Små platta sensorer som fastnar på ytan av levande celler kan ge detaljerade mätningar av värmeöverföringen vid cellytan. Utvecklad vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudiarabien, dessa nya sensorer löser några av de praktiska utmaningarna med att arbeta med dessa små celler samt möjliggör nya diagnostiska tekniker.

Professor Boon Ooi, hans doktorsexamen Studenten Rami Elavandy och hans medarbetare utvecklade dessa sensorenheter från galliumnitrid nanomembran som bara är 40 nanometer tjocka. De visar också att sensorerna kan identifiera olika typer av cancerceller.

ElAfandy förklarar att optisk, levande cellers mekaniska och elektriska egenskaper har studerats omfattande och ändå finns det lite data om deras termiska egenskaper, främst på grund av utmaningarna med att arbeta med små cellvolymer och oregelbundna cellulära former.

"Celler har oregelbundna böjda konturer, vilket betyder att det är svårt att ha en fast kontakt med dem utan att skada deras membran, ", sa ElAfandy. "Vi använde den höga flexibiliteten hos nanomembraner för att följa de cellulära konturerna och minimera eventuella temperaturfall inom cell-sensorgränssnittet som skulle ge fel."

Efter att ha fäst sensorn på cellytan, forskarna applicerade en pulsad ultraviolett laserstråle, uppvärmning av nanomembranet och orsakar en fotoluminescerande ljusemission med en frekvens som beror på nanomembranets temperatur. Denna temperatur, i tur och ordning, berodde på hur väl värmen överfördes in i cellen.

Därför, genom att mäta frekvensen av det fotoluminescerande ljuset, forskarna kunde beräkna inte bara cellernas värmeledningsförmåga – hur väl de tillåter värme att flöda – utan också värmediffusionsförmågan, som tar hänsyn till hur väl cellen lagrar värmeenergi.

Först, dock, det fanns en praktisk utmaning att övervinna:"Lasrarna vi använder kan orsaka dödlig skada på celler och nanomembranen är för tunna för att absorbera allt farligt laserljus, "sa ElAfandy." Vi löste detta genom att sätta in en tunn guldskiva mellan nanomembranen och cellen för att absorbera all laserstrålning som överförs samtidigt som värme kan spridas från nanomembranen till cellen. "

Under tester, forskarna identifierade starka skillnader i termisk diffusivitet mellan bröst- och livmoderhalscancerceller samt mellan undertyper av bröstcancerceller.

"Våra enheter är ovanliga genom att de mäter värmeledningsförmåga och diffusivitet samtidigt för att ge en bättre beskrivning av värmetransport i celler, ", sade Ooi. "Vi hoppas kunna öka den rumsliga upplösningen för att skanna inuti celler och samla in information om individuella cellulära organeller. Med några större modifieringar, en dag kan det till och med vara möjligt att mäta värmetransport i människokroppen. "