బయోలాజికల్ సిస్టమ్స్‌లో ఎలక్ట్రికల్ సిగ్నల్‌లను పర్యవేక్షించడం వల్ల కణాలు ఎలా కమ్యూనికేట్ చేస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలకు సహాయపడుతుంది, ఇది అరిథ్మియా మరియు అల్జీమర్స్ వంటి పరిస్థితుల నిర్ధారణ మరియు చికిత్సలో సహాయపడుతుంది.
కానీ సెల్ కల్చర్‌లు మరియు ఇతర ద్రవ పరిసరాలలో ఎలక్ట్రికల్ సిగ్నల్‌లను రికార్డ్ చేసే పరికరాలు పరికరంలోని ప్రతి ఎలక్ట్రోడ్‌ను దాని సంబంధిత యాంప్లిఫైయర్‌కు కనెక్ట్ చేయడానికి తరచుగా వైర్‌లను ఉపయోగిస్తాయి. పరికరానికి చాలా వైర్లు మాత్రమే కనెక్ట్ చేయబడినందున, ఇది రికార్డింగ్ సైట్‌ల సంఖ్యను పరిమితం చేస్తుంది, సెల్ నుండి సేకరించే సమాచారాన్ని పరిమితం చేస్తుంది.
MIT పరిశోధకులు ఇప్పుడు వైర్ల అవసరాన్ని తొలగించే బయోసెన్సింగ్ టెక్నిక్‌ను అభివృద్ధి చేశారు. బదులుగా, చిన్న, వైర్‌లెస్ యాంటెనాలు నిమిషాల విద్యుత్ సంకేతాలను గుర్తించడానికి కాంతిని ఉపయోగిస్తాయి.
పరిసర ద్రవ వాతావరణంలో చిన్న విద్యుత్ మార్పులు యాంటెన్నాలు కాంతిని ఎలా చెదరగొడతాయో మారుస్తాయి. చిన్న యాంటెన్నాల శ్రేణిని ఉపయోగించి, వీటిలో ప్రతి ఒక్కటి మానవ వెంట్రుకల వెడల్పులో నూరవ వంతు ఉంటుంది, పరిశోధకులు తీవ్రమైన ప్రాదేశిక స్పష్టతతో కణాల మధ్య మార్పిడి చేయబడిన విద్యుత్ సంకేతాలను కొలవగలరు.
10 గంటల కంటే ఎక్కువసేపు సిగ్నల్‌లను నిరంతరం రికార్డ్ చేయడానికి తగినంత మన్నికైన పరికరాలు, జీవశాస్త్రజ్ఞులు తమ వాతావరణంలో మార్పులకు ప్రతిస్పందనగా కణాలు ఎలా సంభాషించుకుంటాయో అర్థం చేసుకోవడానికి సహాయపడతాయి. దీర్ఘకాలంలో, ఇటువంటి శాస్త్రీయ అంతర్దృష్టులు రోగనిర్ధారణలో పురోగతికి మార్గం సుగమం చేస్తాయి, లక్ష్య చికిత్సల అభివృద్ధిని ప్రోత్సహిస్తాయి మరియు కొత్త చికిత్సల మూల్యాంకనంలో మరింత ఖచ్చితత్వాన్ని ప్రారంభిస్తాయి.
“అధిక నిర్గమాంశ మరియు అధిక రిజల్యూషన్‌తో కణాల ఎలక్ట్రికల్ యాక్టివిటీని రికార్డ్ చేయగలగడం నిజమైన సమస్యగా మిగిలిపోయింది. మేము కొన్ని వినూత్న ఆలోచనలు మరియు ప్రత్యామ్నాయ విధానాలను ప్రయత్నించాలి” అని MIT మీడియా ల్యాబ్‌లోని మాజీ పోస్ట్‌డాక్ మరియు ప్రధాన రచయిత బెనోయిట్ డెస్బియోల్స్ చెప్పారు. పరికరాలపై కాగితం.
మీడియా ల్యాబ్‌లో విజిటింగ్ విద్యార్థి జాద్ హన్నా అతనితో పేపర్‌పై చేరాడు; మాజీ సందర్శించే విద్యార్థి రాఫెల్ ఆసిలియో; మాజీ పోస్ట్‌డాక్ మార్తా JI ఐరాగి లెకార్డి; యాంగ్ యు, రైత్ అమెరికా, ఇంక్.లో శాస్త్రవేత్త; మరియు సీనియర్ రచయిత్రి డెబ్లినా సర్కార్, మీడియా ల్యాబ్ మరియు MIT సెంటర్ ఫర్ న్యూరోబయోలాజికల్ ఇంజనీరింగ్‌లో AT&T కెరీర్ డెవలప్‌మెంట్ అసిస్టెంట్ ప్రొఫెసర్ మరియు నానో-సైబర్నెటిక్ బయోట్రెక్ ల్యాబ్ అధిపతి. పరిశోధన ఈ రోజు కనిపిస్తుంది సైన్స్ అడ్వాన్స్‌లు.
“కణాల పనితీరుకు మరియు విభిన్న జీవన ప్రక్రియలకు బయోఎలెక్ట్రిసిటీ ప్రాథమికమైనది. అయితే, అటువంటి విద్యుత్ సంకేతాలను ఖచ్చితంగా రికార్డ్ చేయడం సవాలుగా ఉంది” అని సర్కార్ చెప్పారు. “మేము అభివృద్ధి చేసిన ఆర్గానిక్ ఎలక్ట్రో-స్కాటరింగ్ యాంటెన్నాలు (OCEANs) ఏకకాలంలో వేలాది రికార్డింగ్ సైట్‌ల నుండి మైక్రోమీటర్ స్పేషియల్ రిజల్యూషన్‌తో వైర్‌లెస్‌గా ఎలక్ట్రికల్ సిగ్నల్‌ల రికార్డింగ్‌ను ఎనేబుల్ చేస్తాయి. ఇది వ్యాధిగ్రస్తులలో ప్రాథమిక జీవశాస్త్రం మరియు మార్చబడిన సిగ్నలింగ్‌ను అర్థం చేసుకోవడానికి అపూర్వమైన అవకాశాలను సృష్టించగలదు. నవల చికిత్సలను ప్రారంభించడానికి వివిధ చికిత్సా విధానాల ప్రభావం.”
కాంతితో బయోసెన్సింగ్
వైర్లు లేదా యాంప్లిఫైయర్‌లు అవసరం లేని బయోసెన్సింగ్ పరికరాన్ని రూపొందించడానికి పరిశోధకులు బయలుదేరారు. ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలతో పరిచయం లేని జీవశాస్త్రవేత్తలకు ఇటువంటి పరికరం ఉపయోగించడం సులభం అవుతుంది.
“ఎలక్ట్రికల్ సిగ్నల్‌లను కాంతిగా మార్చే పరికరాన్ని తయారు చేసి, ఈ సంకేతాలను పరిశీలించడానికి ప్రతి జీవశాస్త్ర ప్రయోగశాలలో అందుబాటులో ఉండే ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్‌ను ఉపయోగించగలమా అని మేము ఆశ్చర్యపోయాము” అని డెస్బియోల్స్ చెప్పారు.
ప్రారంభంలో, వారు చిన్న చిన్న బంగారు తంతువులను చేర్చే నానోస్కేల్ ట్రాన్స్‌డ్యూసర్‌లను రూపొందించడానికి PEDOT:PSS అనే ప్రత్యేక పాలిమర్‌ను ఉపయోగించారు. బంగారు నానోపార్టికల్స్ కాంతిని చెదరగొట్టాలి — ఈ ప్రక్రియ పాలిమర్ ద్వారా ప్రేరేపించబడుతుంది మరియు మాడ్యులేట్ చేయబడుతుంది. కానీ ఫలితాలు వారి సైద్ధాంతిక నమూనాతో సరిపోలడం లేదు.
పరిశోధకులు బంగారాన్ని తొలగించడానికి ప్రయత్నించారు మరియు ఆశ్చర్యకరంగా, ఫలితాలు మోడల్‌తో చాలా దగ్గరగా సరిపోలాయి.
“మేము బంగారం నుండి సిగ్నల్‌లను కొలిచలేదని, పాలిమర్ నుండే కొలిచామని తేలింది. ఇది చాలా ఆశ్చర్యకరమైనది కానీ ఉత్తేజకరమైన ఫలితం. మేము ఆర్గానిక్ ఎలక్ట్రో-స్కాటరింగ్ యాంటెన్నాలను అభివృద్ధి చేయడానికి ఆ అన్వేషణపై నిర్మించాము” అని ఆయన చెప్పారు.
ఆర్గానిక్ ఎలక్ట్రో-స్కాటరింగ్ యాంటెనాలు, లేదా OCEANలు, PEDOT:PSSతో కూడి ఉంటాయి. ఈ పాలిమర్ సమీపంలో విద్యుత్ కార్యకలాపాలు ఉన్నప్పుడు పరిసర ద్రవ వాతావరణం నుండి సానుకూల అయాన్లను ఆకర్షిస్తుంది లేదా తిప్పికొడుతుంది. ఇది దాని రసాయన కాన్ఫిగరేషన్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ నిర్మాణాన్ని సవరిస్తుంది, దాని రిఫ్రాక్టివ్ ఇండెక్స్ అని పిలువబడే ఆప్టికల్ ప్రాపర్టీని మారుస్తుంది, ఇది కాంతిని ఎలా చెదరగొడుతుందో మారుస్తుంది.
పరిశోధకులు యాంటెన్నాపై కాంతిని ప్రకాశింపజేసినప్పుడు, అది వెదజల్లే కాంతి యొక్క తీవ్రత ద్రవంలో ఉన్న విద్యుత్ సిగ్నల్‌కు అనులోమానుపాతంలో మారుతుంది.
శ్రేణిలో వేల లేదా మిలియన్ల చిన్న యాంటెన్నాలతో, ఒక్కొక్కటి 1 మైక్రోమీటర్ వెడల్పుతో, పరిశోధకులు ఒక ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్‌తో చెల్లాచెదురుగా ఉన్న కాంతిని సంగ్రహించగలరు మరియు అధిక రిజల్యూషన్‌తో కణాల నుండి విద్యుత్ సంకేతాలను కొలవగలరు. ప్రతి యాంటెన్నా స్వతంత్ర సెన్సార్ అయినందున, ఎలక్ట్రికల్ సిగ్నల్‌లను పర్యవేక్షించడానికి పరిశోధకులు బహుళ యాంటెన్నాల సహకారాన్ని పూల్ చేయవలసిన అవసరం లేదు, అందుకే OCEAN లు మైక్రోమీటర్ రిజల్యూషన్‌తో సంకేతాలను గుర్తించగలవు.
ఇన్ విట్రోస్టూడీల కోసం ఉద్దేశించబడిన, OCEAN శ్రేణులు కణాలను నేరుగా వాటి పైన కల్చర్ చేసి, విశ్లేషణ కోసం ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్‌లో ఉంచేలా రూపొందించబడ్డాయి.
చిప్‌లో “పెరుగుతున్న” యాంటెనాలు
పరిశోధకులు MIT.nano సౌకర్యాలలో శ్రేణులను రూపొందించగల ఖచ్చితత్వం పరికరాలకు కీలకం.
అవి గ్లాస్ సబ్‌స్ట్రేట్‌తో ప్రారంభమవుతాయి మరియు వాహక పొరలను పైన ఇన్సులేటింగ్ పదార్థాన్ని జమ చేస్తాయి, వీటిలో ప్రతి ఒక్కటి ఆప్టికల్‌గా పారదర్శకంగా ఉంటాయి. అప్పుడు వారు పరికరం యొక్క పై పొరలలోకి వందలాది నానోస్కేల్ రంధ్రాలను కత్తిరించడానికి కేంద్రీకృత అయాన్ పుంజంను ఉపయోగిస్తారు. ఈ ప్రత్యేక రకం ఫోకస్డ్ అయాన్ బీమ్ అధిక-నిర్గమాంశ నానో ఫ్యాబ్రికేషన్‌ను అనుమతిస్తుంది.
“ఈ పరికరం ప్రాథమికంగా పెన్ లాగా ఉంటుంది, ఇక్కడ మీరు 10-నానోమీటర్ రిజల్యూషన్‌తో ఏదైనా చెక్కవచ్చు” అని ఆయన చెప్పారు.
వారు పాలిమర్ కోసం పూర్వగామి బిల్డింగ్ బ్లాక్‌లను కలిగి ఉన్న ద్రావణంలో చిప్‌ను ముంచుతారు. ద్రావణానికి విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని వర్తింపజేయడం ద్వారా, ఆ పూర్వగామి పదార్థం చిప్‌లోని చిన్న రంధ్రాలలోకి ఆకర్షించబడుతుంది మరియు పుట్టగొడుగుల ఆకారపు యాంటెన్నాలు దిగువ నుండి పైకి “పెరుగుతాయి”.
మొత్తం కల్పన ప్రక్రియ చాలా వేగంగా ఉంటుంది మరియు మిలియన్ల యాంటెన్నాలతో చిప్‌ను తయారు చేయడానికి పరిశోధకులు ఈ సాంకేతికతను ఉపయోగించవచ్చు.
“ఈ టెక్నిక్‌ని సులభంగా స్వీకరించవచ్చు కాబట్టి ఇది పూర్తిగా స్కేలబుల్‌గా ఉంటుంది. మనం ఒకే సమయంలో ఎన్ని యాంటెన్నాలను చిత్రించగలం అనేది పరిమితం చేసే అంశం” అని ఆయన చెప్పారు.
పరిశోధకులు యాంటెన్నాల కొలతలు మరియు సర్దుబాటు చేసిన పారామితులను ఆప్టిమైజ్ చేసారు, ఇది అనుకరణ ప్రయోగాలలో 2.5 మిల్లీవోల్ట్‌ల కంటే తక్కువ వోల్టేజ్‌లతో సిగ్నల్‌లను పర్యవేక్షించడానికి తగినంత అధిక సున్నితత్వాన్ని సాధించడానికి వీలు కల్పించింది. కమ్యూనికేషన్ కోసం న్యూరాన్లు పంపే సంకేతాలు సాధారణంగా 100 మిల్లీవోల్ట్‌లు ఉంటాయి.
“ఈ ప్రక్రియ వెనుక ఉన్న సైద్ధాంతిక నమూనాను నిజంగా త్రవ్వడానికి మరియు అర్థం చేసుకోవడానికి మేము సమయం తీసుకున్నందున, మేము యాంటెన్నాల సున్నితత్వాన్ని పెంచుకోవచ్చు” అని ఆయన చెప్పారు.
OCEAN లు కూడా కొన్ని మిల్లీసెకన్లలో సంకేతాలను మార్చడానికి ప్రతిస్పందించాయి, ఇవి వేగవంతమైన గతిశాస్త్రంతో విద్యుత్ సంకేతాలను రికార్డ్ చేయగలవు. ముందుకు వెళుతున్నప్పుడు, పరిశోధకులు నిజమైన సెల్ సంస్కృతులతో పరికరాలను పరీక్షించాలనుకుంటున్నారు. వారు యాంటెన్నాలను తిరిగి ఆకృతి చేయాలనుకుంటున్నారు, తద్వారా అవి కణ త్వచాలను చొచ్చుకుపోతాయి, మరింత ఖచ్చితమైన సిగ్నల్ డిటెక్షన్‌ను ప్రారంభిస్తాయి.
అదనంగా, తరువాతి తరం సెన్సార్‌లు మరియు ఆప్టికల్ పరికరాల కోసం నానోస్కేల్‌లో కాంతిని మార్చే నానోఫోటోనిక్ పరికరాలలో OCEAN లను ఎలా విలీనం చేయవచ్చో వారు అధ్యయనం చేయాలనుకుంటున్నారు.
ఈ పరిశోధనకు కొంతవరకు US నేషనల్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ హెల్త్ మరియు స్విస్ నేషనల్ సైన్స్ ఫౌండేషన్ నిధులు సమకూర్చాయి.
