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纳米温度计可测活细胞

发布时间:2019-10-12 21:47:32

研究人员用激光加热细胞的特殊部位,然后使用纳米钻石测量了温度。

一种最初为量子计算机开发的工具,现在能够测量一个活细胞内的温度变化。

该技术利用微小钻石晶体或“纳米钻石”的量子效应,检测千分之几度的温度变化。在其帮助下,研究人员也能够用激光加热细胞的一些特定部分。“现在,我们有工具在细胞级别上控制温度,同时也能研究生物系统如何应对温度变化。”美国哈佛大学物理学家PeterMaurer说,他参与了该实验。相关研究成果日前发表于《自然》杂志。

钻石已经成为处理量子信息的一种有用材料。在经典计算中,信息被储存成二进制数字(bit),可能是0或1。但是,一个量子比特(qubit)是同一时刻两个状态的叠加。钻石能在其碳晶格中以杂质的电子态储存量子比特。这些杂质包含取代了一个碳原子和单原子间隙的氮原子。

研究人员成功地操控了这些氮-空位中心,这朝着使用它们进行量子计算迈进了一步。并且由于氮原子的电子对磁场非常敏感,钻石晶体在核磁共振成像方面也具有潜力。

另外,这类磁探针对温度的微小波动非常敏感。通过将探针用作精确温度计,研究人员开始将其潜在的弱势转变成优势。现在,Maurer及其同事已将这种工具用于生物学上。

研究人员使用纳米细线将钻石晶体注入人类胚胎细胞。然后,他们用绿色激光射线照射该细胞,从而导致氮杂质发出红色的荧光。

细胞内部局部温度的变化,影响了氮-空位中心发射的红光的强度。研究人员能够测量这种强度,并利用相关结果计算相应纳米钻石的温度。由于导热性能好,这种纳米晶体的温度可能与其接触的细胞环境的温度一致。

研究人员还为细胞注射了金纳米粒子,然后使用激光加热细胞的不同部位。多亏这种微小钻石温度计,他们能够精确地控制何处温度上升,以及上升多少。

Maurer提到,在基础物理学中,钻石温度计可能会是一个有用的工具,因为从基因表达到细胞新陈代谢,许多生物进程都深受温度的影响。例如,生物学家能够通过控制局部温度,研究秀丽隐杆线虫等简单生物体的发育。“你能够加热个别细胞,并研究周围细胞的繁殖速度是减慢还是加快。”Maurer说。

其他研究小组则使用荧光分子反映人体细胞的温度,但是哈佛大学的温度计要比那些技术敏感至少10倍。Maurer表示,它能探测仅为0.05开尔文的温度波动。研究人员还指出,该技术尚有改进的空间,因为在细胞外部,这种微小装置的敏感性已经能达0.0018开尔文。

加利福尼亚大学圣塔巴巴拉分校物理学家DavidAwschalom表示,该纳米钻石温度计在化学中也有潜在用途,它能监控热流如何影响化学反应,尤其是在两种物质的连接处。

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