(a) Illustration av strukturen av en nanodiamantkvantsensor belagd med en pyrogen polymer, och hur den fungerar som en hybrid nanovärmare/termometer. (b) Elektronmikroskopbild av hybridsensorer. (c) Arbetsprincip för hybridsensorn för mätning av nanometrisk värmeledningsförmåga. I ett medium med hög värmeledningsförmåga, temperaturökningen på diamantsensorn är måttlig, eftersom värme lätt diffunderar bort. I kontrast, i ett medium med låg värmeledningsförmåga, temperaturökningen är betydligt större. Intracellulär värmeledningsförmåga kan bestämmas genom att mäta temperaturförändringen hos hybridsensorerna i celler. Kredit:Osaka University
Ett team av forskare från Osaka University, University of Queensland och National University of Singapores tekniska fakultet använde små nanodiamanter belagda med en värmeavgivande polymer för att undersöka cellers termiska egenskaper. När den bestrålas med ljus från en laser, sensorerna fungerade både som värmare och termometrar, tillåter att värmeledningsförmågan hos det inre av en cell kan beräknas. Detta arbete kan leda till en ny uppsättning värmebaserade behandlingar för att döda bakterier eller cancerceller.
Även om cellen är den grundläggande enheten för alla levande organismer, vissa fysikaliska egenskaper har varit svåra att studera in vivo. Till exempel, en cells värmeledningsförmåga, samt den hastighet som värme kan strömma genom ett föremål om den ena sidan är varm medan den andra sidan är kall, förblev mystisk. Denna lucka i vår kunskap är viktig för tillämpningar som att utveckla termiska terapier som riktar sig mot cancerceller, och för att svara på grundläggande frågor om celldrift.
Nu, teamet har utvecklat en teknik som kan bestämma värmeledningsförmågan inuti levande celler med en rumslig upplösning på cirka 200 nm. De skapade små diamanter belagda med en polymer, polydopamin, som avger både fluorescerande ljus och värme när de belyses av en laser. Experiment visade att sådana partiklar är icke-toxiska och kan användas i levande celler. När du är inne i en vätska eller en cell, värmen höjer temperaturen på nanodiamanten. I media med hög värmeledningsförmåga, nanodiamanten blev inte särskilt varm eftersom värmen rann ut snabbt, men i en miljö med låg värmeledningsförmåga, nanodiamanterna blev hetare. Avgörande, egenskaperna hos det emitterade ljuset beror på temperaturen, så forskargruppen kunde beräkna hastigheten på värmeflödet från sensorn till omgivningen.
(a) Temperaturökningar observerade med hybridsensorer i luft, vatten, olja, och inuti cellen. Dessa resultat överensstämmer med tanken att högre temperaturökningar förekommer i lösningsmedel med lägre värmeledningsförmåga. Litteraturvärdena för luftens värmeledningsförmåga, vatten, och olja är 0,026, 0,61, och 0,135 W/m* K, respektive. (b) Ljusfältsmikroskopisk bild av en HeLa-cell med en hybridsensor inuti. Kredit:Osaka University
Att ha god rumslig upplösning möjliggjorde mätningar på olika platser inuti cellerna. "Vi fann att hastigheten för värmediffusion i celler, mätt av hybrid nanosensorer, var flera gånger långsammare än i rent vatten, ett fascinerande resultat som fortfarande väntar på en heltäckande teoretisk förklaring och var beroende av platsen, ", säger seniorförfattaren Taras Plakhotnik.
"Förutom att förbättra värmebaserade behandlingar för cancer, vi tror att potentiella tillämpningar för detta arbete kommer att resultera i en bättre förståelse av metabola störningar, såsom fetma, " säger seniorförfattaren Madoka Suzuki. Detta verktyg kan också användas för grundläggande cellforskning, till exempel, för att övervaka biokemiska reaktioner i realtid.
Artikeln, "In situ mätningar av intracellulär värmeledningsförmåga med hjälp av värmetermometer hybrid diamant nanosensorer, " publiceras i Vetenskapens framsteg .
