【創科廣場】石墨烯再現劃時代用途 拍攝細胞電流圖像

2010的諾貝爾物理獎頒發給兩位曼徹斯特大學物理學家Andre Geim和Konstantin Novoselov，2004年憑以3M膠帶不斷撕薄，剝離出穩定的石墨烯，再以光學干涉方式，辨識出單層石墨烯，成為諾貝爾獎的傳奇之一。

石墨烯是蜂窩狀的單層碳結構，Geim團隊以膠帶剝離出穩定的石墨烯；從前石墨烯被認為只是假設性結構，無法單獨而穩定存在。雖然分離方法，簡單得不可思議，石墨烯用途之廣，性質之神奇，應用潛力每年有新發現，的確是劃時代的發現。

單層的石墨，強度比鋼鐵還高，導電性又比銅還要好，石墨烯也被用於開發超級電池，更有被製作複合材料。

2018年，科學家發現了兩層的石墨烯，以特定角度旋轉後，表現出不導電行為，類似於「莫特絕緣體」；也就是科學家莫特（Nevill Francis Mott）觀察電子之間的相互作用，解釋了某些晶體，可在導體和絕緣體之間交替，而只要向石墨烯體系注入了電子，一定溫度之下，發生超導現象。

石墨烯的超晶格充滿關聯的絕緣體行為，意思是一定條件可變絕緣和超導，只是一綫之差。《自然》雜誌以為，石墨烯有機會解開多年來困擾物理學的「超導之謎」。

特定溫度下材料電阻突然消失，稱之為「超導」，所有已知的物質，室溫下不能超導。部分物質溫度下降至一定程度，電阻就突然變為零，這種現象叫「超導轉變溫度」，迄今人類無法解釋。

石墨烯擁有良好導電能力，也可用於測量，層塗在心電圖測量儀器Ag-AgCl電極片表面上，改善皮膚與電極的接觸，獲得更準確「心電圖」（Electrocardiography），製作出多種穿戴式的心電（ECG）監察設備。

導電能力用途廣泛

上星期，加州大學柏克萊和史丹福大學研究人員《Nano Letters》期刊，發表以石墨烯開發出醫療傳感器，竟可把活細胞和組織的電場，變成了光學影像，並稱之為「石墨烯攝影機」，以加快測試藥物，或研究腦部疾病。

石墨烯對於電場改變具有超高靈敏度，醫生解讀心電圖（ECG），以往只能旁敲側擊去「猜測」心臟問題。而石墨烯心臟攝影技術，則可直接解讀心臟的問題。

人類身體由不同細胞組成，細胞產生電流，細胞之間的電訊，幾乎是大部分動物的生理反應，甚至不可或缺；神經細胞就是被電流訊號激發的神經系統核心單元，透過電流和化學信號交替轉換過程，以傳遞信息和思考，人體另一以電流為訊號的細胞組織就是心臟，心臟節奏靠鈣和鉀兩種離子通道的開關，產生的電流變化，以調節心搏規律。

雖然人類可以紀錄心電圖，量度細胞釋放的電流，卻要困難得多。團隊以上述的「石墨烯攝影機」記錄跳動的心臟細胞電波，涉及到大腦時，還可開發出新的感知能力。

所謂「石墨烯相機」是一片僅10厘米寬大小石墨烯，以即時測量心肌細胞電壓，通過產生微弱電場變成光學圖像。薄片持續測量接觸活體組織的電壓變化，持續監察肌肉和細胞電流強弱，團隊以石墨烯感測跳動中雞胚胎心臟，變成實時影像。

「細胞收縮時，就發出動作電流，進而在細胞以外，產生一個微弱電場。」論文作者Halleh Balch解釋：「當細胞下方石墨烯電場被吸收，可以看到從石墨烯反射回來光量就發生了變化。」

可形成實時影像

以往，研究人員一直以電極和化學染料測量細胞電流，但只局限於特定位置。上述薄片卻是持續測量所有接觸活體組織的電壓，監察肌肉和細胞變化，毋須逐次掃描，整理出細胞電流通訊，不同情況下各種模態。

跳動心肌細胞產生電場實在太小，對於石墨烯反射率，不足以產生明顯電流影響。團隊在下方添加了極薄的「波導」（Waveguide）設備，定向引導電磁波放大訊號，離開裝置之前，電波進行了約100次反射，放大能量才對着石墨烯發射。

「傳感技術亦可與顯微技術結合，觀察經染色特定神經或肌肉組織，錄下特定細胞之間通訊使用電流。」Halleh Balch說：「石墨烯相機可應用在新藥臨牀試驗之前，測試心肌上候選藥物，是否會引發心律不齊（Arrhythmia）。石墨烯又有極佳耐受性，放置在腦部內，加上傳感器連續監察腦細胞電流，觀察神經細胞的電訊傳遞，甚至腦部活動。