电等离子体纳米天线：一种用于超灵敏无标记检测电生理信号的非荧光光学探针

摘要： 利用光前所未有的时空分辨率能力来检测电生理信号，是近50年来科学家们追求的目标。然而，由于缺乏能将电活动高效转化为高光子数光学信号的电极光转换器，这一目标进展仍难以实现。在此，我们推出一种超灵敏且极高亮度的纳米级电场探针，突破了现有光学场报告器低光子数的限制。我们的电等离子体纳米天线具有大幅增强的横截面（约为10? nm2，而电压敏感荧光染料和量子点的典型值分别约为10?2 nm2和约1 nm2），能以极高的灵敏度和信噪比（约60至220）从衍射极限光斑可靠检测局部电场动态。在我们的电光实验中，我们展示了千赫兹频率下高时间分辨率的电场测量，并以低强度光（11 mW/mm2）实现了心肌细胞网络级发电活动的无标记光学记录。