原子厚半导体中的量子特性为检测细胞中的电信号提供了新方法

几十年来，科学家们一直依靠电极和染料来追踪活细胞的电活动。现在，加州大学圣地亚哥分校的工程师们发现，只要一个原子厚的量子材料就可以完成这项工作——只需要光

发表在《自然光子学》上的一项新研究表明，这些在二维中捕获电子的超薄半导体可用于高速和高分辨率地感知活细胞的生物电活动

科学家们一直在寻找更好的方法来追踪身体最易兴奋细胞的电活动，如神经元、心肌纤维和胰腺细胞。这些微小的电脉冲协调了从思想到运动再到新陈代谢的一切，但实时和大规模地捕捉它们仍然是一个挑战

传统的电生理学依赖于侵入性微电极，可以提供精确的记录，但可扩展性有限。在组织的大区域植入电极会造成严重损伤，即使是最先进的探头也仅限于一次记录几百个通道

钙成像等光学技术虽然能够监测大量细胞，但只能间接地了解电活动。它们没有记录驱动蜂窝通信的实际电压变化，而是捕捉可能引入重大差异的二次变化

加州大学圣地亚哥分校的工程师们展示了一种可以弥合这一差距的新方法：一种使用原子厚半导体记录电压变化的高速全光方法。关键在于这些材料的电子如何与光相互作用：当暴露在电场中时，它们在两种状态之间切换——激子（电中性的电子-空穴对）和三极管（带电激子）

MoS2 PL的荧光广角显微镜视频以每秒100帧的速度记录，并以每秒50帧的速度播放。这两个亮点是穿孔细胞的位置。MoS2 PL在暴露于用于穿孔细胞的高强度激光后变得更亮。这两个点PL的闪烁是由于心肌细胞的细胞内动作电位。来源：自然光子学（2025）。DOI:10.1038/41566-025-01637-w

研究人员发现，原子厚半导体中激子到三极管的转换可以用来检测心肌细胞的电信号，而不需要系留电极或电压敏感染料，因为它们会干扰细胞功能

换句话说，材料本身的量子特性可以用作传感器

“我们认为，单层半导体中激子的电压敏感性有可能实现大脑电路的高时空研究，”该研究的资深作者Ertugrul Cubukcu说，他是加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院Aiiso Yufeng Li家族化学与纳米工程系以及电气与计算机工程系的教授。

Cubukcu和他的团队研究了单层硫化钼的量子特性。除了其生物相容性外，他们发现这种半导体材料还具有一个特别的优势：它在生产过程中自然形成硫空位，从而产生高密度的三极管。这种内置缺陷使其对附近电场的变化特别敏感，包括活细胞产生的电场，这反过来又允许自发激子到三极管的转换

他们指出，通过跟踪材料光致发光的变化，研究人员可以实时绘制心肌细胞的电活动图，其速度是迄今为止任何其他成像技术都无法比拟的

这项技术有各种潜在的应用。它可以使研究人员绘制从表层到深层的大面积可兴奋组织的网络功能障碍图。它可以深入了解神经和心脏疾病的潜在机制，更清楚地了解疾病如何破坏身体的电路。它还可能完善依赖电神经调控的治疗策略，如帕金森病的深部脑刺激或心律失常的心脏起搏

此外，这项工作可能会导致新量子材料的发现，这些材料可以提供一种非侵入性、高速的方法来探测生命系统中的电活动 More information: Yundong Ren et al, Trionic all-optical biological voltage sensing via quantum statistics, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01637-w

Journal information: Nature Photonics