دانشمندان در دهه‌های گذشته برای ردیابی فعالیت الکتریکی سلول‌های زنده به الکترودها و رنگ‌ها متکی بودند. اکنون، مهندسان «دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو»(UCSD) دریافته‌اند که مواد کوانتومی به ضخامت تنها یک اتم می‌توانند این کار را فقط با استفاده از نور انجام دهند.

به نقل از فیز، بررسی این گروه پژوهشی نشان می‌دهد نیمه‌رساناهای فوق نازک که الکترون‌ها را در دو بعد به دام می‌اندازند، می‌توانند برای حس کردن فعالیت الکتریکی سلول‌های زنده با سرعت و وضوح بالا مورد استفاده قرار بگیرند.

دانشمندان پیوسته به دنبال راه‌های بهتری برای ردیابی فعالیت الکتریکی تحریک‌پذیرترین سلول‌های بدن مانند نورون‌ها، رشته‌های عضلانی قلب و سلول‌های لوزالمعده بوده‌اند. این پالس‌های الکتریکی کوچک، همه چیز را از تفکر گرفته تا حرکت و متابولیسم هماهنگ می‌کنند اما ثبت آنها در لحظه و در مقیاس‌های بزرگ همچنان یک چالش باقی مانده است.

الکتروفیزیولوژی سنتی که بر ریزالکترودهای تهاجمی متکی است، ثبت دقیقی را ارائه می‌دهد اما در مقیاس‌پذیری با محدودیت‌هایی روبه‌رو است. کاشت الکترود در مناطق وسیعی از بافت می‌تواند آسیب قابل توجهی را ایجاد کند.

اگرچه روش‌های مبتنی بر نور مانند تصویربرداری از کلسیم قادر به نظارت بر جمعیت‌های بزرگی از سلول‌ها هستند اما تنها یک نگاه غیر مستقیم را به فعالیت الکتریکی فراهم می‌کنند. آنها به جای ثبت تغییرات ولتاژ واقعی که ارتباطات سلولی را هدایت می‌کنند، به ثبت تغییرات ثانویه می‌پردازند و این کار می‌تواند اختلافات قابل توجهی را ایجاد کند.

مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو یک روش جدید را معرفی کرده‌اند که می‌تواند این شکاف را پر کند. روش آنها یک روش پرسرعت و تمام‌نوری برای ثبت تغییرات ولتاژ با استفاده از نیمه‌رساناهایی به ضخامت یک اتم است. نکته کلیدی در نحوه تعامل الکترون‌های این مواد با نور نهفته است. هنگامی که آنها در معرض یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، بین دو حالت اکسیتون‌ها و تریون‌ها تغییر می‌کنند.

پژوهشگران دریافتند که تبدیل اکسیتون‌ها به تریون‌ها در نیمه‌رساناهای به ضخامت یک اتم را می‌توان برای تشخیص سیگنال‌های الکتریکی سلول‌های عضله قلب مهار کرد. این کار بدون نیاز به الکترودهای متصل یا رنگ‌های حساس به ولتاژ انجام می‌شود که می‌توانند در عملکرد سلولی اختلال ایجاد کنند. به عبارت دیگر، می‌توان از خواص کوانتومی خود ماده به عنوان حسگر استفاده کرد.

«ارطغرل کوبوکچو»(Ertugrul Cubukcu) پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: ما معتقدیم که حساسیت ولتاژ اکسیتون‌ها در نیمه‌رساناهای تک‌لایه می‌تواند امکان بررسی مدار مغز را فراهم کند.

کوبوکچو و گروهش، خواص کوانتومی سولفید مولیبدن تک‌لایه را مطالعه کردند. آنها دریافتند که این ماده نیمه‌رسانا علاوه بر سازگاری زیستی، دارای یک مزیت خاص است. این ماده در طول فرآیند تولید خود به طور طبیعی فضاهای خالی گوگرد را تشکیل می‌دهد که تراکم بالایی از تریون‌ها ایجاد می‌کنند. این نقص داخلی باعث می‌شود که به تغییرات میدان‌های الکتریکی مجاور از جمله میدان‌هایی که توسط سلول‌های زنده تولید می‌شوند و تبدیل خودبه‌خود اکسیتون به تریون را امکان‌پذیر می‌کنند، واکنش فوق‌العاده‌ای داشته باشند.

پژوهشگران خاطرنشان کردند که با ردیابی تغییرات نورتابی مواد می‌توان فعالیت الکتریکی سلول‌های عضله قلب را در لحظه با سرعتی نقشه‌برداری کرد که با هیچ فناوری تصویربرداری دیگری تا به امروز قابل مقایسه نیست.

این فناوری می‌تواند کاربردهای متنوعی داشته باشد که از جمله آنها می‌توان به ترسیم اختلالات شبکه در مناطق وسیعی از بافت تحریک‌پذیر، از سطح تا لایه‌های عمیق‌تر اشاره کرد. این فناوری می‌تواند اطلاعاتی را درباره مکانیسم‌های زمینه‌ساز اختلالات عصبی و قلبی ارائه دهد و تصویر واضح‌تری را از چگونگی بروز اختلال در مدارهای الکتریکی بدن توسط بیماری‌ها به نمایش بگذارد. همچنین، این فناوری ممکن است راهبردهای درمانی را مانند تحریک عمیق مغز برای بیماری پارکینسون یا ردیابی ضربان قلب برای آریتمی‌ قلبی اصلاح کند.

علاوه بر همه مزایای مذکور، این فناوری می‌تواند به کشف مواد کوانتومی جدیدی بیانجامد که روش‌های غیر تهاجمی و پرسرعت را برای بررسی فعالیت الکتریکی در موجودات زنده ارائه می‌دهند.

این پژوهش در مجله «Nature Photonics» به چاپ رسید.