度地提高天线的灵敏度。”

海洋也能在几毫秒内对变化的信号做出反应，使它们能够以快速的动力学记录电信号。展望未来，研究人员希望用真实的细胞培养物测试这些设备。他们还希望重塑天线，使其能够穿透细胞膜，从而实现更精确的信号检测

此外，他们还想研究如何将OCEAN集成到纳米光子设备中，这些设备可以在纳米级操纵光，用于下一代传感器和光学设备 More information: Benoit Desbiolles et al, Organic electro-scattering antenna: Wireless and multisite probing of electrical potentials with high spatial resolution, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adr8380. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr8380

Journal information: Science Advances