Cette photo montre la configuration d'un système connu sous le nom de CAGE (dispositif d'imagerie de champ électrique à guide d'ondes à couplage critique et à amplification de graphène) conçu pour enregistrer avec précision les propriétés des signaux électriques faibles à l'aide d'un laser infrarouge et d'une couche de graphène. La plateforme CAGE peut être utilisée pour imager les signaux électriques des cellules vivantes. Crédit :Halleh Balch et Jason Horng/Berkeley Lab et UC Berkeley
Les scientifiques ont fait appel aux propriétés exotiques du graphène, une couche de carbone d'une épaisseur d'un atome, fonctionner comme le film d'un système de caméra incroyablement sensible en cartographiant visuellement de minuscules champs électriques dans un liquide. Les chercheurs espèrent que la nouvelle méthode permettra une imagerie plus étendue et plus précise des réseaux de signalisation électrique dans nos cœurs et cerveaux.
La capacité de représenter visuellement la force et le mouvement de champs électriques très faibles pourrait également aider au développement de dispositifs dits de laboratoire sur puce qui utilisent de très petites quantités de fluides sur une plate-forme de type micropuce pour diagnostiquer une maladie ou aider dans le développement de médicaments, par exemple, ou qui automatisent une gamme d'autres analyses biologiques et chimiques.
La configuration pourrait potentiellement être adaptée pour détecter ou piéger des produits chimiques spécifiques, trop, et pour les études d'électronique basée sur la lumière (un domaine connu sous le nom d'optoélectronique).
Une nouvelle façon de visualiser les champs électriques
"C'était un tout nouveau, idée innovante selon laquelle le graphène pourrait être utilisé comme matériau pour détecter les champs électriques dans un liquide, " a déclaré Jason Horng, co-auteur principal d'une étude publiée le 16 décembre dans Communication Nature qui détaille la première démonstration de ce système d'imagerie à base de graphène. Horng est affilié au Kavli Energy NanoSciences Institute, un institut commun au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et à l'UC Berkeley, et est chercheur postdoctoral à l'UC Berkeley.
L'idée est née d'une conversation entre Feng Wang, chercheur à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab, dont les recherches portent sur le contrôle des interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique, et Bianxiao Cui, qui dirige une équipe de recherche à l'Université de Stanford spécialisée dans l'étude de la signalisation des cellules nerveuses. Wang est également professeur agrégé de physique à l'UC Berkeley, et Cui est professeur agrégé de chimie à l'Université de Stanford.
"Le concept de base était de savoir comment le graphène pouvait être utilisé comme une méthode très générale et évolutive pour résoudre de très petits changements de magnitude, position, et modèle de synchronisation d'un champ électrique local, telles que les impulsions électriques produites par une seule cellule nerveuse, " a déclaré Halleh B. Balch, un co-auteur principal de l'ouvrage. Balch est également affilié au Kavli Energy NanoSciences Institute et est doctorant en physique à l'UC Berkeley.
Ce tableau, réalisé avec le système CAGE, cartographie un petit champ électrique produit dans un fluide au fur et à mesure que le champ se dissipe au fil du temps. La force du champ est codée par couleur, avec le jaune montrant son pic et le bleu foncé montrant l'intensité de champ la plus faible. Ce graphique couvre les 70 premières millisecondes (millièmes de seconde) après la génération du champ, et la surface couverte par le champ est représentée en microns, ou des millionièmes de mètre. Crédit :Halleh Balch et Jason Horng/Berkeley Lab et UC Berkeley
"L'un des problèmes en suspens dans l'étude d'un grand réseau de cellules est de comprendre comment l'information se propage entre elles, ", a déclaré Balch.
D'autres techniques ont été développées pour mesurer les signaux électriques de petits réseaux de cellules, bien que ces méthodes puissent être difficiles à étendre à de plus grands réseaux et, dans certains cas, ne peuvent pas tracer des impulsions électriques individuelles jusqu'à une cellule spécifique.
Aussi, Cui a dit, "Cette nouvelle méthode ne perturbe en rien les cellules, ce qui est fondamentalement différent des méthodes existantes qui utilisent des modifications génétiques ou chimiques de la membrane cellulaire."
La nouvelle plate-forme devrait permettre plus facilement des mesures unicellulaires d'impulsions électriques traversant des réseaux contenant 100 cellules vivantes ou plus, les chercheurs ont dit.
Exploiter les propriétés d'absorption de la lumière du graphène
Graphène, qui est composé d'un arrangement en nid d'abeille d'atomes de carbone, est l'objet d'une R&D intense en raison de sa force incroyable, capacité à conduire très efficacement l'électricité, haut degré de stabilité chimique, la vitesse à laquelle les électrons peuvent se déplacer à sa surface, et d'autres propriétés exotiques. Certaines de ces recherches sont axées sur l'utilisation du graphène comme composant dans les circuits informatiques et les écrans d'affichage, dans les systèmes d'administration de médicaments, et dans les cellules solaires et les batteries.
Ce diagramme montre la configuration d'une méthode d'imagerie qui a cartographié les signaux électriques à l'aide d'une feuille de graphène et d'un laser infrarouge. Le laser a été tiré à travers un prisme (en bas à gauche) sur une feuille de graphène. Une électrode a été utilisée pour envoyer de minuscules signaux électriques dans une solution liquide (dans un cylindre au sommet du graphène), et une caméra (en bas à droite) a été utilisée pour capturer des images cartographiant ces signaux électriques. Crédit :Halleh Balch et Jason Horng/Berkeley Lab et UC Berkeley
Dans la dernière étude, les chercheurs ont d'abord utilisé la lumière infrarouge produite à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab pour comprendre les effets d'un champ électrique sur l'absorption de la lumière infrarouge par le graphène.
Dans l'expérience, ils ont dirigé un laser infrarouge à travers un prisme vers une couche mince appelée guide d'ondes. Le guide d'ondes a été conçu pour correspondre avec précision aux propriétés d'absorption de la lumière du graphène afin que toute la lumière soit absorbée le long de la couche de graphène en l'absence de champ électrique.
Les chercheurs ont ensuite tiré de minuscules impulsions électriques dans une solution liquide au-dessus de la couche de graphène qui a très légèrement perturbé l'absorption de la lumière de la couche de graphène, permettant à une partie de la lumière de s'échapper d'une manière qui portait une signature précise du champ électrique. Les chercheurs ont capturé une séquence d'images de cette lumière qui s'échappe à des millièmes de seconde d'intervalle, et ces images ont fourni une visualisation directe de la force et de l'emplacement du champ électrique le long de la surface du graphène.
Sensibilité au millionième de volt
La nouvelle plate-forme d'imagerie, surnommée CAGE pour « dispositif d'imagerie de champ électrique à guide d'ondes couplé de manière critique et à graphène électrique amplifié », s'est avérée sensible à des tensions de quelques microvolts (millionièmes de volt). Cela le rendra ultrasensible aux champs électriques entre les cellules des réseaux de cellules cardiaques et de cellules nerveuses, qui peut aller de dizaines de microvolts à quelques millivolts (millièmes de volt).
Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient localiser l'emplacement d'un champ électrique le long de la surface de la feuille de graphène jusqu'à des dizaines de microns (millionièmes de mètre), et capturer sa force de décoloration dans une séquence de pas de temps séparés par aussi peu que cinq millisecondes, ou millièmes de seconde.
Une autre vue du système CAGE, avec l'échantillon de graphène en bas à droite. Crédit :Halleh Balch et Jason Horng/Berkeley Lab, UC Berkeley
En une séquence, les chercheurs ont détaillé la position et la dissipation, ou s'estomper, d'un champ électrique local généré par une impulsion de 10 millièmes de volt sur une période d'environ 240 millisecondes, avec une sensibilité jusqu'à environ 100 millionièmes de volt.
Prochaine étape :les cellules cardiaques vivantes
Balch a déclaré qu'il était déjà prévu de tester les plates-formes avec des cellules vivantes. "Nous travaillons avec des collaborateurs pour tester cela avec de vraies cellules cardiaques, ", a-t-elle déclaré. "Il existe plusieurs applications potentielles pour cette recherche dans le domaine de la santé cardiaque et du dépistage des médicaments."
Il est également possible d'utiliser d'autres matériaux atomiquement minces en plus du graphène dans la configuration d'imagerie, elle a dit.
"Le genre d'élégance derrière ce système vient de sa généralité, " Balch a déclaré. "Il peut être sensible à tout ce qui porte la charge."
