مزایای استفاده از مواد کوانتومی
مهندسان ایالات متحده کشف کرده‌اند که مواد کوانتومی به ضخامت تنها یک اتم می‌توانند فعالیت الکتریکی سلول‌های زنده را فقط با استفاده از نور ردیابی کنند.
این نیمه‌رساناهای فوق‌العاده نازک، الکترون‌ها را در دو بعد به دام می‌اندازند و می‌توانند برای ردیابی فعالیت الکتریکی بیولوژیکی سلول‌ها با سرعت و وضوح شگفت‌انگیز استفاده شوند.
این می‌تواند یک تغییردهنده بازی در ردیابی فعالیت الکتریکی سلول‌های زنده - مانند نورون‌ها، فیبرهای عضلانی قلب و سلول‌های پانکراس - باشد. این پالس‌های الکتریکی همه چیز را از حرکت تا متابولیسم مدیریت می‌کنند، اما ردیابی آنها در زمان واقعی یک چالش بوده است.
مزایای استفاده از مواد کوانتومی
مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو روشی کاملاً نوری برای ثبت تغییرات ولتاژ با استفاده از نیمه‌رساناهای تک‌اتمی ارائه کرده‌اند.
تکنیکی که آنها استفاده می‌کنند این است که چگونه الکترون‌های مواد با نور تعامل دارند. پس از قرار گرفتن در معرض یک میدان الکتریکی، بین دو حالت متناوب می‌شوند - جفت‌های الکترون-حفره که از نظر الکتریکی خنثی هستند (اکسیتون‌ها و اکسیتون‌های باردار (تریون‌ها).
مهندسان کشف کردند که تبدیل از اکسیتون‌ها به تریون‌ها در نیمه‌رساناهای تک‌اتمی می‌تواند برای تشخیص سیگنال‌های الکتریکی سلول‌های عضلانی قلب - بدون استفاده از الکترودهای متصل یا رنگ‌های حساس به ولتاژ استفاده شود. همچنین مسئله تداخل در استفاده از الکترودها یا رنگ‌ها وجود دارد.
به عبارت ساده‌تر، این خواص کوانتومی ماده است که به عنوان حسگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ارتوگرول کوبوکچو، استاد گروه مهندسی شیمی و نانوی خانواده Aiiso Yufeng Li، در این مطالعه گفت: «ما معتقدیم که حساسیت ولتاژ اکسیتون‌ها در نیمه‌رساناهای تک‌لایه این پتانسیل را دارد که بررسی فضازمانی بالایی از مدارهای مغز را ممکن سازد.»
پیشرفت در تشخیص فعالیت الکتریکی در سلول‌ها
مهندسان بر خواص کوانتومی مولیبدن سولفید تک‌لایه تمرکز کردند. آنها دریافتند که در طول تولید آن، خود ماده جای خالی گوگرد را تشکیل می‌دهد - که منجر به چگالی بالای تریون‌ها می‌شود.
این باعث می‌شود که ماده به طرز شگفت‌انگیزی به تغییرات در میدان الکتریکی نزدیک - که شامل تغییرات ایجاد شده توسط سلول‌های زنده نیز می‌شود، پاسخگو باشد.
مهندسان از ماده کوانتومی برای ردیابی فعالیت الکتریکی عضلات قلب استفاده کردند. این کار در زمان واقعی انجام شد و با سرعت شگفت‌انگیزی ارائه شد که به گفته مهندسان بهتر از هر چیزی تا به امروز است.
این پیشرفت می‌تواند راه را برای تحقیقات بیشتر در زمینه ردیابی اختلالات شبکه در مناطق وسیعی از بافت‌های تحریک‌پذیر - در سطح و همچنین در سطح عمیق‌تر هموار کند.
علاوه بر این، می‌تواند به توضیح مسائل اساسی مرتبط با اختلالات عصبی و قلبی نیز کمک کند. روش‌های درمانی که به نورومدولاسیون الکتریکی متکی هستند نیز می‌توانند با این روش بهبود یابند - مانند درمان بیماری پارکینسون، از جمله موارد استفاده دیگر.
این تحقیق در ابتدا در مجله Nature Photonics منتشر شد.
چکیده
محصور شدن کوانتومی در نیمه‌رساناهای تک‌لایه منجر به خواص نوری می‌شود که به طور پیچیده‌ای با الکترون‌ها مرتبط است، که می‌توان آنها را با میدان‌های الکتریکی خارجی دستکاری کرد. این ویژگی‌های اپتوالکترونیکی پتانسیل دست‌نخورده‌ای را برای مطالعه فعالیت الکتریکی بیولوژیکی ارائه می‌دهند. علاوه بر بازده کوانتومی نسبتاً بالا، طول عمر انتشار در سطح پیکوثانیه، این مواد را به ویژه برای نظارت بر ولتاژهای بیولوژیکی با وضوح فضازمانی بالا امیدوارکننده می‌کند. در اینجا ما تبدیل اکسیتون به تریون را در نیمه‌رساناهای ضخیم آنگستروم بررسی می‌کنیم تا به طور تجربی تشخیص تمام نوری قطبیت دوگانه و بدون برچسب فعالیت الکتریکی را از طریق تغییرات در فوتولومینسانس در کشت‌های کاردیومیوسیت با وضوح زمانی فوق‌العاده بالا نشان دهیم. ما یک مدل فیزیکی ارائه می‌کنیم تا نشان دهیم که این فرآیند تبدیل ذاتاً توسط آمار کوانتومی الکترون‌های پس‌زمینه ناشی از فعالیت بیولوژیکی اداره می‌شود. ما نشان می‌دهیم که MoS2 تک‌لایه به دلیل چگالی تریون قابل توجه خود که ناشی از جای خالی‌های ذاتی گوگرد است که در طول رسوب‌گذاری بخار شیمیایی معرفی می‌شوند، امکان عملکرد بدون اتصال کاملاً بدون بایاس را فراهم می‌کند. کار ما یک مسیر کشف‌نشده از فرصت‌ها را برای حسگر ولتاژ تمام نوری بدون برچسب با استفاده از مواد نیمه‌رسانای ضخیم آنگستروم باز می‌کند که کاربردهای آنها در حوزه بیولوژیکی گریزان بوده است. این خط فکری در تقاطع زیست‌شناسی و علم کوانتومی می‌تواند منجر به کشف مواد کوانتومی غیرمتداول برای تشخیص فعالیت الکتریکی بیولوژیکی شود.