Esta foto muestra la configuración de un sistema conocido como CAGE (dispositivo de imágenes de campo eléctrico de grafeno amplificado con guía de onda acoplada críticamente) que está diseñado para registrar con precisión las propiedades de señales eléctricas débiles utilizando un láser infrarrojo y una capa de grafeno. La plataforma CAGE se puede utilizar para obtener imágenes de las señales eléctricas de las células vivas. Crédito:Halleh Balch y Jason Horng / Berkeley Lab y UC Berkeley
Los científicos han descubierto las propiedades exóticas del grafeno, una capa de carbono de un átomo de espesor, para funcionar como la película de un sistema de cámara increíblemente sensible en el mapeo visual de pequeños campos eléctricos en un líquido. Los investigadores esperan que el nuevo método permita obtener imágenes más extensas y precisas de las redes de señalización eléctrica en nuestros corazones y cerebros.
La capacidad de representar visualmente la fuerza y el movimiento de campos eléctricos muy débiles también podría ayudar en el desarrollo de los llamados dispositivos de laboratorio en un chip que usan cantidades muy pequeñas de fluidos en una plataforma similar a un microchip para diagnosticar enfermedades o ayudar en el desarrollo de fármacos, por ejemplo, o que automatizan una variedad de otros análisis biológicos y químicos.
La configuración podría potencialmente adaptarse para detectar o atrapar sustancias químicas específicas, también, y para estudios de electrónica basada en la luz (un campo conocido como optoelectrónica).
Una nueva forma de visualizar campos eléctricos
"Esta fue una nueva, idea innovadora de que el grafeno podría usarse como material para detectar campos eléctricos en un líquido, "dijo Jason Horng, coautor principal de un estudio publicado el 16 de diciembre en Comunicaciones de la naturaleza que detalla la primera demostración de este sistema de imágenes basado en grafeno. Horng está afiliado al Instituto Kavli Energy NanoSciences, un instituto conjunto en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley, y es investigador postdoctoral en UC Berkeley.
La idea surgió de una conversación entre Feng Wang, un científico de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, cuya investigación se centra en el control de las interacciones luz-materia a nanoescala, y Bianxiao Cui, quien dirige un equipo de investigación en la Universidad de Stanford que se especializa en el estudio de la señalización de las células nerviosas. Wang también es profesor asociado de física de UC Berkeley, y Cui es profesor asociado de química en la Universidad de Stanford.
"El concepto básico era cómo el grafeno podría usarse como un método muy general y escalable para resolver cambios muy pequeños en la magnitud, posición, y patrón de sincronización de un campo eléctrico local, como los impulsos eléctricos producidos por una sola célula nerviosa, "dijo Halleh B. Balch, un coautor principal del trabajo. Balch también está afiliado al Kavli Energy NanoSciences Institute y es estudiante de doctorado en física en UC Berkeley.
Este gráfico, producido utilizando el sistema CAGE, traza un pequeño campo eléctrico producido en un fluido a medida que el campo se disipa con el tiempo. La intensidad del campo está codificada por colores, con amarillo mostrando su pico y azul oscuro mostrando la intensidad de campo más débil. Este gráfico cubre los primeros 70 milisegundos (milésimas de segundo) después de que se genera el campo, y el área cubierta por el campo está representada en micrones, o millonésimas de metro. Crédito:Halleh Balch y Jason Horng / Berkeley Lab y UC Berkeley
"Uno de los problemas sobresalientes al estudiar una gran red de células es comprender cómo se propaga la información entre ellas, "Dijo Balch.
Se han desarrollado otras técnicas para medir señales eléctricas de pequeños conjuntos de células, aunque estos métodos pueden ser difíciles de escalar a arreglos más grandes y en algunos casos no pueden rastrear impulsos eléctricos individuales a una celda específica.
También, Cui dijo, "Este nuevo método no perturba las células de ninguna manera, que es fundamentalmente diferente de los métodos existentes que utilizan modificaciones genéticas o químicas de la membrana celular ".
La nueva plataforma debería permitir más fácilmente mediciones de impulsos eléctricos de una sola celda que viajan a través de redes que contienen 100 o más células vivas. dijeron los investigadores.
Aprovechando las propiedades de absorción de luz del grafeno
Grafeno que se compone de un arreglo de panal de átomos de carbono, es el foco de una intensa I + D debido a su increíble fuerza, capacidad para conducir electricidad de manera muy eficiente, alto grado de estabilidad química, la velocidad a la que los electrones pueden moverse a través de su superficie, y otras propiedades exóticas. Parte de esta investigación se centra en el uso de grafeno como componente en circuitos de computadora y pantallas de visualización. en los sistemas de administración de fármacos, y en células solares y baterías.
Este diagrama muestra la configuración de un método de imágenes que mapeó señales eléctricas utilizando una hoja de grafeno y un láser infrarrojo. El láser se disparó a través de un prisma (abajo a la izquierda) sobre una hoja de grafeno. Se utilizó un electrodo para enviar pequeñas señales eléctricas a una solución líquida (en un cilindro sobre el grafeno), y se utilizó una cámara (abajo a la derecha) para capturar imágenes que mapean estas señales eléctricas. Crédito:Halleh Balch y Jason Horng / Berkeley Lab y UC Berkeley
En el último estudio, Los investigadores utilizaron por primera vez la luz infrarroja producida en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab para comprender los efectos de un campo eléctrico en la absorción de la luz infrarroja por el grafeno.
En el experimento, apuntaron un láser infrarrojo a través de un prisma a una capa delgada llamada guía de ondas. La guía de ondas fue diseñada para igualar con precisión las propiedades de absorción de luz del grafeno, de modo que toda la luz se absorbiera a lo largo de la capa de grafeno en ausencia de un campo eléctrico.
Luego, los investigadores dispararon pequeños pulsos eléctricos en una solución líquida sobre la capa de grafeno que interrumpió muy levemente la absorción de luz de la capa de grafeno. permitiendo que algo de luz escape de una manera que lleve una firma precisa del campo eléctrico. Los investigadores capturaron una secuencia de imágenes de esta luz que se escapaba en intervalos de milésimas de segundo, y estas imágenes proporcionaron una visualización directa de la fuerza del campo eléctrico y la ubicación a lo largo de la superficie del grafeno.
Sensibilidad de millonésimas de voltio
La nueva plataforma de imágenes, denominada CAGE por "dispositivo de imágenes de campo eléctrico de grafeno amplificado con guía de ondas acoplada críticamente", demostró ser sensible a voltajes de unos pocos microvoltios (millonésimas de voltio). Esto lo hará ultrasensible a los campos eléctricos entre las células de las redes de células cardíacas y nerviosas. que puede variar desde decenas de microvoltios hasta unos pocos milivoltios (milésimas de voltio).
Los investigadores encontraron que podían señalar la ubicación de un campo eléctrico a lo largo de la superficie de la hoja de grafeno hasta decenas de micrones (millonésimas de metro), y capturar su fuerza de desvanecimiento en una secuencia de pasos de tiempo separados por tan solo cinco milisegundos, o milésimas de segundo.
Otra vista del sistema CAGE, con la muestra de grafeno en la parte inferior derecha. Crédito:Halleh Balch y Jason Horng / Berkeley Lab, UC Berkeley
En una secuencia, los investigadores detallaron la posición y la disipación, o desvanecerse, de un campo eléctrico local generado por un pulso de 10 milésimas de voltio durante un período de aproximadamente 240 milisegundos, con una sensibilidad de hasta aproximadamente 100 millonésimas de voltio.
A continuación:células cardíacas vivas
Balch dijo que ya hay planes para probar las plataformas con células vivas. "Estamos trabajando con colaboradores para probar esto con células cardíacas reales, ", dijo." Hay varias aplicaciones potenciales para esta investigación en la salud del corazón y la detección de drogas ".
También existe la posibilidad de utilizar otros materiales atómicamente delgados además del grafeno en la configuración de imágenes, ella dijo.
"El tipo de elegancia detrás de este sistema proviene de su generalidad, ", Dijo Balch." Puede ser sensible a cualquier cosa que cargue ".
