ALLISTER MCGUIRE가 스탠포드 대학에서 박사 과정을 밟고 있을 때 Trader Joe's에서 수정된 닭고기 달걀을 많이 샀다. McGuire는 닭을 연구하지 않는다. 그는 화학자이고, 심장 박동에서 전기적 활동을 이미징 하는 장치를 개발하고 있었기 때문에 계란을 사고 있었다. 닭 배아 심장은 우연히 그것을 테스트하기에 적합했다.

글쎄, 아마도 이 특정 알에서 부화한 것은 아닐 것이다. “그들은 잘 되지 않았다.”고 그는 회상한다.

6월의 Nano Letters에 설명된 원리 증명 실험에서 McGuire와 UC Berkeley의 물리학자 그룹은 살아있는 세포의 전기적 활동을 기록하기 위해 "카메라"를 만들고 궁극적으로 성공적으로 사용하는 방법을 자세히 설명했다. 다른 방법을 사용하여 실시간으로 큰 조직을 모니터링하기 어려울 수 있다.

광학 카메라가 아니다. 이것은 탄소 원자와 레이저로 만들어졌다. 그것을 만들기 위해 팀은 벌집 패턴으로 배열된 단 하나의 원자 층으로 구성된 매우 얇은 탄소 시트로 시작했다. 이것을 그래핀이라고 한다. 그래핀은 전기장에 노출되면 반사율이 바뀐다. 빛을 아주 잘 반사하는 거울과 같거나 빛을 전혀 반사하지 않는 어두운 물체처럼 된다.

살아있는 조직의 전기적 활동을 얼마나 잘 기록할 수 있는지 테스트하기 위해 팀은 닭 배아에서 배양된 심장 근육을 사용했다. (결국 McGuire는 생 의학 유통업체의 계란이 더 효과적이라는 것을 깨달았다.) 연구원들은 박동하는 심장 조직을 그래핀 시트 위에 놓고 심장 박동을 제어하는 ​​전기 신호(전압 및 전기장)가 어떻게 만들어지는지 시트의 반사율 변화를 관찰했다. 그들은 세포 내부에서 전압이 발생할 때마다 수반되는 전기장이 그 아래의 그래핀에서 되돌아오는 빛의 양을 변화시킬 것이라고 믿었다. 그런 다음 그들은 시트에 지속적으로 빛을 던지도록 레이저를 설정하고 반사되는 정도를 측정했다. 실제로, 빛의 속성을 디지털 신호로 변환하는 매우 민감한 전하 결합 장치를 추가한 후 마침내 심장의 전기적 활동에 대한 이미지를 생성했다.

생물학자들은 살아있는 심장 근육 뿐만 아니라 뇌 세포에서도 전기적 활동을 측정하는 데 오랫동안 관심을 가져왔다. 이러한 조직에서 세포는 전기 신호를 사용하여 통신하거나 행동을 동기화해야 한다. “모든 세포는 그 주위에 막을 가지고 있으며, 그 막은 기름진 절연 물질, 즉 지질로 만들어진다. 막의 양쪽에 있는 수용액인 물은 기본적으로 전도체이다.”고 실험에 참여하지 않은 하버드 대학의 화학, 화학 생물학 및 물리학 교수인 Adam Cohen이 말했다. "많은 세포가 신호를 매우 빠르게 보내고 활동을 조정하는 방법으로 멤브레인을 가로지르는 전압을 사용한다."

과학자들은 세포막에 삽입된 미세전극 어레이(작은 튜브 네트워크)로 이러한 측정을 수행할 수 있다. 그러나 이 접근 방식은 제한적이다. 연구원들은 전극을 찔러 넣은 특정 세포의 전압만 결정할 수 있다.

“뇌에 있는 한 지점의 전압을 기록하는 것은 컴퓨터 화면의 한 픽셀을 보고 영화를 보는 것과 같다. 어떤 일이 일어나고 있는지 알 수는 있지만 줄거리를 실제로 볼 수는 없으며 공간의 다른 지점에서 정보의 상관 관계를 볼 수 없다.”라고 Cohen은 말한다. 새로운 그래핀 장치는 조직과 탄소 원자가 접촉하는 모든 단일 지점에서 전압을 기록하기 때문에 더 완전한 그림을 생성한다.

“그래핀 장치를 사용하여 우리가 할 수 있는 것은 전체 표면을 동시에 이미지화 하는 것이다.”고 실험 기간 동안 버클리에서 박사 과정 학생이었던 이 연구의 주저자인 Halleh Balch가 말했다. (그녀는 현재 스탠포드에서 박사후 연구원으로 재직 중이다.) 이것은 부분적으로 그래핀의 고유한 특성의 결과이다. "그래핀은 원자적으로 얇아서 지역 환경에 매우 민감한다. 기본적으로 표면의 모든 부분이 계면이기 때문이다."고 그녀는 말한다. 그래핀은 또한 전기를 잘 전도하고 다소 거칠기 때문에 양자 물리학자와 재료 과학자들 사이에서 오랫동안 실험적인 사랑을 받아왔다.

그러나 생물학적 감지 분야에서는 더 많은 신인이다. “방법 자체가 상당히 흥미롭다. 그래핀이 사용되었다는 점에서 새로운 것이다.”고 연구에 참여하지 않은 비엔나 공과 대학의 물리학자인 Gunther Zeck은 말했다. 그는 과거에 미세 전극으로 작업했으며 그래핀 기반 장치가 미래에 진정한 경쟁자가 될 수 있다고 생각한다. 큰 미세 전극 어레이를 제조하는 것은 매우 복잡하고 비용이 많이 들 수 있지만, 큰 그래핀 시트를 만드는 것이 더 실용적일 수 있다고 Zeck은 말했다. 새로운 장치는 대략 1센티미터 정사각형이지만 수천 배 더 큰 그래핀 시트는 이미 상업적으로 이용 가능하다. 이를 사용하여 "카메라"를 만들면 과학자들은 더 큰 장기에 걸쳐 전기 충격을 추적할 수 있다.

10년 이상 동안 물리학자들은 그래핀이 전압과 전기장에 민감하다는 사실을 알고 있었다. 그러나 그 통찰력을 생물학적 시스템의 지저분한 현실과 결합하는 것은 설계 문제를 제시했다. 예를 들어, 연구팀은 그래핀을 세포에 삽입하지 않았기 때문에 기록하기 전에 세포의 전기장이 그래핀에 미치는 영향을 증폭해야 했다.

연구팀은 그래핀 반사율의 미세한 변화를 심장의 전기적 활동에 대한 상세한 그림으로 변환하기 위해 나노 크기의 빛을 사용하는 기술인 나노포토닉스에 대한 지식을 활용했다. 그들은 실리콘과 탄 탈륨 산화물로 코팅된 유리 프리즘인 도파관 위에 그래핀을 적층하여 빛에 대한 지그재그 경로를 생성했다. 빛이 그래핀에 닿으면 도파관으로 들어가 다시 그래핀으로 반사되는 식이다. 연구 공동 저자이자 Balch의 박사 과정 동료인 Jason Horng은 "그래핀 표면을 여러 번 통과하기 때문에 이것은 우리가 가진 감도를 향상시켰다."고 말했다. "그래핀이 반사율에 약간의 변화가 있다면 그 변화는 증폭될 것이다." 이 배율은 그래핀 반사율의 작은 변화를 감지할 수 있음을 의미했다.

팀은 또한 심장 박동이 시작될 때 모든 세포가 움츠러들고 나중에 이완되는 전체 심장의 기계적 움직임을 포착했다. 심장 세포가 맥동하면서 그래핀 시트에 끌렸다. 이는 그래핀 표면을 떠나는 빛을 약간 굴절시키는 원인이 되었으며, 세포의 전기장이 이미 반사율에 변화를 일으켰다. 이것은 흥미로운 관찰로 이어졌다. 연구원들이 블레비스타틴 (blebbistatin)이라는 근육 억제제를 사용하여 세포가 움직이는 것을 막았을 때, 빛 기반 기록에 따르면 심장은 멈췄지만 전압은 여전히 ​​세포를 통해 전파되는 것으로 나타났다.

그래핀 "카메라"의 미래 용도 중 하나는 유사한 약물 화합물을 테스트하는 것이 될 수 있다고 McGuire는 말한다. "새로운 잠재적인 약물이 심장 세포에 어떻게 영향을 미치는지 이해하고자 하는 제약 안전성 측정의 전 세계가 있다."고 그는 말한다. "그들이 찾고 있는 두 가지 큰 사실은 수축성에 미치는 영향, 즉 세포 박동의 강도와 빈도와 활동 전위[전압]에 미치는 영향이다."

Balch는 현재의 대부분의 방법은 전극과 스트레인 게이지와 같은 두 가지 장치를 동시에 사용하여 두 질문에 동시에 답해야 한다고 덧붙였다. 대조적으로 그녀의 팀의 장치는 그 모든 정보를 자체적으로 기록한다.

그래핀은 바이오센싱에서 여전히 중요한 역할을 할 것으로 보이지만, 새로운 디자인은 실험실 밖에서 실제적으로 사용되기 전에 물리학과 생물학의 팀워크가 더 필요하다. 이번 연구에 참여하지 않은 텍사스 대학(University of Texas at Austin)의 생체전자공학 연구원인 Dmitry Kireev는 "그래핀 및 기타 2차원 재료는 다양한 응용 분야에 정말 좋은 기회를 제공한다."고 말했다. “그들을 결합할 수 있고 가변적이고 유연하게 만들 수 있으며 속성을 변경하지 않는다. 생체 내, 피부, 모든 종류의 응용 분야에서 사용할 수 있다." 자신의 연구에서 그는 맥박과 혈액 산소 수준을 측정하기 위해 착용할 수 있는 그래핀 "문신"을 디자인하기도 한다.

Kireev는 그래핀이 기존의 많은 실리콘 칩 장치보다 독성이 적기 때문에 환자가 심장이나 뇌 내부의 전기적 활동을 기록하기 위해 장기간 착용하는 임플란트에 적합한 후보라고 말한다. 그래핀은 얇지만 쉽게 부서지지 않기 때문에 인체에 좋은 궁합이 될 수 있다고 그는 말한다. 왜냐하면 그래핀 위에 흉터 조직을 만들려는 면역 체계 반응을 촉발할 가능성이 적기 때문이다. "몸은 내부에 딱딱한 것이 있을 때 그것이 당신의 것이 아니라는 것을 이해하고 그것을 밀어내려고 한다."라고 Kireev는 설명한다. "그래핀은 너무 얇아서 몸이 그것을 이물질로 인식하지 못한다."

동시에 레이저와 빛을 제어하는 ​​데 필요한 기타 구성 요소에 의존하는 새로운 장치의 복잡성이 그를 한계로 몰아붙였다. Kireev는 예를 들어 부정맥 또는 불규칙한 심장 박동과 관련된 전기적 활동을 결정하거나 심장 약물의 장기적인 영향을 연구하기 위해 전체 "카메라"가 환자와 정확히 어떻게 상호 작용할 수 있는지 상상하기 어렵다는 것을 알게 되었다. 모든 심장 세포를 한 번에 이미지화 할 수 있는 장치의 기능은 자산이지만 크기와 복잡성으로 인해 두 경우 모두 사용하기 어려울 것이라고 그는 말한다.

Horng도 동의하지만 그래핀 아래에 있는 부피가 큰 프리즘을 더 얇은 광 제어 요소로 교체하여 장치를 더 작게 만들 수 있으며, 손에 들고 다니거나 뇌에 삽입할 수 있을 만큼 충분히 작을 수 있다고 생각한다. 그는 또한 도파관 속성을 미세 조정하면 장치에서 생성된 이미지를 더 상세하고 선명하게 만들 수 있다고 생각한다.

즉, 다음 단계는 아마도 다른 팀에서 나올 것이다. 이 논문의 3명의 연구원은 졸업 후 새로운 프로젝트로 옮겼다. McGuire는 현재 의료 기기 엔지니어로 일하고 있으며 Horng와 Balch는 생물학 이외의 응용 분야를 위한 나노포토닉스 기반 센서를 설계하고 있다. 그러나 그들은 모두 여전히 그들의 디자인에 대해 흥분하고 있으며 스탠포드와 버클리의 후임자들이 그것을 발전시킬지 여부를 기다리고 있다. McGuire는 "나는 전체 아이디어를 매우 좋아한다. "누군가가 앞장서면 정말 멋질 것 같다."고 말한다.