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纳米材料

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纳米金刚胺测量活细胞的导热系数

27 Jan 2021 IsabelleDumé.
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热点话题 涂有热释放聚合物的荧光纳米胺作为热源和传感器,用于细胞内测量导热率。 (礼貌:Istock / Mervana)

基于纳米金刚胺的传感器,测量亚细胞分辨率下活细胞的导热率可以帮助研究人员更好地了解有机体如何产生和控制热量。通过将热输送和感测到单个装置中,新纳米传感器也可以帮助发育基于热基的癌症疗法。

所有哺乳动物和鸟类都会产生自己的内部热量。所以,做某些植物和鱼。然而,生物体用于产生和控制这种热量的机制 - 从细胞内生化来源产生,然后通过细胞流过细胞来预热整个身体 - 未被完全理解。

称为发光纳米热测定的技术通常用于测量活细胞中的热流,因为其分辨率足够高,以便研究人员在细胞内定位温度变化。这些变化可能是显着的,最近的研究表明,电池的一部分中的温度可以高达1k温暖或冷却器。

测量局部细胞内导热率

然而,存在这些测量的问题:在实验室实验中观察到的温度增加是比使用基于物理学的蜂窝发热的模型预测的增加的几个数量级。探讨日本大阪大学的这种差异;澳大利亚昆士兰州大学;新加坡国立大学创建了一个双向设备,它充当温度传感器,同时也在同一位置产生热量。该设备使团队成员能够测量局部细胞内导热系数 - 蜂窝热发电模型的基本参数。

新的设备由一支由领导的团队制作 Madoka Suzuki.大阪的蛋白质研究所,包括涂有含有含有聚二胺(PDA)的热释放聚合物的荧光纳米胺。当用激光照射时,纳米金刚胺在PDA加热时发光。

研究人员将它们的混合装置放在两种类型的生物细胞,Hela和MCF-7中。他们发现PDA在具有较高导热率的耐热导电性的细胞中加热更多。这是因为在前者比后者在前者中的热量散热得更慢。由于纳米金刚胺的荧光取决于它们的温度,因此研究人员能够使用该荧光来计算从装置到其周围环境的热流速率。该技术的空间分辨率为200nm也允许它们在细胞内部的不同点进行测量。

Nanodiamond quantum sensor

铃木和同事计算出两种细胞系的平均导热率值大约为0.11W / m / k。队员 塔拉斯普拉斯赫尼克,物理学家 昆士兰州,将此描述为“迷人”的结果,因为它远小于水的平均导热率,其约为0.6W / m / k。 Plakhotnik说,由于水是活细胞的重要组成部分,因此这一结果需要一个综合的理论解释。

治疗用途

除了研究蜂窝电导率的工具以及研究人员认为,他们的PDA也可以证明在癌症的热基(光热)治疗中。这些治疗方法通过提高足够高的癌细胞的温度来杀死它们,但这样做通常在过程中经常杀死附近的健康细胞。铃木说,了解两种类型的细胞中的热流会使治疗更安全。通过将金纳米颗粒连接到它们的表面,也可以更有效地使PDA的加热效果更有效。这些纳米颗粒是良好的电磁辐射吸收剂,并且由于一种被称为表面等离子体共振的现象而加热,在该现象中,表面电子在其上发挥着重要作用。

该团队的成员现在计划提高其测量的准确性和空间解决。 “我们想了解为什么我们为我们学习的两条细胞系观察到这么低的导热系数,”Plakhotnik和Suzuki告诉 物理世界。 “这样的基本工作可能允许我们解释在生物细胞中观察到的”热点“的起源。”

研究详细说明 科学推进.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者