छोटे, वायरलेस एंटेना सेलुलर संचार की निगरानी के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं

तारों के बिना एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन बायोसेंसिंग डिवाइस के हिस्से के रूप में, एंटेना शोधकर्ताओं को कोशिकाओं द्वारा भेजे गए जटिल विद्युत संकेतों को डिकोड करने में मदद कर सकते हैं।

जैविक प्रणालियों में विद्युत संकेतों की निगरानी से वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद मिलती है कि कोशिकाएं कैसे संचार करती हैं, जो अतालता और अल्जाइमर जैसी स्थितियों के निदान और उपचार में सहायता कर सकती है।

लेकिन उपकरण जो सेल संस्कृतियों और अन्य तरल वातावरण में विद्युत संकेतों को रिकॉर्ड करते हैं, अक्सर डिवाइस पर प्रत्येक इलेक्ट्रोड को उसके संबंधित एम्पलीफायर से जोड़ने के लिए तारों का उपयोग करते हैं। क्योंकि डिवाइस से केवल इतने ही तार जोड़े जा सकते हैं, इससे रिकॉर्डिंग साइटों की संख्या सीमित हो जाती है, जिससे कोशिकाओं से एकत्र की जा सकने वाली जानकारी सीमित हो जाती है।

एमआईटी शोधकर्ताओं ने अब एक बायोसेंसिंग तकनीक विकसित की है जो तारों की आवश्यकता को समाप्त कर देती है। इसके बजाय, छोटे, वायरलेस एंटेना सूक्ष्म विद्युत संकेतों का पता लगाने के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं।

आसपास के तरल वातावरण में छोटे विद्युत परिवर्तन एंटेना के प्रकाश बिखेरने के तरीके को बदल देते हैं। छोटे एंटेना की एक श्रृंखला का उपयोग करके, जिनमें से प्रत्येक मानव बाल की चौड़ाई का सौवां हिस्सा है, शोधकर्ता अत्यधिक स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ कोशिकाओं के बीच आदान-प्रदान किए गए विद्युत संकेतों को माप सकते हैं।

उपकरण, जो 10 घंटे से अधिक समय तक लगातार सिग्नल रिकॉर्ड करने के लिए पर्याप्त टिकाऊ हैं, जीवविज्ञानियों को यह समझने में मदद कर सकते हैं कि कोशिकाएं अपने पर्यावरण में परिवर्तनों के जवाब में कैसे संचार करती हैं। लंबे समय में, ऐसी वैज्ञानिक अंतर्दृष्टि निदान में प्रगति का मार्ग प्रशस्त कर सकती है, लक्षित उपचारों के विकास को बढ़ावा दे सकती है, और नए उपचारों के मूल्यांकन में अधिक सटीकता को सक्षम कर सकती है।

“उच्च थ्रूपुट और उच्च रिज़ॉल्यूशन वाली कोशिकाओं की विद्युत गतिविधि को रिकॉर्ड करने में सक्षम होना एक वास्तविक समस्या बनी हुई है। हमें कुछ नवीन विचारों और वैकल्पिक दृष्टिकोणों को आज़माने की ज़रूरत है,” एमआईटी मीडिया लैब के पूर्व पोस्टडॉक और प्रमुख लेखक बेनोइट डेसबिओल्स कहते हैं। उपकरणों पर कागज.

पेपर में उनके साथ मीडिया लैब के विजिटिंग छात्र जैड हना भी शामिल हैं; पूर्व विजिटिंग छात्र राफेल ऑसिलियो; पूर्व पोस्टडॉक मार्टा जी ऐराघी लेकार्डी; यांग यू, रैथ अमेरिका, इंक. के वैज्ञानिक; और वरिष्ठ लेखिका देबलीना सरकार, मीडिया लैब और एमआईटी सेंटर फॉर न्यूरोबायोलॉजिकल इंजीनियरिंग में एटी एंड टी कैरियर डेवलपमेंट असिस्टेंट प्रोफेसर और नैनो-साइबरनेटिक बायोट्रेक लैब की प्रमुख हैं। शोध आज सामने आया है विज्ञान उन्नति.

सरकार कहते हैं, “जैवविद्युत कोशिकाओं और विभिन्न जीवन प्रक्रियाओं के कामकाज के लिए मौलिक है। हालांकि, ऐसे विद्युत संकेतों को सटीक रूप से रिकॉर्ड करना चुनौतीपूर्ण रहा है।” “हमने जो ऑर्गेनिक इलेक्ट्रो-स्कैटरिंग एंटेना (ओसीएएन) विकसित किया है, वह एक साथ हजारों रिकॉर्डिंग साइटों से माइक्रोमीटर स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ वायरलेस तरीके से विद्युत संकेतों को रिकॉर्ड करने में सक्षम बनाता है। यह मौलिक जीव विज्ञान को समझने और रोगग्रस्त राज्यों में परिवर्तित सिग्नलिंग के साथ-साथ स्क्रीनिंग के लिए अभूतपूर्व अवसर पैदा कर सकता है। नवीन उपचारों को सक्षम करने के लिए विभिन्न उपचारों का प्रभाव।”

प्रकाश के साथ बायोसेंसिंग

शोधकर्ताओं ने एक ऐसा बायोसेंसिंग उपकरण डिजाइन करने का निश्चय किया जिसके लिए तारों या एम्पलीफायरों की आवश्यकता नहीं होगी। ऐसे उपकरण का उपयोग उन जीवविज्ञानियों के लिए करना आसान होगा जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों से परिचित नहीं होंगे।

“हमें आश्चर्य हुआ कि क्या हम एक ऐसा उपकरण बना सकते हैं जो विद्युत संकेतों को प्रकाश में परिवर्तित करता है और फिर इन संकेतों की जांच के लिए एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग कर सकता है, जो हर जीव विज्ञान प्रयोगशाला में उपलब्ध है,” डेसबिओल्स कहते हैं।

प्रारंभ में, उन्होंने नैनोस्केल ट्रांसड्यूसर को डिजाइन करने के लिए PEDOT:PSS नामक एक विशेष पॉलिमर का उपयोग किया जिसमें सोने के फिलामेंट के छोटे टुकड़े शामिल थे। सोने के नैनोकणों को प्रकाश बिखेरना चाहिए था – एक ऐसी प्रक्रिया जो पॉलिमर द्वारा प्रेरित और संशोधित होगी। लेकिन नतीजे उनके सैद्धांतिक मॉडल से मेल नहीं खा रहे थे.

शोधकर्ताओं ने सोना निकालने की कोशिश की और, आश्चर्यजनक रूप से, परिणाम मॉडल से बहुत अधिक मेल खाते थे।

वे कहते हैं, “यह पता चला है कि हम सोने से नहीं, बल्कि पॉलिमर से सिग्नल माप रहे थे। यह एक बहुत ही आश्चर्यजनक लेकिन रोमांचक परिणाम था। हमने कार्बनिक इलेक्ट्रो-स्कैटरिंग एंटेना विकसित करने के लिए उस खोज पर काम किया।”

कार्बनिक इलेक्ट्रो-स्कैटरिंग एंटेना, या महासागर, PEDOT:PSS से बने होते हैं। जब आस-पास विद्युत गतिविधि होती है तो यह बहुलक आसपास के तरल वातावरण से सकारात्मक आयनों को आकर्षित या विकर्षित करता है। यह इसके रासायनिक विन्यास और इलेक्ट्रॉनिक संरचना को संशोधित करता है, इसके अपवर्तक सूचकांक के रूप में जाने जाने वाले ऑप्टिकल गुण को बदलता है, जो प्रकाश को बिखेरने के तरीके को बदलता है।

जब शोधकर्ता एंटीना पर प्रकाश डालते हैं, तो प्रकाश की तीव्रता तरल में मौजूद विद्युत संकेत के अनुपात में बदल जाती है।

एक सरणी में हजारों या यहां तक ​​कि लाखों छोटे एंटेना के साथ, प्रत्येक केवल 1 माइक्रोमीटर चौड़ा, शोधकर्ता एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ बिखरे हुए प्रकाश को पकड़ सकते हैं और उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले कोशिकाओं से विद्युत संकेतों को माप सकते हैं। क्योंकि प्रत्येक एंटीना एक स्वतंत्र सेंसर है, शोधकर्ताओं को विद्युत संकेतों की निगरानी के लिए कई एंटेना के योगदान को एकत्रित करने की आवश्यकता नहीं है, यही कारण है कि महासागर माइक्रोमीटर रिज़ॉल्यूशन के साथ संकेतों का पता लगा सकते हैं।

इन विट्रो अध्ययन के लिए अभिप्रेत, OCEAN सरणियों को कोशिकाओं को सीधे उनके ऊपर संवर्धित करने और विश्लेषण के लिए एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के नीचे रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

एक चिप पर “बढ़ते” एंटेना

उपकरणों की कुंजी वह सटीकता है जिसके साथ शोधकर्ता MIT.nano सुविधाओं में सरणियाँ बना सकते हैं।

वे एक ग्लास सब्सट्रेट से शुरू करते हैं और शीर्ष पर प्रवाहकीय और फिर इन्सुलेशन सामग्री की परतें जमा करते हैं, जिनमें से प्रत्येक ऑप्टिकली पारदर्शी होती है। फिर वे डिवाइस की ऊपरी परतों में सैकड़ों नैनोस्केल छेदों को काटने के लिए एक केंद्रित आयन बीम का उपयोग करते हैं। यह विशेष प्रकार का केंद्रित आयन बीम उच्च-थ्रूपुट नैनोफैब्रिकेशन को सक्षम बनाता है।

वे कहते हैं, “यह उपकरण मूल रूप से एक पेन की तरह है जहां आप 10-नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन के साथ कुछ भी खोद सकते हैं।”

वे चिप को एक ऐसे घोल में डुबोते हैं जिसमें पॉलिमर के लिए पूर्ववर्ती बिल्डिंग ब्लॉक होते हैं। समाधान में विद्युत धारा लगाने से, वह पूर्ववर्ती सामग्री चिप पर छोटे छिद्रों में आकर्षित हो जाती है, और मशरूम के आकार के एंटेना नीचे से ऊपर की ओर “बढ़ते” हैं।

संपूर्ण निर्माण प्रक्रिया अपेक्षाकृत तेज़ है, और शोधकर्ता इस तकनीक का उपयोग लाखों एंटेना के साथ एक चिप बनाने के लिए कर सकते हैं।

वे कहते हैं, “इस तकनीक को आसानी से अपनाया जा सकता है इसलिए यह पूरी तरह से स्केलेबल है। सीमित कारक यह है कि हम एक ही समय में कितने एंटेना की छवि ले सकते हैं।”

शोधकर्ताओं ने एंटेना के आयामों को अनुकूलित किया और मापदंडों को समायोजित किया, जिससे उन्हें सिम्युलेटेड प्रयोगों में 2.5 मिलीवोल्ट तक कम वोल्टेज वाले संकेतों की निगरानी करने के लिए पर्याप्त उच्च संवेदनशीलता प्राप्त करने में सक्षम बनाया गया। संचार के लिए न्यूरॉन्स द्वारा भेजे गए सिग्नल आमतौर पर लगभग 100 मिलीवोल्ट होते हैं।

“क्योंकि हमने इस प्रक्रिया के पीछे के सैद्धांतिक मॉडल को वास्तव में खोदने और समझने में समय लिया, हम एंटेना की संवेदनशीलता को अधिकतम कर सकते हैं,” वे कहते हैं।

महासागरों ने भी केवल कुछ मिलीसेकंड में बदलते संकेतों पर प्रतिक्रिया दी, जिससे वे तेज़ गतिकी के साथ विद्युत संकेतों को रिकॉर्ड करने में सक्षम हुए। आगे बढ़ते हुए, शोधकर्ता वास्तविक सेल संस्कृतियों के साथ उपकरणों का परीक्षण करना चाहते हैं। वे एंटेना को भी नया आकार देना चाहते हैं ताकि वे कोशिका झिल्ली में प्रवेश कर सकें, जिससे सिग्नल का अधिक सटीक पता लगाया जा सके।

इसके अलावा, वे यह अध्ययन करना चाहते हैं कि महासागरों को नैनोफोटोनिक उपकरणों में कैसे एकीकृत किया जा सकता है, जो अगली पीढ़ी के सेंसर और ऑप्टिकल उपकरणों के लिए नैनोस्केल पर प्रकाश में हेरफेर करते हैं।

इस प्रेस विज्ञप्ति में बताए गए शोध को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान के राष्ट्रीय हृदय, फेफड़े और रक्त संस्थान (एनएचएलबीआई) द्वारा समर्थित किया गया था और जरूरी नहीं कि यह एनआईएच के आधिकारिक विचारों का प्रतिनिधित्व करता हो।

पेपर: “ऑर्गेनिक इलेक्ट्रो-स्कैटरिंग एंटीना: उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ विद्युत क्षमता की वायरलेस और मल्टीसाइट जांच”