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神奇石墨烯新用途 拍攝細胞電流圖像

石墨烯感測跳動
團隊以石墨烯感測跳動的雞胚胎心臟,變成實時影像,心臟跳動產生的微弱電流,即時被石墨烯感測並變成光源。(圖片來源:加州柏克萊大學)

醫療創新

2010的諾貝爾物理獎頒發給兩位曼徹斯特大學物理學家Andre Geim和Konstantin Novoselov,2004年憑以3M膠帶不斷撕薄,竟剝離出穩定的石墨烯,再以光學干涉方式,辨識出單層石墨烯,成為諾貝爾獎的傳奇之一。

石墨烯是蜂窩狀的單層碳結構,Geim團隊以膠帶剝離穩定石墨烯,從前石墨烯被認為是假設性結構,無法單獨而穩定存在。雖然分離方法,簡單得不可思議,後來石墨烯用途之廣,性質之神奇,這種物料應用潛力,每年都有新發現。

單層的石墨,強度竟比鋼鐵還要高,導電性又比銅還要好,石墨烯被用於開發超級電池,甚至瞭釋超導。

石墨烯攝影機
加州大學柏克萊和史丹福大學研究人員《Nano Letters》期刊,發表以石墨烯開發出的醫療傳感器,竟可把活細胞和組織電場,變成光學的影像,並稱之為「石墨烯攝影機」,可用於加快測試藥物,或研究腦部疾病。

千變萬化的石墨烯

2018年,科學家發現兩層石墨烯,以特定角度旋轉時,表現出不導電行為,類似於「莫特絕緣體」,也就科學家莫特(Nevill Francis Mott)觀察電子之間的相互作用,解釋某些晶體,如何在導體和絕緣體之間交替,只要向石墨烯體系注入電子,一定溫度之下,又發生了超導現象。

石墨烯的超晶格半充滿關聯的絕緣體行為,一定條件又可變成超導,兩者只是一線之差。《自然》雜誌認為,石墨烯有機會解開多年來,困擾物理學的「超導之謎」。

特定溫度下材料電阻突然消失的現象稱為「超導」,所有已知物質,室溫之下都不能夠超導,但部分物質溫度下降至一定程度,電阻突然變為零,發生這種現象溫度,就叫「超導轉變溫度」,迄今人類仍無法解釋。

石墨烯仍由碳原子形成原子尺寸
石墨烯仍由碳原子形成原子尺寸是蜂窩狀單層晶格結構,為迄今世界上最薄卻也最堅硬的納米材料,應用潛力無窮。

導電能力用途廣泛

石墨烯擁有良好導電能力,除了開發電池,心電圖測量儀器的Ag-AgCl電極片表面上層塗,可改善皮膚與電極的接觸,可獲凖確「心電圖」(Electrocardiography),石墨烯已製作出多種穿戴式的心電(ECG)監察設備。

上星期,加州大學柏克萊和史丹福大學研究人員《Nano Letters》期刊,發表以石墨烯開發出的醫療傳感器,竟可把活細胞和組織電場,變成光學的影像,並稱之為「石墨烯攝影機」,可用於加快測試藥物,或研究腦部疾病。

石墨烯對於電場改變具有超高靈敏度,醫生解讀心電圖(ECG),只能旁敲側擊「猜測」 心臟問題,以石墨烯心臟攝影技術,可直接解讀心臟的問題。

人類身體由不同細胞所組成,細胞也產生電流,細胞的電訊幾乎是大部分動物生理反應,不可或缺的一部份;神經細胞就是被電流訊號激發的神經系統核心單元,透過電流和化學信號交替轉換過程,以傳遞信息和思考,人體另一以電流為訊號的細胞組織就是心臟,心臟節奏靠鈣和鉀兩種離子通道的開關,產生的電流變化,以調節心搏規律。

雖然人類可以紀錄心電圖,量度細胞釋放的電流,卻要困難得多。團隊以上述的「石墨烯攝影機」記錄跳動的心臟細胞電波,涉及到大腦時,還可開發出新的感知能力。

所謂「石墨烯相機」是一片僅10厘米寬大小石墨烯,以即時測量心肌細胞電壓,通過產生微弱電場變成了光學圖像。薄片持續測量接觸活體組織的電壓變化,持續監察肌肉和細胞電流強弱,團隊以石墨烯感測跳動的雞胚胎心臟,變成實時影像。

「細胞收縮時,發出動作電位,進而在細胞外,產生一個微弱的電場。」論文作者Halleh Balch解釋:「當細胞下方石墨烯電場被吸收,可以看到從石墨烯反射回來光量就發生了變化。」

以往,研究人員一直以電極和化學染料測量細胞電流,但只能限於某個特定的位置,上述薄片卻可持續測量所有接觸活體組織的電壓,持續監察肌肉和細胞變化,攝影機連續紀錄同時為所有細胞的電流影像,毋須逐次掃描,更加不只是某一點讀數,對整個細胞組織網絡的作連續的成像監察,為所有電流作成像,整理出細胞電流通訊在不同情況的各種模態。

跳動心肌細胞產生電場實在太小,對於石墨烯反射率,不足以產生明顯電流影響。團隊在下方添加了一個非常薄的「波導」(waveguide)設備,定向引導電磁波放大訊號,離開裝置之前,電波進行了約100次反射,放大能量才對石墨烯發射。

「傳感技術亦可與顯微技術結合,觀察經染色的特定神經或肌肉組織,錄下細胞之間通訊使用的電流。」論文其中一位作者Halleh Balch說:「石墨烯相機可應用在新藥臨床試驗之前,測試心肌上候選藥物是否會引發心律不齊(Arrhythmia)。石墨烯又有極佳耐受性,可放置在腦部,加上傳感器可以連續監察腦細胞的電量,神經細胞的電訊傳遞,甚至腦部活動的研究。

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