Less is more:Dimensionalitetsreduktion som en generel strategi for mere præcis luminescenstermometri

Temperatur og varmeudveksling er grundlaget for biologiske processer i hele naturens rige. Flere af disse biologiske processer er forbundet med temperaturændringer i størrelsesordenen nogle få grader eller endda under 0,1 grader Celsius. For eksempel, hos krybdyr bestemmer en forskel på mindre end én grad i æginkubationstemperaturen den nyfødtes køn. Den menneskelige krop er ingen undtagelse:en lille temperaturstigning over basalniveauet kan ændre celledynamikken eller inducere demontering af en tumormatrix, og under anfald forekommer ændringer i hjernetemperaturen på nogle få decimaler. For pålideligt at overvåge disse processer er der behov for tilgange, der minimalt forstyrrer undersøgelsessystemet og har en termometrisk præcision under 0,1 grader Celsius.

Til dette formål i en ny undersøgelse offentliggjort i Light:Science &Applications , har et team af forskere fra Spanien og Portugal knækket koden for en øget præcision i den termiske udlæsning ved hjælp af selvlysende nanotermometre. Det er nanomaterialer, hvis optiske egenskaber er følsomme over for temperaturændringer, og de kan indsættes i biologiske (mikro)miljøer for at fungere som temperaturnanosonder ned til enkeltcelleniveau. Med deres reducerede størrelse overholder de forudsætningen om minimal forstyrrelse af det sonderede system. Men når der arbejdes i vandige miljøer, er præcisionen i aflæsningen af ​​temperaturen generelt over 0,1 grader Celsius.

For at kalibrere et luminescerende nanotermometer er ændringer i nanomaterialets optiske egenskaber kvantitativt korreleret med variationer i temperaturen i det omgivende miljø. Denne kalibrering går gennem valget af en passende termometrisk parameter og erhvervelsen af ​​et kalibreringsdatasæt, hvilket betyder, at fotoluminescensen (fotonabsorption efterfulgt af fotonemission) af nanotermometeret registreres som en funktion af et sæt temperaturer. Gennem brugen af ​​store dataanalysetilgange, der tilsammen kaldes dimensionalitetsreduktion, har forskerne demonstreret, at det er muligt at automatisere valget af den termometriske parameter, der maksimerer præcisionen af ​​den termometriske tilgang.

"Kalibreringen af ​​et selvlysende nanotermometer plejede at indebære en kedelig trial-and-error-tilgang, hvor forskellige termometriske parametre, såsom farve- og intensitetsændringer, blev testet uafhængigt. Og selvom den parameter, der til sidst blev valgt, var den bedste blandt dem, der blev undersøgt, var der ingen garanti for, at det var DEN bedste. Med den fremgangsmåde, vi foreslår, kan man nemt tilslutte et kalibreringsdatasæt, og du bliver automatisk belønnet med den højeste præcision, som dit nanotermometer har råd til," sagde forskerne.

"For at opnå dette resultat brugte vi matematiske tilgange, der er grundlaget for teknologier, der hurtigt bliver mainstream i vores samfund, såsom ansigts- og stemmegenkendelse og støjreducerende enheder. Disse dimensionsreduktionstilgange er kraftfulde algoritmer, der er i stand til at genkende de mest meningsfulde funktioner af en klasse af objekter og se bort fra mindre detaljer, der generelt er mindre meningsfulde. Denne træning af algoritmen muliggør f.eks. genkendelse af objekter."

"Dimensionalitetsreduktionstilgange gør det muligt at udnytte det fulde potentiale af luminescens nanotermometri, hvilket sikrer, at hver gang nanotermometeret, man bruger, fungerer efter højeste standard. Vi kan nu virkelig overveje at bruge luminescerende nanotermometri til at overvåge tidligere undvigende temperaturudsving, der forekommer i biologiske systemer og korreler dem med fysiologiske hændelser."

Forskerne tilføjede, at de "er overbeviste om, at vi vil se en opblomstring af eksempler, hvor lignende matematiske tilgange bliver brugt til at minimere den menneskelige komponent og forbedre ydeevnen af ​​sanseteknologier." + Udforsk yderligere

Intracellulært nanotermometer har hidtil uset alsidighed