Nanodiamond sensorer kan fungere som både varmekilder og termometre

Et team af forskere fra Osaka University, University of Queensland og National University of Singapores fakultet for ingeniørvidenskab brugte bittesmå nanodiamanter belagt med en varmeafgivende polymer til at undersøge cellers termiske egenskaber. Når det bestråles med lys fra en laser, sensorerne fungerede både som varmelegemer og termometre, gør det muligt at beregne den termiske ledningsevne af det indre af en celle. Dette arbejde kan føre til et nyt sæt varmebaserede behandlinger til at dræbe bakterier eller kræftceller.

Selvom cellen er den grundlæggende enhed af alle levende organismer, nogle fysiske egenskaber har været vanskelige at studere in vivo. For eksempel, en celles varmeledningsevne, samt den hastighed, som varme kan strømme gennem en genstand, hvis den ene side er varm, mens den anden side er kold, forblev mystisk. Dette hul i vores viden er vigtigt for applikationer såsom udvikling af termiske terapier, der er målrettet mod kræftceller, og for at besvare grundlæggende spørgsmål om celledrift.

Nu, holdet har udviklet en teknik, der kan bestemme den termiske ledningsevne inde i levende celler med en rumlig opløsning på omkring 200 nm. De skabte små diamanter belagt med en polymer, polydopamin, der udsender både fluorescerende lys og varme, når de belyses af en laser. Eksperimenter viste, at sådanne partikler er ikke-toksiske og kan bruges i levende celler. Når man er inde i en væske eller en celle, varmen hæver temperaturen på nanodiamanten. I medier med høj varmeledningsevne, nanodiamanten blev ikke særlig varm, fordi varmen slap hurtigt ud, men i et miljø med lav varmeledningsevne, nanodiamanterne blev varmere. Vigtigt, egenskaberne af det udsendte lys afhænger af temperaturen, så forskerholdet kunne beregne hastigheden af ​​varmestrømmen fra sensoren til omgivelserne.

At have en god rumlig opløsning tillod målinger forskellige steder inde i cellerne. "Vi fandt ud af, at hastigheden af ​​varmediffusion i celler, som målt af hybrid nanosensorer, var flere gange langsommere end i rent vand, et fascinerende resultat, som stadig venter på en omfattende teoretisk forklaring og var afhængig af placeringen, " siger seniorforfatter Taras Plakhotnik.

"Ud over at forbedre varmebaserede behandlinger for kræft, vi tror, ​​at potentielle anvendelser for dette arbejde vil resultere i en bedre forståelse af metaboliske lidelser, såsom fedme, " siger seniorforfatter Madoka Suzuki. Dette værktøj kan også bruges til grundlæggende celleforskning, for eksempel, at overvåge biokemiske reaktioner i realtid.

Artiklen, "In situ målinger af intracellulær termisk ledningsevne ved hjælp af varmetermometer hybrid diamant nanosensorer, " er offentliggjort i Videnskabens fremskridt .