【创科广场】石墨烯再现划时代用途 拍摄细胞电流图像

2010的诺贝尔物理奖颁发给两位曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov，2004年凭以3M胶带不断撕薄，剥离出稳定的石墨烯，再以光学干涉方式，辨识出单层石墨烯，成为诺贝尔奖的传奇之一。

石墨烯是蜂窝状的单层碳结构，Geim团队以胶带剥离出稳定的石墨烯；从前石墨烯被认为只是假设性结构，无法单独而稳定存在。虽然分离方法，简单得不可思议，石墨烯用途之广，性质之神奇，应用潜力每年有新发现，的确是划时代的发现。

单层的石墨，强度比钢铁还高，导电性又比铜还要好，石墨烯也被用于开发超级电池，更有被制作复合材料。

2018年，科学家发现了两层的石墨烯，以特定角度旋转后，表现出不导电行为，类似于「莫特绝缘体」；也就是科学家莫特（Nevill Francis Mott）观察电子之间的相互作用，解释了某些晶体，可在导体和绝缘体之间交替，而只要向石墨烯体系注入了电子，一定温度之下，发生超导现象。

石墨烯的超晶格充满关联的绝缘体行为，意思是一定条件可变绝缘和超导，只是一綫之差。《自然》杂志以为，石墨烯有机会解开多年来困扰物理学的「超导之谜」。

特定温度下材料电阻突然消失，称之为「超导」，所有已知的物质，室温下不能超导。部分物质温度下降至一定程度，电阻就突然变为零，这种现象叫「超导转变温度」，迄今人类无法解释。

石墨烯拥有良好导电能力，也可用于测量，层涂在心电图测量仪器Ag-AgCl电极片表面上，改善皮肤与电极的接触，获得更准确「心电图」（Electrocardiography），制作出多种穿戴式的心电（ECG）监察设备。

导电能力用途广泛

上星期，加州大学柏克莱和史丹福大学研究人员《Nano Letters》期刊，发表以石墨烯开发出医疗传感器，竟可把活细胞和组织的电场，变成了光学影像，并称之为「石墨烯摄影机」，以加快测试药物，或研究脑部疾病。

石墨烯对于电场改变具有超高灵敏度，医生解读心电图（ECG），以往只能旁敲侧击去「猜测」心脏问题。而石墨烯心脏摄影技术，则可直接解读心脏的问题。

人类身体由不同细胞组成，细胞产生电流，细胞之间的电讯，几乎是大部分动物的生理反应，甚至不可或缺；神经细胞就是被电流讯号激发的神经系统核心单元，透过电流和化学信号交替转换过程，以传递信息和思考，人体另一以电流为讯号的细胞组织就是心脏，心脏节奏靠钙和钾两种离子通道的开关，产生的电流变化，以调节心搏规律。

虽然人类可以纪录心电图，量度细胞释放的电流，却要困难得多。团队以上述的「石墨烯摄影机」记录跳动的心脏细胞电波，涉及到大脑时，还可开发出新的感知能力。

所谓「石墨烯相机」是一片仅10厘米宽大小石墨烯，以即时测量心肌细胞电压，通过产生微弱电场变成光学图像。薄片持续测量接触活体组织的电压变化，持续监察肌肉和细胞电流强弱，团队以石墨烯感测跳动中鸡胚胎心脏，变成实时影像。

「细胞收缩时，就发出动作电流，进而在细胞以外，产生一个微弱电场。」论文作者Halleh Balch解释：「当细胞下方石墨烯电场被吸收，可以看到从石墨烯反射回来光量就发生了变化。」

可形成实时影像

以往，研究人员一直以电极和化学染料测量细胞电流，但只局限于特定位置。上述薄片却是持续测量所有接触活体组织的电压，监察肌肉和细胞变化，毋须逐次扫描，整理出细胞电流通讯，不同情况下各种模态。

跳动心肌细胞产生电场实在太小，对于石墨烯反射率，不足以产生明显电流影响。团队在下方添加了极薄的「波导」（Waveguide）设备，定向引导电磁波放大讯号，离开装置之前，电波进行了约100次反射，放大能量才对着石墨烯发射。

「传感技术亦可与显微技术结合，观察经染色特定神经或肌肉组织，录下特定细胞之间通讯使用电流。」Halleh Balch说：「石墨烯相机可应用在新药临牀试验之前，测试心肌上候选药物，是否会引发心律不齐（Arrhythmia）。石墨烯又有极佳耐受性，放置在脑部内，加上传感器连续监察脑细胞电流，观察神经细胞的电讯传递，甚至脑部活动。