Новости химической науки > Алмазный термометр для клетки

Наномасштабная термометрия имеет нераскрытый потенциал для применения в биологии, от простейших исследований по определению того, как перемещаются тепловые потоки в живых системах до температурного контроля генной экспрессии.

В настоящее время используется целый ряд методов для измерения температуры в биологии, включая спектроскопию комбинационного рассеивания и обнаружение флуоресцирующих белков. Но использование этих методов затруднительно из-за низкой чувствительности или неспособности сделать высоко локализованные измерения.

Группа ученых под руководством профессора физики Михаила Д. Лукина (Mikhail D. Lukin) и профессора химии Хонгкун Парк (Hongkun Park) из Гарвардского университета приспособили обычный дефект в алмазе, чтобы усовершенствовать подход для наномасштабной термометрии в биологических системах.

В некоторых алмазах два смежных углеродных атома замещаются на азот и пустое место называется азотным вакантным центром. Незначительные температурные изменения меняют параметры кристаллической решётки таких алмазов, что влияет на квантовые спиновые свойства локального дефекта и видоизменяет ее флуоресцирующие свойства. Эти изменения могут быть зафиксированы.

Внутри клетки лазерный луч нагревает наночастицы золота. Различие флуоресценции наноалмазов внутри клетки позволяет определить локальную температуру. (Рисунок из Nature 2013, DOI: 10.1038/nature12373)

Исследователи использовали микроволновые импульсы, чтобы работать с искаженной спиновой структурой алмазной решетки. При этом изменения флуоресценции позволяют исследователям установить соответствующие изменения температуры. Новый метод способен определять изменения температуры в пределах 1,8 милликельвина в на области, линейные размеры которой составляют не более 200 нанометров.

Затем Лукин и Парк протестировали новый термометр на живой человеческой клетке – эмбриональном фибробласте. Они поместили наноалмазы и наночастицы золота в клетку. Лазерный луч нагревал наночастицы золота, и ученые контролировали температурные изменения во всей клетке благодаря наблюдению за изменениями флуоресценции наноалмазов.

Синьвэй Ван (Xinwei Wang) из Университета штата Айова говорит, что ему очень нравится новый метод. Ничего дополнительного не нужно, поскольку система чувствительна, дискретность метода сопоставима или превосходит широко распространенные способы, основанные на применении спектроскопии комбинационного рассевания. Ван говорит, что такой тип чувствительности чрезвычайно важен для диагностики тепловых характеристик и изучения химических реакций в биосистемах на клеточном уровне.

Константин В. Соколов (Konstantin V. Sokolov), профессор физики из Техасского университета в Хьюстоне, назвал работу «замечательным решением» задач по измерению температур в биологических системах на наноуровне. Ученые считают, что с определенными доработками этот метод сможет сделать возможным наблюдение за биологической активностью на уровне еще меньших элементов в режиме реального времени.

Источник: Nature 2013, DOI: 10.1038/nature12373

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #нанотехнологии, #физическая химия