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量子传感器

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纳米金刚石量子温度计可测量蠕虫的温度

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研究人员测量了温度 秀丽隐杆线虫 通过跟踪嵌入的纳米金刚石的线虫蠕虫。 (礼貌:大阪市立大学藤原正澄)

您如何测量蠕虫的温度?当然还有量子温度计。这正是研究人员使用包含具有氮空位(NV)缺陷中心的纳米金刚石的设备所实现的,该设备的磁共振会随温度变化。新技术对于一系列临床应用可能很重要。

您可能会问,为什么要冒蠕虫的温度?原因之一是生物体内的温度是内部发生的生物活动的直接量度。像这项新工作一样,降至亚微米级温度范围应提供有关细胞和分子活性的详细信息。仅举三个例子,这对于临床应用如对脑亚组织结构成像,可视化肿瘤异质性和绘制脂肪细胞分布图可能很重要。然而,将生物相容性温度计的尺寸减小到如此小的规模绝非易事。

近年来,已经看到可以克服这种技术局限性的发光纳米温度计的出现,例如热响应分子探针和纳米颗粒。然而,迄今为止制造的大多数设备对于长期使用而言仍然不够坚固,并且只能监视相对较长的时间段(小时)内的温度变化。它们也不是完全生物相容的。

纳米金刚石量子温度计

在这项新研究中使用的纳米金刚石量子温度计在许多方面都很有希望。探针由天然金刚石制成,其天然含有缺陷,称为NV中心。当钻石晶格中的两个相邻碳原子被氮原子和空晶格位点取代时,就会发生这种情况。

氮具有一个不成对的多余电子,因此表现为孤立的自旋。这种自旋可以是“向上”或“向下”,也可以是两者的叠加。可以通过用激光照射钻石并记录所发射荧光的强度和频率来探测其状态。

纳米金刚石中的NVs是理想的生物探针,因为它们无毒,耐光,具有可以被功能化并且可以轻松插入活细胞的表面。它们也与周围环境隔离,这意味着它们的量子行为不会立即受到周围热波动的影响,并且可以检测到来自附近电子或核自旋的非常弱的磁场。因此,它们可用作高度灵敏的磁共振探针,能够监测几十纳米距离内材料中的局部自旋变化。并且,与生物学中常规的磁共振成像(MRI)技术不同,在传统的磁共振成像技术中,需要数百万次旋转才能产生可​​测量的信号,NV缺陷可以纳米级的空间精度检测单个目标旋转。

健康蠕虫与发烧蠕虫

在他们的实验中 藤原正澄大阪市立大学 日本的一位同事及其同事用聚合物结构对纳米金刚石的表面进行功能化,然后将其注入 秀丽隐杆线虫 线虫蠕虫(生物学上最受欢迎的动物模型之一)。传感器首先读取生物的基本“健康”温度,以光学方式检测NV缺陷中心的磁共振的频移。

由于纳米钻石在蠕虫中的移动速度比在培养细胞中的移动快得多,因此研究人员开发了一种快速的粒子跟踪算法。他们还包括一个误差校正过滤器,该过滤器考虑了蠕虫的身体结构,这可能会导致发出的荧光强度出现明显波动,并可能产生温度测量伪像。

接下来,团队报告他们在 科学进步通过化学刺激线粒体,在蠕虫中诱发了人为的“发烧”。他们的传感器成功记录了这种温度升高,精度约为±0.22°C。

藤原说:“看到量子技术在活体动物中如此出色的表现真是令人着迷,我从来没有想到小于1毫米大小的细小蠕虫的温度会偏离标准并发展为发烧。” “我们的研究结果是一个重要的里程碑,它将指导量子传感的未来方向,因为它表明了量子传感对生物学的贡献。”

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