Gennem en eksplosiv teknik har forskere i Japan produceret de mindste nanodiamanter til dato, der er i stand til at sondere mikroskopiske temperaturforskelle i deres omgivende miljøer. Med en omhyggeligt kontrolleret eksplosion, efterfulgt af en flertrins oprensningsproces, Norikazu Mizuochi og et team ved Kyoto University fremstillede fotoluminescerende nanodiamanter omkring 10 gange mindre end dem, der blev fremstillet med eksisterende teknikker. Innovationen kunne væsentligt forbedre forskernes evne til at studere de minimale temperaturforskelle, der findes inde i levende celler.
For nylig er silicium-vacancy-centre (SiV) i diamant dukket op som et lovende værktøj til at måle variationer i temperatur på tværs af nanoskalaområder. Disse defekter dannes, når to tilstødende kulstofatomer i diamantens molekylære gitter erstattes med et enkelt siliciumatom. Når de bestråles med en laser, vil disse atomer fluorescere klart over et snævert område af synlige eller nær-infrarøde bølgelængder – hvis toppe skifter lineært med temperaturen i diamantens omgivelser.
Disse bølgelængder er særligt nyttige til biologiske undersøgelser, da de ikke udgør nogen trussel mod sarte levende strukturer. Det betyder, at når nanodiamanter, der indeholder SiV-centre, injiceres i celler, kan de undersøge de mikroskopiske temperaturvariationer i deres indre med sub-kelvin-præcision - hvilket giver biologer mulighed for at nærstudere de biokemiske reaktioner, der finder sted indeni.
Hidtil er SiV nanodiamanter i vid udstrækning blevet produceret gennem teknikker, herunder kemisk dampaflejring og udsættelse af fast kulstof for ekstreme temperaturer og tryk. For nu kan disse metoder dog kun fremstille nanodiamanter ned til størrelser på omkring 200 nm - stadig store nok til at beskadige sarte cellulære strukturer.
I deres undersøgelse udviklede Mizuochi og teamet en alternativ tilgang, hvor de først blandede silicium med en nøje udvalgt blanding af sprængstoffer. Efter detonering af blandingen i en CO2 atmosfære behandlede de derefter eksplosionens produkter i en flertrinsproces, som omfattede: fjernelse af sod og metalurenheder med en blandet syre; fortynding og skylning af produkterne med deioniseret vand; og belægning af de tilbageværende nanodiamanter med en biokompatibel polymer.
Endelig brugte forskerne en centrifuge til at filtrere større nanodiamanter fra. Slutresultatet var en batch af ensartede, sfæriske SiV nanodiamanter med en gennemsnitlig størrelse på ca. 20 nm: de mindste nanodiamanter nogensinde brugt til at demonstrere termometri ved hjælp af fotoluminescerende gitterdefekter. Gennem en række eksperimenter observerede Mizuochi og kolleger klare lineære skift i de fotoluminescerende spektre af deres nanodiamanter over temperaturer fra 22 til 45 °C - omfattende variationerne fundet i de fleste levende systemer.
Nanodiamanter måler termisk ledningsevne i levende celler
Succesen med denne tilgang åbner nu døren for langt mere detaljeret, ikke-invasiv termometri fra celleinteriør. Dernæst sigter teamet efter at optimere antallet af SiV-centre i hver nanodiamant, hvilket gør dem endnu mere følsomme over for deres termiske miljøer. Med disse forbedringer håber forskerne, at disse strukturer kan bruges til at studere organeller: de endnu mindre og mere sarte underenheder af celler, som er afgørende for alle levende organismers funktion.
Forskerne beskriver deres resultater i Carbon.
