Sensorer i nanostørrelse giver hidtil usete data om, hvordan varme diffunderer ind og ud af levende celler

Små flade sensorer, der klæber til overfladen af ​​levende celler, kan give detaljerede målinger af varmeoverførsel ved celleoverfladen. Udviklet ved King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudi Arabien, disse nye sensorer løser nogle af de praktiske udfordringer ved at arbejde med disse små celler samt muliggør nye diagnostiske teknikker.

Professor Boon Ooi, hans ph.d. studerende Rami Elavandy og kolleger udviklede disse sensorenheder fra galliumnitrid nanomembraner, der kun er 40 nanometer tykke. De viser også, at sensorerne kan identificere forskellige typer kræftceller.

ElAfandy forklarer, at optisk, levende cellers mekaniske og elektriske egenskaber er blevet grundigt undersøgt, og alligevel er der få data om deres termiske egenskaber, hovedsageligt på grund af udfordringerne ved at arbejde med små cellevolumener og uregelmæssige cellulære former.

"Celler har uregelmæssige buede konturer, hvilket betyder, at det er svært at have en fast kontakt med dem uden at beskadige deres membraner, " sagde ElAfandy. "Vi udnyttede den høje fleksibilitet af nanomembraner til at følge de cellulære konturer og minimere eventuelle temperaturfald inden for celle-sensor-grænsefladen, der ville give fejl."

Efter fastgørelse af sensoren til celleoverfladen, forskerne anvendte en pulserende ultraviolet laserstråle, opvarmning af nanomembranen og forårsager en fotoluminescerende emission af lys ved en frekvens, der afhænger af nanomembranens temperatur. Denne temperatur, på tur, afhang af hvor godt varmen blev overført til cellen.

Derfor, ved at måle frekvensen af ​​det fotoluminescerende lys, forskerne kunne beregne ikke kun cellernes varmeledningsevne – hvor godt de tillader varme at strømme – men også den termiske diffusivitet, som tager højde for, hvor godt cellen lagrer termisk energi.

Først, imidlertid, der var en praktisk udfordring at overvinde:"De lasere, vi bruger, kan forårsage fatal skade på celler, og nanomembranerne er for tynde til at absorbere alt det farlige laserlys, " sagde ElAfandy. "Vi løste dette ved at indsætte en tynd guldskive mellem nanomembranen og cellen for at absorbere al den transmitterede laserstråling, samtidig med at varme diffunderede fra nanomembranen til cellen."

Under prøver, forskerne identificerede stærke forskelle i termisk diffusivitet mellem bryst- og livmoderhalskræftceller samt mellem undertyper af brystkræftceller.

"Vores enheder er usædvanlige, idet de måler termisk ledningsevne og diffusivitet samtidigt for at give en bedre beskrivelse af varmetransport i celler, " sagde Ooi. "Vi håber at øge den rumlige opløsning til at scanne inden i celler og indsamle information om individuelle cellulære organeller. Med nogle større ændringer, en dag kan det endda være muligt at måle termisk transport i den menneskelige krop."