دانشمندان در دهه‌های قبل 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 منفعت گیری از نور انجام بدهند.

به نقل از فیز، بازدید این گروه پژوهشی مشخص می کند نیمه‌رساناهای فوق نازک که الکترون‌ها را در دو سپس به دام می‌اندازند، می‌توانند برای حس کردن فعالیت الکتریکی سلول‌های زنده با شدت و وضوح بالا مورد منفعت گیری قرار بگیرند.

دانشمندان مدام به جستوجو راه‌های بهتری برای ردیابی فعالیت الکتریکی تحریک‌پذیرترین سلول‌های بدن همانند 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 هم چنان یک چالش باقی مانده است.

الکتروفیزیولوژی سنتی که بر ریزالکترودهای تهاجمی متکی است، ثبت دقیقی را اراعه می‌دهد اما در مقیاس‌پذیری با محدودیت‌هایی مواجه است. کاشت الکترود در مناطق وسیعی از بافت می‌تواند صدمه قابل توجهی را تشکیل کند.

اگرچه راه حلهای مبتنی بر نور همانند تصویربرداری از کلسیم قادر به نظارت بر جمعیت‌های بزرگی از سلول‌ها می باشند 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 تشکیل کند.

مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو یک روش تازه را معارفه کرده‌اند که می‌تواند این شکاف را پر کند. روش آنها یک روش پرسرعت و همه‌نوری برای ثبت تغییرات ولتاژ با منفعت گیری از نیمه‌رساناهایی به ضخامت یک اتم است. مسئله 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 تحول 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 کارکرد سلولی اختلال تشکیل کنند. به عبارت دیگر، می‌توان از خواص کوانتومی خود ماده به گفتن حسگر منفعت گیری کرد.

«ارطغرل کوبوکچو»(Ertugrul Cubukcu) پژوهشگر ارشد این پروژه او گفت: ما معتقدیم که حساسیت ولتاژ اکسیتون‌ها در نیمه‌رساناهای تک‌لایه می‌تواند امکان بازدید 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 تشکیل خود به طور طبیعی فضاهای خالی گوگرد را راه اندازی می‌دهد که تراکم بالایی از تریون‌ها تشکیل می‌کنند. این نقص داخلی علتمی‌شود که به تغییرات میدان‌های الکتریکی مجاور از جمله میدان‌هایی که توسط سلول‌های زنده تشکیل خواهد شد و تبدیل خودبه‌خود اکسیتون به تریون را مقدور می‌کنند، عکس العمل بسیار‌ای 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 فرد دیگر تا به امروز قابل قیاس 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 درمورد مکانیسم‌های عرصه‌ساز اختلالات عصبی و قلبی اراعه دهد و عکس آشکار‌تری را از چگونگی ابراز اختلال در مدارهای الکتریکی بدن توسط بیماری‌ها به نمایش بگذارد. این چنین، این فناوری امکان پذیر راهبردهای درمانی را همانند 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 راه حلهای غیر تهاجمی و پرسرعت را برای بازدید فعالیت الکتریکی در موجودات زنده اراعه خواهند داد.

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