美國與中國科學家最近3D奈米線-奈米管異質結構(nanowire-nanotube heterostructure)，利用製作出史上最小的生物電子探針(bioelectronic probe)。該元件直徑僅有10 nm，因此可以用來探索現行探針幾乎無法處理的微小次細胞組織結構，例如神經突觸(synapses)及樹突小刺(dendritic spine)。 這個由Charles Lieber領導的哈佛大學及北京大學團隊先在基板上製造矽奈米線(SiNW)場效電晶體(FET)，接著在SiNW FET上生長做為模版用的鍺奈米線，然後以過氧化氫(hydrogen peroxide)蝕刻縮減鍺奈米線上半部的尺寸，但保持下半部粗細不變。接著研究人員在整個結構上沉積二氧化矽，然後以選擇性緩衝氫氟酸蝕刻(selective buffered hydrofluoric acid etch)縮小罩在鍺奈米線外的二氧化矽殼的厚度，讓鍺奈米線的頂端露出來，最後再以過氧化氫移除鍺奈米線，便可得到3D的二氧化矽奈米管-矽奈米線結構。 SEM影像顯示此異質結構的管身逐漸變細，頂端的管內徑約為8 nm，管壁厚約10 nm，下半部的內徑約為80 nm，壁厚則有30 nm。團隊成員Xiaojie Duan表示，當奈米管尖端刺穿細胞膜後，填入管內的細胞溶質(cytosol)對底下的SiNW-FET而言相於是液狀閘極，只要測量SiNW-FET導電性的變化，就能得知胞膜內外的電位差及動作電位(action potential)，因此可以用來記錄神經或其他細胞中的快速電子訊號。事實上該團隊已經利用該元件來監測HL-1細胞的休息膜電位(transmembrane resting potentials)。 該團隊也測量了此探針的操作頻寬，發現當探針直徑小至5 nm時，頻寬還有3 kHz，已足夠用來記錄時間尺度通常為毫秒的神經及其他細胞的動作電位。Lieber指出，他們的探針對未來的電生理學研究助益極大，因位現行的生物探針很難進行在這方面的測量。他們也希望能將他們的探針整合成大型陣列，以便能用空前的解析度用來研究神經網絡。 該團隊目前面臨一個問題，那究是如何在次細胞結構中幫此超小型探針定位。研究人員表示他們可能會利用螢光染料或其他具生物可容性的材料來標示奈米管，而在探針上添加具標靶功能的分子群也是一種選擇。詳見PNAS | doi: 10.1073/pnas.1323389111。 |